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裂隙岩体地下洞室超欠挖预测及评价研究

作　者: 孙少锐
导　师: 吴继敏
学　校: 河海大学
专　业: 岩土工程
关键词: 超欠挖预测结构面特征结构面网络模拟块体理论广义分数维爆破开挖周边破坏地质统计模型小波神经网络围岩分类图像处理开操作和闭操作
分类号: TU457
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

裂隙岩体中的超欠挖问题是一个极其复杂的工程地质问题，对超欠挖预测和评价方法的研究是本文的主要研究内容。归纳如下： (1) 对结构面网络模拟技术的基本原理、基本方法以及现状进行概述，在充分考虑岩体受力的力学机理基础上，结合野外测得的结构面特征参数及现场地应力分布特征，提出一种基于地质力学机理的结构面网络模拟技术，并把该技术运用到地下洞室的超挖预测中。通过工程实例验证结果的合理性，结果表明：考虑岩体受力机理的结构面网络模拟技术能充分反映岩体结构面的特征、合理预测洞室中的超挖问题。块体理论是研究洞室超欠挖的重要工具，它是从拓扑几何学的角度来研究洞室中的关键块体，但关键块体与超挖块体之间存在区别，文中对超挖块体和关键块体之间的关系进行分析研究，应用块体理论和结构面网络模拟技术相结合的方法预测了洞室超挖块体的大小。 (2) 岩体的地质特征和地质组成是影响洞室围岩超欠挖的主要因素之一。论文旨在从岩体的破坏机理出发，对裂隙岩体开挖后的洞室周边分数维进行研究，提出了裂隙岩体洞室开挖周边的广义分数维模型，并且对不同影响参数与洞室周边分数维之间的关系进行分析，从分形理论的角度建立洞室周边广义分数维与洞室超挖之间的关系，从而建立了以岩体破裂机理为基础的超欠挖与广义分数维之间的关系。爆破开挖是影响洞室超欠挖的另一个重要因素。迄今为止，国内有关爆破开挖对超欠挖影响的研究尚未见报道，论文从洞室周边破坏机理的角度出发来研究爆破产生的洞室周边界形状，并建立洞室应力、应变与超欠挖之间的关系，完善了洞室超欠挖与分数维及洞室动态破坏之间的关系，同时还研究了超欠挖对围岩稳定性的影响。 (3) 论文提出了基于地质统计模型的小波神经网络对地下洞室超挖块体进行预测的基本方法。首先，简述了超挖预测的两个基本理论，即地质统计模型理论和小波神经网络理论；其次，根据几个基本理论介绍了超挖预测的整个程序设计过程，并编制了相应的计算程序。其中，地质统计模型采用概率论与数理统计的基本理论、小波神经网络是采用小波基作为神经网络激励函数的前馈型网络；最后，从野外地质调查着手，结合某一抽水蓄能电站的实测地质资料，应用基本理论对几个洞室超挖块体的大小进行预测，为地下洞室防止或减少超挖提供理论依据。 (4) 正确评价岩体的质量，进行围岩分类，对研究岩体质量与洞室超欠挖之间的关系及分析和预测洞室超欠挖具有重要的意义。论文对洞室围岩的RMR分类和Q分类与超欠挖之间的关系进行详细的研究，研究不同开挖洞径与洞室超欠挖之间的关系，并由此建立了RMR分类和Q分类之间的关系，得出围岩的RMR分类和Q分类与洞室超欠挖呈线性关系或对数线性关系。根据超欠挖建立起来的RMR分类和Q分类之间的关系比较符合工程实际。论文还研究了超欠挖与围岩分类及洞径之间的复相关关系。中文摘要 (5)图像处理技术在很多工程领域中得到推广应用，在洞室超欠挖评价中的应用是图像处理技术在地质及岩土工程领域的推广。其基本原理是:对野外摄取的洞室的基本剖面形状进行几何校正，然后应用图像学中的投影重建方法使图像不失真，对修正后的图像实行灰度图像的开操作和闭操作运算，得到洞室的基本形状，然后用图像学中的边界提取技术提取洞室的周边界，与洞室的设计形状对比分析，得到洞室在该断面上的超欠挖方量，然后对其它断面采用同样的技术就可评价某一段或整个洞室的超欠挖数量，从定量的角度解决了工程中的超欠挖评价问题。关键词:超欠挖;预测;结构面特征;结构面网络模拟;块体理论;广义分数维;爆破开挖;周边破坏;地质统计模型;小波神经网络;围岩分类;图像处理;开操作和闭操作

