地下水封洞庫巖體質量可拓評價

李 輝，季惠彬，晏鄂川，楊 舉

（中國地質大學工程學院，武漢 430074）

地下水封洞庫巖體質量可拓評價

李 輝，季惠彬，晏鄂川，楊 舉

（中國地質大學工程學院，武漢 430074）

基于可拓學的物元模型，借助可拓評價模型對地下水封洞庫巖體質量進行分類。根據(jù)巖體質量分類的影響因素，確定經(jīng)典域和節(jié)域，并利用均方差法求取的權系數(shù)和引入的關聯(lián)度，對地下水封洞庫質量進行可拓評價。將該模型應用于黃島地下水封洞庫工程，得到了較好的預測結果，雖然與BQ法和RMR法對比得到的結果有異，但取樣分析表明可拓評價模型的結果更合理，能夠反映地下水封洞庫巖體質量的等級。

地下水封洞庫；巖體質量；可拓學；權系數(shù)

2.1 建立經(jīng)典域物元Roi

1 概 述

目前，國內外的巖體質量分類方法很多，主要有傳統(tǒng)分類法（例如RQD分類法；RMR分類法；Barton分類法和BQ分類法等）和智能化分類法（例如神經(jīng)網(wǎng)絡分類法、灰色理論和專家系統(tǒng)研究等）［1］，這些方法考慮了主要的影響因子，從定性或定量角度考慮評價了巖體質量。但是，地下水封洞庫的巖體處在復雜的地質環(huán)境中，受到諸多因素的影響，如地下水的流量、地應力大小和洞室主軸線方位的選擇等因素。而這些方法所考慮的因素比較固定，不能綜合評價巖體質量的好壞。另外，這些評價方法還受到條件的約束，如適合硬巖的方法未必對軟巖也合適［2，3］。然而，可拓學理論可以綜合評價這些因素，且能夠合理地評價地下水封洞庫巖體質量。

本文運用可拓學理論對地下水封洞庫巖體質量進行分類，通過考慮多個影響因素，確定評價模型。同時，利用均方差法求取權系數(shù)，得到各因素的權重。把可拓學評價理論和均方差法結合在一起確定可拓學評價模型，能夠較好地應用在地下水封洞庫巖體質量評價中。

2 確定可拓學［4］評價模型

設Q為巖體質量，c為該事物的特征，關于事物c的量值為V，以有序三元組R＝（事物、特征、量值）＝（Q，c，V）作為描述事物的基本元表達式，簡稱物元。

式中：Qoi表示巖體質量的全體，劃分i個等級；ci（i＝1，2，3，…，n）表示巖體質量Qoi的特征；Vij分別為Qoi關于ci所規(guī)定的量值范圍；Vij＝＜aij，bij＞（i，j＝1，2，3，…，n）。

2.2 建立節(jié)域物元Rp

式中：Q表示巖體質量分類的全體；Vpi分別為Q關于ci所規(guī)定的量值范圍。

2.3 確定待評物元Ri

根據(jù)實際，對巖體質量分類單元Qi（i＝1，2，3，…，n）的每個特征值ci（i＝1，2，3，…，n）做出評價，將分析結果用物元表示，即待測物元

2.4 確定待評物元關聯(lián)度的計算方法

根據(jù)可拓集合的關聯(lián)函數(shù)，待測物元的關聯(lián)度是

式中：Kj（Q）表示巖體質量的Q關于分類j等級可拓關聯(lián)度；αi為權系數(shù)，且

2.5 確定權系數(shù)αi

均方差法［5］求取權系數(shù)，先需要根據(jù)無量綱化的數(shù)據(jù)，求指標ci的平均值E（ci）和均方差σ（ci）：

然后，求指標ci的權系數(shù)αi，

3 可拓評價模型在黃島地下水封洞庫工程中的應用

3.1 黃島地下水封洞庫的地質條件

洞庫處于膠南臺隆北緣，屬低山丘陵地貌，洞庫山體為龍雀山，近東西走向，南側為陡坡，地形坡度一般為35°～55°，山脊南北兩側發(fā)育近南北向及北東向沖溝。庫址區(qū)位于牟（平）－即（墨）斷裂帶南緣，主要發(fā)育北東向及近東西向斷裂，庫區(qū)內的次級斷裂和節(jié)理較發(fā)育，節(jié)理成因類型主要是構造成因、物質分異成因和巖脈侵入成因。所取巖樣處在地下150～260m，地層巖性是晚元古界花崗片麻巖。洞庫最大主應力為水平主應力，方向為NWW向，優(yōu)勢方向為N73°W，水平主應力數(shù)值在6～16 MPa。

