（地质工程专业论文）丹巴水电站引水隧洞稳定性分析及方案比选研究.pdf

摘要 丹巴水电站引水隧洞稳定性分析及方案比选研究 作者简介：孙耀明，男，1 9 8 2 年9 月生，师从成都理工大学王运生教授，2 0 0 8 年0 7 月毕业于成都理j 人学地质工程专业，获得工学硕士学位。 摘要 丹巴水电站初拟装机容量1 5 6 万k w ，采用引水式发电，最大坝高1 0 8 m ，水电站利用 落差1 8 8 m ，初拟正常蓄水位2 0 4 0 m ，库容2 6 9 亿m 3 。引水方案布置左岸、右岸两条引水 线路，左岸引水线路长1 6 5 k m ，引水隧洞进水口在水 子沟对岸。右岸引水线路长1 4 9 5 k m ， 引水隧洞进水口在水卡子沟。引水隧洞早圆拱直墙形，直径1 2 5 m ，两隧洞中心线距离4 0 m ， 进水口底板高程为2 0 1 3 m ，方向为s 5 5 。e 。引水隧洞垂直埋深一般为6 0 0 8 0 0 m ，最大埋深 可达1 2 1 0 m 。 工程区岩性复杂，为一套浅变质岩和覆盖于其上的第四纪松散堆积物；断裂构造发育， 五条主要断裂斜穿引水隧洞线而过，受构造影响，工程区物理地质现象相当发育。引水隧洞 位于志留系茂县群( s m x ) 二云片岩、二云英片岩、石英岩及大理岩的变质岩建造中。由于 经历多期构造改造作用和浅表生时效变形，发育的断层及裂隙降低了岩体的强度，劣化了隧 洞围岩质量。 本论文应用系统工程地质学的研究方法，在系统地了解了区域地质构造环境及工程区的 地质构造、环境的基础上，对左、右岸引水隧洞围岩体结构进行分段。结果表明，左岸引水 隧洞围岩体结构主要为次块状、层状结构，右岸主要为层状、次块状结构。此后，应用工程 岩体质量分级及水利水电围岩1 二程地质分类法对引水隧洞围岩进行初步分类。分类结果表 明，左岸引水隧洞围岩以l v l 类及i i l 类为主，右岸以i v 2 类及l i i 类为主。基于此，定性分 析引水隧洞左、右岸围岩体稳定性，认为：左岸引水隧洞围岩稳定性整体较好，局部仅发生 塑性变形或产生小中塌方，右岸引水隧洞围岩较差，局部会发生规模较大的各种变形和破 坏，成洞条件不如左岸理想。 方案比选采用定性与定量相结合的方法进行评判。基于工程地质条件的方案比选研究表 明，左岸引水方案明显优于右岸。在此基础上，基于模糊综合评价法，对引水方案再次进行 比选。方案比选的评价集u 为隧洞稳定性、工程造价、施工难易程度、环境影响大小，评 语集v 为好、较好、较差、差，隶属函数选用线性关系，各评价因子的权重分别为0 4 0 、 o 2 5 、o 2 0 、0 1 5 ，由此建立模糊矩阵，进行综合评判。评判结果表明，方案一隶属度评价 等级高。两种方法得出的结论一致，认为左岸引水方案为首选方案。 关键词：丹巴水电站 引水隧洞 围岩分类模糊综合评价方案比选 成都理一 ：人学硕士学位论文， t h es t a b i l i 坶a n a l y s i sa n dt h es c h e m es e l e c t i o n s t u d yo f d i v e r s i o nt u n n e lo fd a n b a h y d r o e l e c t r i c a l p o w e rs t a t i o n i n t r o d u c t i o no ft h ea u t h o r ：s u n y a o m i n g ，m a i e ，w a sb o r ni ns e p t e m b e r19 8 2w h o s et u t o rw a s p r o f e s s o rw a n g y u n s h e n g h eg r a d u a t e df r o mc h e n g d uu n i v e r s i t yo ft b c h n o l o g yi ng e o l o g i c a l e n g i n e e r i n gm a j o ra n dw a sg r a n t e dt h em a s t e rd e g r e ei nj u l y ，2 0 0 8 a b s t r a c t t h ed a n b ah y d r o e l e c t r i c a lp o w e rs t a t i o nw 订lu s ed i v e r s i o no fp o w e rg e n e r a t i o n ，a n di t s i n s t a l l e dc a p a c i t ya r r v e s1 5 6 m i l l i o nk 、v i t sh i g h e s th e i g h to ft h ed e s i g nd a ma c h i e v e s10 8 m ， u s i n g18 8 md r o po ft h er i v e r ，t h en o r m a lw a t e rs t o r a g ei s2 0 4 0 m ，i t sc 印a c i t ) ，i s2 6 9 m i l l i o nm j 。 