發(fā)布時間：2023-07-23 09:24:26
序言：寫作是分享個人見解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的水利工程地質(zhì)論文樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發(fā)，請盡情閱讀。
GPS越來越廣泛地應用于水利水電工程地質(zhì)勘察測量及定位控制,它在高程控制方面能較好地解決跨河、跨溝水準難以傳遞的問題,以及在勘察區(qū)控制點較少,或在山區(qū)、林區(qū)等通視條件較差、觀測條件受限的區(qū)域進行工程地質(zhì)勘察時,運用GPS可大大減少作業(yè)時間,提高測量精度。
二、遙感技術(shù)的應用
遙感技術(shù)按照遙感平臺的高度不同,一般分為航天遙感、航空遙感和地面遙感共3大類。遙感技術(shù)由于視域廣闊、信息豐富、具立體感、衛(wèi)星影像成周期性重現(xiàn)以及獲取資料快速等特點,被廣泛應用于水利水電工程中有關(guān)重大工程地質(zhì)問題及相關(guān)的環(huán)境等問題的調(diào)查與研究。
(一)區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性研究。由于遙感圖像能提供大量宏觀的線性構(gòu)造信息,較好地反映區(qū)域地質(zhì)特征、水系分布特征和地貌形態(tài),所以對研究區(qū)域構(gòu)造格架,確定斷裂體系及活動性以及評價工程及其周緣地區(qū)的構(gòu)造穩(wěn)定性有重大作用。因此遙感技術(shù)的應用也成為研究此問題必用的手段。
(二)水庫區(qū)塌、滑坡、泥石流調(diào)查。在大型水利水電工程庫區(qū)岸坡的滑坡、崩塌、泥石流以及某些松散堆積體的調(diào)查中,有一些工程應用遙感技術(shù)利用航衛(wèi)片或彩紅外片進行地質(zhì)解譯,結(jié)合野外現(xiàn)場觀察、復查和檢查查明了許多久拖不決的影響庫岸穩(wěn)定性評價的大型或較大型、塌滑體的數(shù)量,分布及其穩(wěn)定狀態(tài)。
(三)巖溶調(diào)查。利遙感影像,特別是彩紅外影像進行巖溶及巖溶水文地質(zhì)調(diào)查有其特殊的優(yōu)勢,像片解譯不僅能很好地判讀各種巖溶地貌現(xiàn)象,而且還可以充分利用和其它介質(zhì)紅外光譜的差異,判斷地下水的分布和泉水分布等。清江招來河、高壩洲,黃河萬家寨等工程曾利用彩紅外航片解譯來研究巖溶及巖溶滲漏問題,都取到了良好的效果。
(四)中小比例尺地質(zhì)測繪填圖。推廣遙感技術(shù),在保持必須的野外工作量和成圖現(xiàn)場校核工作的前提下,中小比例尺地質(zhì)圖以遙感成圖取代常規(guī)地質(zhì)測繪;建筑物及其它重要地區(qū)大比例尺工程地質(zhì)圖優(yōu)先考慮遙感成圖。這是十年前在全國水利水電勘測工作會議上由水利水電規(guī)劃總院提出的“勘測技術(shù)發(fā)展目標”文件所確定的。
(五)巖土工程開挖面地質(zhì)編錄。為適應大型水利水電工程施工中進行反饋設(shè)計、安全預報和存檔備查的需在人工開挖高邊坡、大型地下建筑物和大壩基坑的開挖中采用地面遙感技術(shù),進行地質(zhì)編錄,并為有關(guān)的穩(wěn)定分析和現(xiàn)場預報提供翔實的地質(zhì)資料和數(shù)據(jù)是很必要的。為此長江勘測技術(shù)研究所在“七五”、“八五”和“九五”科技攻關(guān)中開發(fā)和完善了“高邊坡快速地質(zhì)編錄系統(tǒng)”,并成功地應用于長江三峽永久船閘、瀾滄江小灣、清江水布埡等工程的巖質(zhì)高邊坡開挖中的地質(zhì)編錄。該項技術(shù)采用的是數(shù)碼像機攝影,微機現(xiàn)場采集及預處理,自主開發(fā)的軟件處理可隨時提供巖質(zhì)高邊坡的連續(xù)彩色影像圖和地質(zhì)所需的將邊坡開挖面置于任意方位的線劃圖。