全文目录

前言  5-6
中文摘要  6-8
ABSTRACT  8-13
第一章绪论  13-26
  1.1 论文选题的意义  13-14
  1.2 国内外的研究现状  14-22
    1.2.1 裂隙岩体地下洞室超欠挖的研究现状  14-15
    1.2.2 基于数值分析方法的研究现状  15-18
    1.2.3 基于模糊概念预测方法的研究现状  18-21
    1.2.4 基于图像处理评价方法的研究现状  21-22
  1.3 拟采用研究方法存在的问题  22-25
  1.4 本文的主要工作及创新点  25-26
第二章裂隙岩体结构面的基本特征  26-50
  2.1 结构面特征的基本概念  26-29
    2.1.1 结构面的几何特征  26-27
    2.1.2 结构面的力学特征  27-29
  2.2 结构面的基本特征  29-34
  2.3 洞室超欠挖与地质因素之间的关系  34-35
  2.4 结构面特征研究的基本方法  35-38
    2.4.1 确定裂隙岩体几何特性参数的统计分析  35-37
    2.4.2 裂隙岩体几何特性的描述  37-38
  2.5 结构面产状的取样误差修正  38-43
    2.5.1 修正的结构面产状概率模型  39-41
    2.5.2 结构面产状的概率分布模型  41-43
  2.6 结构面迹长的概率模型  43-49
    2.6.1 结构面迹长估计的Kulatilake法  43-47
    2.6.2 结构面大小的确定方法  47
    2.6.3 结构面密度确定的K-W法  47-48
    2.6.4 结构面位置的确定方法  48-49
  2.7 本章小结  49-50
第三章洞室超挖预测中的结构面网络模拟技术及块体理论  50-72
  3.1 结构面三维网络模拟的计算机实现方法  51-53
  3.2 结构面网络模拟技术的基本理论  53-57
    3.2.1 基于地质力学机理的结构面网络模拟技术  54-55
    3.2.2 结构面网络模拟中的切片技术  55-57
  3.3 结构面网络模拟技术在地下洞室超挖预测中的实现  57-61
    3.3.1 概述  57-58
    3.3.2 理想化的地下洞室开挖结构面网络模拟图  58
    3.3.3 实例验证  58-61
  3.4 洞室超挖预测中的块体理论  61-71
    3.4.1 块体理论的发展  61-62
    3.4.2 块体理论的基本假定、研究方法和特点  62-63
    3.4.3 块体理论的基本原理  63
    3.4.4 块体理论在地下洞室超挖预测中的应用及实现  63-71
  3.5 本章小结  71-72
第四章裂隙岩体地下洞室超欠挖模拟方法研究  72-120
  4.1 洞室超欠挖问题中的分形理论  72-81
    4.1.1 概述  72-73
    4.1.2 分形基本理论  73-74
    4.1.3 洞室周边破坏的分数维理论模型  74-77
    4.1.4 广义分数维模型在洞室超挖预测中的应用  77-81
    4.1.5 本节小结  81
  4.2 岩体爆破开挖对地下洞室超挖的影响  81-99
    4.2.1 洞室开挖方法及爆破方式  81-84
    4.2.2 爆破开挖对超挖的影响  84-87
    4.2.3 应用数值方法研究地下洞室超欠挖问题  87-90
    4.2.4 不同岩体完整性系数条件下爆破对洞室超挖的影响  90-93
    4.2.5 超挖对洞室围岩稳定性的影响  93-98
    4.2.6 本节小结  98-99
  4.3 洞室超挖预测中的小波神经网络理论  99-110
    4.3.1 神经网络的基本理论  99-100
    4.3.2 小波理论  100-103
    4.3.3 基于小波理论的神经网络在洞室超挖预测中的应用  103-110
    4.3.4 本节小结  110
  4.4 洞室超欠挖与围岩分类之间的关系  110-119
    4.4.1 围岩分类概述  110-111
    4.4.2 洞室围岩分类的基本理论  111-112
    4.4.3 RMR和Q分类与洞室超欠挖之间的关系  112-118
    4.4.4 本节小结  118-119
  4.5 本章小结  119-120
第五章洞室超欠挖评价中的图像处理技术  120-141
  5.1 图像处理技术概述  120-122
  5.2 图像处理技术的基本理论  122-126
    5.2.1 图像的几何失真校正  122-124
    5.2.2 较低的投影重建技术  124-126
    5.2.3 图像的灰度形态学基本运算  126
  5.3 图像处理技术的具体实现  126-134
    5.3.1 空间坐标系的确定  128
    5.3.2 图像的几何校正  128-129
    5.3.3 图像的灰度值校正  129-130
    5.3.4 图像的投影变换  130-134
    5.3.5 图像的开操作和闭操作  134
  5.4 图像处理技术在洞室超欠挖评价中的应用  134-140
    5.4.1 概述  134-136
    5.4.2 应用图像处理技术评价超欠挖的基本方法  136-137
    5.4.3 图像处理技术在洞室超欠挖主人中的应用  137-140
  5.5 本章小结  140-141
第六章结论及展望  141-143
  6.1 论文工作概述  141-142
  6.2 需要进一步研究的问题  142-143
参考文献  143-151
附录A:个人简历及攻读博士学位期间发表的论文  151-152
附录B:攻读博士学位期间参加的科研项目  152
附录C:攻读博士学位期间获得的奖励  152-153
致谢  153

裂隙岩体地下洞室超欠挖预测及评价研究

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