論工程地質(zhì)模型——涵義、意義、建模與應用

  1 模型的內涵與意義

 

  模型一詞由來(lái)已久,應用最為廣泛的要算規劃模型(城市或工程) ; 隨著(zhù)實(shí)踐擴展,逐步引入到介質(zhì)模型、機制模型、演化模型、計算模型等。在數學(xué)領(lǐng)域形成了一個(gè)獨立研究領(lǐng)域- “模型論” ,它是數理邏輯主要分支之一; 其研究成果已引用到集合論、代數與數論等之中。今天,模型或模式一詞已廣泛應用于社會(huì )生活的各個(gè)領(lǐng)域。

 

  綜合所有應用,可概括地為模型下一定義; 即所謂模型,就是根據實(shí)物、設計圖或構想,按比例(有的不一定按比例)、生態(tài)或主要特征(或者說(shuō)要素)作成相似的物體或圖示;用以展現、揭示或闡明一類(lèi)事物和問(wèn)題。

 

  在工程地質(zhì)學(xué)科中,模型稱(chēng)呼不一,有的稱(chēng)地質(zhì)模型,有的叫工程地質(zhì)模型。綜合來(lái)看,以稱(chēng)工程地質(zhì)模型為宜; 它較確切地反映其應用范疇和內涵。顧名思義,所謂工程地質(zhì)模型,就是依據工程性狀,將重要的工程地質(zhì)條件,亦可稱(chēng)要素,按實(shí)際狀態(tài),簡(jiǎn)明醒目地用圖形表示出來(lái); 簡(jiǎn)言之。即工程與地質(zhì)條件相互依存關(guān)系的圖示。這種地質(zhì)與工程結合形式— 模型,它較好地解決了地質(zhì)與工程的脫節,便于設計人員充分認識與真正應用好工程地質(zhì)工作成果; 它深化了工程地質(zhì)條件的研究,要抓住影響工程巖體變形或破壞的關(guān)鍵條件;與此同時(shí),還促進(jìn)地質(zhì)與工程結合后的巖體變形規律、效應與法則的理性化; 在理論與實(shí)用的二方面均會(huì )得到實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。由此可見(jiàn),工程地質(zhì)模型的正名與強化,其意義是深遠的?？梢灶A計,隨著(zhù)工程地質(zhì)模型的全方位研究,必將產(chǎn)生新的認識。

 

  2 建模依據與方法

 

  2. 1 建模的依據

 

  首先應明確,工程地質(zhì)模型是人們對觀(guān)事物認識的精煉和圖示化。建模最基本的依據是觀(guān)點(diǎn)、理論基礎。這里推崇巖體工程地質(zhì)力學(xué),其核心觀(guān)點(diǎn)就是巖體(實(shí)際上亦包括土體)具內在結構;巖體結構基本控制巖體物理力學(xué)性能、巖體變形破壞和巖體穩定性;在巖體結構中,結構面起著(zhù)主導作用,軟弱巖層(軟巖)起著(zhù)起始變形與突破口的作用。結構面類(lèi)型較多,性狀復雜。不僅有軟硬之分,還有大小之分和分布上的隨機性。歸納多年研究成果,在結構面對工程巖體影響和作用中,大體可歸納三個(gè)重要的效應:

 

  ( 1)結構面工程尺寸效應: 即結構面尺寸與工程尺寸的相關(guān)性問(wèn)題,其中潛在著(zhù)匹配與取舍。

 

  ( 2)結構面與工程的依存效應: 結構面與工程就有一個(gè)依存關(guān)系。隨著(zhù)依存關(guān)系的不同,結構面對工程巖體影響是不同的。

 

  3)多組結構面的組合效應: 巖體中有單組結構面發(fā)育,很多情況是多組結構面存在。

 

  這就產(chǎn)生多組結構面對工程巖體的共同影響,即組合效應問(wèn)題。

 

  上述三種效應應成為建模的重要依據。

 

  2. 2 建模的要素

 

  從某種意義上來(lái)說(shuō),條件研究最終就是為建立工程地質(zhì)模型。工程地質(zhì)條件多種多樣,經(jīng)多年實(shí)踐與研究,建模要素有二類(lèi): 一類(lèi)是工程巖體的基本性態(tài)要素,即工程地質(zhì)巖組、巖體結構類(lèi)型(包括結構面性狀) ; 一類(lèi)是工程巖體的環(huán)境要素,即地下水、地應力。四要素的特點(diǎn)、個(gè)性構成了天然巖體。

