地下水封洞库岩体质量可拓评价

李 辉，季惠彬，晏鄂川，杨 举

（中国地质大学工程学院，武汉 430074）

地下水封洞库岩体质量可拓评价

李 辉，季惠彬，晏鄂川，杨 举

（中国地质大学工程学院，武汉 430074）

基于可拓学的物元模型，借助可拓评价模型对地下水封洞库岩体质量进行分类。根据岩体质量分类的影响因素，确定经典域和节域，并利用均方差法求取的权系数和引入的关联度，对地下水封洞库质量进行可拓评价。将该模型应用于黄岛地下水封洞库工程，得到了较好的预测结果，虽然与BQ法和RMR法对比得到的结果有异，但取样分析表明可拓评价模型的结果更合理，能够反映地下水封洞库岩体质量的等级。

地下水封洞库；岩体质量；可拓学；权系数

2.1 建立经典域物元Roi

1 概 述

目前，国内外的岩体质量分类方法很多，主要有传统分类法（例如RQD分类法；RMR分类法；Barton分类法和BQ分类法等）和智能化分类法（例如神经网络分类法、灰色理论和专家系统研究等）［1］，这些方法考虑了主要的影响因子，从定性或定量角度考虑评价了岩体质量。但是，地下水封洞库的岩体处在复杂的地质环境中，受到诸多因素的影响，如地下水的流量、地应力大小和洞室主轴线方位的选择等因素。而这些方法所考虑的因素比较固定，不能综合评价岩体质量的好坏。另外，这些评价方法还受到条件的约束，如适合硬岩的方法未必对软岩也合适［2，3］。然而，可拓学理论可以综合评价这些因素，且能够合理地评价地下水封洞库岩体质量。

本文运用可拓学理论对地下水封洞库岩体质量进行分类，通过考虑多个影响因素，确定评价模型。同时，利用均方差法求取权系数，得到各因素的权重。把可拓学评价理论和均方差法结合在一起确定可拓学评价模型，能够较好地应用在地下水封洞库岩体质量评价中。

2 确定可拓学［4］评价模型

设Q为岩体质量，c为该事物的特征，关于事物c的量值为V，以有序三元组R＝（事物、特征、量值）＝（Q，c，V）作为描述事物的基本元表达式，简称物元。

式中：Qoi表示岩体质量的全体，划分i个等级；ci（i＝1，2，3，…，n）表示岩体质量Qoi的特征；Vij分别为Qoi关于ci所规定的量值范围；Vij＝＜aij，bij＞（i，j＝1，2，3，…，n）。

2.2 建立节域物元Rp

式中：Q表示岩体质量分类的全体；Vpi分别为Q关于ci所规定的量值范围。

2.3 确定待评物元Ri

根据实际，对岩体质量分类单元Qi（i＝1，2，3，…，n）的每个特征值ci（i＝1，2，3，…，n）做出评价，将分析结果用物元表示，即待测物元

2.4 确定待评物元关联度的计算方法

根据可拓集合的关联函数，待测物元的关联度是

式中：Kj（Q）表示岩体质量的Q关于分类j等级可拓关联度；αi为权系数，且

2.5 确定权系数αi

均方差法［5］求取权系数，先需要根据无量纲化的数据，求指标ci的平均值E（ci）和均方差σ（ci）：

然后，求指标ci的权系数αi，

3 可拓评价模型在黄岛地下水封洞库工程中的应用

3.1 黄岛地下水封洞库的地质条件

洞库处于胶南台隆北缘，属低山丘陵地貌，洞库山体为龙雀山，近东西走向，南侧为陡坡，地形坡度一般为35°～55°，山脊南北两侧发育近南北向及北东向冲沟。库址区位于牟（平）－即（墨）断裂带南缘，主要发育北东向及近东西向断裂，库区内的次级断裂和节理较发育，节理成因类型主要是构造成因、物质分异成因和岩脉侵入成因。所取岩样处在地下150～260m，地层岩性是晚元古界花岗片麻岩。洞库最大主应力为水平主应力，方向为NWW向，优势方向为N73°W，水平主应力数值在6～16 MPa。

3.2 确定评价指标值标准

根据国际上通用的RMR分级法和《工程岩体分级标准》（GB50487－2008），确定了如下评价指标，岩石单轴饱和抗压强度Rc、岩石完整性指数Kv、节理间距、RQD、地下水流量W、最大水平主应力σ、优势结构面走向与洞主轴线的夹角β和最大水平主应力与洞主轴线的夹角γ。综合国内外较有影响的分类方法，确定岩体质量评价标准［6，7］，将岩体质量分为五级（Ⅰ－Ⅴ级）。Ⅰ－Ⅴ级分别表示岩体质量由好到坏，Ⅰ级表示好的岩体，岩体坚硬、完整；Ⅴ级表示差的岩体，岩体较破碎或破碎；其它等级介于两者之间。详见表1。

3.3 确定待评指标值

在黄岛地下水封洞库的勘察报告中，岩石单轴饱和抗压强度、岩石完整性指数和节理间距、RQD值、地下水流量、最大水平主应力分别是由室内试验、钻孔数字式全景摄像、岩芯采取率、提水和压水试验、水压致裂地应力测量方法得到。其中，钻孔成像不仅可以提供每个钻孔孔壁的实测展开图，而且还可以提供每个钻孔实测裂隙节理发育情况，并提供裂隙节理的产状，还可以对部分较宽的裂隙提供裂隙宽度，通过钻孔成像能够较准确地得到岩石完整性指数和节理间距。另外，根据洞库主轴线N45°W，确定优势结构面走向与洞主轴线的夹角、最大水平主应力与洞主轴线的夹角。文中选择5组数据，作为待评指标的特征值，评价指标值详见表2。

