CN106777865B - 岩体渗透性Dice相似度量预测分类方法 - Google Patents

Abstract

一种岩体渗透性Dice相似度量分类方法，包括以下步骤：(1)确定岩体单轴抗压强度、抗拉强度、峰值斜率指数、破碎岩体平均间距、结构面方位角的权重；(2)进行岩体力学参数的归一化；(3)将所有归一化后的岩体力学性质分类区间用直觉模糊表达；(4)渗透性研究地区的岩体单轴抗压强度、抗拉强度、峰值斜率指数、碎岩体平均间距、结构面方位角进行归一化；(5)将所有归一化后的实测岩体力学性质进行直觉模糊表达；(6)依据Dice相似度量方法，分别计算不同分类等级条件下测试直觉模糊特征向量与标准直觉模糊特征向量的相似性，相似度最大值所对应的渗透性等级为该研究区域的渗透性分类结果。本发明能实现岩体渗透性相似度量分类。

Description

岩体渗透性Dice相似度量预测分类方法

技术领域

本发明属于工程技术领域，涉及一种岩体渗透性的预测分类方法，特别的是本发明从岩体单轴抗压强度(USC)、抗拉强度(BTS)、峰值斜率指数(PSI)、碎岩体平均间距(DPW)、结构面方位角(α)与岩体渗透性相关性出发，依据岩体力学性质的分类及其直觉模糊集，提出了岩体渗透性Dice相似度量分类方法。

背景技术

随着国民经济的快速发展，城市规模不断扩大，市内地面运输已经不能满足交通要求，修建隧道及地下工程已然成为现代化建设的迫切需要。隧道工程中由于岩体高渗流压差引发的渗流问题是施工中普遍存在的现象，岩体的渗透性对盾构机施工与开挖面支护有着较大的影响。如何对岩体渗透性进行准确预测与评价已发展成为岩体力学领域的重点和难点。

目前，试验研究依然是分析岩体渗透特性的重要研究手段，下面将具有代表性的岩体渗透性测试的装置或方法简介如下：

1995年，公开号为CN 1123571A的中国专利申请《可评估岩石介质渗透性的方法和装置》，提供了一种评估和测量岩石渗透性的方法与装置，其技术核心是通过测量流体在岩石介质中的相对运动产生的磁场来推测岩石介质的渗透性。

2006年，公开号为CN 1837774A的中国专利申请《低渗透岩石介质渗透系数测试仪》中，给出了一种用于测定低渗透岩石介质渗透性系数的测试仪，它由传感器、温控箱、刚性压力机系统构成，能对低渗透性岩石的渗透性系数进行测量，同时实现了端部渗透、侧面渗透的试验目的。

2009年，公开号为CN 102096107A的中国专利申请《一种根据声波时差和密度反演孔隙扁度进行储层渗透性评价的方法》中，提出了根据声波时差和密度反演岩石的孔隙扁度，进而利用孔隙扁度计算干岩石骨架弹性模量以及进行储层渗透性评价的技术方案。

2010年，公开号为CN 101858848A的中国专利申请《基于岩体位移和孔压的岩体高压渗透性试验方法及装置》中，提出了根据岩体在高压水作用下的渗压和位移与时间的关系曲线与压水试验孔内的流量和压力与时间的关系，应用流固耦合理论求解岩体高压渗透系数的方法。

2013年，公开号为CN 103575631A的中国专利申请《岩石渗透性测试系统及测试方法》中，给出了一种由围压控制装置、岩心压力室、孔隙度测量系统、上游储气瓶、下游储气瓶、上游气压记录表、下游气压记录表、上下游气压差记录表、高纯度氩气瓶和高精度气压记录仪所构成的岩石渗透性测试系统，该发明还公开利用这种岩石渗透性测试系统对岩样进行渗透性测试的方法。

2016年，公开号为CN 105717027A的中国专利申请《一种模拟地下深部岩体环境的岩石渗透性测试设备》，公开了一种由岩样测试平台、温控系统、渗透水输入系统和渗水量采集系统等构成的模拟地下深部岩体环境的岩石渗透性测试设备。