d i v e r s i o ns c h e m es e t st w od i v e r s i o nr o u t e s ，t h el e n g t ho ft h el e f tb a n kd i v e r s i o nt u n n e li sl6 5 k m ， a n di t si n l e to p p o s i t e dt h es h u i k a z id i t c h t h er i g h tb a n kd i v e r s i o nt u n n e ll e n g t hi s14 9 5k m ，a n d i t si n l e ta tt h et h es h u i k a z id i t c h d i v e r s i o nt u n n e ld e s i g n e dt oa r c h r e c t a n g l es h a p e d ，i t sd i a m e t e r i s12 5 m ，t h ed i s t a n c eb e t w e e nt h ec e n t e rl i n eo ft w ot u n n e l si s4 0 m ，i t sb u r i e dd e p t hi s2 013 m ，i t s d i r e c t i o ni st h es 5 5 。e t h et u n n e li sl o n ga n du l t “卜d e e p ，i t sv e r t i c a lb u r i e dd e p t hi sg e n e r a l l y6 0 0 t o8 0 0 m ，a n dt h em a x i m u mu pt o1 2 1 0 m t h el i t h o l o g yo ft h ep r o j e c ta r e ai sc o m p l e x i t y ，w h i c hi ss l i g h t l ym e t a m o r p h i cr o c k sc o v e r e d b yl o o s ed e p o s i t so ft h eq u a t e m a 哆，a n dp r o j e c ta r e ah a sf i v em a j o rf a u l t sa c r o s st h ed i v e r s i o n t u n n e l b e c a u s eo ft h es t r u c t u r a li m p a c tt ot h ep r o j e c ta r e a ，t h ep h y s i c sg e o l o g i c a ip h e n o m e n o ni n p r o j e c ta r e ai sd e v e l o p e d d i v e r s i o nt u n n e li s a tt h em a o x i a ng r o u po fs i l u r i a nc o n s t r u c t i o n c o m p o s e db ym u s c o v i t e - b i o t i t e - q u a r t zs c h i s t ，m u s c o v i t e - b i o t i t e q u a r t zs c h i s t ，q u a r t z i t ea n dm a r b l e f o re x p e r i e n c e dm u l t i p h a s es t m c t u r a lt r a n s f o m a t j o na n da g i n gs u p e r f i c i a ld e f b m l a t i o n ，t h ef a u l t s a n df r a c t u r e sd e t e r i o r a t e dt h er o c kq u a l i t yo f t h et u n n e l ，s ot h es t r e n ho f t h er o c ki sl o w e r b a s e do ns y s t e ma n a l y s i st o g e o l o g i c a l s t r u c t u r eo fr e g i o n a le n v i r o n m e n t a l a n dt ot h e g e o l o g i c a ls t m c t u r ea n de n v i r o n m e n to fe n g i n e e r i n ga r e 嬲， t h i sp a p e r su s e ds y s t e me n g i n e e r i n g g e o l o g ym e t h o d st oc l a s s n yt h er o c ks t r u c t u r eo ft h el e ra n dr i