3.2 確定評價指標值標準

根據(jù)國際上通用的RMR分級法和《工程巖體分級標準》（GB50487－2008），確定了如下評價指標，巖石單軸飽和抗壓強度Rc、巖石完整性指數(shù)Kv、節(jié)理間距、RQD、地下水流量W、最大水平主應力σ、優(yōu)勢結構面走向與洞主軸線的夾角β和最大水平主應力與洞主軸線的夾角γ。綜合國內外較有影響的分類方法，確定巖體質量評價標準［6，7］，將巖體質量分為五級（Ⅰ－Ⅴ級）。Ⅰ－Ⅴ級分別表示巖體質量由好到壞，Ⅰ級表示好的巖體，巖體堅硬、完整；Ⅴ級表示差的巖體，巖體較破碎或破碎；其它等級介于兩者之間。詳見表1。

3.3 確定待評指標值

在黃島地下水封洞庫的勘察報告中，巖石單軸飽和抗壓強度、巖石完整性指數(shù)和節(jié)理間距、RQD值、地下水流量、最大水平主應力分別是由室內試驗、鉆孔數(shù)字式全景攝像、巖芯采取率、提水和壓水試驗、水壓致裂地應力測量方法得到。其中，鉆孔成像不僅可以提供每個鉆孔孔壁的實測展開圖，而且還可以提供每個鉆孔實測裂隙節(jié)理發(fā)育情況，并提供裂隙節(jié)理的產(chǎn)狀，還可以對部分較寬的裂隙提供裂隙寬度，通過鉆孔成像能夠較準確地得到巖石完整性指數(shù)和節(jié)理間距。另外，根據(jù)洞庫主軸線N45°W，確定優(yōu)勢結構面走向與洞主軸線的夾角、最大水平主應力與洞主軸線的夾角。文中選擇5組數(shù)據(jù)，作為待評指標的特征值，評價指標值詳見表2。

3.4 指標的無量綱化

通過對指標的無量綱化，消除因單位的不同造成的誤差，詳見表3、表4。

表1 巖體質量分類標準Table1 Criteria of rock mass classification

表2 黃島地下水封洞庫巖體質量評價指標值Table2 Value of evaluation indexes of rock mass of caverns sealed by groundwater

表3 巖體質量分類標準（無量綱化）Table3 Criteria of rock mass classification（dimensionless）

表4 黃島地下水封洞庫巖體質量評價指標（無量綱化）Table4 Value of evaluation indexes of rock mass of caverns sealed by groundwater（dimensionless）

表5 評價指標的權重Table5 W eights of evaluation indexes

表6 每組巖體的關聯(lián)度Table6 Correlation degree of each rock mass

表7 可拓學理論、BQ法分類和RMR法分類等級Table7 Rock mass quality grades by extenics theory，BQ method and RMR method

3.5 確定黃島地下水封洞庫物元的經(jīng)典域和節(jié)域

根據(jù)表2，確定洞庫巖體質量Ⅰ－Ⅴ級物元的經(jīng)典域Ro1－Ro5（文中只列舉Ro1）和洞庫巖體質量評價指標的節(jié)域Rp。將Rc，Kv，節(jié)理間距和RQD，W，σ，β，γ分別表示為c1－c8。

Ⅰ級洞庫巖體質量的經(jīng)典域Ro1和節(jié)域Rp為

3.6 確定待測物元

根據(jù)表4，對黃島地下水封洞庫的巖體質量評價指標確定待測物元R1－R5（文中只列舉R1和R5）為

3.7 確定評價指標的權系數(shù)

