【摘要】：地下水封洞庫(kù)常建于裂隙發(fā)育、地下水充裕的硬質(zhì)花崗巖體中,受不同規(guī)模隨機(jī)分布的巖體結(jié)構(gòu)面影響,圍巖參數(shù)不可避免地表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非均質(zhì)性或空間變異性。在水幕系統(tǒng)維持的高地下水壓力作用下,圍巖非均質(zhì)性可能導(dǎo)致洞室局部出現(xiàn)災(zāi)難性的變形破壞現(xiàn)象,即圍巖存在高失穩(wěn)概率部位。而在實(shí)踐中對(duì)巖體非均質(zhì)性的有限認(rèn)識(shí)嚴(yán)重制約了對(duì)圍巖存在高失穩(wěn)概率部位的識(shí)別工作,進(jìn)而限制了支護(hù)設(shè)計(jì)的可靠程度。鑒于此,本論文以地下水封洞室非均質(zhì)圍巖巖體為研究對(duì)象,通過對(duì)圍巖參數(shù)(滲透系數(shù)K_s、有效楊氏模量E′、有效粘聚力c′、有效內(nèi)摩擦角φ′)的反演刻畫研究,精準(zhǔn)識(shí)別出圍巖體存在的高失穩(wěn)概率區(qū)域,進(jìn)而提出針對(duì)性的支護(hù)方案。以寧波百地年地下水封洞庫(kù)工程為實(shí)例,首先研究圍巖各參數(shù)代表性體積單元(REV)尺寸效應(yīng)和各向異性效應(yīng),闡明該水封洞室考慮圍巖非均質(zhì)性的必要性。利用掌握的勘察資料確定參數(shù)的無條件隨機(jī)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)特征,包括均值、方差、相關(guān)尺度,作為參數(shù)反演所需要的先驗(yàn)信息。然后,生成一組滿足先驗(yàn)信息的參數(shù)隨機(jī)場(chǎng)作為參考場(chǎng),基于參考場(chǎng)進(jìn)行正演計(jì)算以采集水頭和位移信息。緊接著,在圍巖參數(shù)與位移的空間互關(guān)聯(lián)分析基礎(chǔ)上,運(yùn)用逐次線性評(píng)估原理建立水力層析掃描技術(shù)和位移反分析技術(shù),融合采集的水頭和位移信息分別來反演刻畫滲透系數(shù)K_s和力學(xué)參數(shù)(E′、c′、φ′)的空間非均勻分布及其各參數(shù)的條件不確定性。接著,通過概率理論建立可行的失穩(wěn)概率化評(píng)價(jià)方法,定量化地識(shí)別出圍巖不同部位的失穩(wěn)概率,從而反饋性地指示出洞室需要補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的具體位置。最后,提出了考慮圍巖非均質(zhì)性的地下水封洞室信息化施工技術(shù)途徑。本論文取得的主要結(jié)論如下:(1)滲透系數(shù)REV和力學(xué)參數(shù)REV尺寸大小比洞室?guī)缀纬叽缦嗖畈淮?不能采用等效連續(xù)均質(zhì)模型,因此考慮圍巖非均質(zhì)性是有必要的。各參數(shù)的無條件隨機(jī)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)特征表明滲透系數(shù)的空間變異性程度明顯大于力學(xué)參數(shù)的空間變異性。以結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模型為基礎(chǔ),通過數(shù)值試驗(yàn)探索出滲透系數(shù)無條件隨機(jī)場(chǎng)相關(guān)尺度與巖體結(jié)構(gòu)面平均最大跡長(zhǎng)基本相等,且結(jié)構(gòu)面的優(yōu)勢(shì)方向?qū)⒖刂齐S機(jī)場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)各向異性特征。反之,若結(jié)構(gòu)面不存在優(yōu)勢(shì)方向,則參數(shù)隨機(jī)場(chǎng)表現(xiàn)為統(tǒng)計(jì)各向同性。(2)圍巖中一點(diǎn)處的位移與靠近該點(diǎn)位置的K_s、E′、c′、φ′都呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,而只與遠(yuǎn)離該點(diǎn)位置的K_s呈正相關(guān)性。圍巖位移受整個(gè)模型范圍內(nèi)滲透系數(shù)和有效楊氏模量的影響,但只對(duì)附近的強(qiáng)度參數(shù)(有效粘聚力和有效內(nèi)摩擦角)具有相關(guān)性。另外,從互相關(guān)性數(shù)量級(jí)來說,位移對(duì)K_s的互相關(guān)性最大,對(duì)E′的互相關(guān)性最小,對(duì)c′和φ′的互相關(guān)性居中。(3)基于參考場(chǎng)的正演分析表明:由于存在著水幕系統(tǒng)維持的高地下水壓力,且_sK的非均質(zhì)性可以改變洞室周圍滲透力分布,若只考慮力學(xué)參數(shù)的非均質(zhì)性,則不能反映洞室開挖后真實(shí)的變形和穩(wěn)定性狀況。因此,在地下水封洞室開挖安全分析中同時(shí)考慮巖體水力學(xué)和力學(xué)性質(zhì)的不均勻性具有重要實(shí)際意義。(4)利用水力層析掃描反演刻畫K_s場(chǎng),基于反演K_s場(chǎng)所評(píng)估的水力梯度場(chǎng)雖未能反映真實(shí)水力梯度場(chǎng)中每一個(gè)細(xì)部特征,但卻把握住總體特征,尤其是水力梯度大的地方都刻畫的非常清楚,從而明確了關(guān)鍵的滲透力荷載大小和分布情況�；谠u(píng)估的滲透荷載,采用位移反分析技術(shù)反演刻畫的E′場(chǎng)在有位移采樣的部位與參考場(chǎng)的空間分布具有極高的相似性,但對(duì)于反演的c′場(chǎng)和φ′場(chǎng)僅在靠近洞周范圍內(nèi)被反演刻畫出來。并且,越靠近監(jiān)測(cè)點(diǎn)的圍巖參數(shù)被描述得越清晰,解析度越高,所對(duì)應(yīng)的條件不確定性也越小,代表對(duì)反演結(jié)果的可信度越高,這對(duì)圍巖失穩(wěn)概率評(píng)價(jià)極其重要。(5)通過一階近似法分別基于參數(shù)先驗(yàn)信息和參數(shù)反演結(jié)果計(jì)算出圍巖失穩(wěn)概率分布�？梢园l(fā)現(xiàn),如果僅僅依靠參數(shù)先驗(yàn)信息則會(huì)低估圍巖失穩(wěn)概率,而經(jīng)過參數(shù)反演評(píng)估結(jié)果則可以相對(duì)精確的指示出高失穩(wěn)概率區(qū)�；谧R(shí)別出的高失穩(wěn)概率區(qū),提出針對(duì)性的錨固補(bǔ)強(qiáng)措施,比直接采用位移量大的傳統(tǒng)判別指標(biāo)來提出錨固補(bǔ)強(qiáng)措施,更能夠起到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。
【圖文】：

