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【原创】基于不确定性分析的水电工程地质构造建

周倩儿 2021-09-13 09:17:01

随着我国水电工程的发展,越来越多的水电工程建设在地质条件复杂区域。地质构造对岩体稳定性、渗透性有很大影响,在水电工程建设中必须详细勘察研究。由于地质构造自身的不确定性、地质勘测技术的限制和现阶段人类认知的局限性,因此地质构造存在广泛的不确定性;这直接影响了地质模型的准确性和设计方案的制定,进而影响工程施工进度、成本和质量。因此,运用不确定性理论对地质构造的位置、属性分类和空间关系进行分析,并建立准确的地质构造模型是水电工程地质构造分析研究的关键问题之一。本文就上述问题展开深入的研究分析,

并取得了以下研究成果:1、针对水电工程地质构造不确定性强的突出问题,提出了基于不确定性分析的水电工程地质构造建模理论框架和数学模型。首先分析了水电工程地质构造建模中的不确定性因素;在此基础上,提出了基于不确定性分析的水电工程地质构造建模框架和数学模型;对水电工程地质构造建模中的不确定性问题进行分解,提出了水电工程地质构造数据不确定性分析的数学模型、大尺度地质构造三维建模的数学模型和裂隙网络三维模拟的数学模型,为水电工程地质构造不确定性分析与建模的实现提供理论基础。2、对水电工程地质构造建模数据中的不确定性问题进行分类研究,提出了水电工程地质构造位置、属性分类与空间关系不确定性分析方法。地质构造位置、属性与空间关系是水电工程地质构造建模的基础数据,同时也存在多种不确定性,直接影响了地质构造模型的准确性,因此需要对水电工程地质构造位置、属性与空间关系中的不确定性进行深入分析。在水电工程地质构造位置不确定性分析方面:针对目前水电工程地质剖面绘制中以一系列折线来逼近曲线,忽略了线元中间点误差的问题,提出了利用点元误差椭圆模型、线元误差带模型来描述地质构造位置不确定性的方法;在此基础上采用三次样条曲线拟合地质构造点元数据,通过与随机折线误差带对比,证明三

次样条曲线在拟合地质分界点时引起的地层位置误差小。在水电工程地质构造属性分类不确定性分析方面:针对目前属性分类方法难以计算属性权重并且无法评价分类精度的问题,提出了利用粗糙集和条件熵计算各分类指标属性权重的属性分类方法,能够避免主观性,合理计算属性指标的权重;提出了基于误差矩阵的属性分类精度评价方法,运用用户精度、生产者精度、错分误差、漏分误差、Kappa系数等指标全面评价分类精度。在水电工程地质构造空间关系不确定性分析方面:针对目前缺乏对地质构造对象的空间关系描述且三维空间关系描述能力不足的问题,提出了地质构造空间关系统一表达模型,分别采用区域连接演算(Region connection calculus,RCC)理论、3D27方向关系模型、扩展的欧式距离对地质构造的拓扑关系、方向关系、距离关系进行表达。3、针对水电工程大尺度地质构造的数据离散性、不均匀性和几何形态复杂性等不确定性问题,提出了基于T-splines的三维地质构造精细建模方法。目前的研究难以对工程重点区域进行细分建模,且刻画地质构造复杂几何形态的能力不足。在NURBS(Non-Uniform Rational B-Splines)建模的基础上,提出了新的三维地质建模数据结构T-splines–NURBS–BREP和大尺度地质构造精细建模方法。该方法具有以下三个优点:(1)继承了NURBS使用参数解析形式表达地质体表面的精确性,可以对地质离散数据进行较好地拟合;(2)Tsplines具备局部加细特性,能够对工程重点区域进行局部细分建模,并能建立具有分形复杂性的地质构造;(3)T-splines细分曲面具有表现任意拓扑结构的灵活性,有能力构造高亏格的复杂地质构造模型。基于T-splines的三维地质构造精细建模方法提高了大尺度地质构造建模精度和刻画复杂地质构造的能力,为水电工程地质建模与分析提供有力的技术手段。4、针对水电工程岩体裂隙数据不完整、几何形态不确定、分布随机等不确定性问题,提出了基于LHS的岩体三维裂隙网络模拟方法。目前的研究忽略了揭露面以下数据对模拟结果的影响,且多采用蒙特卡洛方法(Monte Carlo,MC)进行模拟,计算效率低,易出现样本坍塌,本研究提出了基于拉丁超立方(Latin Hypercube Sampling,LHS)的岩体裂隙网络随机模拟方法。通过钻孔摄像资料对揭露面裂隙数据进行有效补充与校正,在此基础上对裂隙位置、大小、数量和产状等参数进行统计分析,采用LHS方法对裂隙参数进行随机模拟,最终通过VisualGeo软件建立岩体裂隙三维网络模型。利用LHS抽样法获得的随机样本对分布的拟合程度比MC方法更好,空间填充性好,可以为水电工程基础稳定分析提供准确的三维裂隙网络模型。以我国西南某水电站为例,将本文提出的基于不确定性分析的地质构造建模理论与方法进行了应用研究。实践表明,本文提出的理论与方法能够对地质构造数据的不确定性进行合理分析,而且实现了对地形体、覆盖层体、透镜体几何复杂性与拓扑复杂性的精确刻画,建立了准确的岩体三维裂隙网络模型,为水电工程地质构造分析提供了准确的模型基础和决策依据。