CN111764369B - 一种融合试验与监测数据挖掘的高坝岩体卸荷松弛评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种融合试验与监测数据挖掘的高坝岩体卸荷松弛评价方法，首先，基于不同深度位置的岩体发生不同程度的质量降低，确定非柱状节理岩体内纵波波速变化系数与对岩体质量影响之间关系；然后，结合声波测试系统的室内试验，确定柱状节理岩体开挖后岩体内纵波波速变化系数与对岩体质量影响之间关系；引入岩性、结构面、保护层等因素，建立坝基开挖后未测试区的松弛深度估算方法。本发明考虑了工程岩体岩性、结构面出露、开挖措施等对岩体开挖后卸荷松弛深度的影响，更具科学性，更符合工程实际情况。该估算方法可以为高坝坝基岩体工程开挖提供评判准则，具有很强的实用性和广泛的适用性。

Description

一种融合试验与监测数据挖掘的高坝岩体卸荷松弛评价方法

技术领域

本发明属于水工结构、岩土工程领域，具体涉及一种融合试验与监测数据挖掘的高坝岩体卸荷松弛评价方法。

背景技术

坝基岩体在开挖过程中产生的卸荷松弛现象是高坝工程建设中面临的重要问题。坝基岩体的卸荷松弛特征的分布情况，对于大坝的建设施工以及后期运行的长期安全性有着重要的意义。目前，常采用钻孔声波测试技术对开挖后的坝基岩体进行探测，但涉及到柱状节理岩体等复杂岩体卸荷松弛评价时，尚未有明确的判定标准。另外钻孔声波测试技术只能探测钻孔附近岩体，估算未测试区域岩体松弛程度时常采用空间插值法，然而线性的差值方法所得结果往往与实际情况存在较大误差。因此，建立一个更为科学准确的坝基开挖卸荷松弛界定与评价方法显得尤为重要。

发明内容

发明目的：针对上述技术问题，提供了一种融合试验与监测数据挖掘的高坝岩体卸荷松弛评价方法，测试评价体系更完善，评价结果更符合实际。

技术方案：本发明所述的一种融合试验与监测数据挖掘的高坝岩体卸荷松弛评价方法，包括以下步骤：

(1)基于不同深度位置的岩体发生不同程度的质量降低，确定非柱状节理岩体内纵波波速变化系数与对岩体质量影响之间关系；

(2)基于结合声波测试系统的室内试验，确定柱状节理岩体开挖后岩体内纵波波速变化系数与对岩体质量影响之间关系；

(3)基于高坝坝基岩体LSTM神经网络模型的训练结果分析，得到坝基岩体的松弛深度与岩性、结构面、保护层等因素的相关关系，引入岩性、结构面、保护层等因素，建立坝基开挖后未测试区的松弛深度估算方法。

进一步地，所述步骤(1)实现过程如下：

引入纵波波速变化系数η定量描述不同波速变化情况与开挖后岩体质量评价的关系若完整未开挖岩体纵波波速为ν₀，在开挖工序结束后，高坝坝基岩体纵波波速为ν_ω，则波速变化系数η为：

开挖后非柱状节理岩体内纵波波速变化系数小于10％时认为对对岩体质量无影响，纵波波速变化系数大于10％小于15％时认为对对岩体质量有轻微影响，纵波波速变化系数大于15％时认为对对岩体质量有明显影响；由此，非柱状节理岩体的松弛深度定为纵波波速变化系数10％界限对应的深度值。

进一步地，所述步骤(2)实现过程如下：

选定柱状节理岩体节理劣化阶段岩体内声波波速为开挖后无影响和造成轻微影响的界限值；选定应力-应变曲线发生剧烈跌落时对应的岩体内声波波速作为开挖后造成轻微影响和有较大影响的界限值；

