基于模糊理论的引水隧洞围岩快速分类研究

潘 朝,张 乾,邹 勇

(湖北省水利水电规划勘测设计院有限公司,湖北 武汉 430064)

0 引 言

近年来,一批全局性、战略性172项节水供水重大水利工程有序推进,隧洞工程建设规模越来越大,地质条件愈加复杂多变,工程风险及安全问题日益突出,对隧洞围岩稳定性评价分析提出了更高的要求。目前国际上应用比较广泛的是巴顿的Q系统分类法和比尼威斯基的RMR法[1]。中国根据工程实践和岩石力学实验研究经验,提出并大量应用《工程岩体分级标准》BQ法,在此基础上还提出了适用于各个不同行业的分类方法。基于可变模糊集合[2]、人工神经网络[3]、可拓方法[4]、图像识别技术[5]、深度学习[6]和人工智能等新兴理论的评价方法也被应用于实际工程围岩分类,并取得了一定成果。然而,这些评价方法存在着一些不足之处,如人为主观影响大、随机性大、存在边界约束、过程复杂等,不能在真正意义上实现围岩快速分类。

为此,本文基于模糊理论,对围岩快速分类提出了一种新思路:在地质观察和地质素描的基础上,结合室内和现场试验数据,采用HC法进行围岩分类,确定影响围岩稳定性的关键因素,研究其与围岩类别间的相关性规律,采用层次分析法确定影响因素权重,制定单个影响因素分类标准,构建隶属函数或赋值隶属度,从而建立围岩快速分类模糊综合评价模型。根据实际围岩类别反复修正构建的模糊综合评价模型,得到适用的模糊综合评价模型以进行围岩稳定性评价,实现围岩快速分类,从而指导施工。具体技术路线如图1所示。

1 工程地质概况

鄂北地区水资源配置工程(以下简称“鄂北工程”)从丹江口水库引水,向唐东地区、随州府澴河北区以及大悟澴水区供水,全长269.672 km,是湖北省重大战略民生“一号工程”,是国家重点推进、优先实施的172项全局性、战略性节水供水重大水利工程之一[7]。

隧洞工程总长119.43 km,共计55座,占线路总长44.3%。岩性以元古界、震旦系至青白口系片岩类为主,其次为白垩-第三系砂砾岩、泥质粉砂岩等。其中,片岩类隧洞46座,占隧洞座数83.6%,短洞居多,合计长度为62.96 km,占隧洞总长52.7%。区内水文地质条件比较复杂,地下水类型主要为碎屑岩孔隙裂隙水及基岩裂隙水等。

2 围岩特征研究

隧洞工程主要分布于线路中下段,多以片岩类变质岩为主,故主要对工程区元古界、震旦-青白口系主要片岩类进行相关围岩快速分类研究。

2.1 岩石(体)特征研究

本次研究取20组片岩样进行了薄片鉴定。结合岩石野外鉴定,研究表明:工程区岩石类型主要为石英片岩、钠长片岩、绿泥片岩等片岩类,多呈灰色、灰黑色、灰绿色,显微细粒鳞片粒状变晶结构,片状构造,主要矿物成分为石英、斜长石,富含云母、绿泥石、滑石、阳起石等次要矿物,水理性质差,其在岩石中连续定向排列构造片理特征,造成了片岩类岩体强度、完整性程度等差异大、岩体遇水软化及受力后呈各向异性等特点。同时在隧洞开挖中,片岩类岩体结构面往往对围岩稳定性影响较大。

结合现场开挖情况,综合分析表明影响岩石硬度、完整性及水敏性的主要因素为变质程度及矿物成分,浅变质岩类重结晶程度低,暗色矿物尚未聚集定向排列,一般完整性较千枚岩及片岩好;千枚岩类暗色矿物聚集排列,浅色矿物重结晶程度低,整体物理性质差,水敏性强,绢云母片岩与其物理性质类似;以绢云母、绿泥石为次要矿物的片岩类,其绢云母、绿泥石多聚集于片理面,完整性差,水敏性强;以绿泥石为主要矿物的片岩类,整体性质近似浅变质岩类,完整性及强度均较高,水敏性一般。

2.2 岩石(体)强度研究

岩石强度是围岩分类最重要的指标之一。针对实际施工建设过程中,受试验条件及时间的制约,无法通过室内荷载实验及时获取岩石强度参数的情况,采用具有成本低、工序简单、实验快速等优点的点荷载试验测定,并进行关系换算获取参数。

本次研究总计取样12组,每组岩样30～50块,试验结果(表1)表明研究区内钠长绿泥片岩强度最高,干燥状态下为坚硬岩,软化系数较高,饱和状态下硬度降至中硬岩;其新鲜状态下各向异性较不明显,各向异性系数1.8;其余片岩微风化-新鲜状态下为中硬岩,千枚岩在弱风化状态下为较软岩。整体上,新鲜且片理发育较弱岩体的岩块强度与现场围岩级别有较好的相关性,但不同的岩性于不同的构造背景下体现出的相关性有较大差异,尤其石英片岩及钠长片岩类,其岩块强度一般较高,但部分段片理极其发育,因而其岩体整体强度极低,遇裂隙发育并伴有地下水活跃地段,极易失稳。