g h tb a n kt u n n e l r e s u l t si st h a tt h e r o c ks t r u c t u r eo ft h el e ri sm a i n l yt os u b - b l o c ka n dl a y e r e ds t m c t u r e ，t h er i g h ti sm a i n l yt ol a y e r e d a n ds u b - b l o c ks t r u c t u r e t h e n ，t h i sp a p e ra p p l i e dt h em e t h o do fr o c k - m a s se n g i n e e r i n gg e o l o g i c a i q u a l i t y c l a s s i 野c a t i o na n d w a t e 卜c o n s e r v a n c y a n d h y d r o e l e c t r i ce n g i n e e r i n gg e o l o g i c a l c l a s s i f i c a t i o nt op r e l i m i n a 拶c l a s s i f yt h es u r r o u n d i n gr o c k ，t h er e s u l t ss h o w st h es u r r o u n d i n gr o c k o fl e rb a n kd i v e r s i o nt u n n e li sm a i n i yt oc l a s si v la n dc l a l s si i i ，a n dt h er i g h t si sm a i n l yt oc l a s si v 2 a n dc l a s si l i t h e n ，t h i sp a p e rq u a l t a t i v e l ya n a l y s i st h es t a b i i i t yo ft h el e ra n dt h er i g h tb a n k s d i v e r s i o nt u n n e l ，i ts h o w st h a tt h el e rb a n kd i v e r s i o nt u n n e lr o c ki ss t a b i l i t yg e n e r a l l y ，e v e no n b a dc o n d i t i o n s ，i to n l yh a p p e np l a s “c a l l yd e f o r mo rs m a i i s c a l ec o l l 印s e ，t h er i g h t si sp o o r ，i tw i l l o c c u ra l lk i n d so fl a 唱e s c a l ed e f o n n a t i o n s ot h er i g h tb a n kd i v e r s i o nt u n i l e li sn o ti d e a lo n e x c a v a t i o nc o n d i t i o n s s c h e m es e l e c t i o na r eu s e dq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v em e t h o d st oj u d g e s e l e c t i o nb a s e do n e n g i n e e r n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o n ss h o w st h a tt h e i e rb a n ko ft h ew a t e rd i v e r s i o nr o u t e s a r e o b v i o u s l ys u p e r i o rt ot h er i g h tb a n k o nt h eb a s i so ft h ew o r ka b o v e ，t h i sp a p e rc o m p a r e st h e w a t e rd i v e r s i o ns c h e m eb a s e do n f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a i u a t i o n m e t h o d t h es c h e m e c o m p a r i s o ns e t st h ee v a l u a t i o no fc o l l e c t i o nt ouw h i c hi n c l u d e st h et u n n e ls t a b i l i t ) r ，t h ep r o j e c t c o s t ，t h ec o m p l e xd