 

  關(guān)于工程地質(zhì)巖組(簡(jiǎn)稱(chēng)巖組) ,它是巖體的物質(zhì)基礎。巖組性狀千變萬(wàn)化,其中松散破碎巖組對工程巖體的工程力學(xué)行為影響巨大。為此,最簡(jiǎn)便的辦法就是將巖組劃分出堅硬與軟弱二類(lèi)巖體,以便區別對待。

 

  關(guān)于巖體結構類(lèi)型(尤其結構面) ,它是工程巖體的重要的結構基礎。巖體結構類(lèi)型在客觀(guān)上認識工程巖體的總體性狀; 而重點(diǎn)要研究結構面的性狀。正如上所述,應從力學(xué)性能(剛強、軟弱)、尺寸和組合幾方面進(jìn)行定性定量研究。

 

  關(guān)于地下水,它在水理、力學(xué)作用二方面影響著(zhù)工程巖體的穩定性。前者即為當前研究熱點(diǎn),即水巖相互作用;后者主要指水壓或滲透壓力。

 

  關(guān)于地應力,它對工程巖體的作用愈來(lái)愈被重視。工程類(lèi)型不同,它的作用,或者說(shuō)地位是不等的。地應力有一個(gè)明顯特點(diǎn),即區域性。關(guān)于地應力的相關(guān)參數,應盡量得到地學(xué)的解釋。

 

  2. 3 建模的方法

 

  鑒于地質(zhì)情況與工程類(lèi)型的千變萬(wàn)化,因而它們的組合是千差萬(wàn)別的,也不可機械地將地質(zhì)與工程組合,那就成了工程地質(zhì)剖面圖了,顯然是不合適的。因而工程地質(zhì)模型的建立必須有一套方法,其中,既有科學(xué)簡(jiǎn)化,又有實(shí)際操作。

 

  ( 1)關(guān)于科學(xué)簡(jiǎn)化,主要是工程地質(zhì)條件的抽象和概括; 既不失真,又不拘泥一點(diǎn)一滴; 要從本質(zhì)上或機制上去把握要素的地位與作用。

 

  譬如巖組,按強度和變形特性,一個(gè)具體的工程最關(guān)心是有無(wú)足夠的承載或支撐能力,有無(wú)足夠的抵抗變形的能力; 由此可把巖組劃分二大類(lèi),即堅強或堅硬巖類(lèi); 軟弱巖類(lèi)。只要在模型中,如實(shí)反映即可。又如結構面,它有各種類(lèi)型,為簡(jiǎn)便起見(jiàn)。易劃分二大類(lèi),即硬性結構面和軟弱結構面。尤其按照結構面工程尺寸效應。把那些規模較小、對工程巖體不太起作用的,可忽略不計。這樣,所建立的模型不僅簡(jiǎn)潔明嘹,而且抓住了關(guān)鍵。

 

  ( 2)關(guān)于具體操作方法,一般工程地質(zhì)模型以剖面形式為最常見(jiàn)與普遍,而且就基本滿(mǎn)足人們對工程地質(zhì)條件與工程關(guān)系的認識和了解。如果人們要從總體上把握條件與工程的關(guān)系,亦可作三維立體模型。具體操作方法如下:

 

  ①首先要做出一張帶工程輪廓線(xiàn)的剖面圖,并標出原始地形線(xiàn)和開(kāi)挖線(xiàn);②其次畫(huà)出巖組,按硬性巖組和軟弱巖組、產(chǎn)狀,準確地在剖面圖上畫(huà)出來(lái),對軟弱巖組有特別標志;這樣,就能清楚地看到軟、硬巖的分布;③爾后,將結構面,尤其是軟弱結構面(同樣用特殊圖例)、按產(chǎn)狀如實(shí)地畫(huà)在圖上,常常遇到的一組軟弱結構面的分布。在出露的區段內,按比例間距(統計規律)將它們畫(huà)出,這時(shí)更關(guān)注“神似” ,不拘泥形似,而且也形似不了。如果幾組結構面的組合對巖體起到重要作用,那就把組合交線(xiàn)畫(huà)在圖上,但一定用特有圖例,以示區別與識別?？傊?在具體操作中,會(huì )遇見(jiàn)一些意想不到的現象;只要用心,總會(huì )可以解決的。