(六)水土保持、防洪與移民安置容量研究。如1994年,長江勘測技術(shù)研究所承擔的長江上游水土保持重點治理區(qū)滑坡、泥石流發(fā)育程度與穩(wěn)態(tài)區(qū)域研究項目,該項目在研究中利用TM衛(wèi)片對隴南、金沙江下游、三峽庫區(qū)3大片進行解譯與發(fā)育程度的劃分(滑坡分四級,泥石流分五級)作出了區(qū)劃圖,提出了防治意見和預警系統(tǒng)建立的基本設(shè)想。1990年地礦部航空物探中心與長江委規(guī)劃處、綜勘局一道,開展長江中游干流防洪工程現(xiàn)狀遙感調(diào)查,用TM衛(wèi)片和1∶3萬～1∶5萬彩紅外航片進行解譯和編寫報告,提交的成果獲得了較好的成效。移民安置容量研究,航衛(wèi)片,尤其是彩紅外航片,以其對土地利用類型的可判讀性和現(xiàn)實性,為移民安置容量分析確定提供了新手段。
三、地理信息系統(tǒng)(GIS)
GIS技術(shù)可自動制作平面圖、柱狀圖、剖面圖和等值線圖等工程地質(zhì)圖件,還能處理圖形、圖像、空間數(shù)據(jù)及相應的屬性數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫管理、空間分析等問題,將GIS技術(shù)應用于工程地質(zhì)信息管理和制圖輸出是近幾年工程地質(zhì)勘察行業(yè)的熱點和發(fā)展趨勢。目前,國內(nèi)應用較多且比較成熟的專業(yè)軟件是由中國地質(zhì)大學開發(fā)研制的MAPGIS,是一種專業(yè)的地理信息系統(tǒng)軟件。
四、工程物探技術(shù)
在我國工程物探雖然起步較晚,但在水利水電工程勘測設(shè)計單位從20世紀80年代初至90年代初逐漸引進和裝備了一些必要的儀器,如信號增強式地震儀、綜合測井儀、電法儀、透視儀、聲波儀、管線儀、地質(zhì)雷達和鉆孔彩色電視系統(tǒng)等,使物探儀器得到了全面的更新,其中有些是當時或至今都是世界水平的新儀器,大大地提高了數(shù)據(jù)采集精度和野外工作效率,促進了物探的發(fā)展。
(一)地球物理層析成像技術(shù)(CT)。CT技術(shù)是利用已有的平洞或鉆孔,通過對采用一定發(fā)射和一定接收方式產(chǎn)生的透射波的采集與處理,反演孔洞間巖體的波速值,并對區(qū)間巖體進行判斷、評價的一種技術(shù)方法。當前在勘探孔洞間了解巖體情況尚沒有一個經(jīng)濟的、有效的技術(shù)措施做進一步工作的情況下,CT技術(shù)不失為是一個查明孔洞間巖體總體完整性程度的好方法。做得好,不僅能節(jié)約一定的勘探工作量而且還會對巖體物理力學性的整評價質(zhì)量的提高有所促進。所以“七五”國家重點科技攻關(guān)以來,包括“八五”和“九五”攻關(guān)幾個涉及水電建設(shè)的項目,涉及水利水電工程地質(zhì)勘探的課題和專題中大多數(shù)都涉及CT技術(shù)攻關(guān)的內(nèi)容,并獲得許多很有成效的成果。
(二)鉆孔彩色電視系統(tǒng)。a53mm的鉆孔彩電是為適應水利水電工程勘察的大多數(shù)鉆孔都是a56mm的金剛石鉆孔而設(shè)計制造的;50mm的鉆孔彩色電視是在電子技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上為適應水平風鉆孔觀察而設(shè)計制造的,并首次將CCD光電偶合器件應用于鉆孔電視。該產(chǎn)品的特點是電路設(shè)計合理,集成度高,性能穩(wěn)定,與傳統(tǒng)的攝像管探頭相比,具有彩色圖像重現(xiàn)性好、幾何失真小、壽命長、耐沖擊、體積小、重量輕、功耗低等特點,是一個更新?lián)Q代產(chǎn)品。當前,隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展,鉆孔彩電又在開發(fā)的圖像處理系統(tǒng)基礎(chǔ)上研制出多功能鉆孔彩色電視系統(tǒng),系統(tǒng)采用工控級主機,形成控制器、監(jiān)視器、錄相機三合為一的一體化主機。主機可配接多種不同口徑的鉆孔電視探頭,實現(xiàn)圖像數(shù)字化實時采集壓縮存儲,成果可刻錄成VCD光盤,還可進行后期圖像處理及制作。
參考文獻:
[1]楊連生,水利水電工程地質(zhì)[M].武漢:武漢大學出版社,2004.