3.4 指标的无量纲化

通过对指标的无量纲化，消除因单位的不同造成的误差，详见表3、表4。

表1 岩体质量分类标准Table1 Criteria of rock mass classification

表2 黄岛地下水封洞库岩体质量评价指标值Table2 Value of evaluation indexes of rock mass of caverns sealed by groundwater

表3 岩体质量分类标准（无量纲化）Table3 Criteria of rock mass classification（dimensionless）

表4 黄岛地下水封洞库岩体质量评价指标（无量纲化）Table4 Value of evaluation indexes of rock mass of caverns sealed by groundwater（dimensionless）

表5 评价指标的权重Table5 W eights of evaluation indexes

表6 每组岩体的关联度Table6 Correlation degree of each rock mass

表7 可拓学理论、BQ法分类和RMR法分类等级Table7 Rock mass quality grades by extenics theory，BQ method and RMR method

3.5 确定黄岛地下水封洞库物元的经典域和节域

根据表2，确定洞库岩体质量Ⅰ－Ⅴ级物元的经典域Ro1－Ro5（文中只列举Ro1）和洞库岩体质量评价指标的节域Rp。将Rc，Kv，节理间距和RQD，W，σ，β，γ分别表示为c1－c8。

Ⅰ级洞库岩体质量的经典域Ro1和节域Rp为

3.6 确定待测物元

根据表4，对黄岛地下水封洞库的岩体质量评价指标确定待测物元R1－R5（文中只列举R1和R5）为

3.7 确定评价指标的权系数

根据均方差公式（6），（7），（8），求得待测洞库岩体质量评价指标的权系数，详见表5。

3.8 确定关联度

根据公式（4）、（5），求取洞库岩体质量待测物元的关联度Ki（p），详见表6。

3.9 岩体质量评价预测结果及对比

根据表6，将每组岩体中最大的关联度值所对应的等级作为该组岩体的级别，即：

K（G1）＝max｛Ki（j）｝＝K（1），G1组岩样是Ⅰ级；

K（G2）＝max｛Ki（j）｝＝K（2），G2组岩样是Ⅱ级；

K（G3）＝max｛Ki（j）｝＝K（3），G3组岩样是Ⅲ级；

K（G4）＝max｛Ki（j）｝＝K（1），G4组岩样是Ⅰ级；

K（G5）＝max｛Ki（j）｝＝K（1），G5组岩样是Ⅰ级。

然后，将预测结果与BQ分类法和RMR分类法相比较，发现2种分类方法所评价的结果基本相同（表7），部分不同主要是因为可拓评价模型综合考虑影响因素，克服了传统评价方法局限于单一或者固定影响因素的不足。另外，通过岩样观察分析，G4，G5两组岩样较完整，结构面不发育，单轴饱和抗压强度值较大，据此认为岩体质量较好，应该属于Ⅰ级。

4 结 论

（1）通过可拓模型对黄岛地下水封洞库岩体质量的评价得知，在传统评价方法考虑的因素基础上，可拓评价模型综合考虑了对地下水封洞库岩体质量有影响的地下水、地应力、结构面及相关的因子，合理、准确地评价了地下水封洞库岩体质量。

（2）本文利用均方差法求取权系数，能够反映出影响因素的离散程度，表明了各因子对洞库岩体质量的影响程度是有区别的，但是还需要根据地下水封洞库的岩体所处的地质环境合理分配权重。

（3）通过与BQ分类法和RMR分类法的比较，预测结果有区别，从取出的岩样分析，可拓评价模型得到的结果是正确的，说明可拓学理论能够适用于地下水封洞库的岩体质量分类。

［1］ 丁向东，吴继敏，顾 俊.水利工程岩体质量分类方法综述［J］.水电能源科学，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］ 贾 超，肖树芳，刘 宁.可拓学理论在洞室岩体质量评价中的应用［J］.岩石力学与工程学报，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］ 康志强，冯夏庭，周 辉.基于层次分析法的可拓学理论在地下洞室岩体质量评价中的应用［J］.岩石力学与工程学报，2006，25（增）：3687－3693.（KANG Zhi qiang，FENG 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.可拓学概述［J］.系统工程理论与实践，1998，（1）：76－84.（CAIWen.Introduction of Extenics［J］.Theory and Practice of Systems Engineering，1998，（1）：76－84.（in Chinese））

［5］ 李 亮.评价中权系数理论与方法比较［D］.上海：上海交通大学，2009.（LI Liang.Weights Theory and Weighting Methods Comparison in the Evaluation［D］.Shanghai：Shanghai Jiaotong University，2009.（in Chi nese））

［6］ GB50487－2008，水利水电工程地质勘察规范［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，地下水封洞库岩土工程勘察规范［S］.（SY／T0610－2008，National Development and Re form Commission.Standard for Underground Water En closed Cavern Investigation of Geotechnical Engineering［S］.（in Chinese） ）

（编辑：罗玉兰）

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

教育部新世纪“优秀人才支持计划”资助项目（NCET－07－0775）

李 辉（1987 ），男，山东济宁人，硕士研究生，主要从事岩土体稳定性研究，（电话）15827339304（电子信箱）lihui2088＠163.com。