1 模型的內涵與意義

 

  模型一詞由來已久,應用最為廣泛的要算規劃模型(城市或工程) ; 隨著實踐擴展,逐步引入到介質模型、機制模型、演化模型、計算模型等。在數學領域形成了一個獨立研究領域- “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生活的各個領域。

 

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

 

  在工程地質學科中,模型稱呼不一,有的稱地質模型,有的叫工程地質模型。綜合來看,以稱工程地質模型為宜; 它較確切地反映其應用范疇和內涵。顧名思義,所謂工程地質模型,就是依據工程性狀,將重要的工程地質條件,亦可稱要素,按實際狀態,簡明醒目地用圖形表示出來; 簡言之。即工程與地質條件相互依存關系的圖示。這種地質與工程結合形式— 模型,它較好地解決了地質與工程的脫節,便于設計人員充分認識與真正應用好工程地質工作成果; 它深化了工程地質條件的研究,要抓住影響工程巖體變形或破壞的關鍵條件;與此同時,還促進地質與工程結合后的巖體變形規律、效應與法則的理性化; 在理論與實用的二方面均會得到實質性的進展。由此可見,工程地質模型的正名與強化,其意義是深遠的。可以預計,隨著工程地質模型的全方位研究,必將產生新的認識。

 

  2 建模依據與方法

 

  2. 1 建模的依據

 

  首先應明確,工程地質模型是人們對觀事物認識的精煉和圖示化。建模最基本的依據是觀點、理論基礎。這里推崇巖體工程地質力學,其核心觀點就是巖體(實際上亦包括土體)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,結構面起著主導作用,軟弱巖層(軟巖)起著起始變形與突破口的作用。結構面類型較多,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性問題,其中潛在著匹配與取舍。

 

  ( 2)結構面與工程的依存效應: 結構面與工程就有一個依存關系。隨著依存關系的不同,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育,很多情況是多組結構面存在。

 

  這就產生多組結構面對工程巖體的共同影響,即組合效應問題。

 

  上述三種效應應成為建模的重要依據。

 

  2. 2 建模的要素

 

  從某種意義上來說,條件研究最終就是為建立工程地質模型。工程地質條件多種多樣,經多年實踐與研究,建模要素有二類: 一類是工程巖體的基本性態要素,即工程地質巖組、巖體結構類型(包括結構面性狀) ; 一類是工程巖體的環境要素,即地下水、地應力。四要素的特點、個性構成了天然巖體。

 

  關于工程地質巖組(簡稱巖組) ,它是巖體的物質基礎。巖組性狀千變萬化,其中松散破碎巖組對工程巖體的工程力學行為影響巨大。為此,最簡便的辦法就是將巖組劃分出堅硬與軟弱二類巖體,以便區別對待。

 

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

 

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

 

  關于地應力,它對工程巖體的作用愈來愈被重視。工程類型不同,它的作用,或者說地位是不等的。地應力有一個明顯特點,即區域性。關于地應力的相關參數,應盡量得到地學的解釋。

 

  2. 3 建模的方法

 

  鑒于地質情況與工程類型的千變萬化,因而它們的組合是千差萬別的,也不可機械地將地質與工程組合,那就成了工程地質剖面圖了,顯然是不合適的。因而工程地質模型的建立必須有一套方法,其中,既有科學簡化,又有實際操作。

 

  ( 1)關于科學簡化,主要是工程地質條件的抽象和概括; 既不失真,又不拘泥一點一滴; 要從本質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,一個具體的工程最關心是有無足夠的承載或支撐能力,有無足夠的抵抗變形的能力; 由此可把巖組劃分二大類,即堅強或堅硬巖類; 軟弱巖類。只要在模型中,如實反映即可。又如結構面,它有各種類型,為簡便起見。易劃分二大類,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潔明嘹,而且抓住了關鍵。

 

  ( 2)關于具體操作方法,一般工程地質模型以剖面形式為最常見與普遍,而且就基本滿足人們對工程地質條件與工程關系的認識和了解。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的剖面圖,并標出原始地形線和開挖線;②其次畫出巖組,按硬性巖組和軟弱巖組、產狀,準確地在剖面圖上畫出來,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)、按產狀如實地畫在圖上,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)將它們畫出,這時更關注“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,那就把組合交線畫在圖上,但一定用特有圖例,以示區別與識別。總之,在具體操作中,會遇見一些意想不到的現象;只要用心,總會可以解決的。