 

  ④關(guān)于地下水和地應力的表示,最佳方式是作出隨深度的滲透壓力(水壓)和地應力值的變化曲線(xiàn)。如果參數值不太明朗,就大體給出一個(gè)數量級的數值。那就在相關(guān)說(shuō)明中加以解釋。尤其是地下水,如在地下水不太富地區,只考慮水對巖體的軟化,那就將水的作用放到巖體有關(guān)力學(xué)參數中加以考慮。

 

  ⑤附一張巖體物理力學(xué)參數表。

 

  一旦建模后,為使設計人員對模型的深切理解,工程地質(zhì)人員有必要作啟示性與實(shí)質(zhì)性的說(shuō)明。在說(shuō)明中應包括:

 

  a.突出巖體中軟弱巖組和軟弱結構面的性狀、地位與作用;b.闡明軟弱結構面的功能,即在巖體變形或失穩中的作用;c. 預測可能的機制和變形破壞方式;

 

  d. 預測巖體的穩定狀態(tài);

 

  e.指出巖體加固或弱化的方向等。

 

  3 實(shí) 例

 

  現以甘肅金川銅鎳礦的露天礦上盤(pán)西段邊坡作為實(shí)例,加以具體操作。

 

  首先展示研究段的工程地質(zhì)平面與剖面圖,然后對巖組和結構面進(jìn)行分類(lèi)與取舍。

 

  上盤(pán)區西段邊坡所遇到的巖組共七個(gè)。大理巖、花崗巖、超基性巖相對較為堅強,其它均較軟弱,如混合巖帶等,尤其片巖類(lèi),除巖石自身較弱外,加之斷裂的改造,是該段邊坡最為軟弱的巖組。

 

  該段邊坡巖體結構面十分發(fā)育,最顯著(zhù)的是斷裂帶和層間錯動(dòng)面。前者與片巖重合,后者主要發(fā)育于中厚層大理巖,其次為混合巖。此外,在厚層大理巖,段,發(fā)育一條切坡向的小斷層,它與一組節理密集帶組合,構成了一個(gè)順坡向的塊體。

 

  因此,無(wú)論從巖組,或從主要結構面的性狀,本邊坡總體為一個(gè)軟硬相間、層狀碎裂的巖體,它基本控制了邊坡的變形與破壞。

 

  在上述分析基礎上,將巖組與結構面如實(shí)而巧妙地畫(huà)出來(lái)。

 

  第三,礦區處于干旱與半干旱地區,地下水不豐,關(guān)于其對巖體的作用,放到巖體物理力學(xué)參數中加以考慮。礦區為高地應力地區,根據地質(zhì)分析和現場(chǎng)量測的數據,建立地應力隨深度的變化。

 

  第四,關(guān)于巖體有關(guān)力學(xué)參數,可列表以明之。

 

  第五,工程地質(zhì)模型分析。

 

  露天礦上盤(pán)西段邊坡為一復合的工程地質(zhì)模型。F3 即片巖帶以上的大理巖體中,由斷層節理帶構成為一組合塊體。這一組合塊體的組合交線(xiàn),為近EW向,傾角33°(從實(shí)體比例投影和變形資料得到確認與驗證) ; 以下為反坡向陡傾軟硬相間的層狀碎裂結構模型。

 

  在該模型的基礎上,必然要產(chǎn)生這樣的的變形破壞機制: 即上部塊體滑移,下部?jì)A倒變形;上部的滑移推動(dòng)和加速了下部?jì)A倒變形的發(fā)生與發(fā)展; 一旦下部?jì)A倒變形發(fā)生后,傾倒體下的未發(fā)生傾倒的巖體的支撐作用,就上升為重要的因素?？梢岳斫?如果下部巖體堅強和整體性好,它就可以阻止上部?jì)A倒體的下延發(fā)展。

 

  通過(guò)這一實(shí)例的介紹,不難看到建立工程地質(zhì)模型的學(xué)科和實(shí)用意義,還必將推動(dòng)數值模擬與計算走上健康的軌道。

 

  4 應 用

 