e g r e eo fc o n s t m c t i o na j l dt h ei m p a c tt 0e n v i m n m e n t a l ，t h ea s s e s s m e n tr e s u l t s i i ab s t r a c t o f c o l l e c t i o nvj ss e tt og o o d 、b e t t e r 、p o o ra n dv e 叫b a d ，t h em e m b e r s h i pf u n c t i o ns e l e c t e di i n e a r r e l a t i o n s h i p ，t h ew e i g h te v a l u a t i o nf a c t o ri so 4 0 ，0 2 5 ，0 2 0a n d0 15 t h e n ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e d f u z z ym a t r i x ，a n dr e c o m m e n d e dt h ew a t e rd i v e r s i o ns c h e m et h r o u g hc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n a s s e s s m e n ts h o w st h a tt h ef i r s ts c h e m eh a sh i g h g r a d er a t i n g t w om e t h o d sc o m et ou n a n i m o u s i y c o n c l u s i o n st h a tt h el e rb a n ko ft h ew a t e rd i v e r s i o ns c h e m ej st h ep r e f e r r e do p t j o n 。 k e yw o r d ：t h eh y d r o e l e c t “c a lp o w e rs t a t i o no fd a n b a d i v e r s i o nt u n n e l s u r r o u n d i n gr o c k m a s sc l a s s 讯c a t i o nf u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n s c h e m es e l e c t i o n 1 l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛都理王太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 研汛硷 。孕年5 月列日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛都堡王盔堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛壑理王太堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 篡嚣翥名：耋穆 学位论文作者剔稚名易艺与 第1 章前言 第1 章前言 1 1 工程概括及研究意义 我国地域辽阔，河流众多，径流丰沛，水资源丰富，据什算，我国水资源理论蕴含量高 达6 8 亿k w ，其中可开发利川的资源量为3 7 8 亿k w ，居世界首位( 潘家铮，2 0 0 0 ) 。随 着我国经济迅速增长和科学技术匕速发展，开发我国两部山区丰富的水力资源，实现“西电 东送”，是实施两部人开发战略的重人课题，也是实现我国电力资源优化配置，保证国民经 济持续、稳定发展的关键闪紊。 人渡河是全闺水【乜的“寓矿i x ”之一，是我国水l 岜建设的重点开发区之一。拟建丹巴水 l l l 站位r 火渡河上游，四川省甘孜藏族自治州丹巴县境内。丹巴水电站处于青藏高原东南部， 属川西北高山高原过渡地带的侵蚀型高山峡谷| ；i ：。区内山高谷深，地势险峻，主要山脉展 布早近南北走向。人渡河由北至南流经i ：样区，在丹巴县城转为近东两向，经过县成后转向 南流。 丹巴水电站是大渡河干流水电规划“3 库2 2 级”的第8 级电站，上接巴底梯级，下邻 猴子岩梯级。坝址控制流域面积4 5 5 2 8 k m 2 ，多年平均流鼙6 2 3 m 3 s ，最火坝高1 0 8 m ，电站 利用落差1 8 8 m ，初拟正常蓄水2 0 4 0 m ，正常蓄水位卜库容2 6 9 亿m 3 ，初拟装机容量1 5 6 万k w 。丹巴水电站规划初拟代表坝址位丁水 子沟口卜游4 0 0 m 处的火渡河干流上，地一卜- 厂房位丁丹巴县大渡河支流小金川河【jj 二游4 5 0 m 处的右岸。坝址( 水卡子) 和地下厂房距丹 巴县城分别为1 7 k m 和0 7 k m ，省道s 2 1 1 公路在t 群区内沿火渡河岸通过，小金川河亦有 公路可达厂址，交通较方便。 