根據(jù)均方差公式（6），（7），（8），求得待測洞庫巖體質量評價指標的權系數(shù)，詳見表5。

3.8 確定關聯(lián)度

根據(jù)公式（4）、（5），求取洞庫巖體質量待測物元的關聯(lián)度Ki（p），詳見表6。

3.9 巖體質量評價預測結果及對比

根據(jù)表6，將每組巖體中最大的關聯(lián)度值所對應的等級作為該組巖體的級別，即：

K（G1）＝max｛Ki（j）｝＝K（1），G1組巖樣是Ⅰ級；

K（G2）＝max｛Ki（j）｝＝K（2），G2組巖樣是Ⅱ級；

K（G3）＝max｛Ki（j）｝＝K（3），G3組巖樣是Ⅲ級；

K（G4）＝max｛Ki（j）｝＝K（1），G4組巖樣是Ⅰ級；

K（G5）＝max｛Ki（j）｝＝K（1），G5組巖樣是Ⅰ級。

然后，將預測結果與BQ分類法和RMR分類法相比較，發(fā)現(xiàn)2種分類方法所評價的結果基本相同（表7），部分不同主要是因為可拓評價模型綜合考慮影響因素，克服了傳統(tǒng)評價方法局限于單一或者固定影響因素的不足。另外，通過巖樣觀察分析，G4，G5兩組巖樣較完整，結構面不發(fā)育，單軸飽和抗壓強度值較大，據(jù)此認為巖體質量較好，應該屬于Ⅰ級。

4 結 論

（1）通過可拓模型對黃島地下水封洞庫巖體質量的評價得知，在傳統(tǒng)評價方法考慮的因素基礎上，可拓評價模型綜合考慮了對地下水封洞庫巖體質量有影響的地下水、地應力、結構面及相關的因子，合理、準確地評價了地下水封洞庫巖體質量。

（2）本文利用均方差法求取權系數(shù)，能夠反映出影響因素的離散程度，表明了各因子對洞庫巖體質量的影響程度是有區(qū)別的，但是還需要根據(jù)地下水封洞庫的巖體所處的地質環(huán)境合理分配權重。

（3）通過與BQ分類法和RMR分類法的比較，預測結果有區(qū)別，從取出的巖樣分析，可拓評價模型得到的結果是正確的，說明可拓學理論能夠適用于地下水封洞庫的巖體質量分類。

［1］ 丁向東，吳繼敏，顧 俊.水利工程巖體質量分類方法綜述［J］.水電能源科學，2006，24（4）：44－50.（DING Xiang dong，WU Ji min，GU Jun.Review of Evaluation Methods for Engineering Quality of Rock Masses in Hy draulic Engineering［J］.Water Resources and Power，2006，24（4）：44－50.（in Chinese））

［2］ 賈 超，肖樹芳，劉 寧.可拓學理論在洞室?guī)r體質量評價中的應用［J］.巖石力學與工程學報，2003，22（5）：751－756.（JIA Chao，XIAO Shu fang，LIU Ning. Application of Extenics Theory to Evaluation of Tunnel Rock Quality［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22（5）：751－756.（in Chi nese））

［3］ 康志強，馮夏庭，周 輝.基于層次分析法的可拓學理論在地下洞室?guī)r體質量評價中的應用［J］.巖石力學與工程學報，2006，25（增）：3687－3693.（KANG Zhi qiang，F(xiàn)ENG Xia ting，ZHOU Hui.Application of Ex tenics Theory to Evaluation of Underground Cavern Rock Quality Based on Stratification Analysis Method［J］.Chi nese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，25（Sup.）：3687－3693.（in Chinese））

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［7］ SY／T0610－2008，地下水封洞庫巖土工程勘察規(guī)范［S］.（SY／T0610－2008，National Development and Re form Commission.Standard for Underground Water En closed Cavern Investigation of Geotechnical Engineering［S］.（in Chinese） ）

（編輯：羅玉蘭）

Extensible Evaluation for Rock M ass Quality of Petroleum Storage Cavern Sealed by Groundwater

LIHui，JIHui bin，YAN E chuan，YANG Ju
（Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

With extensionable evaluation model，the quality of rock mass of petroleum storage cavern sealed by groundwater is classified in this paper based on Extenics Matter Elementmodel.According to the influencing fac tors of rock mass quality classification，the classical field and segment field are determined.Meanwhile，bymeans of weight coefficients obtained bymean square deviation and the introduced correlation degree，an extensible evalu ation model ismade for the rock mass quality.Thismodel is applied in the Huangdao cavern sealed by groundwa ter，and good prediction result has been obtained.By sampling analysis，it shows that even though the result differs somewhat from thatof BQmethod and RMRmethod，thismodel ismore reasonable，and is capable of reflecting the grade of rock mass quality.

petroleum storage cavern sealed by groundwater；rock mass quality；extenics；weight coefficients

P642

A

1001－5485（2011）08－0055－04

2010 09 06

教育部新世紀“優(yōu)秀人才支持計劃”資助項目（NCET－07－0775）

李 輝（1987 ），男，山東濟寧人，碩士研究生，主要從事巖土體穩(wěn)定性研究，（電話）15827339304（電子信箱）lihui2088＠163.com。