然而，关于岩体渗透性试验研究还存在以下不足：

（1）人们尝试在实验室条件下模拟实际岩体的渗透性条件，这种方法虽然容易实现，但不能很好的考虑岩体渗流的实际边界条件和尺寸效应的影响；

（2）现场试验方法固然能比较准确的反映岩体的实际渗透性质，但需要布置专门的水压试验孔和相关的仪器设备，测试技术难度大且费用昂贵；

（3）虽然已经有人开展了利用体现岩石固有属性（例如声波时差和密度）来间接推测岩石渗透性的研究，然而却没有采用与渗透性密切相关的岩体力学性质参数。

（4）上述各类试验方法，只给出了具体的渗透性指标，不涉及岩体渗透性条件的分类。

发明内容

为了解决现有的岩体渗透性难以预测的问题，本发明从岩石常规力学性质与岩体渗透性相关性出发，在岩体力学性质的分类的基础上，构建了其直觉模糊集，提出了一种岩体渗透性Dice相似度量分类方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种岩体渗透性Dice相似度量分类方法，包括以下步骤：

（1）依据隧道工程实践中硬岩渗透性与岩体单轴抗压强度USC、抗拉强度BTS、峰值斜率指数PSI、破碎岩体平均间距DPW、结构面方位角α的相关关系，岩体力学性质参数按照对渗透性影响进行分类，确定岩体单轴抗压强度USC、抗拉强度BTS、峰值斜率指数PSI、破碎岩体平均间距DPW、结构面方位角α对渗透性质影响的权重；

(2)依据岩体力学性质参数按照对渗透性影响分类结果，进行岩体力学参数的归一化，如下：

其中，与分别是岩体力学参数分类区间的上、下限的归一化结果；与岩体力学参数分类区间的上、下限；是实际工程渗透性测量中岩体力学参数UCS、BTS、PSI、DPW、α的最大测量值；是实际工程渗透性测量中岩体力学参数UCS、BTS、PSI、DPW、α的最小测量值；j是岩体力学参数的种类，j＝1,2,…,5；i是岩体力学性质的类型数，i＝1,2,3；

(3)将所有归一化后的岩体力学性质分类区间按如下公式用直觉模糊表达：

其中，G_i是第i类渗透性条件所对应的岩体力学性质直觉模糊特征向量，u_ij和v_ij分别是岩体力学性质分类中的确定部分与不确定部分；

(4)渗透性研究地区的岩体单轴抗压强度USC、抗拉强度BTS、峰值斜率指数PSI、碎岩体平均间距DPW、结构面方位角α进行归一化，其计算公式为：

其中，t_kj表示归一化之后的实测岩体力学性质参数；表示实测岩体力学性质参数；k表示的取样位置编号；

(5)将所有归一化后的实测岩体力学性质按如下公式进行直觉模糊表达：

其中，T是实测岩体力学性质直觉模糊特征向量,与分别是所测试的岩体力学性质中的确定部分与不确定部分：

(6)依据Dice相似度量方法，按如下公式分别计算不同分类等级条件下测试直觉模糊特征向量与标准直觉模糊特征向量的相似性，

其中，R_w1、R_w2、R_w3分别是测试对象与不同等级岩体力学性质所对应的直觉模糊特征向量的相似度量结果，其中相似度最大值所对应的渗透性等级为该研究区域的渗透性分类结果。

本发明的有益效果主要表现在：有效实现岩体渗透性相似度量分类。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。

一种岩体渗透性Dice相似度量分类方法，包括以下步骤：

(1)依据隧道工程实践中硬岩渗透性与岩体单轴抗压强度(USC)、抗拉强度(BTS)、峰值斜率指数(PSI)、破碎岩体平均间距(DPW)、结构面方位角(α)的相关关系，岩体力学性质参数按照对渗透性影响进行分类。表1为岩体力学性质参数渗透性影响分类结果：

表1

其中，岩体单轴抗压强度(USC)、抗拉强度(BTS)、峰值斜率指数(PSI)、碎岩体平均间距(DPW)、结构面方位角(α)对渗透性质影响的权重分别为0.03,0.09,0.28,0.25,0.35。

(2)依据岩体力学性质参数按照对渗透性影响分类结果，进行岩体力学参数的归一化，具体方法如下：

其中，与分别是岩体力学参数分类区间的上、下限的归一化结果；与岩体力学参数分类区间的上、下限；是实际工程渗透性测量中岩体力学参数UCS、BTS、PSI、DPW、α的最大测量值；是实际工程渗透性测量中岩体力学参数UCS、BTS、PSI、DPW、α的最小测量值；j(j＝1,2,…,5)是岩体力学参数的种类；i(i＝1,2,3)是岩体力学性质的类型数，这里分为好、中、差3类。