高坝坝基钻孔声波试验中对柱状节理玄武岩的松弛深度界定基于孔深～波速曲线，将曲线拐点处深度值定为松弛深度；将柱状节理玄武岩实验区内钻孔声波实验拐点处波速值与未松弛区平均波速统计，发现现场监测资料的松弛深度判断准则与室内试验得出的结论相一致，拐点处波速相对完整柱状节理玄武岩的波速下降约6％；室内试验与现场声波测试试验获得了相同的结论，柱状节理岩体受爆破开挖影响导致的松弛效应更为明显，岩体质量下降对应波速变化敏感，波速下降越6％时可以认为岩体呈松弛状态；

结合室内柱状节理岩体卸荷力学试验中的声波测试结果以及高坝坝基岩体钻孔声波实验的对比分析，开挖后柱状节理岩体内纵波波速变化系数小于6％时认为对对岩体质量无影响，纵波波速变化系数大于6％小于13％时认为对对岩体质量有轻微影响，纵波波速变化系数大于13％时认为对对岩体质量有明显影响；由此，柱状节理岩体的松弛深度定为纵波波速变化系数6％界限对应的深度值。

进一步地，所述步骤(3)实现过程如下：

其中，d₀为已测试点岩体的松弛深度，d_n为待估算点岩体的松弛深度；l₀和l_n分别为已测试点岩体岩性系数和待估算点岩性系数，非柱状节理岩体取值为1，柱状节理岩体取值为1.61；a₀和a_n分别为已测试点岩体结构面影响系数和待估算点结构面影响系数，无影响区取值为1，弱影响区取值为1.36，中影响区取值为1.53，强影响区取值为1.75；p₀和p_n分别为已测试点岩体保护层开挖系数和待估算点保护层系数，未设置保护层开挖岩体取值为1，设置5m保护层开挖岩体取值为0.75；

引入高坝坝基开挖后结构面出露的岩体影响分区标准：坝基面出露的结构面交点、交线及相距1.5m以内区域为强影响区，单独出露的结构面及其上下盘距结构面1.5m以内区域为中影响区，距结构面1.5m至3m区域为弱影响区，其他区域为无影响区。

有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)使用钻孔声波技术测试坝基岩体质量时，区别评价柱状节理岩体与非柱状节理岩体，提出了针对柱状节理岩体的修正后波速变化系数的判定标准，测试评价体系更完善，评价结果更符合实际；

(2)提出了未测试区域岩体质量估算方法，可以基于少量测试结果估算整个坝基面岩体的开挖卸荷松弛深度，相比大量钻孔测试的方案更具经济性，并且更加方便、快捷；

(3)对未测试区域岩体质量估算方法考虑了岩性、结构面出露、开挖措施等对岩体开挖后卸荷松弛深度的影响，更具科学性，更符合工程实际情况。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的实施例1坝基段示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。

本发明提供一种融合试验与监测数据挖掘的高坝岩体卸荷松弛评价方法，如图1所示，具体包括以下步骤：

(1)基于不同深度位置的岩体发生不同程度的质量降低，确定非柱状节理岩体内纵波波速变化系数与对岩体质量影响之间关系。

大量的研究成果和工程经验表明，天然状态下的岩体在受到爆破等开挖扰动后，其浅表层岩体会受到地应力释放的影响，产生松弛现象。开挖松弛的影响程度通常可以反映在岩体声波测试试验结果中，根据介质内声波波速降低的物理意义，可以认为岩体内波速降低的实质是岩体松弛导致的质下降。岩体声波测试试验中，不同深度位置的岩体波速值不同，即不同深度位置的岩体发生了不同程度的质量降低。引入波速变化系数η定量描述不同波速变化情况与开挖后岩体质量评价的关系若完整未开挖岩体纵波波速为ν₀，在开挖工序结束后，高坝坝基岩体纵波波速为ν_ω，则波速变化系数η为：

