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地下工程是典型的地质工程,地学在地下工程稳定性研究中的重要意义是不言而喻的。实践表明,工程地质稳定性,要从地质原理和力学原理这两个原理入手,才能真正解决问题。刘建航院士强调地下隧道工程是“七分地质,三分设计”,这个论断有重要的启示作用。
五十余年来,我国工程地质在解决包括地下工程在内的各项主要工程稳定性问题的研究中,取得了长足的进步,在地质与力学的结合上也有了一定的发展。新世纪伊始,西部大开发和城市化在中华大地蓬勃发展,工程地质和岩土力学面临巨大的发展机遇。特别是地下工程,从利用地下资源的新认识出发,己向长、大、深、群方向快速前进,因而对工程的安全性要求也越来越高,这给研究提出了更高的要求。如何保证生产安全和降低成本是地质工程工作者所面临的主要任务。
实践证明,地质条件及对地质条件的掌握情况,决定着地下工程能否既经济又安全地建成,也决定着工程建筑在使用过程中的稳定性和安全性。因此正确的地质环境分析与评价是工程规划、设计、施工的基础,也是地下工程成败的关键。无视地质条件的特点,以及对地质条件查不明、判断失误,都会引发工程问题,甚至是灾难性的问题。地下工程成败的关键在两方面:(1)工程地质条件;(2)有针对性的地下结构设计理论和施工技术条件。尽管先进的施工技术和设备能够解决施工中遇到的部分问题,但所采用的技术和机械能否奏效,关键要看技术与使用条件,而这个条件的控制因素就是工程地质条件,而对地质条件起控制作用的是地质构造。
地质构造的研究重点是,构造断裂和其它的构造形变对工程稳定性的影响和预报在工程作用下它们的变化以及与构造有关的地质灾害。地质构造预测和评价的可靠性对工程岩体结构、岩体质量评价及其稳定性分析以及工程岩体综合利用等的研究具有重要的工程意义。虽然关于岩体断裂构造发育程度分区定量评价研究在煤矿开采地质中开展的较多,而在岩体工程地质中却很少开展地质构造定量化综合评价研究。
地质构造的定量评价是预测岩体的行为一个世界性难题。前人也做过不少有益的探索。预测需要一个相对确定性的结论,纵观在地质构造研究对地下洞室稳定性影响方面研究却多是定性的,主要从地质构造的几何特征层次研究,20世纪以来,开始从成因和实验特征层次研究,并从定性观察转入半定量化研究,但主要是针对区域性构造。而对工程场地断裂定量研究较少,尤其是在工程断裂的切割深度、延伸长度、场地断裂分级及其对地下洞室稳定性控制方面研究甚少,这就使得地下洞室稳定性评价很难准确,造成工程困难,甚至发生工程事故。
本论文根据板块构造理论、罗国煜教授提出的岩土工程优势面理论,采用区域稳定性与地基稳定性、地质分析与力学分析相结合的原则,计算机科学、环境岩土工程学、环境工程学、工程地质学、岩石力学、构造地质学等多学科交叉,通过野外地质调查及室内外实验等多种方法对溧阳抽水蓄能电站地质构造进行了详细地综合研究。查清了工程所在地区各级地质构造的本质特性,弄清了本区地质构造的成因及发育规律,以及不同构造间相互关系,建立了一套切实可行评价指标体系。在此基础上从区域地质构造、工程区地质构造、场地地质构造三个方面深入分析研究了地质构造对地下洞室稳定性的控制作用,探讨了地质构造对地下洞室稳定性的控制作用机理,对场地地质构造进行了定量评价,对地下洞室围岩变形进行了分析,并提出了相应的设计对策和治理技术及措施。
本文的主要特色是:
1.从区域地质构造、工程区地质构造、场地地质构造三个方面论证了不同级别的地质构造对地下洞室稳定性的控制作用,论述了地质构造特征从宏观到微观对地下洞室稳定的不同控制机理,使构造地质与工程地质有机地结台起来。为正确评价场地工程地质条件提供了准
确的依据。 2.运用优势面理论,建立了场地断裂切割深度和延伸长度的定量预测的优势指标体系和预测模型,探讨了断裂定量预测的科学方法,对溧阳抽水蓄能电站场地断裂的断裂切割深度和延伸长度进行了预测,为地质构造的定量评价提供了相应的量化指标。
3.运用优势面理论,提出了场地断裂分级优势指标,建立了量化分级模型,探讨了断裂评价的量化方法,并对溧阳抽水蓄能电站场地断裂进行了量化分级,分析了不同级别断裂对地下洞室稳定性的控制作用。
本文发展了地下工程优势面理论,开创了优势面理论新的应用空间,主要创新点:
1.分三个层次(区域、工程区、场地)研究地质构造特征及其对地下洞室稳定性控制作用,正确认识地质构造在工程稳定性评价中的地位,将地质构造与工程地质有机地结合起来,实现构造地质学与工程地质学的耦合,发展了优势面理论,实现了工程地质理论方面创新。
2.对工程区所属大地构造单元和基本地质背景进行研究论证,查明工程区大地构造单元属下扬子板块苏南断块茅山—郎溪推覆带,发现场区推(滑)覆构造新证据,对其特征有了更进一步认识。
3.建立了工程断裂的切割深度、延伸长度定量预测模型,开辟了工程断裂的切割深度、延伸长度研究的新领域。
为了有效评价场区断裂对工程稳定性的影响程度,提出了场地断裂分级定量评价的方法,实现了场地断裂分级研究的创新。
4.确定了控制场区稳定性的优势面,并通过组合分析,给出了地下洞室围岩变形破坏模式,预测主厂房地下洞室围岩潜在破坏模式,建立了围岩稳定性定量评价模型。运用块体分析理论对溧阳抽水蓄能电站地下洞室围岩变形稳定性进行了分析,对地下洞室围岩变形稳定进行了评价。
5.结合地质构造特征对地下洞室稳定性的控制作用,提出了本工程地质工程治理的系统原则、信息化设计与施工原则,并提出了针对性的治理技术,从而发展了优势面理论的人地调谐原理。