 

  ④關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。如果參數值不太明朗,就大體給出一個數量級的數值。那就在相關說明中加以解釋。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力學參數中加以考慮。

 

  ⑤附一張巖體物理力學參數表。

 

  一旦建模后,為使設計人員對模型的深切理解,工程地質人員有必要作啟示性與實質性的說明。在說明中應包括:

 

  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;

 

  e.指出巖體加固或弱化的方向等。

 

  3 實 例

 

  現以甘肅金川銅鎳礦的露天礦上盤西段邊坡作為實例,加以具體操作。

 

  首先展示研究段的工程地質平面與剖面圖,然后對巖組和結構面進行分類與取舍。

 

  上盤區西段邊坡所遇到的巖組共七個。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,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育,最顯著的是斷裂帶和層間錯動面。前者與片巖重合,后者主要發育于中厚層大理巖,其次為混合巖。此外,在厚層大理巖,段,發育一條切坡向的小斷層,它與一組節理密集帶組合,構成了一個順坡向的塊體。

 

  因此,無論從巖組,或從主要結構面的性狀,本邊坡總體為一個軟硬相間、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而巧妙地畫出來。

 

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

 

  第四,關于巖體有關力學參數,可列表以明之。

 

  第五,工程地質模型分析。

 

  露天礦上盤西段邊坡為一復合的工程地質模型。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,為近EW向,傾角33°(從實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,必然要產生這樣的的變形破壞機制: 即上部塊體滑移,下部傾倒變形;上部的滑移推動和加速了下部傾倒變形的發生與發展; 一旦下部傾倒變形發生后,傾倒體下的未發生傾倒的巖體的支撐作用,就上升為重要的因素。可以理解,如果下部巖體堅強和整體性好,它就可以阻止上部傾倒體的下延發展。

 

  通過這一實例的介紹,不難看到建立工程地質模型的學科和實用意義,還必將推動數值模擬與計算走上健康的軌道。

 

  4 應 用

 

  多年實踐表明,工程地質模型這一理性概念與科學方法,可適用于各工程地質勘測階段和各類工程。顯然,隨著勘測階段和工程類型的不同,建模的要求和精細程度是不一的。

 

  并隨著問題愈具體,工程地質模型應用的價值愈顯示出來。工程地質模型一個最基本屬性就是其針對性、實用性。

 

  4. 1 關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是調查工程地質條件,找出存在的工程地質問題。因而無論從總體上,還是從具體問題上,只能建立粗線條的工程地質模型。

 

  ( 2)在可行性研究階段  可結合必須論證的問題建立工程地質模型,作出相應的工程地質評價; 還要指出下段查明的工程地質條件和問題; 通過建模,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鍵階段,一切均以客觀事實為準繩,從設計大局出發,針對薄弱環節,補做工程地質工作,余后,結合具體任務、工程或問題分別建立工程地質模型。可在初步建模基礎上,進一步搞清楚相關條件,開展有針對性的巖體物理力學試驗和量測,最終確立模型,并進行數值分析和評價,為設計、決策提供可靠依據。

 

  ( 4)在定型設計和施工階段進一步修正模型和評價,通過施工驗證模型的準確性、可靠性,最終作出結論。

 

  4. 2 關于各類工程的應用

 

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

 

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

 

  根據工程地質調查,完全可以建立準確的工程地質模型。在此基礎上,分析相關問題,作出評判,制定整治方案與措施。

 

  壩基主要問題是建基面的確定和穩定性、滲透性等。可作出相應模型和評價。

 

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

 

  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。多年實踐表明,工程地質模型在洞室圍巖變形失穩中的應用更具實用性。

 

  4. 3 關于專題中的應用

 

  從某中意義上來說,前面集中探討了工程地質模型在巖土體中穩定性中的應用。實際上,它還可擴展到區域地殼穩定性、山體穩定性等較宏觀的專題。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、地殼動力學模型等; 有了這些模型,不僅標志著工作的精度和到位,而且更主要能形象直觀地闡明一系列問題。又如在山體穩定性中,可建立山體地質結構模型,同樣能達到事半功倍的效果。

 

  總之,工程地質模型有著豐富的內容,限于篇幅,本文只能做到提示,拋磚引玉,期望共同推動其發展。