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關(guān)鍵詞：巖土工程；工程勘察；水文地質(zhì)；工程施工
在巖土工程勘察活動中，最為重要且最易被人忽視的問題，就是水文地質(zhì)問題。究其原因，是因為工程地質(zhì)與水文地質(zhì)之間的關(guān)系十分密切，兩者之間是相互作用相互影響的關(guān)系。但是，地下水是巖土的重要組成部分，因此其對巖土的性質(zhì)具有重大影響。同時，其對建筑物的穩(wěn)定性與持久性具有決定性作用。在我國一些地質(zhì)、水文情況十分復雜的地區(qū)，由于缺乏對水文地址的準確、深刻研究，致使設(shè)計人員在設(shè)計過程中忽視了對水文情況的考慮，時常發(fā)生因地下水原因引起的巖土工程事故。在這種情況下，要想切實提高建筑物的施工質(zhì)量，是難以實現(xiàn)的。由此可見，在建設(shè)巖土工程時，進行嚴格、精準、全面的水文地質(zhì)勘察是十分有必要的。
1地下水文對巖土工程產(chǎn)生的影響
地下水文與巖土工程有重要的關(guān)系，從以上的地下水文與巖土工程的作用中可以看出，地下水文會對巖土工程產(chǎn)生一些影響，這些影響主要有：
1.1對基礎(chǔ)埋深產(chǎn)生的影響。在巖土工程施工中，在基礎(chǔ)埋深時，需要的地下水文的條件、動態(tài)等情況進行詳細的掌握，如果地下水存在時，基礎(chǔ)埋深要在地下水以上，如果必須埋深到地下水以下，需要采取降水位措施。在基礎(chǔ)埋深時還需要考慮到承壓水的作用，以免在基坑開挖時基坑底土被承壓水沖破。從基礎(chǔ)工程施工現(xiàn)狀進行分析，天然地的造價較低，而且施工方便，在工程施工中都會優(yōu)先考慮，但是在基礎(chǔ)沉降過大或者是地基穩(wěn)定性無法滿足設(shè)計要求時，就需要對地基進行處理，提高地基的承載力，提高基樁成樁號質(zhì)量。除此之外，地下水文還會對基礎(chǔ)開挖產(chǎn)生一定的影響，如果出現(xiàn)土體軟化強度降低等，會影響基礎(chǔ)開裂。
1.2對建筑工程產(chǎn)生的影響。地基是建筑工程安全的前提，也是建筑工程施工的基礎(chǔ)，在地基受到地下水文影響后，必然會對地上的建筑物產(chǎn)生一定的影響。如果地下水位高，會對地下室等建筑物產(chǎn)生潮濕等影響，還會增加土壤的鹽漬化，加強對建筑物自身的腐蝕，進而破壞建筑物。所以在建筑工程施工前，都會先對地下水文可能造成的災害和產(chǎn)生的影響進行分析。
1.3對支護產(chǎn)生的影響。隨著城市的發(fā)展，高層建筑成為城市的一個標志，越來越多的高層建筑建起，隨著高層建筑不斷增加，城市建筑施工，受到施工場地、施工工藝的影響，會采用垂直開挖的方式進行施工。在高層建筑施工的過程中，基坑的開挖，會采用抽水的方法將地下水位降低，減少土側(cè)的壓力影響。但是地下水位的突然下降，會對相鄰建筑產(chǎn)生影響，引發(fā)變形或者是造成地面沉降等，所以在建筑工程施工前進行巖土勘察、水位地質(zhì)勘測非常重要。
2水文地質(zhì)勘察的主要內(nèi)容
2.1詳細、準確評價水文地質(zhì)對建筑物及巖土的影響與作用，預測極易發(fā)生的巖土工程故障，并提早做好防范工作；
2.2在巖土工程勘察過程中，要緊密結(jié)合工程特點及建筑物實際需求，準確勘察工程地點的水文地質(zhì)情況，積極提供建筑物建設(shè)所需要的水文地質(zhì)詳情；
2.3應準確勘察巖土工程周圍的水文地質(zhì)自然風貌，并評估其對工程的各種影響，應重點分析并預測在工程建設(shè)過程中地下水會發(fā)生怎樣的變化，這些變化會對建筑物及巖土發(fā)生怎樣的影響；
2.4從工程方面考慮，依照地下水對具體工程的影響與作用，詳細提出各種情況下應重點評價的水文地質(zhì)問題，例如：第一，水對深埋在地下水水位之下的建筑物地基中鋼筋及混凝土的腐蝕程度。第二，對選擇膨脹土、殘積土、強風化巖、軟質(zhì)巖石等巖土當成基礎(chǔ)里層的工程場地，應重點評價地下水文對各種巖石可能產(chǎn)生的脹縮、崩解、軟化等作用。第三，當?shù)鼗膲嚎s層中出現(xiàn)了飽和、松散的糞土、細砂時，應預防產(chǎn)生管涌、流砂、潛蝕等可能性。第四，當建筑物的地基下部包含有承壓含水層的話，應注重對地基坑開挖之后地下水對地基底板產(chǎn)生強大沖擊的可能性進行評價與估算。第五，當工程地基在地下水位以下時，應積極進行富水性和滲透性試驗，特別是在山區(qū)，應精準勘察水文詳情并積極評價因人工降水而引發(fā)的山體滑坡、泥石流等問題，盡量避免影響建筑物的持久性與安全性。