圖 1.1 技術(shù)路線1.4 論文創(chuàng)新點(diǎn)（1）針對(duì)目前裂隙介質(zhì)的隨機(jī)連續(xù)介質(zhì)模型表征方面，都還只是停留在直應(yīng)用鉆孔分段壓水試驗(yàn)或鉆孔巖芯質(zhì)量評(píng)價(jià)等手段獲取的實(shí)測(cè)參數(shù)值來分析各數(shù)的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)特征，而忽略了結(jié)構(gòu)面隨機(jī)分布所造成的參數(shù)空間非均勻分布這

（a）原始記錄數(shù)據(jù)樣本 （b）GEODE-96 地震儀圖 2.2 地震勘探設(shè)備與采樣數(shù)據(jù)（2）縱波波速空間分布特征參見圖 2.1 中物探剖面 B-B′穿過研究區(qū)主要地層，其剖面方向?yàn)槟掀?63°。原始記錄數(shù)據(jù)解譯后獲得地震波波速剖面如圖 2.3 所示�？傮w而言，從淺部到深縱波波速增大，代表深部微風(fēng)化或未風(fēng)化巖體質(zhì)量好于淺表層風(fēng)化、中風(fēng)化巖體量。研究區(qū)剖面上按縱波波速大小可以劃分為三層：淺表層強(qiáng)風(fēng)化破碎巖體，中化較破碎巖體過渡層，以及深部微風(fēng)化巖體。其中，強(qiáng)風(fēng)化帶平均深度為 3m，風(fēng)化帶厚度除在 P2 斷層穿越帶變厚外，平均厚度為 10~15m。當(dāng)高程小于 0m，可以從圖 2.3 看出研究區(qū)基本處于微風(fēng)化至未風(fēng)化新鮮巖體。再?gòu)膱D 2.1 中所的研究區(qū)構(gòu)造情況來看，P1 相對(duì)遠(yuǎn)離洞室區(qū)，P2 的發(fā)育深度又有限，即，局部質(zhì)構(gòu)造條件相對(duì)較好，，據(jù)此推測(cè)深部巖體相對(duì)均質(zhì)。值得注意的是，但這只是基地震勘探在千米大尺度上的信息來判斷的，其所能夠反映的地層局部信息就會(huì)對(duì)模糊，波速分布也就表現(xiàn)為比較光滑，這也是該方法只能獲得大尺度空間非均性的弊端。換言之，要想獲得更多的地層物理力學(xué)信息（或劃分出小尺度的均質(zhì)
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TE972.2

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2590042