【摘要】：復雜巖體結構的幾何特征精細描述是工程巖體精細化描述的重要內(nèi)容之一。巖體結構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)絡通常對巖體的力學、水力學特性和工程穩(wěn)定性起著關鍵性的控制作用。然而,裂隙網(wǎng)絡及其相關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)絡的完整三維表征對于工程巖體精細化描述至關重要,并且其也是工程巖體分類和巖土工程設計中必不可少的基本任務。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,遵循復雜巖體結構幾何特征描述“綜合研究→分解研究→綜合研究”的指導思想,重點介紹復雜巖體結構的幾何特征定量化描述的新方法和新理論的應用,旨在使巖體結構表征定量化、系統(tǒng)化。本文分解研究主要關注于巖體結構幾何特征中的裂隙產(chǎn)狀、裂隙跡長和裂隙豐度,綜合研究則關注于巖體綜合均質區(qū)的構建、巖體結構三維表征模擬及巖體裂隙網(wǎng)絡連通性情況。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、易操作的漸進框架進行巖體綜合均質區(qū)劃分。該框架綜合考慮巖體地質屬性,巖土特性和巖體結構特征,劃分確定的綜合均質區(qū)具有實際工程意義。此外,裂隙張量的概念被首次引入劃分巖體結構域,從而更好地量化表征巖體裂隙網(wǎng)絡空間分布特征。(2)對裂隙巖體中產(chǎn)狀數(shù)據(jù)的綜合表征方法進行研究,提出了一種結合數(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分布構成的混合模型來模擬觀測到的復雜產(chǎn)狀數(shù)據(jù)集,從而一步實現(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。人工模擬及實測裂隙產(chǎn)狀數(shù)據(jù)集的測試結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。建議方法強調使用包含跡長數(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行跡長分布推斷成為可能。(5)詳細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)空間分布異質性進行模擬表征的方案。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,推斷獲取平硐附近巖體的三維裂隙豐度指標P_(30)和P_(32)。并據(jù)此采用地質統(tǒng)計學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)計學和概率論方法構建離散裂隙網(wǎng)絡模型來對巖體中的裂隙網(wǎng)絡進行綜合表征。并提出了一種基于包圍盒技術和分離軸定理的步進法框架,用于加快離散裂隙網(wǎng)絡模型的裂隙相交分析計算。在此基礎上,對巖體裂隙網(wǎng)絡的連通性進行分析,結果表明陡傾裂隙組3和緩傾裂隙組1構成了壩址區(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。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：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的平臺和基礎，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和巖土工程領域的巨大挑戰(zhàn)，如大型地下洞室的開挖，高陡邊坡穩(wěn)定性和高地應力[5-9]。

完整、均質而又堅硬的巖體是重大基礎工程設施的首選[10-12]。但巖體作質體的一部分，通常經(jīng)歷了漫長自然地質演化歷史。近兩億年來板塊構內(nèi)動力地質持續(xù)作用造就了巖體中不同程度的應力累積，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材料內(nèi)部產(chǎn)生了力學意義上的不連續(xù)面，即對應于內(nèi)動力地質作結構面和伴隨外動力地質作用的次生結構面。原生結構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構面所構成的集合體，其中被結構面切割形成的稱為結構體。結構面和結構體在空間中的排列組合方式稱為巖體結構質的層面去認識結構面是十分重要的，主要采用工程地質學中關于結構質調查法進行統(tǒng)計調查，獲取各類結構面的相關地質信息。谷德振 (19

吉林大學博士學位論文刪節(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的參數(shù) P30和 P32用于模擬目的[124-126]。其中，由于 P32指標結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