3巖土工程勘察的重點
3.1地下水位上升問題
因地下水水位上升引發(fā)的巖土工程問題，主要體現(xiàn)：1）具有一定坡度的巖土發(fā)生大規(guī)模滑坡、崩塌，或者出現(xiàn)泥石流等，這種情況主要出現(xiàn)在風化現(xiàn)象嚴重的山區(qū)、丘陵地帶；2）崩解性強的巖土易被崩解或軟化，進而破壞巖土結(jié)構(gòu)，使其穩(wěn)定性降低、壓縮能力增強。這種情況主要發(fā)生在強風化及風化后存在積土的地區(qū)；3）造成粉土及粉細砂被水浸泡成松散、飽和狀態(tài)，極易發(fā)生砂土液化、流砂等狀況這種情況多出現(xiàn)在第四系湖積細砂、沖積細砂層中；4）可引起地下洞、地下室內(nèi)嚴重充水甚至被淹沒，導致建筑物地基上浮，最終造成建筑物失穩(wěn)、傾斜等問題。這種情況在各個地區(qū)都可能發(fā)生。
3.2地下水位下降問題
地下水水位不均衡大幅下降的主要原因，通常是由人為因素引起的，比如，過量或過于集中地取用地下水，造成地下水的取用量遠遠大于補給量，造成地下水位不斷大幅下降，形成漏斗區(qū)。另一方面，工程活動比如施工排水、降水工程、礦床疏干等，可可能引發(fā)地下水位局部大幅下降。這種情況下，引起的巖土工程危害主要表現(xiàn)在地裂、地面下沉、地面塌陷等，其嚴重破壞了巖土的穩(wěn)定性，降低了建筑物的持久性。在有些地區(qū)，因為排水、供水引起的地下水位大幅度下降，引起地下水漏斗區(qū)過度擴大，可造成該地區(qū)水資源的枯竭，繼而引發(fā)嚴重的地裂及地面坍塌事件。
4結(jié)論
水文地質(zhì)問題在巖土工程的地質(zhì)災害防御、基礎(chǔ)設(shè)計、持力層選擇等方面都發(fā)揮著很大的積極作用，只有深刻認識水文地質(zhì)隊巖土工程的重要影響，才能從根本上重視其作用，并積極采取措施予以應對，最終減少危害的發(fā)生。
想要正確地評價巖土工程的水文地質(zhì)情況，必須注意以下幾點：1）精準評價地下水地工程產(chǎn)生的各種影響，預測可能會發(fā)生的危害情況，并積極最好應對措施；2）在具體勘察中，應依據(jù)具體的建筑地基情況，詳細查找與該地基情況有關(guān)的水文地質(zhì)問題，為未來的建筑施工準備詳盡、準確的水文地質(zhì)信息；3）詳細測量工程所在地地下水的自然狀態(tài)及變化特點，一邊準確地分析并預測因人為原因?qū)Φ叵滤划a(chǎn)生的影響，進而對巖土工程產(chǎn)生不利影響；4）針對高層建筑，假如水文地質(zhì)情況對其抗震性、地基產(chǎn)生較大影響時，有必要邀請專業(yè)的水文地質(zhì)企業(yè)對該工程所在地進行詳細的、全面的勘察。
參考文獻
[1] 楊峰.巖土工程勘察中關(guān)于水文地質(zhì)問題的相關(guān)研究[J]. 城市地理. 2014（14）
[2] 曹豫湘.淺析巖土工程勘察中水文地質(zhì)勘察與評價[J]. 中華民居（下旬刊）. 2013（08）
Abstract： From the study of the derivation process of the coefficient k0 of unit elastic resistance， this paper puts forward the elastoplastic formula for determining the coefficient k0 of unit elastic resistance， and the determination method of correction factor α in the formula. α can be determined by the ratio of transverse wave and longitudinal wave of the rock mass. Through the calculation of construction practice， the difference between coefficient f0 of unit elastic resistance determined by the elastic-plastic theory and the sturdiness of rock mass coefficient and the experience value provided by the rules or regulations is small， they are in accordance with engineering practice.
