【摘要】：復(fù)雜巖體結(jié)構(gòu)的幾何特征精細(xì)描述是工程巖體精細(xì)化描述的重要內(nèi)容之一。巖體結(jié)構(gòu)的幾何描述主要是對裂隙幾何特征參數(shù)及巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)空間分布及連通性情況的定量化表征。巖體中的裂隙網(wǎng)絡(luò)通常對巖體的力學(xué)、水力學(xué)特性和工程穩(wěn)定性起著關(guān)鍵性的控制作用。然而,裂隙網(wǎng)絡(luò)及其相關(guān)的幾何特征如何真正影響巖體特性仍然是一個值得持續(xù)探索的問題。在這種情況下,巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)的完整三維表征對于工程巖體精細(xì)化描述至關(guān)重要,并且其也是工程巖體分類和巖土工程設(shè)計中必不可少的基本任務(wù)。本文以西南地區(qū)怒江松塔水電站和金沙江旭龍水電站為工程背景,遵循復(fù)雜巖體結(jié)構(gòu)幾何特征描述“綜合研究→分解研究→綜合研究”的指導(dǎo)思想,重點(diǎn)介紹復(fù)雜巖體結(jié)構(gòu)的幾何特征定量化描述的新方法和新理論的應(yīng)用,旨在使巖體結(jié)構(gòu)表征定量化、系統(tǒng)化。本文分解研究主要關(guān)注于巖體結(jié)構(gòu)幾何特征中的裂隙產(chǎn)狀、裂隙跡長和裂隙豐度,綜合研究則關(guān)注于巖體綜合均質(zhì)區(qū)的構(gòu)建、巖體結(jié)構(gòu)三維表征模擬及巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)連通性情況。論文的主要研究內(nèi)容和成果如下:(1)對于旭龍壩址處的復(fù)雜裂隙巖體,合理地利用和整合各類可利用的數(shù)據(jù),提出了一個定量的、邏輯的、易操作的漸進(jìn)框架進(jìn)行巖體綜合均質(zhì)區(qū)劃分。該框架綜合考慮巖體地質(zhì)屬性,巖土特性和巖體結(jié)構(gòu)特征,劃分確定的綜合均質(zhì)區(qū)具有實(shí)際工程意義。此外,裂隙張量的概念被首次引入劃分巖體結(jié)構(gòu)域,從而更好地量化表征巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)空間分布特征。(2)對裂隙巖體中產(chǎn)狀數(shù)據(jù)的綜合表征方法進(jìn)行研究,提出了一種結(jié)合數(shù)據(jù)可視化、施密特等面積投影和分形理論的新方法,用于定量描述產(chǎn)狀數(shù)據(jù)的幾何分布特征及統(tǒng)計特性。并提出采用單分形維數(shù)來表征產(chǎn)狀數(shù)據(jù)分布的分散性程度,以及采用多重分形譜精細(xì)化描述產(chǎn)狀數(shù)據(jù)非線性分布的特征。(3)提出采用多個Fisher分布構(gòu)成的混合模型來模擬觀測到的復(fù)雜產(chǎn)狀數(shù)據(jù)集,從而一步實(shí)現(xiàn)裂隙產(chǎn)狀數(shù)據(jù)的自動分組和模擬。其中,提出采用SPKM算法選擇初始聚類中心解決了分組結(jié)果對初始聚類中心敏感的問題,從而保證產(chǎn)狀數(shù)據(jù)分組獲得全局上的最優(yōu)解。并利用基于MML準(zhǔn)則的component-wise EM算法自動確定裂隙組的最優(yōu)分組數(shù)。首次提出采用全球面來表征產(chǎn)狀數(shù)據(jù),而不是傳統(tǒng)的半球面表征,從而有效地解決了陡傾裂隙分組難的問題。人工模擬及實(shí)測裂隙產(chǎn)狀數(shù)據(jù)集的測試結(jié)果表明所提出的基于有限混合模型的產(chǎn)狀數(shù)據(jù)分組方法性能優(yōu)異。(4)針對在大型水電工程和深部巖體工程中常見的狹長裂隙取樣窗口,基于線性矩理論和改進(jìn)的多測線方法提出了一種新的非參數(shù)方法用于推斷描述裂隙真跡長分布,從而更好地描述巖體裂隙跡長特征。建議方法強(qiáng)調(diào)使用包含跡長數(shù)據(jù)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的觀測跡長數(shù)據(jù)進(jìn)行分布類型推斷和參數(shù)估計。此外提出了曲折取樣窗口產(chǎn)狀誤差校正方法,從而使利用曲折取樣窗口進(jìn)行跡長分布推斷成為可能。(5)詳細(xì)介紹了如何在工程規(guī)模尺度上對大尺度巖體的裂隙參數(shù)空間分布異質(zhì)性進(jìn)行模擬表征的方案。利用松塔壩址壩肩巖體中開挖平硐內(nèi)收集到的有偏差的一維和二維裂隙豐度指標(biāo),推斷獲取平硐附近巖體的三維裂隙豐度指標(biāo)P_(30)和P_(32)。并據(jù)此采用地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)中的序貫高斯模擬方法對壩肩巖體內(nèi)P_(30)和P_(32)的空間分布進(jìn)行模擬,再現(xiàn)了壩肩巖體內(nèi)部裂隙豐度的空間分布特征。(6)利用松塔水電站壩肩平硐PD231中的裂隙信息,基于統(tǒng)計學(xué)和概率論方法構(gòu)建離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型來對巖體中的裂隙網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行綜合表征。并提出了一種基于包圍盒技術(shù)和分離軸定理的步進(jìn)法框架,用于加快離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型的裂隙相交分析計算。在此基礎(chǔ)上,對巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)的連通性進(jìn)行分析,結(jié)果表明陡傾裂隙組3和緩傾裂隙組1構(gòu)成了壩址區(qū)裂隙巖體的主要流動路徑。此外,陡傾裂隙組(裂隙組2和3)比緩傾裂隙組(裂隙組1)的組內(nèi)連通性好。并發(fā)現(xiàn)裂隙組內(nèi)裂隙自相交行為與產(chǎn)狀分散度、裂隙密度和裂隙大小密切相關(guān)。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TV223.3
【圖文】：