表1 点荷载试验结果统计

2.3 围岩稳定性主要影响因素

鄂北工程片岩隧洞围岩变形破坏类型主要有掉块、塑性变形、侧壁滑塌和洞顶坍塌等4种。根据地质环境以及片岩特点,结合破坏类型及岩性、岩体强度研究,得出影响围岩稳定性的主控因素如下。

(1) 岩体强度。主要受岩性及风化程度影响。整体而言,根据围岩稳定性从好到差,相应的地层岩性依次为钠长绿泥片岩、绿泥石片岩、变质粉砂质泥岩(Z2c),变余长石石英砂岩((Qn-Z1)y),绢云石英片岩、绿泥绿帘钠长片岩、绢云母钠长片岩等(Z2b 、 Z2c 、(Qn-Z1)y),绢云母千枚岩、绢云石英千枚岩(Z2b、Z2c)。受原岩及成岩环境影响,工程区出露的岩性较为复杂,风化程度越高,岩体强度越低,围岩越不稳定。

(2) 主要结构面密度、产状及状态。变质岩区尤其是片岩类变质岩,其原生结构面较发育,并往往伴生多组次生结构面,对围岩稳定性影响较大,同时各种结构面产状对洞室围岩稳定性也有较大影响。隧洞轴线与结构面倾角越小,洞室顶部围岩越不稳定;隧洞轴线与结构面走向夹角越小、倾角越大,洞壁围岩越不稳定。结构面的状态对于片岩类围岩稳定的影响相对较小。

(3) 地下水。工程区地下水主要以裂隙水的形式赋存于岩体中,总体来说,地下水贫乏,因此地下水相对较多分布的地带往往是节理、裂隙等结构面相对发育的部位。片岩含有大量绢云母、白云母、绿泥石等易软化的矿物成分,地下水对这类片岩软化影响显著,故若围岩中地下水越多,地下水分布越均匀,岩体软化越严重,稳定性越差。

3 围岩快速判别模糊综合评价模型

3.1 模糊综合评价法原理

本研究所提出的围岩快速分类方法是一种基于模糊数学的综合评价方法,即根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价,用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象进行总体评价,其基本思想:首先确定评价指标体系,充分考虑各评价指标的分级标准,根据各评价指标之间的层次性,确定各评价指标在评价对象中的模糊权重,然后运用模糊集合的相关计算原理,确定各评价指标的模糊界限,建立出各评价指标的隶属度函数,构建出模糊评判矩阵,经过多种逻辑运算,最终通过相关准则确定评价结果。

3.2 评价集与影响因素集的确定

不同行业的围岩分类方法略有不同。考虑到水利工程特点,根据GB 50487-2008《水利水电工程地质勘察规范》《工程地质手册》等,将本工程围岩类别评价集定义为V={Ⅴ,Ⅳ,Ⅲ,Ⅱ,Ⅰ},其对应的围岩稳定性评价分别为极不稳定、不稳定、局部稳定性差、基本稳定、稳定。

结合工程现场围岩特征研究,参考GB 50487-2008《水利水电工程勘察规范》,确定本工程模糊综合评价模型影响因素集U={点荷载,岩体完整程度,主要结构面状态,地下水,主要结构面产状}。鉴于岩石强度无法快速获得,因而采用点荷载换算;围岩完整程度采用结构面组数及间距确定,有条件时可根据现场所测岩体、岩块纵波波速计算确定。

3.3 权重的确定

目前,在模糊理论中,权重确定的方法很多,有经验法(专家意见法)、数理统计法、层次分析法等[8-9]。为充分体现影响因素权重的客观性、尽量减少人为主观影响,本文采用层次分析法确定影响因素的权重,主要步骤:① 构建判断矩阵,采用一致矩阵法按1～9标度方法构造;② 权重计算,并进行一致性检验。

根据前期工程实践总结,并参考国内外常用的围岩分类方法,对围岩分类的5个主要影响因素按两两进行比较,经现场实践分析总结,本工程的影响因素重要度排序为:点荷载、岩体完整程度、主要结构面产状、地下水、主要结构面状态。采用1～9标度法(表2)将上述5个主要影响因素构建判断矩阵P。

表2 指标间重要性比较结果

经特征根计算及一致性检验,5个主要影响因素权重系数为A=(0.320,0.320,0.068,0.109,0.184)T。

3.4 隶属度的确定

针对岩体强度定量影响因素,参考HC分类法,结合现场点荷载实测数据,制定了对应的岩体强度分类标准(表3)。

表3 点荷载分类标准

已有研究成果表明:根据隶属函数的特点和隶属度总和为1的原理,在不同的原函数条件下构造隶属函数,不同模糊隶属度值间存在差异,但最后分类结果一致[10]。本模型将定量影响因素点荷载按上述原理构造了符合工程实际的线性边半梯形-中三角形隶属函数,具体如式(1)～(5)所示:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