(3)将所有归一化后的岩体力学性质分类区间按如下公式用直觉模糊表达：

其中，G_i是第i类渗透性条件所对应的岩体力学性质直觉模糊特征向量，u_ij和v_ij分别是岩体力学性质分类中的确定部分与不确定部分。譬如一个区间的归一化结果为[a,b]，其直觉模糊表达为<a,1-b>。不同等级条件下，得到的岩体力学性质的直觉模糊结果如表2所示：

表2

进而分别得到表示渗透性差、中、好的岩体力学性质特征向量：

(4)渗透性研究地区的岩体单轴抗压强度(USC)、抗拉强度(BTS)、峰值斜率指数(PSI)、碎岩体平均间距(DPW)、结构面方位角(α)进行归一化，其计算公式为：

其中，t_kj表示归一化之后的实测岩体力学性质参数；表示实测岩体力学性质参数；k(k＝1,2,…,151)表示的取样位置编号。

(5)将所有归一化后的实测岩体力学性质按如下公式进行直觉模糊表达：

其中，T是实测岩体力学性质直觉模糊特征向量,与分别是所测试的岩体力学性质中的确定部分与不确定部分。

(6)依据Dice相似度量方法，按如下公式分别计算不同分类等级条件下测试直觉模糊特征向量与标准直觉模糊特征向量的相似性，

其中，R_w1、R_w2、R_w3分别是测试对象与不同等级岩体力学性质所对应的直觉模糊特征向量的相似度量结果，其中相似度最大值所对应的渗透性等级为该研究区域的渗透性分类结果。

实例：隧道线路上某测点处岩体单轴抗压强度(USC)抗拉强度(BTS)峰值斜率指数(PSI)碎岩体平均间距(DPW)结构面方位角(α)岩体力学参数归一化之后的结果为t₁₁＝[0.941,0.550,0.909,0.385,0.278]。计算得到实测岩体力学性质直觉模糊特征向量：

T₁＝{<0.941,0.059>,<0.550,0.450>,<0.909,0.091>,<0.385,0.615>,<0.278,0.722>}

依据Dice相似度量方法，计算得到不同分类等级条件下测试直觉模糊特征向量与标准直觉模糊特征向量的相似度：

R＝(R_w1,R_w2,R_w3)＝(0.580194,0.840777,0.840764)

根据计算结果判断可知R_w2为最大值，这说明该测点处岩体的渗透性等级为中等。

Claims (1)

1.一种岩体渗透性Dice相似度量分类方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)依据隧道工程实践中硬岩渗透性与岩体单轴抗压强度UCS 、抗拉强度BTS、峰值斜率指数PSI、破碎岩体平均间距DPW、结构面方位角α的相关关系，岩体力学性质参数按照对渗透性影响进行分类，确定岩体单轴抗压强度UCS 、抗拉强度BTS、峰值斜率指数PSI、破碎岩体平均间距DPW、结构面方位角α对渗透性质影响的权重；

(2)依据岩体力学性质参数按照对渗透性影响分类结果，进行岩体力学参数的归一化，如下：

其中，与分别是岩体力学参数分类区间的上、下限的归一化结果；与岩体力学参数分类区间的上、下限；是实际工程渗透性测量中岩体力学参数UCS、BTS、PSI、DPW、α的最大测量值；是实际工程渗透性测量中岩体力学参数UCS、BTS、PSI、DPW、α的最小测量值；j是岩体力学参数的种类，j＝1,2,…,5；i是岩体力学性质的类型数，i＝1,2,3；

(3)将所有归一化后的岩体力学性质分类区间按如下公式用直觉模糊表达：

其中，G_i是第i类渗透性条件所对应的岩体力学性质直觉模糊特征向量，u_ij和v_ij分别是岩体力学性质分类中的确定部分与不确定部分；

(4)渗透性研究地区的岩体单轴抗压强度UCS 、抗拉强度BTS、峰值斜率指数PSI、碎岩体平均间距DPW、结构面方位角α进行归一化，其计算公式为：

其中，t_kj表示归一化之后的实测岩体力学性质参数；表示实测岩体力学性质参数；k表示的取样位置编号；

(5)将所有归一化后的实测岩体力学性质按如下公式进行直觉模糊表达：

其中，T是实测岩体力学性质直觉模糊特征向量，与分别是所测试的岩体力学性质中的确定部分与不确定部分：

(6)依据Dice相似度量方法，按如下公式分别计算不同分类等级条件下测试直觉模糊特征向量与标准直觉模糊特征向量的相似性，

其中，R_w1、R_w2、R_w3分别是测试对象与不同等级岩体力学性质所对应的直觉模糊特征向量的相似度量结果，其中相似度最大值所对应的渗透性等级为该研究区域的渗透性分类结果。