蔡 斌，劉 暢

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 概 述

地下洞室工程中，有多種圍巖分類評價方法，常用的有HC法、RQ法、RMR法等，每種方法考慮的因素不一。可拓評判則從可拓集合理論出發(fā)，建立多指標性能參數的質量評定模型，通過定量的數值表示評價結果。這種評判方法最大的優(yōu)點是可以從中選用不同的考慮因素進行綜合評價，這樣可以使評價指標最優(yōu)化地接近實際的工程地質情況，分類結果自然比傳統(tǒng)分類方法更加準確。本文以西南大渡河中游龍頭石水電站3號泄洪洞為實例，結合隸屬度的概念，應用可拓理論對巖體進行分類，選取最適合工程實際的評價指標，建立基于洞室?guī)r體質量分級的物元可拓評價模型，較好地解決了工程中的實際問題，為洞室?guī)r體質量分級的綜合評價提供了一條新的途徑。

2 物元可拓評價模型

2.1 物 元

給定事物N關于特征C的量值為v，以有序三元R=(N，C，v)組作為描述事物的基木物元。如果事物N有n個特征C1，C2，…，Cn和相應的模糊量值v1，v2，…，vn，則R為n維模糊物元，簡記為R=(N，C，V)。

(1)

式中Ni——第i段待評洞室?guī)r體;

Cj——影響洞室?guī)r體質量的因素(j=1，2，…，n);

Vij——第i段洞室?guī)r體對應于Cj的量值。

2.2 經典域、節(jié)域

經典域可表示為：

式中R0i——為一個物元;

Ni——第i個評價類別，即洞室?guī)r體質量類別；

Ci——第i個評價指標，即影響巖體質量的因數；

Vi——Ci為所規(guī)定的量值范圍，即經典域，Vij=〈aij，bij〉(i=1，2，…，n；j=1，2，…，m)。

節(jié)域可表示為：

式中P——評價類別的個體，即洞室?guī)r體質量類別個體；

VPj——P關于Ci所取的量值范圍，即P的節(jié)域〈aPj,bPj〉。

2.3 確定待評物元

對待評的事物P，將所收集到的數據用物元表示，即可得到待評物元R：

式中vi——p關于Ci的量值，即待評事物的所有具體數據。

2.4 確定各評價指標關于各類別等級的關聯度

洞室?guī)r體各單項評價指標關于各類別等級的關聯度為：

|Vij|=|bij-aij|

2.5 確定待評物元關于等級t的關聯度

待評物元關于等級t的關聯度，即計算巖體質量類別的關聯度，Wi為各評價指標的權系數，在綜合評價中,考慮到各因素對圍巖分級的影響程度不同,應根據其作用大小分別賦予不同的權值。權值的計算方法可根據實際情況選取,不同的評價目的及評價因子按不同的公式進行計算。在此采用下式計算：

2.6 判定巖體質量等級

若Kt0(p)=maxKt(p)，則可判定巖體質量類別為t0類。

另外，p的等級變量特征值t*

從t*的數值可以看出待評事物p偏向另一級的程度，即屬于巖體質量t0類別的程度。

3 物元可拓評價模型的工程實例應用

龍頭石水電站位于四川省西部大渡河中游，是一座以發(fā)電為主的大型水利水電樞紐工程，水庫總庫容1.199 4億m3，電站裝機容量700MW。其3號泄洪洞布置于左岸，設計洞長660.95m ,隧洞斷面為城門洞型，斷面尺寸15.0m×16.5m(寬×高)。電站位于中高山的開闊河谷地段，壩址出露巖石主要為澄江期粗?；◢弾r和細?；◢弾r，并有后期侵入的少量各類基性脈巖。壩址地質構造較簡單，無區(qū)域性斷層通過，構造型式以南北向輝綠巖脈發(fā)育的擠壓破碎帶、錯動帶和小斷層為主，地下水主要為基巖裂隙水和第四系松散堆積層孔隙水。3號泄洪洞室區(qū)巖性為花崗巖，其間穿插有輝綠巖脈，弱風化～微新，巖體總體以鑲嵌～次塊狀結構為主。

3.1 評價指標的選取

根據洞室圍巖分類規(guī)范并結合實際情況，在對龍頭石水電站3號泄洪洞開挖后實測地質資料分析的基礎上，控制洞室?guī)r體質量的影響因素主要有：巖石抗壓強度(Rb)、巖石縱波波速(VP)、巖體完整性系數(KV)、體積節(jié)理數(Jv)、巖體緊密程度及地下水狀態(tài)。因此選取以上影響因數作為評價指標，并對各指標量化分級，經過量化處理后得到表1。

表1 龍頭石水電站洞室?guī)r體質量分級指標

注：表中部分標準值為水力發(fā)電工程地質勘察規(guī)范取值并結合本工程實際地質條件修正后的量值。

根據3號泄洪洞實測地質資料及主要工程地質特征，現場巖體質量定性分段并綜合分析，給出各段評價指標值，見表2。

3.2 模型計算步驟

下面選取洞室第1段為例，說明物元可拓法的分析計算步驟。

(1)巖體質量經典域、節(jié)域物元。根據表1中的評價標準數據構造出經典域、節(jié)域物元，這里只舉例給出巖體質量Ⅲ級的經典域物元，其他級別類推。

表2 3號泄洪洞圍巖的可拓物元分級指標值

注：表中所列數據為算術平均值。

巖體質量節(jié)域物元：

(2)待評物元。根據表2第1段洞室各因素指標數據形成待評物元。

(3)評價指標的關聯度計算。根據前面計算公式，計算評價指標C1對各質量等級的關聯度如下：

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評價指標C2～C6關于各質量等級的關聯度，結果如表3所示。

表3 Kit(vtj)計算結果

(4)巖體質量等級關聯度計算。利用關聯度計算公式計算此段關于Ⅰ級巖體質量的關聯度為

=(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?guī)r體關于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ質量等級的關聯度分別為

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

(5)巖體質量等級判定。根據質量等級關聯度計算結果按照評定標準，由于K14(1)=maxK1t(1) ，則可判定巖體質量類別為Ⅳ類。

則t0=4，根據前面公式，等級變量特征值

從t*的數值可以看出此段巖體質量級別為第Ⅳ類偏向第Ⅲ類。

同理，對隧洞其他段進行可拓分析，最后可得到該隧洞可拓分析結果，從分析結果可以看出，使用可拓物元分析評價的結果與水利水電規(guī)范圍巖分類(HC)方法的評價結果基本一致(見表4)。

表4 3號泄洪洞圍巖分類對比

4 結 論

(1)運用可拓物元模型對洞室?guī)r體質量進行分級，是一次新的嘗試，其方法是可行的，結論是可靠的。

(2)該方法從計算過程看，具有概念清晰、計算簡便、評價結果分辨率高等優(yōu)點。

(3)該方法評價結果與常規(guī)方法評價結果基本一致，結果較為理想，為工程巖體質量評價提供了一種新方法，具有廣泛的推廣應用前景。

參考文獻：

[1] 蔡文，楊春燕，林偉初.可拓工程方法[M].北京：科學出版社，1997.

[2] 蔡文.物元模型及其應用[M].北京科學技術文獻出版社，1994.

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