定性影响因素隶属度往往难以确定。本文结合现场地质素描成果,在工程实践中对定性影响因素对围岩稳定性的影响情况进行统计分析,同时结合已有方法分类取值及专家意见,采用阶梯概率数组,对引水隧洞工程主要定性影响因素隶属度取值总结如表4～7所示。

表4 岩体完整程度隶属度取值

3.5 围岩快速分类建模

围岩快速分类模糊综合评价模型的具体计算步骤如下。

(1) 确定评价围岩稳定性的等级论域V={Ⅴ,Ⅳ,Ⅲ,Ⅱ,Ⅰ}。

(2) 选取影响围岩稳定性的合理关键评价因素组成因素论域,确定其分级标准。因素论域U={点荷载,围岩完整程度,主要结构面状态,地下水,主要结构面产状},分级标准见表4～7。

表5 主要结构面状态隶属度取值

表6 地下水状况隶属度取值

表7 主要结构面产状隶属度取值

(3) 确定因素论域U中各因素对于围岩类别的权重。采用层次分析法确定的权重向量A=(a1,a2,…,ai),其中ai表示第i个影响因素对于围岩类别的权重。

(4) 确定隶属度。本模型采用边半梯形-中三角形隶属函数构建定量影响因素对于等级论域V的隶属度函数;根据前人总结及工程实际制定定性影响因素的隶属取值表,实现定性影响因素向定量转换。将现场采集的影响因素代入隶属度函数或查表得出相应的隶属度R：

隶属度矩阵中rij表示第i个影响因素对等级论域V中相对应的第j个等级的隶属度。

(5) 编程构建片岩类围岩快速判别APP,输入现场便于测得的地质元素,即可得到最大隶属度及相应围岩类别。模糊综合评价计算过程为B=AR=(bⅤ,bⅣ,bⅢ,bⅡ,bⅠ),平台自动按最大隶属度原则,在V矩阵中取最大值,即单元最大隶属度bk=max{bⅤ,bⅣ,bⅢ,bⅡ,bⅠ},确定围岩类别k。

4 围岩快速分类应用

鄂北工程杏仁山隧洞桩号为234+410～236+910,全长2.5 km。洞址区为岗波状山丘地形,埋深12.8～55.1 m,岩性主要为绢云钠长片岩、变辉长辉绿岩。隧洞断面为城门洞型,开挖洞径4.3～4.9 m,洞底板高程101.95～101.69 m,设计引水流量7.4 m3/s。

杏仁山隧洞现场实测或记录的部分基础地质资料如表8所示,然后采用本文建立的围岩快速分类模糊综合评价模型对杏仁山隧洞已开挖洞段进行围岩分类评价。图2～3为本工程基于模糊理论开发的片岩类隧洞围岩快速分类系统电脑版和手机版(1.0版)应用效果,其与设计、现场实际以及HC法确定的围岩类别对比结果如表9所示。该围岩快速分类系统已于2021年9月取得了软件著作权[11],手机版和电脑版可以实现版本文件转换使用。

图2 隧洞围岩快速分类系统电脑版应用界面

图3 隧洞围岩快速分类手机版APP应用界面

表8 杏仁山隧洞围岩地质条件实测数据统计

由表9可以看出,采用围岩快速分类模糊综合评价方法对杏仁山隧洞已开挖洞段分类的结果与实际围岩类别、HC法判别类别基本一致,而且最大隶属度基本大于0.4。该成果已经在鄂北工程实现推广使用,全线119.43 km引水隧洞已于2021年1月顺利贯通。目前,该成果正在清江水系连通及生态修复工程应用。

表9 杏仁山隧洞围岩分类结果对比

续表

5 结 论

(1) 影响围岩分类的影响因素十分复杂,选取合理的影响因素对围岩准确分类至关重要,其影响因素是否易测易得又决定了围岩分类是否及时有效、能否快速指导施工。通过室内外试验,并结合现场地质素描,对鄂北地区片岩类隧洞进行围岩特征研究,得出影响围岩稳定的5个主要影响因素,其按重要影响程度依次为岩体强度、围岩完整程度、结构面产状、地下水、结构面状态。

(2) 围岩分类的依据难以用准确的关系式表达,其评价因素对围岩分类的影响及分类界限标准具有模糊性。采用模糊综合评价方法,构建多因素影响模型,确定影响因素的权重,制定单个影响因素分类标准,构造隶属函数或赋值隶属度,通过模糊合成对围岩进行分类,可以得到比较符合实际的结果。

(3) 相比传统围岩判别方法,本文构建的模糊综合评价方法采用现场能快速且便捷测得的地质资料,输入软件平台便可立即围岩判别,减少了人为主观影响,大大缩短了围岩初期支护决策时间,实现了围岩快速分类,能及时确定合理的开挖方式与支护措施,加快工程的进展,缩短工期,同时保证了工程施工安全,可为类似工程参考。