可拓物元法在洞室岩体质量分级中的应用

2013-12-17蔡斌，刘畅

水电站设计 2013年3期

蔡斌，刘畅

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 概述

地下洞室工程中，有多种围岩分类评价方法，常用的有HC法、RQ法、RMR法等，每种方法考虑的因素不一。可拓评判则从可拓集合理论出发，建立多指标性能参数的质量评定模型，通过定量的数值表示评价结果。这种评判方法最大的优点是可以从中选用不同的考虑因素进行综合评价，这样可以使评价指标最优化地接近实际的工程地质情况，分类结果自然比传统分类方法更加准确。本文以西南大渡河中游龙头石水电站3号泄洪洞为实例，结合隶属度的概念，应用可拓理论对岩体进行分类，选取最适合工程实际的评价指标，建立基于洞室岩体质量分级的物元可拓评价模型，较好地解决了工程中的实际问题，为洞室岩体质量分级的综合评价提供了一条新的途径。

2 物元可拓评价模型

2.1 物元

给定事物N关于特征C的量值为v，以有序三元R=(N，C，v)组作为描述事物的基木物元。如果事物N有n个特征C1，C2，…，Cn和相应的模糊量值v1，v2，…，vn，则R为n维模糊物元，简记为R=(N，C，V)。

(1)

式中Ni——第i段待评洞室岩体;

Cj——影响洞室岩体质量的因素(j=1，2，…，n);

Vij——第i段洞室岩体对应于Cj的量值。

2.2 经典域、节域

经典域可表示为：

式中R0i——为一个物元;

Ni——第i个评价类别，即洞室岩体质量类别；

Ci——第i个评价指标，即影响岩体质量的因数；

Vi——Ci为所规定的量值范围，即经典域，Vij=〈aij，bij〉(i=1，2，…，n；j=1，2，…，m)。

节域可表示为：

式中P——评价类别的个体，即洞室岩体质量类别个体；

VPj——P关于Ci所取的量值范围，即P的节域〈aPj,bPj〉。

2.3 确定待评物元

对待评的事物P，将所收集到的数据用物元表示，即可得到待评物元R：

式中vi——p关于Ci的量值，即待评事物的所有具体数据。

2.4 确定各评价指标关于各类别等级的关联度

洞室岩体各单项评价指标关于各类别等级的关联度为：

|Vij|=|bij-aij|

2.5 确定待评物元关于等级t的关联度

待评物元关于等级t的关联度，即计算岩体质量类别的关联度，Wi为各评价指标的权系数，在综合评价中,考虑到各因素对围岩分级的影响程度不同,应根据其作用大小分别赋予不同的权值。权值的计算方法可根据实际情况选取,不同的评价目的及评价因子按不同的公式进行计算。在此采用下式计算：

2.6 判定岩体质量等级

若Kt0(p)=maxKt(p)，则可判定岩体质量类别为t0类。

另外，p的等级变量特征值t*

从t*的数值可以看出待评事物p偏向另一级的程度，即属于岩体质量t0类别的程度。

3 物元可拓评价模型的工程实例应用

龙头石水电站位于四川省西部大渡河中游，是一座以发电为主的大型水利水电枢纽工程，水库总库容1.199 4亿m3，电站装机容量700MW。其3号泄洪洞布置于左岸，设计洞长660.95m ,隧洞断面为城门洞型，断面尺寸15.0m×16.5m(宽×高)。电站位于中高山的开阔河谷地段，坝址出露岩石主要为澄江期粗粒花岗岩和细粒花岗岩，并有后期侵入的少量各类基性脉岩。坝址地质构造较简单，无区域性断层通过，构造型式以南北向辉绿岩脉发育的挤压破碎带、错动带和小断层为主，地下水主要为基岩裂隙水和第四系松散堆积层孔隙水。3号泄洪洞室区岩性为花岗岩，其间穿插有辉绿岩脉，弱风化～微新，岩体总体以镶嵌～次块状结构为主。

3.1 评价指标的选取

根据洞室围岩分类规范并结合实际情况，在对龙头石水电站3号泄洪洞开挖后实测地质资料分析的基础上，控制洞室岩体质量的影响因素主要有：岩石抗压强度(Rb)、岩石纵波波速(VP)、岩体完整性系数(KV)、体积节理数(Jv)、岩体紧密程度及地下水状态。因此选取以上影响因数作为评价指标，并对各指标量化分级，经过量化处理后得到表1。

表1 龙头石水电站洞室岩体质量分级指标

注：表中部分标准值为水力发电工程地质勘察规范取值并结合本工程实际地质条件修正后的量值。

根据3号泄洪洞实测地质资料及主要工程地质特征，现场岩体质量定性分段并综合分析，给出各段评价指标值，见表2。

3.2 模型计算步骤

下面选取洞室第1段为例，说明物元可拓法的分析计算步骤。

(1)岩体质量经典域、节域物元。根据表1中的评价标准数据构造出经典域、节域物元，这里只举例给出岩体质量Ⅲ级的经典域物元，其他级别类推。

表2 3号泄洪洞围岩的可拓物元分级指标值

注：表中所列数据为算术平均值。

岩体质量节域物元：

(2)待评物元。根据表2第1段洞室各因素指标数据形成待评物元。

(3)评价指标的关联度计算。根据前面计算公式，计算评价指标C1对各质量等级的关联度如下：

同理可得：

K12(v11)=-0.25，K14(v11)=-0.1，K15(v11)=-0.357

同理可得到此段其他评价指标C2～C6关于各质量等级的关联度，结果如表3所示。

表3 Kit(vtj)计算结果

(4)岩体质量等级关联度计算。利用关联度计算公式计算此段关于Ⅰ级岩体质量的关联度为

=(0.45/2.36)*(-0.438)+(0.577/2.36)*(-0.389)+(0.17/2.36)*(-0.773)+(0.533/2.36)*(-0.44)+ (0.33/2.36)*(-0.588)+ (0.3/2.36)*(-0.5)=(-0.084)+ (-0.095)+ (-0.056)+ (-0.099)+ (-0.082)+ (-0.064)=-0.48

同理可得到此段洞室岩体关于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ质量等级的关联度分别为

K12(1)=-0.36,K13(1)=-0.05,K14(1)=0.19,K15(1)=-0.34。

(5)岩体质量等级判定。根据质量等级关联度计算结果按照评定标准，由于K14(1)=maxK1t(1) ，则可判定岩体质量类别为Ⅳ类。

则t0=4，根据前面公式，等级变量特征值

从t*的数值可以看出此段岩体质量级别为第Ⅳ类偏向第Ⅲ类。

同理，对隧洞其他段进行可拓分析，最后可得到该隧洞可拓分析结果，从分析结果可以看出，使用可拓物元分析评价的结果与水利水电规范围岩分类(HC)方法的评价结果基本一致(见表4)。