图卜1 丹巴水电站引水隧洞布置图 丹巴水电站采用引水式发电，引水方案布置左岸、右岸两条引水线路。引水隧洞进口布 成都理丁人学顾一l ：学位论文，2 0 0 8 置在水卡子坝址上游7 0 0 m 左右，隧洞直径1 2 5 m ，两隧洞中心线距离4 0 m ，进水口底板高程 为2 0 1 3 m ，方向为s 5 5 0 e ( 图卜1 ) 。 左岸引水隧洞进水口在水卡子沟对岸，经燕耳岩沟、根巴沟、日波，至小金河右岸坡体 内，建地下厂房发电，引水隧洞星圆拱直墙形，隧洞长1 6 5 k m 。右岸引水方案隧洞进水口在 水卡子沟，经齐支、干海子、甲居平普角坝，引水至革什扎河左岸，厂房设在布柯村一级阶 地上。引水隧洞呈圆拱直墙形，隧洞长1 4 9 5 k m 。 隧洞线通过地带山势高大雄厚，以中山为主，局部地段为高山地貌，地面高程一般 2 2 0 0 3 0 0 0 m ，临河坡高1 0 0 0 1 8 0 0 m ，洞室垂直埋深一般为6 0 0 8 0 0 m ，最大埋深可达 1 2 1 0 m 。在水利水电工程中，长度大于3 k m 的隧洞为特长隧洞，埋深大于5 0 0 m 为超深蝉隧 洞【引。丹巴水电站引水隧洞设计埋深达1 2 1 0 m ，设计长度大于1 4 k m ，是较典型的特长、超 埋深引水隧洞。目前我国已建或拟建的采用特长、超深埋隧洞的引水式水电站有1 0 余座( 表 1 1 ) 。 表l 一1 我国已建及在建特长隧洞简表 水电站渔子溪二 项目 南桠河渔子溪一级锦屏二级丹巴水电站 级 隧洞埋深( m ) 6 3 06 5 06 5 02 5 0 01 2 l o 长度( k m ) 7 0 1 6 8 4 2 9 7 7 5 01 8 1 4 在建设此类埋深大、洞程长的隧洞过程中，将遭遇一系列地质问题，如高地应力、地下 水和围岩失稳等问题。丹巴水电站引水方案布设左、右岸两条引水隧洞线，两条隧洞的工程 地质条件不同，围岩的稳定性不同，隧洞建设工程造价不同，施j t ：难易程度也不同，隧洞建 设对环境的影响也不尽相同。那么，选取哪条引水隧洞作为最终引水线路，直接决定了经济 效益的最大化，决定了人民生命财产安全能否得到保障。因而，在选定隧洞线路方案之前， 须综合分析各条隧洞线工程地质条件，研究隧洞围岩的稳定性，并从工程成本、施工难易、 环境因素等方面，比选引水方案。 因此，作者选取“丹巴水电站左、右岸引水隧洞稳定性分析及方案比选研究”作为硕士 论文题目，以第一手地质资料为基础，以围岩稳定性分析为手段，以方案选择为目的，对影 响围岩稳定的因素进行分析，对左、右岸引水隧洞的围岩稳定性进行定性评价，首先从工程 地质条件方面对方案进行初步比选。在此基础上，综合考虑了隧洞建设的工程造价、施工难 易及其对环境的影响，运用模糊数学理论对引水方案进行研究，推荐首选方案。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 围岩稳定性研究现状 稳定性概念，最早见于1 7 世纪托里斯里原理中，即物体仅受重力作用，当重心位置最 低时其平衡是稳定的，反之不稳定。1 8 9 2 年俄国数学力学家李亚普诺夫在其博士论文“运 动稳定性的一般问题”中给出了运动稳定性的严格的、精确的数学定义和一般方法，从而奠 定了稳定性理论的基础。由于稳定性理论有着极其严密的理论基础，因此，“稳定性”概念 被各个领域广泛引用。 国外围岩稳定性研究大致始于2 0 世纪4 0 年代，应用较广泛的为太沙基分类；6 0 年代 的岩体质量分类则以美国伊利诺斯大学d e e r e 的岩石质量指标( r q d ) 分类为代表1 3 j 。这些 分类方法多偏重于单指标的定性或定量分类。自7 0 年代以来，岩体分类逐步由单一因素向 多因素、定性向定量方向发展，采用多个指标复合，即岩体质量复合指标定量评分的方法， 并指导开挖与支护的阶段1 4 j 。其中具有代表性的有，1 9 7 2 年美国的威克汉姆( w i c k h a m ) 提出 2 第1 章前言 的根据岩体地质结构、一1 ，理状态和含水情况为指标的r s r 分类法；1 9 7 3 年南非的以比尼奥 斯基( b i e n i a w s k i ) 博十建立的地质力学r m r 分类和1 9 7 4 年挪威学者巴顿( b a r t o n ) 等人 提出的以6 个指标综合评定岩体质量q 值的定量分级法1 5 l 。 我国水利水电地下工程同岩稳定性研究基本是从围岩压力研究开始的。再十年代，水工 隧洞直径不大，广泛采片j 普氏理论确定山岩压力来评价围岩的稳定性。从五十年代中期开始， 根据岩石强度、岩体完整性、断层节理等不利组合以及裂隙夹泥，地下水的作用等实际情况 来分析围岩稳定性和普氏坚同系数。六十年代，由于地下洞室断面逐渐增大，开始采用弹性 或弹塑性理论对围岩稳定性进行分析。七十年代以来，开始不同程度地采用新奥法原理进行 修建，用喷锚支护对围岩进行加吲，人型地下厂房，除采用弹塑性理论对洞室围岩的应力和 应变分析外，并对洞壁围岩变形进行观测，同时，对围岩表面应力和深部应力进行测试，分 析地应力对围岩的作用。八十年代以来，我国水利水电地下j r j 犟越来越多地采用围岩分类评 价同岩稳定性。