按照《水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范》的建议，开挖后非柱状节理岩体内纵波波速变化系数小于10％时认为对对岩体质量无影响，纵波波速变化系数大于10％小于15％时认为对对岩体质量有轻微影响，纵波波速变化系数大于15％时认为对对岩体质量有明显影响。因此非柱状节理岩体的松弛深度定为纵波波速变化系数10％界限对应的深度值，如表1所示。

表1松弛程度判定标准

(2)结合声波测试系统的室内试验，确定柱状节理岩体开挖后岩体内纵波波速变化系数与对岩体质量影响之间关系。

实际工程中显然需要更加谨慎的对待开挖卸荷对柱状节理岩体质量影响。若开挖后岩体质量已经处在剪胀破坏阶段中后期，则工程施工的后续扰动或工程的继续建设将使这种状态的柱状节理岩体迅速发生破坏，带来重大影响。本发明开展了结合声波测试系统的室内试验，具体确定出柱状节理岩体卸荷松弛的波速判定标准。

柱状节理岩体为复杂节理岩体，含有较多的微裂隙和节理面。因此，节理劣化阶段试样主要发生的变化为微裂缝和节理面的轻微张开和滑移，此时柱状节理岩体的力学性质变化程度较小，所以选定此时岩体内声波波速为开挖后无影响和造成轻微影响的界限值。而剪胀破坏阶段中，不难看出岩体波速下降曲线呈多拐点的折线形式，说明剪胀破坏的前半段破坏相对较轻，此时的节理面和微裂隙已经发生了不可逆的张开或者剪切滑移。此时，卸荷已经对柱状节理岩体产生了一定影响，岩体质量产生了较为明显的下降，但其节理面仍然保留着一定的强度，岩体较为完整。但当进入剪胀破坏后半段，波速曲线与应力～应变曲线均呈跌落式下降，说明此时的柱状节理岩体已经难以维持轴向应力，其力学性质变化较大，岩体质量下降较大。所以，选定应力～应变曲线发生剧烈跌落时对应的岩体内声波波速作为开挖后造成轻微影响和有较大影响的界限值。

高坝坝基钻孔声波试验中对柱状节理玄武岩的松弛深度界定并没有遵从《水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范》的对波速变化系数建议，而是基于孔深～波速曲线，将曲线拐点处深度值定为松弛深度。将柱状节理玄武岩实验区内钻孔声波实验拐点处波速值与未松弛区平均波速统计，发现现场监测资料的松弛深度判断准则与室内试验得出的结论相一致，拐点处波速相对完整柱状节理玄武岩的波速下降约6％。室内试验与现场声波测试试验获得了相同的结论，柱状节理岩体受爆破开挖影响导致的松弛效应更为明显，岩体质量下降对应波速变化敏感，波速下降越6％时可以认为岩体呈松弛状态。

结合室内柱状节理岩体卸荷力学试验中的声波测试结果以及高坝坝基岩体钻孔声波实验的对比分析，开挖后柱状节理岩体内纵波波速变化系数小于6％时认为对对岩体质量无影响，纵波波速变化系数大于6％小于13％时认为对对岩体质量有轻微影响，纵波波速变化系数大于13％时认为对对岩体质量有明显影响。因此非柱状节理岩体的松弛深度定为纵波波速变化系数6％界限对应的深度值。具体如表2所示。

表2柱状节理岩体松弛程度判定标准

至此，基于钻孔声波测试的结果可以计算得出钻孔位置岩体的松弛深度，非柱状节理岩体采用表1的判定标准，柱状节理岩体采用表2判定标准。

(3)基于高坝坝基岩体LSTM神经网络模型的训练结果分析，可以得到坝基岩体的松弛深度与岩性、结构面、保护层等因素的相关关系，可以引入岩性、结构面、保护层等因素，建立坝基开挖后未测试区的松弛深度估算方法。

