基于可拓云模型的水工隧洞围岩稳定性评价研究

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水资源整体分布不均早已成为制约我国经济发展的巨大阻碍。近年来,为保证发展需求我国陆续兴建了南水北调中线工程等一系列跨流域大型水利工程极大改善了北方地区的缺水状态。水工隧洞作为这些跨流域大型水利工程的主要水工构筑物逐渐呈现大洞径、高埋深、长洞线的特点,这些特点也成为维持水工隧洞稳定的挑战。水工隧洞围岩稳定作为隧洞稳定的基础,如能实现围岩稳定性的准确预测能够对后期隧洞施工及支护方案设计有很大的指导作用,这样可以极大的减少施工风险,保证水工隧洞工程安全稳定。但这方面的研究尚处于不断完善的时期,应加大此方面的研究,完善其评价系统,使预测结果更加可靠。本文主要是对施工前的水工隧洞围岩稳定性进行评价,研究了影响水工隧洞围岩稳定的各种机理,构建了多因素水工隧洞围岩稳定性评价指标体系,划分了围岩稳定等级,提出了基于非线性理论的可拓云评价模型对水工隧洞围岩稳定进行了评价研究,分析了围岩稳定评价结果的有效性。本文的研究为水工隧洞围岩稳定性评价提供了一种新的定量方法,以期进一步完善水工隧洞围岩评价系统,为后续工程中的水工隧洞围岩稳定性评价结果提供更加有效的支撑。本文主要内容和研究成果如下:(1)建立水工隧洞围岩稳定性评价指标体系。归纳分析相关研究资料之后,构建了以围岩岩体特性和岩体所处地质环境为核心要素的指标体系。以岩体坚硬程度、岩体完整度、其他因素三个类别进行指标分类,指标体系具体包括岩石质量指标、湿抗压强度、完整性系数、地下水渗水量等10个指标。参考相关规范对水工隧洞围岩稳定性进行等级划分,以围岩等级的形式表现围岩稳定性(围岩等级划分为五级,Ⅰ为稳定,Ⅱ为基本稳定,Ⅲ为局部稳定,Ⅳ为不稳定,Ⅴ为极不稳定)。(2)构建基于可拓云理论的水工隧洞围岩稳定性评价模型。通过对多种赋权方法分析比较,建立“序关系法—改进粗糙集—博弈论法”组合赋权法为各指标进行赋权。利用云模型对可拓物元模型中只能定性表达事物特征的不足之处进行了改进,借此提出了水工隧洞围岩稳定性的可拓云评价模型,最后利用Matlab软件对可拓云评价模型进行计算。(3)基于珠江三角洲水资源配置工程开展实例研究。以珠江三角洲水资源配置工程土建施工B4标段水工隧洞为研究对象进行围岩等级预测,预测结果为GS20+050~GS21+340、GS26+035~GS26+900段围岩处于Ⅱ级基本稳定状态,里程范围为GS19+590~GS20+050、GS21+340~GS22+226等段围岩处于III级局部稳定状态。并针对预测结果进行开挖及支护方案设计。(4)利用Midas软件开展模拟施工分析确定评价结果的可靠度。借助Midas软件对GS20+050~GS21+340段隧洞围岩的开挖及支护方案建模进行模拟施工开挖分析,以开挖支护情况下的岩体位移和应力变化作为围岩稳定分析的指标,通过分析结果验证了可拓云水工隧洞围岩稳定性评价模型的可靠性。
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