李 輝，季惠彬，晏鄂川，楊 舉

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，武漢 430074）

地下水封洞庫巖體質(zhì)量可拓評(píng)價(jià)

李 輝，季惠彬，晏鄂川，楊 舉

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，武漢 430074）

基于可拓學(xué)的物元模型，借助可拓評(píng)價(jià)模型對(duì)地下水封洞庫巖體質(zhì)量進(jìn)行分類。根據(jù)巖體質(zhì)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(quán)系數(shù)和引入的關(guān)聯(lián)度，對(duì)地下水封洞庫質(zhì)量進(jìn)行可拓評(píng)價(jià)。將該模型應(yīng)用于黃島地下水封洞庫工程，得到了較好的預(yù)測(cè)結(jié)果，雖然與BQ法和RMR法對(duì)比得到的結(jié)果有異，但取樣分析表明可拓評(píng)價(jià)模型的結(jié)果更合理，能夠反映地下水封洞庫巖體質(zhì)量的等級(jí)。

地下水封洞庫；巖體質(zhì)量；可拓學(xué)；權(quán)系數(shù)

2.1 建立經(jīng)典域物元Roi

1 概 述

目前，國(guó)內(nèi)外的巖體質(zhì)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(luò)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(píng)價(jià)了巖體質(zhì)量。但是，地下水封洞庫的巖體處在復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中，受到諸多因素的影響，如地下水的流量、地應(yīng)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(píng)價(jià)巖體質(zhì)量的好壞。另外，這些評(píng)價(jià)方法還受到條件的約束，如適合硬巖的方法未必對(duì)軟巖也合適［2，3］。然而，可拓學(xué)理論可以綜合評(píng)價(jià)這些因素，且能夠合理地評(píng)價(jià)地下水封洞庫巖體質(zhì)量。

本文運(yùn)用可拓學(xué)理論對(duì)地下水封洞庫巖體質(zhì)量進(jìn)行分類，通過考慮多個(gè)影響因素，確定評(píng)價(jià)模型。同時(shí)，利用均方差法求取權(quán)系數(shù)，得到各因素的權(quán)重。把可拓學(xué)評(píng)價(jià)理論和均方差法結(jié)合在一起確定可拓學(xué)評(píng)價(jià)模型，能夠較好地應(yīng)用在地下水封洞庫巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)中。

2 確定可拓學(xué)［4］評(píng)價(jià)模型

設(shè)Q為巖體質(zhì)量，c為該事物的特征，關(guān)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(dá)式，簡(jiǎn)稱物元。

式中：Qoi表示巖體質(zhì)量的全體，劃分i個(gè)等級(jí)；ci（i＝1，2，3，…，n）表示巖體質(zhì)量Qoi的特征；Vij分別為Qoi關(guān)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(zhì)量分類的全體；Vpi分別為Q關(guān)于ci所規(guī)定的量值范圍。

2.3 確定待評(píng)物元Ri

根據(jù)實(shí)際，對(duì)巖體質(zhì)量分類單元Qi（i＝1，2，3，…，n）的每個(gè)特征值ci（i＝1，2，3，…，n）做出評(píng)價(jià)，將分析結(jié)果用物元表示，即待測(cè)物元

2.4 確定待評(píng)物元關(guān)聯(lián)度的計(jì)算方法

根據(jù)可拓集合的關(guān)聯(lián)函數(shù)，待測(cè)物元的關(guān)聯(lián)度是

式中：Kj（Q）表示巖體質(zhì)量的Q關(guān)于分類j等級(jí)可拓關(guān)聯(lián)度；αi為權(quán)系數(shù)，且

2.5 確定權(quán)系數(shù)αi

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

然后，求指標(biāo)ci的權(quán)系數(shù)αi，

3 可拓評(píng)價(jià)模型在黃島地下水封洞庫工程中的應(yīng)用

3.1 黃島地下水封洞庫的地質(zhì)條件

洞庫處于膠南臺(tái)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(cè)為陡坡，地形坡度一般為35°～55°，山脊南北兩側(cè)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(nèi)的次級(jí)斷裂和節(jié)理較發(fā)育，節(jié)理成因類型主要是構(gòu)造成因、物質(zhì)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(yīng)力為水平主應(yīng)力，方向?yàn)镹WW向，優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹73°W，水平主應(yīng)力數(shù)值在6～16 MPa。

3.2 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)值標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)國(guó)際上通用的RMR分級(jí)法和《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50487－2008），確定了如下評(píng)價(jià)指標(biāo)，巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)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(yīng)力σ、優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面走向與洞主軸線的夾角β和最大水平主應(yīng)力與洞主軸線的夾角γ。綜合國(guó)內(nèi)外較有影響的分類方法，確定巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［6，7］，將巖體質(zhì)量分為五級(jí)（Ⅰ－Ⅴ級(jí)）。Ⅰ－Ⅴ級(jí)分別表示巖體質(zhì)量由好到壞，Ⅰ級(jí)表示好的巖體，巖體堅(jiān)硬、完整；Ⅴ級(jí)表示差的巖體，巖體較破碎或破碎；其它等級(jí)介于兩者之間。詳見表1。