实际工程中，很难对开挖后的所有位置进行钻孔声波测试试验。因此，需要基于测试区试验结果对未测试区域的岩体质量进行估算。

基于高坝坝基岩体LSTM神经网络模型的训练结果分析，可以得到坝基岩体的松弛深度与岩性、结构面、保护层等因素的相关关系，可以引入岩性、结构面、保护层等因素，建立坝基开挖后未测试区的松弛深度估算方法。

建立的坝基开挖后未测试区岩体的松弛深度经验估算方法如下：

其中，d₀为已测试点岩体的松弛深度，d_n为待估算点岩体的松弛深度；l₀和l_n分别为已测试点岩体岩性系数和待估算点岩性系数，非柱状节理岩体取值为1，柱状节理岩体取值为1.61，如表3所示；a₀和a_n分别为已测试点岩体结构面影响系数和待估算点结构面影响系数，无影响区取值为1，弱影响区取值为1.36，中影响区取值为1.53，强影响区取值为1.75，如表4所示；p₀和p_n分别为已测试点岩体保护层开挖系数和待估算点保护层系数，未设置保护层开挖岩体取值为1，设置5m保护层开挖岩体取值为0.75，如表5所示。

表3岩性系数l选取

引入高坝坝基开挖后结构面出露的岩体影响分区标准：坝基面出露的结构面交点、交线及相距1.5m以内区域为强影响区，单独出露的结构面及其上下盘距结构面1.5m以内区域为中影响区，距结构面1.5m至3m区域为弱影响区，其他区域为无影响区。

表4结构面影响系数a选取

表5保护层开挖设置系数p选取

利用此岩体松弛深度经验估算方法，在开挖区进行少量钻孔声波测试后可以对整个开挖区域岩体的松弛深度分布情况就行估计。

实施例：

评价一段高坝坝基岩体开挖后卸荷松弛情况，如图2所示，该段坝基呈矩形，宽12m高2m，右上部位开挖出露柱状节理玄武岩，其余部位开挖出露角砾熔岩，正中位置出露有一宽约0.1m的竖直贯穿断层。该坝基段开挖时均未设置保护层。

(1)选取A点开展钻孔声波测试，如表6所示，得到A点不同深度的波速，深部岩体波速为5000m/s。

(2)A点为柱状节理岩体，选取柱状节理岩体松弛波速判定标准，计算出A点松弛深度为1.6m。

表6A点波速与深度

(3)该坝基出露有一断层，对该坝基段进行结构面出露影响量化分区。方法为：坝基面出露的结构面交点、交线及相距1.5m以内区域为强影响区，单独出露的结构面及其上下盘距结构面1.5m以内区域为中影响区，距结构面1.5m至3m区域为弱影响区，其他区域为无影响区。

(4)确定A点各系数，l_A选取为1.61，a_A选取为1.36，p_A选取为1.00。

(5)选取B点进行松弛深度估算，l_B选取为1.00，a_B选取为1.00，p_B选取为1.00。按照公式(2)，估算出B点松弛深度为0.73m。

(6)选取C点进行松弛深度估算，l_C选取为1.00，a_C选取为1.53，p_C选取为1.00。按照公式(2)，估算出C点松弛深度为1.12m。

(7)选取D点进行松弛深度估算，l_D选取为1.00，a_D选取为1.36，p_D选取为1.00。按照公式(2)，估算出D点松弛深度为0.99m。

(8)选取E点进行松弛深度估算，l_E选取为1.61，a_E选取为1.00，p_E选取为1.00。按照公式(2)，估算出E点松弛深度为1.18m。坝基段各点位松弛深度如表7所示。

表7该坝基段各点位松弛深度

(9)此时认为估算点选取数量能够满足描述该坝基段整体松弛程度的要求，完成对该段高坝坝基开挖后卸荷松弛情况的评价。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种融合试验与监测数据挖掘的高坝岩体卸荷松弛评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)基于不同深度位置的岩体发生不同程度的质量降低，确定非柱状节理岩体内纵波波速变化系数与对岩体质量影响之间关系；