八十年代末至九十年代初，除传统方法外，还出现了关于洞室嗣岩稳定性评 价方面新的理论和方法，如灰色系统理论、神经网络系统、模糊数学理、数值法等。 研究围岩稳定性的方法有两种，一是定性分析法，一是定性和定量相结合的方法。其分 析方法大致可分以归纳为工程地质类比法、岩体结构分析法、岩体稳定性力学分析法、模拟 试验法和非线性分析法等。 ( 1 ) 工程地质类比法 工程地质类比法是一项经验性的方法，它是从工程地质条件和岩体特性的角度，参照由 大量已建工程实例中总结出来的围岩分类标准，对拟建地下洞室的t 程地质条件、岩体特性 的各种差异进行概括、简化和归纳，从而评价地下洞室岩体的稳定性。由于各影响因素对地 下洞室的影响程度不尽相同，而岩石力学的理论至今发展不够成熟，因此，工程地质类比法 对地下洞室的设计和施工及确定支护参数等提供着重要的依据。由人量工程实例中总结出来 的各类围岩分类标准，如普遍使用的r q d 分类( d e e r ，1 9 6 9 ) 、r m r 分类( b i e n i a w i s k i ， 1 9 7 3 ) 、q 系统分类( b a r t o n ，1 9 7 4 ) 、z 系统分类( 谷德振，1 9 7 9 ) 等，都是工程地质类比 法在地下洞室稳定性评价中的具体应用。围岩分类的实质就是正确认识和反映客观实际，从 工程地质的角度对围岩的各种差异进行概况、简化和归纳，然后加以分类，并结合工程特征 进行稳定性分析和评价，为科学设计和施t 提供依据。 目前，国家标准和部颁规范以及通过部级以上鉴定的标准、规范中包括有岩体质量分级 内容的达十余个，如工程岩体分级标准( g b 5 0 2 1 8 9 4 ) 、水利水电工程地质勘察规范 ( g b 5 0 2 8 7 9 9 ) 中的围岩工程地质分类等【酬、水丁隧洞设计规范( s d l 3 4 8 4 ) 、铁路隧 洞设计规范( t b j 3 8 5 ) 、公路隧洞设计规范等。这些方法和理论，都有各自的适用条件 及范围，但对于提高围岩稳定性评价成果的准确性和可靠却有着极大的帮助。水利水电规范 围岩分类( h c ) 法是行业规范，经过多年的探索和应用，具有针对性强、全面适用的特点， 用于本工程的围岩分类符合水电 二程的特点。水利水电规范以单轴饱和抗压强度r b 为定量 指标，岩体完整程度以完整性系数k v 为定量指标，修正因素中，地下水评分按干、渗水或 滴水，线流或涌水四种情况，结合基本因素总评分获得；主要结构面产状与洞轴线夹角取得， 其处理方法与工程岩体分级标准类似，因此，“水利水电围岩工程地质分类”与“工程 岩体分级标准”类似，因此这二者有很好的兼容性。 ( 2 ) 岩体结构分析法 在岩体结构及其特性研究的基础上，考虑工程力作用方向，以及结构面与开挖临空面之 间的空间组合关系，借助于赤平极射投影分析法、实体比例投影分析法和块体坐标投影法进 行图解分析，从而判断岩体的稳定性。随着工程实践的不断深入，该方法已较为成熟。早在 3 成都理r t 大学硕i j 学位论文，2 0 0 8 1 9 7 6 年，千思敬【”等就开始对此方法在：l ：程中的应川加以研究。在此基础上，刘竹华、杨志 法( 1 9 8 0 ，1 9 8 3 ) 等进一步作了较为系统的研究，积累了大量的工程实践经验，并开发出相 应的稳定性分析软件。 ( 3 ) 岩体力学分析法 根据岩体不同的结构和力学特性，通过对地质原型的高度概括和抽象，提出不同的力学 计算模型，采用不同的理论和数学力学方法进行计算，求得解析解。概括的说，对于块体、 组合块体主要采用极限平衡法，对其它岩体可采用应力分析法。传统岩土力学的计算主要依 靠解析方法，并且仅限于均质和各向同性和圆形形状的计算分析。对于其它形状( 如矩形、 马蹄形等) 洞室，可通过复变函数法求取近似解。 ( 4 ) 数值模拟法 数值模拟法在研究洞室围岩应力及围岩变形和破坏的发展，并定量地评价围岩稳定具有 重要作用。该方法可以解决各种非均质、非线性、含有软弱结构面以及具有流变特性和复杂 洞形的围岩应力一应变分析问题，也可以模拟各种支护方案的有效性和不同施工程序对围岩 稳定性的影响。常用的数值方法有：随机有限元法，边界元法( b e m ) 、离散元法( d e m ) 、 不连续变形分析法( d d a ) 、无单元法( e f m ) 、流形元法等。 ( 5 ) 非线性分析法 任何地质体都可以看作是一个复杂的开发体系，在这个体系中，由于其有较强的开放性， 使得它与一般的系统相比，表现出完全不同的特点，最突出的是具有“黑箱”特性和高度的 非线性以及不可逆性。常用的非线性理论和方法有耗散结构论、协同学、突变理论、混沌动 力学、分形理论、超循环理论、神经网络系统、灰色系统理论、模糊数学理论等。 1 2 2 模糊数学理论的研究现状 1 9 6 5 年，美国加利福尼亚人学查德教授( l a z a d e h ) 发表了著名的论文“模糊集合”，第 一次引人注目地提出了模糊性问题，给出了模糊概念的定量表示法，模糊数学从此诞生了。 所谓模糊性，是指元素对集合的隶属关系而言，而事件本身的含义是不确定的，但事件发生 与否是可以确定的，因而元素( 事件) 对集合的隶属关系是不确定的。 模糊数学是片j 数学的方法来研究、处理实际当中存在的大量不确定的、模糊的问题。