3.3 確定待評(píng)指標(biāo)值

在黃島地下水封洞庫的勘察報(bào)告中，巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)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(yīng)力分別是由室內(nèi)試驗(yàn)、鉆孔數(shù)字式全景攝像、巖芯采取率、提水和壓水試驗(yàn)、水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量方法得到。其中，鉆孔成像不僅可以提供每個(gè)鉆孔孔壁的實(shí)測(cè)展開圖，而且還可以提供每個(gè)鉆孔實(shí)測(cè)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(duì)部分較寬的裂隙提供裂隙寬度，通過鉆孔成像能夠較準(zhǔn)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(shì)結(jié)構(gòu)面走向與洞主軸線的夾角、最大水平主應(yīng)力與洞主軸線的夾角。文中選擇5組數(shù)據(jù)，作為待評(píng)指標(biāo)的特征值，評(píng)價(jià)指標(biāo)值詳見表2。

3.4 指標(biāo)的無量綱化

通過對(duì)指標(biāo)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(zhì)量分類標(biāo)準(zhǔn)Table1 Criteria of rock mass classification

表2 黃島地下水封洞庫巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)值Table2 Value of evaluation indexes of rock mass of caverns sealed by groundwater

表3 巖體質(zhì)量分類標(biāo)準(zhǔn)（無量綱化）Table3 Criteria of rock mass classification（dimensionless）

表4 黃島地下水封洞庫巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)（無量綱化）Table4 Value of evaluation indexes of rock mass of caverns sealed by groundwater（dimensionless）

表5 評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重Table5 W eights of evaluation indexes

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

表7 可拓學(xué)理論、BQ法分類和RMR法分類等級(jí)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(zhì)量Ⅰ－Ⅴ級(jí)物元的經(jīng)典域Ro1－Ro5（文中只列舉Ro1）和洞庫巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)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(jí)洞庫巖體質(zhì)量的經(jīng)典域Ro1和節(jié)域Rp為

3.6 確定待測(cè)物元

根據(jù)表4，對(duì)黃島地下水封洞庫的巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)確定待測(cè)物元R1－R5（文中只列舉R1和R5）為

3.7 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)系數(shù)

根據(jù)均方差公式（6），（7），（8），求得待測(cè)洞庫巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)系數(shù)，詳見表5。

3.8 確定關(guān)聯(lián)度

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

3.9 巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)結(jié)果及對(duì)比

根據(jù)表6，將每組巖體中最大的關(guān)聯(lián)度值所對(duì)應(yīng)的等級(jí)作為該組巖體的級(jí)別，即：

K（G1）＝max｛Ki（j）｝＝K（1），G1組巖樣是Ⅰ級(jí)；

K（G2）＝max｛Ki（j）｝＝K（2），G2組巖樣是Ⅱ級(jí)；

K（G3）＝max｛Ki（j）｝＝K（3），G3組巖樣是Ⅲ級(jí)；

K（G4）＝max｛Ki（j）｝＝K（1），G4組巖樣是Ⅰ級(jí)；

K（G5）＝max｛Ki（j）｝＝K（1），G5組巖樣是Ⅰ級(jí)。

然后，將預(yù)測(cè)結(jié)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(píng)價(jià)的結(jié)果基本相同（表7），部分不同主要是因?yàn)榭赏卦u(píng)價(jià)模型綜合考慮影響因素，克服了傳統(tǒng)評(píng)價(jià)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(jié)構(gòu)面不發(fā)育，單軸飽和抗壓強(qiáng)度值較大，據(jù)此認(rèn)為巖體質(zhì)量較好，應(yīng)該屬于Ⅰ級(jí)。

4 結(jié) 論

（1）通過可拓模型對(duì)黃島地下水封洞庫巖體質(zhì)量的評(píng)價(jià)得知，在傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法考慮的因素基礎(chǔ)上，可拓評(píng)價(jià)模型綜合考慮了對(duì)地下水封洞庫巖體質(zhì)量有影響的地下水、地應(yīng)力、結(jié)構(gòu)面及相關(guān)的因子，合理、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)了地下水封洞庫巖體質(zhì)量。

（2）本文利用均方差法求取權(quán)系數(shù)，能夠反映出影響因素的離散程度，表明了各因子對(duì)洞庫巖體質(zhì)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(zhì)環(huán)境合理分配權(quán)重。

（3）通過與BQ分類法和RMR分類法的比較，預(yù)測(cè)結(jié)果有區(qū)別，從取出的巖樣分析，可拓評(píng)價(jià)模型得到的結(jié)果是正確的，說明可拓學(xué)理論能夠適用于地下水封洞庫的巖體質(zhì)量分類。

［1］ 丁向東，吳繼敏，顧 俊.水利工程巖體質(zhì)量分類方法綜述［J］.水電能源科學(xué)，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(xué)理論在洞室?guī)r體質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，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(qiáng)，馮夏庭，周 輝.基于層次分析法的可拓學(xué)理論在地下洞室?guī)r體質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，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））

［4］ 蔡 文.可拓學(xué)概述［J］.系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，1998，（1）：76－84.（CAIWen.Introduction of Extenics［J］.Theory and Practice of Systems Engineering，1998，（1）：76－84.（in Chinese））

［5］ 李 亮.評(píng)價(jià)中權(quán)系數(shù)理論與方法比較［D］.上海：上海交通大學(xué)，2009.（LI Liang.Weights Theory and Weighting Methods Comparison in the Evaluation［D］.Shanghai：Shanghai Jiaotong University，2009.（in Chi nese））

［6］ GB50487－2008，水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.（GB50487－2008，Ministry of Water Resources of the People’s Republic of China.Code for Engineering Geo logical Investigation of Water Resources and Hydropower［S］.（in Chinese））

［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(jì)“優(yōu)秀人才支持計(jì)劃”資助項(xiàng)目（NCET－07－0775）

李 輝（1987 ），男，山東濟(jì)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。