(2)基于结合声波测试系统的室内试验，确定柱状节理岩体开挖后岩体内纵波波速变化系数与对岩体质量影响之间关系；

(3)基于高坝坝基岩体LSTM神经网络模型的训练结果分析，得到坝基岩体的松弛深度与岩性、结构面、保护层等因素的相关关系，引入岩性、结构面、保护层等因素，建立坝基开挖后未测试区的松弛深度估算方法；

所述步骤(3)实现过程如下：

其中，d₀为已测试点岩体的松弛深度，d_n为待估算点岩体的松弛深度；l₀和l_n分别为已测试点岩体岩性系数和待估算点岩性系数，非柱状节理岩体取值为1，柱状节理岩体取值为1.61；a₀和a_n分别为已测试点岩体结构面影响系数和待估算点结构面影响系数，无影响区取值为l，弱影响区取值为1.36，中影响区取值为1.53，强影响区取值为1.75；p₀和p_n分别为已测试点岩体保护层开挖系数和待估算点保护层系数，未设置保护层开挖岩体取值为1，设置5m保护层开挖岩体取值为0.75；

引入高坝坝基开挖后结构面出露的岩体影响分区标准：坝基面出露的结构面交点、交线及相距1.5m以内区域为强影响区，单独出露的结构面及其上下盘距结构面1.5m以内区域为中影响区，距结构面1.5m至3m区域为弱影响区，其他区域为无影响区。

2.根据权利要求1所述的一种融合试验与监测数据挖掘的高坝岩体卸荷松弛评价方法，其特征在于，所述步骤(1)实现过程如下：

引入纵波波速变化系数η定量描述不同波速变化情况与开挖后岩体质量评价的关系若完整未开挖岩体纵波波速为v₀，在开挖工序结束后，高坝坝基岩体纵波波速为ν_ω，则波速变化系数η为：

开挖后非柱状节理岩体内纵波波速变化系数小于10％时认为对对岩体质量无影响，纵波波速变化系数大于10％小于15％时认为对对岩体质量有轻微影响，纵波波速变化系数大于15％时认为对对岩体质量有明显影响；由此，非柱状节理岩体的松弛深度定为纵波波速变化系数10％界限对应的深度值。

3.根据权利要求1所述的一种融合试验与监测数据挖掘的高坝岩体卸荷松弛评价方法，其特征在于，所述步骤(2)实现过程如下

选定柱状节理岩体节理劣化阶段岩体内声波波速为开挖后无影响和造成轻微影响的界限值；选定应力-应变曲线发生剧烈跌落时对应的岩体内声波波速作为开挖后造成轻微影响和有较大影响的界限值；

高坝坝基钻孔声波试验中对柱状节理玄武岩的松弛深度界定基于孔深～波速曲线，将曲线拐点处深度值定为松弛深度；将柱状节理玄武岩实验区内钻孔声波实验拐点处波速值与未松弛区平均波速统计，发现现场监测资料的松弛深度判断准则与室内试验得出的结论相一致，拐点处波速相对完整柱状节理玄武岩的波速下降约6％；室内试验与现场声波测试试验获得了相同的结论，柱状节理岩体受爆破开挖影响导致的松弛效应更为明显，岩体质量下降对应波速变化敏感，波速下降越6％时可以认为岩体呈松弛状态；

结合室内柱状节理岩体卸荷力学试验中的声波测试结果以及高坝坝基岩体钻孔声波实验的对比分析，开挖后柱状节理岩体内纵波波速变化系数小于6％时认为对对岩体质量无影响，纵波波速变化系数大于6％小于13％时认为对对岩体质量有轻微影响，纵波波速变化系数大于13％时认为对对岩体质量有明显影响；由此，柱状节理岩体的松弛深度定为纵波波速变化系数6％界限对应的深度值。

Images