關(guān)鍵詞： 單位彈性抗力系數(shù)；修正系數(shù)；堅固性系數(shù)；泊松比；變形模量；完整性系數(shù)；彈性模量
Key words： coefficient of unit elastic resistance；correction factor；firmness coefficient；Poisson's ratio；deformation modulus；integrity coefficient；elasticity modulus
中圖分類號：TV223.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）02-0124-02
1 緒言
巖體單位彈性抗力系數(shù)k0是地質(zhì)工作者提供的巖土體物理力學參數(shù)之一，目前對于單位彈性抗力系數(shù)的確定，除試驗方法外，還沒有一種較合理的確定方法。在沒有試驗數(shù)據(jù)的情況下，一般是結(jié)合具體的工程實際根據(jù)相關(guān)規(guī)范或規(guī)程提供的經(jīng)驗數(shù)據(jù)取值，而經(jīng)驗數(shù)據(jù)區(qū)間較大，該如何取值，對于地質(zhì)工作者來說很盲目，為了工程設(shè)計的安全，大多數(shù)地質(zhì)工作者采用經(jīng)驗值的下限，但取值符合工程實際嗎？值得研究、商榷。
2 各規(guī)范或規(guī)程關(guān)于單位彈性抗力系數(shù)經(jīng)驗取值比較
筆者就工程實踐過程中經(jīng)常使用的規(guī)范或規(guī)程對水工有壓引水隧洞設(shè)計時地質(zhì)工作者需要提供的巖體單位彈性抗力系數(shù)k0的發(fā)展和改進列于表1，從表中可以發(fā)現(xiàn)，對于Ⅴ類圍巖，各規(guī)范或規(guī)程所提供的k0值未有變化，Ⅳ～Ⅰ類圍巖改變較大，Ⅳ、Ⅲ類k0總體提高了，Ⅱ、Ⅰ類總體降低了，這些都是工程試驗、實踐檢驗后所做的修正或改進，隨著工程試驗、實踐數(shù)據(jù)的豐富及巖體力學的發(fā)展，還會進一步修正或改進，這就是規(guī)范或規(guī)程每隔一定時間段需要修訂，工程實踐中應該以最新規(guī)范或規(guī)程為準的原因。
3 根據(jù)彈塑性理論確定單位彈性抗力系數(shù)
據(jù)呂有年根據(jù)彈塑性模型研究[1]圓形水工有壓隧洞圍巖彈性抗力系數(shù)K的通用公式為：
式中E為巖體的彈性模量（MPa）；μm為巖體的泊松比；rb為隧洞開挖半徑（m）；R為裂隙區(qū)半徑或開挖影響半徑（m）；τs為巖體的極限抗剪強度（MPa）；Pb為洞壁所受徑向壓力（MPa）。
若不考慮塑性區(qū)時，Pbrb=Rτs，則式（1）變?yōu)椋?/p>
式（3）即為著名的錢令希公式。若裂隙區(qū)接觸邊界上的作用力等于巖石的極限抗拉強度Rt，則根據(jù)力的平衡條件，Pωrb=RtR，則式（3）可轉(zhuǎn)化為[4]：
式（5）即為喀列爾金公式，將rb=100，即為工程實踐中經(jīng)常用的單位彈性抗力系數(shù)K0的計算公式，從分析過程中可以發(fā)現(xiàn)，在相同開挖半徑，同一巖體中，式（1）～式（5）所計算的抗力系數(shù)關(guān)系為：k （1）< k （2）< k （3）（k （4））
采用式（6）計算的單位彈性抗力系數(shù)k0關(guān)鍵是修正系數(shù)α和巖體變形模量Em的確定，修正系數(shù)α、巖體變形模量Em與巖體的強度、完整程度及各向異性有關(guān)。
①修正系數(shù)α的確定。根據(jù)波動理論，對于連續(xù)、均質(zhì)各向同性介質(zhì)，巖體的縱波速Vp和橫波速Vs分別為[6]：
式中：Ed為動彈性模量；μd為動泊松比；ρ為介質(zhì)密度。
通過工程實踐檢驗，并參考相關(guān)規(guī)范、規(guī)程，當采用如下方法確定巖體的變形模量Em、巖體的泊松比μm、巖體的完整性系數(shù)kv時α=δ。
②巖體變形模量Em確定。巖體變形模量Em采用2006年，Hoek和Diederichs的修正式Hoek-Diederichs方程，如下式所示：
式中，Ei為完整巖石的彈性模量（MPa）。
根據(jù)胡卸文、鐘沛林、任志日的研究1和郭強、葛修潤、車愛蘭的研究成果，并根據(jù)大量工程實踐計算檢驗，并結(jié)合GBT 50218-2014 《工程巖體分級標準》（GBT 50218-2014）、《水電水利工程地下建筑物工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)程》（DLT5415-2009）、《中小型水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（DLT 5410-2009）、《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008）總結(jié)出如下公式確定巖塊的彈性模量Ei：