1.1 選題依據(jù)及研究意義平均海拔超 4000 m 的青藏高原是地球上面積最大、海拔最高的高原，被稱為“第三極”。如圖 1-1 所示，中國境內(nèi)青藏高原的總面積為 2.57 × 106km2，約占我國國土總面積的四分之一，地理上主要涉及第一臺階及第一臺階向第二臺階過渡的陡變帶。青藏高原擁有眾多冰川湖泊，亞洲的大江大河多數(shù)發(fā)源于青藏高原。作為亞洲水塔，青藏高原及周邊地區(qū)被認(rèn)為是世界上水電開發(fā)最具潛力的地區(qū)之一[1,2]。該區(qū)的河川徑流量約為 4,100 × 108m3，水能資源理論蘊(yùn)藏量約為 2 ×108kW，約占全國的百分之三十[3]。為了充分利用這些豐富的水電資源，計劃在青藏高原附近的高山峽谷地區(qū)建造許多大型水電站(圖 1-2)。巖體常被用作水電站建設(shè)的平臺和基礎(chǔ)，且水電工程正逐步向高、大、超大型發(fā)展[4]。因而，在大型水電工程開發(fā)過程中面臨著巖體力學(xué)和巖土工程領(lǐng)域的巨大挑戰(zhàn)，如大型地下洞室的開挖，高陡邊坡穩(wěn)定性和高地應(yīng)力[5-9]。

完整、均質(zhì)而又堅硬的巖體是重大基礎(chǔ)工程設(shè)施的首選[10-12]。但巖體作質(zhì)體的一部分，通常經(jīng)歷了漫長自然地質(zhì)演化歷史。近兩億年來板塊構(gòu)內(nèi)動力地質(zhì)持續(xù)作用造就了巖體中不同程度的應(yīng)力累積，伴隨著地表外的夷平面化作用，淺表層的巖體遭受了廣泛的卸荷回彈，從而使得原本的地質(zhì)材料內(nèi)部產(chǎn)生了力學(xué)意義上的不連續(xù)面，即對應(yīng)于內(nèi)動力地質(zhì)作結(jié)構(gòu)面和伴隨外動力地質(zhì)作用的次生結(jié)構(gòu)面。原生結(jié)構(gòu)面主要包括地層與不整合面、斷層、層面、層理、面理、片理、片麻理、節(jié)理裂隙等；面主要包括卸荷裂隙、風(fēng)化裂隙、泥化夾層及地震產(chǎn)生的裂隙等。因而由巖塊和圍限它們的結(jié)構(gòu)面所構(gòu)成的集合體，其中被結(jié)構(gòu)面切割形成的稱為結(jié)構(gòu)體。結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體在空間中的排列組合方式稱為巖體結(jié)構(gòu)質(zhì)的層面去認(rèn)識結(jié)構(gòu)面是十分重要的，主要采用工程地質(zhì)學(xué)中關(guān)于結(jié)構(gòu)質(zhì)調(diào)查法進(jìn)行統(tǒng)計調(diào)查，獲取各類結(jié)構(gòu)面的相關(guān)地質(zhì)信息。谷德振 (19

吉林大學(xué)博士學(xué)位論文刪節(jié)誤差[73,82]。王輝和錢海濤 (2005)[122]就測線法提出了任意方向 P10和 P20的估算方法。Kulatilake 和 Wu (1984)[123]利用矩形窗口法根據(jù)不同類型跡線的數(shù)量來校正 P20。Mauldon (1998)[80]則基于圓形窗口法給出了 P20的估算方法。由于直接測量獲得的 P10，P20和 P21在取樣誤差校正之前不能被作為描述裂隙豐度的一般化參數(shù)，因而往往優(yōu)先使用線性可加的且和方向無關(guān)的參數(shù) P30和 P32用于模擬目的[124-126]。其中，由于 P32指標(biāo)結(jié)合了裂隙的間距和大小信息，因而其被稱為裂隙豐度度量的“圣杯”[127]。然而，我們通常并不能直接觀測到巖體內(nèi)部裂隙的三維幾何特征，因而不能在現(xiàn)場直接測量 P30和 P32值。這兩個參數(shù)通常是利用鉆孔、平硐或者其他露頭中可測的 P10，P20和 P21值推斷獲得[128]。

本文編號：2784652