由 于它突破了传统精确数学绝不允许模棱两可的约束，使过去那些与数学毫不相关或关系不大 的学科都有可能用定量化和数学化加以描述和处理，从而显示了强大的生命力和渗透力，并 且对传统的科学方法论产生很大的冲击，特别是在计算机科学与技术的支撑下，更使得模糊 数学如虎添翼。模糊数学发展到今天已有了一些常用的方法，包括模糊模式识别、聚类分析、 信息检索、相似选择、综合评判、模糊控制、概率分析和言证分析等。 目前，模糊数学已经在_ 程项目决策、围岩分类、岩土本构关系确定、地质灾害研究、 水质评价、气象预报及天气形势分析、工业及交通系统、人工智能、医疗诊断、商品评判等 领域广泛应用。 1 2 3 工程区研究现状 大渡河流域规划勘测设计工作始于8 0 年代，19 8 3 年和2 0 0 3 年成都院分别完成了大 渡河干流规划报告和大渡河干流水电规划调整报告。由于丹巴梯级所在河段有区域性 断层通过，且分布多个规模巨大的滑坡体，对开发方案的选择影响大，因此其勘测设计工作 滞后于相邻的两个梯级。2 0 0 5 年1 0 月华东院开始进行丹巴水电站前期勘测设计工作，至2 0 0 6 年4 月完成的主要地勘工作。勘察范围北起水卡子沟，南达丹巴县城，西从干海子，东到小 金河俄满村，控制面积约7 0 k m 2 。在地勘察中主要采用了以地质测绘、钻探为主的勘探手段， 4 第l 章前言 辅以相应室内外试验，初步了解了坝址区、库区、引水线路和地下厂房的地质条件。 丹巴水电站引水隧洞目前处于可行性研究阶段，已经完成了如下t 作： 对大渡河河谷段地质地貌特征及其发育演化特征进行研究，初步查明工程区内河谷地 貌及相关沉积物的沉积特征、探讨河谷发育史及其主要影响因素。 以引水线路为轴，两侧各1 k m 范围内带状的万分之一t 释地质测绘，查明引水线路 沿线的地层岩性、构造等基础地质条件，对引水线路可能遇到的断裂构造特征进行重点解剖。 对丁程性质差别较大的岩组如二云片岩的分布及特性进行初步研究。 在综合分析测绘资料的基础上，对引水线路进行岩组的工程地质特性大致分段，并采 取代表性岩样做物理力学性质实验，并进行引水线路同岩类别的初步评价。 对左右岸引水线路工程地质条件进行比选。 1 3 技术路线与研究内容 1 3 1 研究内容 攻读硕士学位期间，作者参加了导师主持的科研项目“大渡河丹巴水电站引水线路1 ： 1 0 0 0 0 工程地质测绘”的研究工作。做为主要研究人员之一，作者在工程区进行了长期的野 外现场工作，对工程区地层岩性、地质构造、长大结构面等进行了系统详尽的调查、量测和 描述，在室内进行了原始数据的统计分析、重要图件的绘制、岩体结构分类、岩体质量分级 等工作，初步分析了引水隧洞稳定性，对引水隧洞线进行了比选研究。为此，笔者在与课题 组共同收集、整理、分析资料的基础上，在本文中就以下几方面进行了系统的工作： ( 1 ) 分析工程区区域地质背景，分析工程区地质环境形成、演化机制，分析工程区工 程地质条件； ( 2 ) 分析、评价引水隧洞沿线发育的不良物理地质特征及其稳定性，评价其对隧洞围 岩稳定及施工安全的影响； ( 3 ) 分析左、右岸引水隧洞的围岩稳定性影响因素及失稳机理、模式，通过工程地质 类比法评价定性分析左、右岸引水隧洞围岩稳定性； ( 4 ) 基于1 程地质条件的差别，对左右岸引水方案做初步比选。 ( 5 ) 应片j 模糊数学理论，从工程造价、环境影响、施工难易等方面对方案进行比较研 究，推荐首选引水方案； 1 3 2 技术路线 工程区存在的主要工程地质问题是地质岩性复杂，构造及不良物理地质发育、隧洞围岩 稳定性问题突出；此外，两条引水隧洞在围岩稳定性、施工难易程度、对环境的影响程度等 指标间差别难以量化区分，是影响方案比选的重要因素。 据此，可概括论文的研究思路：从地质历史的观点出发，分析区域地质背景，在此基础 上探讨工程区地质环境的形成及演化；分析工程区工程地质条件及同岩体稳定的影响因素； 对岩体结构进行分段，对围岩进行初步分类，结合围岩体的失稳机理及变形破坏机制，定性 分析引水隧洞左、右岸同岩体稳定性；分析不良物理地质对隧洞稳定性的影响；综合比较左 右岸引水线路工程地质条件，初步进行方案比选。在此基础上，运用模糊数学理论，综合考 虑工程造价、施工难易程度及对环境的影响，综合比选，确定首选引水方案。 论文的研究技术路线在结合工程区存在的主要工程地质问题，遵循以下研究思路： 卜工程地质条件研究隧洞围岩稳定性研究卜基于工程地质条件的方案比选 叶模糊数学理论的方案比选研究_ 综合比较，推荐引水方案( 图1 2 ) 。 5 成都理工人学硕= j ：学位论文，2 0 0 8 区域地质背景 自然地形 地层 地质水文新构造 地理地貌岩性构造地质及地震 工程区工程地质条件 l 击去地地 物理 形层质 文 地质 地岩构 地 现象 貌性造 质 左右 岸 围岩稳定性分析 岸 弓弓 水 上 j _ 一 ，l上 水 隧 影 岩 失 隧 洞 响 体 围稳 结 岩 机 洞 因 构 分 理 素分 类 及 模 段 式 _ _ _ _ - 厂_ t 一 丁 鹞审眦凸腩；亚协b 辅泪 ，r l p ，ll 上，ur ry l- ，i j “聃， 方案比选研究 基于工程地质条基于 一评价原理1 1 j 件的方案比选模糊 + 理论的 _ j 评价模型 比选结果j 方案 j 。