用式（10）、式（11）確定的巖體變形模量Em值與規(guī)范規(guī)程所給的經(jīng)驗取值相當吻合。
4 根據(jù)巖體的堅固性系數(shù)確定單位彈性抗力系數(shù)
根據(jù)工程試驗數(shù)據(jù)及工程實踐檢驗，結(jié)合《水電水利工程地下建筑物工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)程》（DLT5415-2009）表k.1各類圍巖主要物理力學參數(shù)經(jīng)驗取值，總結(jié)出了巖體的單位彈性抗力系數(shù)K0與巖體的堅固性系數(shù)f有如下經(jīng)驗關(guān)系：k0=10.75f-4.25 R=0.99838（12）
f=7f′-2.3 R=0.989949（13）
式中f′為巖體的抗剪斷摩系數(shù)，R相關(guān)性系數(shù)。
式中f為巖體的堅固性系數(shù)，α為修正系數(shù)，與巖體的強度、完整程度有關(guān)。對于修正系數(shù)α的取值，建議采用巖體的完整性系數(shù)kv進修修正，即α= kv。筆者將修正系數(shù)α采用α= kv，經(jīng)計算檢驗，其抗力系數(shù)k0與《水電水利工程地下建筑物工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)程》（DL/T5415―2009）提供的K0經(jīng)驗值基本吻合，其計算值與（13）式計算結(jié)果相比有些偏小。
5 兩種確定單位彈性抗力系數(shù)方法的比較
彈塑性理論法是借鑒有限元計算模型rb=6R，采用修正系數(shù)α=δ進行修正，利用式（6）確定k0。而堅固性系數(shù)法是采用完整巖塊的單軸飽和抗壓強度σc/10，然后采用α= kv進行修正和根據(jù)工程試驗數(shù)據(jù)及工程實踐檢驗，結(jié)合《水電水利工程地下建筑物工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)程》（DLT5415-2009）表k.1各類圍巖主要物理力學參數(shù)經(jīng)驗取值，總結(jié)出了巖體的單位彈性抗力系數(shù)K0與巖體的堅固性系數(shù)f的經(jīng)驗關(guān)系式（12）確定K0。
6 結(jié)論
①無論是彈塑性理論方法還是堅固性系數(shù)法，均需要采用修正系數(shù)α進行修正。彈塑性理論法按本文確定彈性抗力系數(shù)方法，修正正系數(shù)α=δ，δ為巖體橫波速與縱波速之比；本文提出的堅固性系數(shù)法，修正系數(shù)α主要體現(xiàn)在堅固性系數(shù)f的確定上，α=kv。②無論是彈塑性理論方法還是堅固性系數(shù)法所確定的單位彈性抗力系數(shù)f0，均與規(guī)范或規(guī)程提供的經(jīng)驗值懸殊不大，符合工程實際。
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關(guān)鍵詞:GIS技術(shù);水利工程;信息化
1引 言
地理信息系統(tǒng)(GIS)是由計算機系統(tǒng)、地理數(shù)據(jù)和用戶組成的,通過利用數(shù)據(jù)的空間屬性,實現(xiàn)了圖形與數(shù)據(jù)的結(jié)合。它通過可視化平臺多維地顯示數(shù)據(jù),揭示數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)和隱藏在數(shù)據(jù)背后的信息。作為傳統(tǒng)地圖學與現(xiàn)代信息技術(shù)相融合的一門空間技術(shù),GIS是水利信息采集、存儲、管理、分析、表達的有力工具。水利信息量大繁雜,既有實時數(shù)據(jù),又有歷史數(shù)據(jù);既有環(huán)境數(shù)據(jù),又有經(jīng)濟數(shù)據(jù);既有矢量數(shù)據(jù),又有柵格數(shù)據(jù),這些信息中80%以上與空間信息相關(guān)。實踐證明:GIS可以勝任存儲、管理這么龐雜的數(shù)據(jù)。水利信息化是國家以信息化改造和提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)思路在水利行業(yè)的具體體現(xiàn),是推動水利現(xiàn)代化的重要措施之一。近年來,GIS技術(shù)已深入到水利工程的各個方面,并發(fā)揮了巨大的作用。如國家防洪抗災總指揮部開發(fā)的“區(qū)域性防洪減災信息系統(tǒng)”,是基于GIS工具軟件Mapinfo平臺開發(fā)的。文獻[1]利用了GIS技術(shù),開發(fā)了三峽工程信息系統(tǒng)(TGPIS)及三峽工程測繪管理系統(tǒng)(SMMS)。據(jù)此,GIS已經(jīng)運用到水利工程的各個方面。