  多年實(shí)踐表明,工程地質(zhì)模型這一理性概念與科學(xué)方法,可適用于各工程地質(zhì)勘測階段和各類(lèi)工程。顯然,隨著(zhù)勘測階段和工程類(lèi)型的不同,建模的要求和精細程度是不一的。

 

  并隨著(zhù)問(wèn)題愈具體,工程地質(zhì)模型應用的價(jià)值愈顯示出來(lái)。工程地質(zhì)模型一個(gè)最基本屬性就是其針對性、實(shí)用性。

 

  4. 1 關(guān)于各勘測階段的應用

 

  ( 1)在前期可行性研究階段本階段主要任務(wù)是調查工程地質(zhì)條件,找出存在的工程地質(zhì)問(wèn)題。因而無(wú)論從總體上,還是從具體問(wèn)題上,只能建立粗線(xiàn)條的工程地質(zhì)模型。

 

  ( 2)在可行性研究階段  可結合必須論證的問(wèn)題建立工程地質(zhì)模型,作出相應的工程地質(zhì)評價(jià); 還要指出下段查明的工程地質(zhì)條件和問(wèn)題; 通過(guò)建模,可具體感受到還有那些不足。

 

  ( 3)在初步設計階段  這是工程興建中的關(guān)鍵階段,一切均以客觀(guān)事實(shí)為準繩,從設計大局出發(fā),針對薄弱環(huán)節,補做工程地質(zhì)工作,余后,結合具體任務(wù)、工程或問(wèn)題分別建立工程地質(zhì)模型?？稍诔醪浇；A上,進(jìn)一步搞清楚相關(guān)條件,開(kāi)展有針對性的巖體物理力學(xué)試驗和量測,最終確立模型,并進(jìn)行數值分析和評價(jià),為設計、決策提供可靠依據。

 

  ( 4)在定型設計和施工階段進(jìn)一步修正模型和評價(jià),通過(guò)施工驗證模型的準確性、可靠性,最終作出結論。

 

  4. 2 關(guān)于各類(lèi)工程的應用

 

  一般地質(zhì)工程可劃為三大類(lèi),即地基、這坡和地下洞室。工程地質(zhì)模型在這里大有用武之地。

 

  當前工民建地基問(wèn)題主要出現在深基坑。而深基坑問(wèn)題主要集中在涌水和坑坡坍塌。

 

  根據工程地質(zhì)調查,完全可以建立準確的工程地質(zhì)模型。在此基礎上,分析相關(guān)問(wèn)題,作出評判,制定整治方案與措施。

 

  壩基主要問(wèn)題是建基面的確定和穩定性、滲透性等?？勺鞒鱿鄳Ｐ秃驮u價(jià)。

 

  前實(shí)例已作具體剖析,但還需強調: ( 1)關(guān)注軟弱巖層與結構面和工程的依存關(guān)系,它往往控制邊坡應力狀態(tài)和變形演化進(jìn)程; ( 2)關(guān)注邊坡變形破壞的突破點(diǎn),要努力從模型中尋求地質(zhì)依據。

 

  軟巖、軟弱破碎巖帶、地下水和地應力成為地下洞室圍巖變形與失穩的控制要素; 由結構面組合的塊體亦為圍巖失穩的常見(jiàn)的影響因素。因此,在建模中,充分考慮上述因素是十分重要的。多年實(shí)踐表明,工程地質(zhì)模型在洞室圍巖變形失穩中的應用更具實(shí)用性。

 

  4. 3 關(guān)于專(zhuān)題中的應用

 

  從某中意義上來(lái)說(shuō),前面集中探討了工程地質(zhì)模型在巖土體中穩定性中的應用。實(shí)際上,它還可擴展到區域地殼穩定性、山體穩定性等較宏觀(guān)的專(zhuān)題。如在區域地殼穩定性中,根據模型思路,可建立地殼結構模型、地殼動(dòng)力學(xué)模型等; 有了這些模型,不僅標志著(zhù)工作的精度和到位,而且更主要能形象直觀(guān)地闡明一系列問(wèn)題。又如在山體穩定性中,可建立山體地質(zhì)結構模型,同樣能達到事半功倍的效果。

 

  總之,工程地質(zhì)模型有著(zhù)豐富的內容,限于篇幅,本文只能做到提示,拋磚引玉,期望共同推動(dòng)其發(fā)展。