巖溶地質(zhì)分形預(yù)報(bào)方法的應(yīng)用研究.pdf

1、在大量的工程實(shí)踐基礎(chǔ)上，作者根據(jù)巖溶隧道施工所存在的問題一復(fù)雜的巖溶地質(zhì)問題，抓住問題的重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行方法研究。 本論文主要在以下幾方面進(jìn)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(zhì)預(yù)報(bào)模型研究；4)巖溶圍巖力學(xué)特性及巖溶圍巖分級(jí)初步研究。 通過(guò)試驗(yàn)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(gè)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(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、地下水動(dòng)力條件及氣候等因素的控制，其中巖性、構(gòu)造和地下水是巖溶發(fā)育的三個(gè)必要條件。在巖溶垂直剖面三分帶理論基礎(chǔ)上，借助化學(xué)動(dòng)力學(xué)水文地質(zhì)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(qiáng)了巖溶垂直剖面分帶的定量化程度。對(duì)于巖溶涌水量及水壓的預(yù)測(cè)問題，本文提出建立巖溶涌水的化學(xué)動(dòng)力學(xué)水文地質(zhì)模型，以期實(shí)現(xiàn)采用常規(guī)的水化學(xué)成分資料

3、及可獲取的基礎(chǔ)地質(zhì)資料，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖溶隧道的分段涌水量預(yù)測(cè)。 2)．不同的巖溶形態(tài)具有自相似性和標(biāo)度不變性等兩個(gè)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(jié)構(gòu)面或巖石表面按照一定的規(guī)律生長(zhǎng)，并逐步生長(zhǎng)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(jìn)行了不同條件下巖溶元的分形生長(zhǎng)規(guī)律研究。首先，指出巖溶元分形

4、生長(zhǎng)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(zhǎng)機(jī)理按照不同的分形維數(shù)生長(zhǎng)為不同的巖溶形態(tài)。論文指出了巖溶元的分形生長(zhǎng)過(guò)程，其中的第N級(jí)生長(zhǎng)結(jié)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(shí)，不同階段的巖溶元生長(zhǎng)所形成的不同巖溶形態(tài)與相應(yīng)的巖溶巖體的工程質(zhì)量級(jí)別是對(duì)應(yīng)的，這就為利用巖溶元的分形生長(zhǎng)結(jié)果進(jìn)行巖溶分形地質(zhì)預(yù)報(bào)奠定了理論基礎(chǔ)，并為巖溶圍巖分級(jí)奠定了理論基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)巖溶分形曲線的相關(guān)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)指數(shù)，D為巖溶分形維數(shù)，R為巖溶分形曲線的相關(guān)系數(shù)。 根據(jù)巖溶發(fā)育程度分形評(píng)價(jià)指數(shù)將巖溶發(fā)育程度分為五級(jí)：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(yàn)研究微觀巖溶的分形特征，計(jì)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(jìn)行對(duì)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(zhì)分形預(yù)報(bào)模型奠定理論基礎(chǔ)。 5)．在大量的工程實(shí)踐和對(duì)HSP聲波反射法地質(zhì)預(yù)報(bào)的優(yōu)缺點(diǎn)充分了解基礎(chǔ)上，提出HSP聲波反射法巖溶地質(zhì)超前預(yù)報(bào)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(jié)合”的巖溶地質(zhì)分形預(yù)報(bào)模型。預(yù)報(bào)物理模型包括三部分：宏觀巖溶

7、發(fā)育可能性評(píng)價(jià)，微觀巖溶發(fā)育程度的分形評(píng)價(jià)和掌子面測(cè)試前方界線的分形規(guī)律。 提出巖溶發(fā)育程度評(píng)價(jià)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(diǎn)和掌子面測(cè)試前方界線的分形規(guī)律等情況下的巖溶發(fā)育程度評(píng)價(jià)指數(shù)CIKF．4(theComprehensiveIndexofKarstFractalAssessment)。從而建立巖溶地質(zhì)分形預(yù)報(bào)的數(shù)學(xué)模型： CIKFA=3√P2·IKFA·CGPF。式中，

8、CIKFA為巖溶發(fā)育程度評(píng)價(jià)綜合指數(shù)；PZ為宏觀區(qū)域巖溶發(fā)育可能性評(píng)價(jià)指數(shù)(thePossibilityIndex0fKarstZone)；IKFA為微觀巖溶發(fā)育的分形評(píng)價(jià)指數(shù)(theIndex0fKarstFractalAssessment)；CGPF為掌子面前方物探測(cè)試界線的分形指數(shù)(meCoefficient0fGeophysicalProspectingFractal)。 應(yīng)用該預(yù)報(bào)模型，對(duì)武隆隧道進(jìn)行了預(yù)報(bào)實(shí)例分析。

9、 6)．根據(jù)巖溶隧道施工與現(xiàn)行工程巖體質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)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(xué)試驗(yàn)和現(xiàn)行分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，初步建立了巖溶圍巖級(jí)別劃分的物理模型： 巖溶圍巖級(jí)別分值=一般巖體質(zhì)量級(jí)別分值×(1-巖溶發(fā)育程度修正系數(shù)) 用數(shù)學(xué)表達(dá)式可寫成：KBQ：BQ×(1-CkD) 式中：KBQ-巖溶圍巖級(jí)別的巖體質(zhì)量分值(BlockQualityofKarst)；gQ-按一般巖體質(zhì)量分級(jí)系

10、統(tǒng)計(jì)算的巖體質(zhì)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(píng)價(jià)系數(shù)；CKD1-巖溶發(fā)育程度定量評(píng)價(jià)系數(shù)；Sv-巖溶發(fā)育形態(tài)及規(guī)模對(duì)隧道安全的影響系數(shù)(﹪)；Kc-