2GIS支持下的水利工程勘察信息管理
傳統(tǒng)水利工程勘察資料管理方法以紙質(zhì)檔案為主,借助檔案管理軟件和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實現(xiàn)管理,這些管理方法無法適應信息化管理的需求,存在諸多弊端,[2]信息利用率低、信息交換手段缺乏、信息表現(xiàn)形式單調(diào)等。水利工程勘察信息具有明顯的與地理位置相關(guān)的空間特性傳統(tǒng)的信息表達手段對空間特性[3]的描述是非常困難的,而GIS空間數(shù)據(jù)處理和管理為勘察信息管理提供了技術(shù)支持。GIS能夠管理并描述地表及其附著物的空間信息與屬性信息,具有強大的圖形、圖像及屬性數(shù)據(jù)處理能力,能夠?qū)Φ乩硇畔⒓捌湎嚓P(guān)信息提供采集、處理、管理、制圖等功能。其次,現(xiàn)有水利工程勘察數(shù)據(jù)可以方便的與GIS數(shù)據(jù)進行融合。已有水利勘察資料包括巖層、構(gòu)造、水文、巖土體的物理力學性質(zhì)等,大多直接與鉆孔資料相關(guān),這些信息可以通過關(guān)系數(shù)據(jù)庫進行管理,GIS可以通過一定技術(shù)與關(guān)系數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)。
基于GIS勘察信息管理系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā),目前并不成熟。[4]系統(tǒng)開發(fā)思路是通過背景圖層的加載建立空間數(shù)據(jù)庫,運用GIS統(tǒng)一管理,通過鉆孔信息的收集錄入建立勘察資料屬性數(shù)據(jù)庫,運用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(DBMS)進行管理。
3基于GIS的CAD地形圖管理
在水利工程,特別是大型水利工程(如跨流域調(diào)水工程)中,工程選址是一個人機交會、反復修改優(yōu)化、集設(shè)計和決策于一體的過程,往往涉及范圍廣泛,內(nèi)容復雜。應用傳統(tǒng)的選址方法往往需要大量的野外實地踏勘工作,這不僅耗費巨大的人力、物力和財力,而且給施工的進度造成了影響。目前,水利勘察信息管理中,GIS應用并不廣泛?？睖y設(shè)計部門對計算機的應用還處于CAD的機助制圖階段,還沒有引入GIS進行數(shù)據(jù)管理和分析,如何充分發(fā)揮計算機在數(shù)據(jù)管理和輔助設(shè)計中的作用,是面臨的主要問題。
應用GIS為水利工程服務,建立空間數(shù)據(jù)庫是基礎(chǔ),空間分析是核心。數(shù)字地形信息是GIS的重組成部分,是地理空間數(shù)據(jù)的基本信息之一。地形圖為各種勘察、規(guī)劃、設(shè)計的地理信息載體,地形圖數(shù)據(jù)要同時滿足測繪制圖、GIS數(shù)據(jù)交換及分發(fā)的需要。因此,建立GIS的第一步是設(shè)計并建立數(shù)字地圖數(shù)據(jù)庫。已有的AutoCAD數(shù)字地形圖只是GIS數(shù)據(jù)庫建立的數(shù)字化形式的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源,將已有的 AutoCAD數(shù)字地形圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為滿足GIS要求的數(shù)據(jù)格式,已為技術(shù)所需?？臻g數(shù)據(jù)信息包括3方面:空間定位信息(實體的坐標)、空間關(guān)系及屬性數(shù)據(jù)。實際應用中,CAD/GIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換可分為直接轉(zhuǎn)換和間接轉(zhuǎn)換兩種方法[5]。而地圖生產(chǎn)中矢量數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換有兩種方法,即自行編程轉(zhuǎn)換法和商品軟件工具轉(zhuǎn)換法[6]。自行編程轉(zhuǎn)換是使用計算機程序語言(如VB、VC、DEPH I等)自行編制程序,并通過運行程序來實現(xiàn)。軟件工具轉(zhuǎn)換,則是通過某一制圖系統(tǒng)軟件的轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出的功能菜單選項來實現(xiàn),例如ArcGIS軟件工具。