l j 评价结果 比选 结论 图卜2 技术路线图 6 第2 章区域地质背景 第2 章区域地质背景 2 1 自然地理概况 火渡河是工程区的干流水系，在工程区内自北向南流，常水位面宽6 0 1 0 0 m 。枯水期 河水位约为1 9 3 0 m ，水面宽5 0 8 0 m 。大渡河在工程内发育两条支流：小金河及革什扎河， 小金河由北蝤向南东流，革什扎河由北西向南东流，转为近东西向后汇入大渡河。 区内属北亚热带干旱河谷气候，气候特点为冬季时间长，河谷干燥，干湿季分明，垂直 分带明显，气温日差较大。降雨具有降水量较小、局部性强、降雨集中及暴雨次数少、雨强 大的特点。降雨强度随海拔高祥增加而增加，温度随海拔高程增加而降低，形成垂直分布带。 一般海拔每升高l o o m ，温度降低0 6 ，降雨量增加2 l 2 2 m m 。据丹巴县气象站资料统计， 每年1 0 月至次年3 月为干季，日照多、湿度小、日夜温差大，降水小，仅占全年降水的5 2 0 ；4 月至9 月为雨季，气候湿润、湿度较大，降雨集中，雨量约占全年的8 0 9 5 。 多年平均降水量为6 0 0 1 m m ，多年平均气温1 4 5 ，最高气温3 9 ，最低气温一7 2 ，无霜 期2 7 7 天：多年平均蒸发量2 4 4 1 7 m m ，多年平均湿度5 1 7 ，多年平均风速1 4 9 5 m s ，最 大风速3 4 m s 。据多年各月一日最大降水量统计，一日最大暴雨为4 9 8 m m ( 1 9 9 4 年7 月) 。 区内植被发育良好，发育有大片草地和高山草甸，森林，“布，树种以冷衫、云杉等针叶 树为主。河谷地区植被类型多为农作物和低矮灌丛。 区内以藏族、汉族为主，居民大多从事早农作物耕作，放牧、采药是居民的主要收入来 源。 2 2 地形地貌 大渡河发源于青藏高原东部边缘青海省果洛山东南麓，流经高原山区、穿越崇山峻岭， 为一条大型山区河流，全长1 0 6 2 k m ；火渡河由北至南流经工程区，在丹巴县城转为近东西 向，与小金河相汇后转向南流。大渡河在区内下切剧烈，河谷深狭，落差大，水流湍急。河 谷形态呈“u ”型、“v ”型相间。沿河两岸阶地较发育，其中i 、i i 级阶地和现代河漫滩以 冲积堆积为主；i i i 、l v 、v 级阶地区内不发育，多属基座侵蚀类型，反映了该区间歇性整 体抬升与河流下切侵蚀以及冰川作用强烈的特点。 区域地貌类型属川西北高山高原过渡地带的侵蚀型高山峡谷地貌，具有山势高、起伏 大、坡度陡的特点。区内山高谷深，地势险峻，主要山脉展布方向与区域构造线走向基本一 致，是近南北走向，地势由东向西逐渐降低。山峰海拔多在3 0 0 0 5 5 0 0 m ，最高点位于工程 区以南的贡嘎山主峰，海拔7 5 5 6 m 。第四系地貌表现为三级夷平面和三层宽谷台面。一级夷 平面海拔4 4 0 0 4 6 0 0 m ，二级夷平面海拔4 0 0 0 4 2 0 0 m ，三级夷平面海拔3 5 0 0 3 6 0 0 m 。夷 平面至现代河谷间具有较清楚的三层宽谷台面，谷肩台面高程分别为3 2 0 0 3 4 0 0 m 、2 8 0 0 3 0 0 0 m 及2 3 0 0 2 4 0 0 m 。 2 3 地层岩性 区内除寒武纪地层缺失外，从震且系至三叠系均有出露( 图2 1 ) ，以火山岩、海相砂泥 岩、碳酸盐岩建造为主，特别是三叠纪末期的印支运动使区内地层普遍褶皱和变质，形成一 7 成= i ! 1 ；型t 人学顺i j 学位沦义，2 0 0 8 系列浅变质岩系，局部中偏深变质。i ：程区内出露的地层主要为古生代和中生代地层，其中 并伴有少量中生代侵入岩，第四系松散堆积物主要分布丁河床及河谷岸坡缓坡地带。 现由老至新简述如卜： ( 1 ) 震口系上统( z b ) ：为浅海相砂泥岩、碳酸盐岩地层，主要分布丁丹巴县以南的人 波河两岸，山露厚约3 3 0 m 。 ( 2 ) 奥陶系( o ) ：为浅海相碎屑岩及碳酸盐岩地层。卜部为二云片岩、条带状人理 岩夹石英岩，上部多见一层粗粒火理岩。旱带状分布于丹巴县以南的孔玉至金汤一带，山露 厚约5 5 0 m ，与卜伏震旦系上统假整合接触。 ( 3 ) 忐留系茂县群绸( s m x ) ：为类复理石陆源碎屑建造夹少量碳酸盐岩，岩性为灰、灰 绿色一二云干i 英片岩、石英片岩一_ 二云片岩、彳i 英岩间互层夹人理岩透镜体，主要分布丁一i j 程 区，出露厚度1 3 3 0 3 2 5 0 m 。 ( 4 ) 泥盆系危关群组( d w g ) ：为深海相硅泥质碎屑复理石建造，岩性主要为石英岩、 大理岩及二云英片岩、石英片岩等，主要分布于工程区北部及外围，厚度人r 丁1 0 0 0 m 。 ( 5 ) 石炭系( c ) ：以浅海相碳酸盐岩夹碎屑岩，岩性为结晶灰岩、条带大理岩夹二云 片岩、变质砂岩，主要分布予工程区外围的东南部，厚5 0 2 0 0 m 。 ( 6 ) 二叠系( p ) ：分为三组，东大河组岩性为泥质灰岩夹炭质页岩；二道桥组岩性为 黑色角砾状灰岩、生物碎屑灰岩和板状灰岩；大石包组岩性为密块状玄武岩，拉斑玄武岩。 分布位置与石炭系分布基本一致，厚9 9 5 4 5 m 。 n o 嫉了省水e 乜站 7 ) p cs d n 图2 1