巖溶地質分形預報方法的應用研究.pdf

1、在大量的工程實踐基礎上，作者根據(jù)巖溶隧道施工所存在的問題一復雜的巖溶地質問題，抓住問題的重點和難點進行方法研究。 本論文主要在以下幾方面進行了研究：1)巖溶發(fā)育分布的宏觀規(guī)律及分形特征；2)巖溶發(fā)育的微觀規(guī)律及分形特征；3)掌子面前方巖溶分形地質預報模型研究；4)巖溶圍巖力學特性及巖溶圍巖分級初步研究。 通過試驗研究工作所取得的主要成果如下： 1)．巖溶發(fā)育分布的宏觀規(guī)律性：主要表現(xiàn)在區(qū)域平面分布和垂直剖面分布兩

2、個方面。首先在區(qū)域平面上，巖溶發(fā)育分布主要受巖石性質、地質構造、地下水動力條件及氣候等因素的控制，其中巖性、構造和地下水是巖溶發(fā)育的三個必要條件。在巖溶垂直剖面三分帶理論基礎上，借助化學動力學水文地質理論，根據(jù)可溶巖的礦物溶沉規(guī)律，提出將方解石、白云石、石膏等礦物飽和指數(shù)加入到巖溶垂直分帶中，增強了巖溶垂直剖面分帶的定量化程度。對于巖溶涌水量及水壓的預測問題，本文提出建立巖溶涌水的化學動力學水文地質模型，以期實現(xiàn)采用常規(guī)的水化學成分資料

3、及可獲取的基礎地質資料，實現(xiàn)對巖溶隧道的分段涌水量預測。 2)．不同的巖溶形態(tài)具有自相似性和標度不變性等兩個分形圖形的最重要特性。 3)．提出巖溶元的概念。巖溶元或稱溶蝕元(Karstunit)，即巖溶形態(tài)發(fā)育的最小單元。巖溶元沿著微裂隙、節(jié)理等結構面或巖石表面按照一定的規(guī)律生長，并逐步生長為溶孔、溶縫、溶槽、溶管、以至于最終變?yōu)槿芏春蛶r溶暗河。 論文進行了不同條件下巖溶元的分形生長規(guī)律研究。首先，指出巖溶元分形

4、生長的充分必要條件。然后，在宏觀和微觀控制條件下，巖溶元的分形生長機理按照不同的分形維數(shù)生長為不同的巖溶形態(tài)。論文指出了巖溶元的分形生長過程，其中的第N級生長結果就反映了特定條件下的巖溶發(fā)育程度或巖溶形態(tài)。同時，不同階段的巖溶元生長所形成的不同巖溶形態(tài)與相應的巖溶巖體的工程質量級別是對應的，這就為利用巖溶元的分形生長結果進行巖溶分形地質預報奠定了理論基礎，并為巖溶圍巖分級奠定了理論基礎。通過對巖溶分形曲線的相關系數(shù)和巖溶分形維數(shù)定性分析

5、，可以定性描述被研究區(qū)域巖溶發(fā)育的可能性。于是提出巖溶發(fā)育程度的分形評價指數(shù)IKFA(theIndex0fKarstFractalAssessment)的概念：IKFA=√R·｜D｜。式中，IKFA為巖溶發(fā)育程度分形評價指數(shù)，D為巖溶分形維數(shù)，R為巖溶分形曲線的相關系數(shù)。 根據(jù)巖溶發(fā)育程度分形評價指數(shù)將巖溶發(fā)育程度分為五級：巖溶不發(fā)育，巖溶輕微發(fā)育，巖溶較發(fā)育，巖溶發(fā)育，巖溶很發(fā)育。 4)．采集隧道開挖揭露巖溶附近的石灰

6、巖，磨片開展電鏡試驗研究微觀巖溶的分形特征，計算出微觀巖溶的分形維數(shù)，與地表宏觀巖溶的分形維數(shù)進行對比研究，表明二者所反映的分形規(guī)律是一致的，這就為建立巖溶地質分形預報模型奠定理論基礎。 5)．在大量的工程實踐和對HSP聲波反射法地質預報的優(yōu)缺點充分了解基礎上，提出HSP聲波反射法巖溶地質超前預報數(shù)據(jù)分析的分形理論方法和“以宏觀與微觀、定性與定量、數(shù)值模擬與系統(tǒng)分析三結合”的巖溶地質分形預報模型。預報物理模型包括三部分：宏觀巖溶

7、發(fā)育可能性評價，微觀巖溶發(fā)育程度的分形評價和掌子面測試前方界線的分形規(guī)律。 提出巖溶發(fā)育程度評價綜合指數(shù)的概念，即在綜合考慮宏觀區(qū)域巖溶發(fā)育可能性、微觀巖溶發(fā)育的分形特點和掌子面測試前方界線的分形規(guī)律等情況下的巖溶發(fā)育程度評價指數(shù)CIKF．4(theComprehensiveIndexofKarstFractalAssessment)。從而建立巖溶地質分形預報的數(shù)學模型： CIKFA=3√P2·IKFA·CGPF。式中，

8、CIKFA為巖溶發(fā)育程度評價綜合指數(shù)；PZ為宏觀區(qū)域巖溶發(fā)育可能性評價指數(shù)(thePossibilityIndex0fKarstZone)；IKFA為微觀巖溶發(fā)育的分形評價指數(shù)(theIndex0fKarstFractalAssessment)；CGPF為掌子面前方物探測試界線的分形指數(shù)(meCoefficient0fGeophysicalProspectingFractal)。 應用該預報模型，對武隆隧道進行了預報實例分析。

9、 6)．根據(jù)巖溶隧道施工與現(xiàn)行工程巖體質量分級標準之間所存在的矛盾問題，在開展遂渝鐵路桐子林隧道巖溶圍巖的物理力學試驗和現(xiàn)行分級標準基礎上，初步建立了巖溶圍巖級別劃分的物理模型： 巖溶圍巖級別分值=一般巖體質量級別分值×(1-巖溶發(fā)育程度修正系數(shù)) 用數(shù)學表達式可寫成：KBQ：BQ×(1-CkD) 式中：KBQ-巖溶圍巖級別的巖體質量分值(BlockQualityofKarst)；gQ-按一般巖體質量分級系

10、統(tǒng)計算的巖體質量分值(BlockqualitybyGeneralMethod)；CKD巖溶發(fā)育程度修正系數(shù)(CoefficientofKarstDevelopment)。 其中，CKD=O.3×CKDq+O.7×CKD1且CKD1=3√￣￣Sv·Kc·Kw 式中：CKD-巖溶發(fā)育程度修正系數(shù)；CKDq-巖溶發(fā)育程度定性評價系數(shù)；CKD1-巖溶發(fā)育程度定量評價系數(shù)；Sv-巖溶發(fā)育形態(tài)及規(guī)模對隧道安全的影響系數(shù)(﹪)；Kc-