4基于GIS的水利工程施工可視化管理
大型水利水電工程施工是一項復雜而又艱巨的工作,利用計算機進行輔助管理是人們一直所追求的目標。因此,把GIS技術(shù)應用于水利水電工程施工管理領(lǐng)域,來輔助工程施工管理、模擬仿真施工過程,以及進行地形地質(zhì)的數(shù)字化與可視化,是一種新的發(fā)展方向。以信息的數(shù)字化、直觀化、可視化為出發(fā)點,GIS可將復雜的工程施工過程以可視化的形式表達出來,為全面、準確、快速地分析掌握工程施工全過程提供有力地分析工具,實現(xiàn)工程施工信息的高效應用和科學管理。GIS的應用,將推動水利水電工程施工的數(shù)字化、可視化、智能化的發(fā)展。
系統(tǒng)仿真技術(shù)是隨著計算機科學與技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的一門新興學科。現(xiàn)代仿真技術(shù)已成為分析、研究、評價和管理復雜系統(tǒng)不可缺少的重要手段,為大型水利工程施工管理提供了有效的途徑。集面向?qū)ο髨D形建模技術(shù)、動態(tài)仿真技術(shù)、可視化技術(shù)、動畫技術(shù)及數(shù)據(jù)庫技術(shù)于一體的可視化仿真技術(shù)正是當前先進仿真技術(shù)與應用研究的核心。目前,GIS與可視化仿真結(jié)合的方式主要包括:①融合式。這種集成方式數(shù)據(jù)傳遞方便高效,操作簡便,但開發(fā)費用高,開發(fā)周期長;②擴展式。通過建立擴展模塊來實現(xiàn)數(shù)據(jù)相互交換和信息共享,此方式開發(fā)簡便、費用低廉,兩者具有相對獨立性及可擴展性,便于系統(tǒng)的維護及進一步開發(fā)。涉及虛擬地形的實時可視化技術(shù),及基于分形理論的實時可視化的動態(tài)擴展技術(shù)等,目前是研究的熱點。
5結(jié) 論
水利是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)設(shè)施,是經(jīng)濟社會發(fā)展的制約因素。目前,水利信息化的研究與發(fā)展,成為提升傳統(tǒng)行業(yè)的研究核心,水利行業(yè)與GIS的融合正如火如荼的展開。從水利工程地質(zhì)勘察,到工程選址,到運用GIS對地形圖管理以輔助設(shè)計,再到整個水利工程施工的可視化管理,GIS與水利工程的兼容,貫穿了整個水利工程建設(shè)過程。GIS將為水利工程的實施,提供一個科學有效、便捷直觀的設(shè)計、分析及管理手段。
參考文獻
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巖石力學是一門研究巖石在外界因素，如荷載、水流、溫度、化學、生物過程變化等作用下的應力、應變、穩(wěn)定性及工程加固的學科。清華大學水利系副教授劉曉麗通過物理模型試驗、理論分析以及數(shù)值模擬相結(jié)合的途徑，針對巖土力學與巖土工程問題，特別是地下工程的開挖，開展了深入細致的研究，取得了創(chuàng)新性研究成果。
從“地上水庫”到“地下水庫”
坐在記者面前的劉曉麗前一天剛出差回來，“跑現(xiàn)場”對于他來說是家常便飯，但身體上的疲憊從來不會影響他投入工作的熱情。
位于內(nèi)蒙古省的鄂爾多斯是個干旱缺水的地區(qū)，據(jù)劉曉麗調(diào)查，在當?shù)孛渴褂?立方水需要花去9元，而在北京只需要5元，水資源對鄂爾多斯來說是極其寶貴的。然而，缺水的鄂爾多斯卻擁有著豐富的煤礦資源，開采業(yè)的繁榮支撐了代代人在這里繁衍生息。
但不容忽視的問題是，在煤礦開采過程中會破壞煤層及上下巖櫻貯存于其間的地下水系統(tǒng)便會遭到破壞，水資源不斷滲流到開采空間，輕則影響開采過程，重則發(fā)生重大突水事故，威脅煤礦工人安全。傳統(tǒng)做法是用水泵把地下水從工作面排到地表，自然蒸發(fā)而散。鄂爾多斯所在的西北地區(qū)水蒸發(fā)量是降水量的6倍以上，上述做法無疑是對寶貴的地下水資源極大的浪費，水資源的短缺不但威脅著人的生活，也嚴重影響了地區(qū)的生態(tài)環(huán)境。
為了保水，傳統(tǒng)的辦法是把開采的厚度大大減少，盡量防止煤層上下層巖石的破壞，這樣便可把水繼續(xù)保存在地下，但這樣做是以大量煤炭資源為代價。一方面是作為國家重要經(jīng)濟支柱之一的煤炭資源；一方面是關(guān)系國計民生的水資源。二者如何協(xié)調(diào)開采成為一大難題。
在水利工程方面經(jīng)驗豐富的劉曉麗及其研究團隊見狀后決定逆其道而行之?！按笥碇嗡?，疏而導之”，劉曉麗規(guī)劃保持原有的開采厚度，“這樣做水必定會大量涌進采空區(qū)，但如果在地下建立大壩和水庫，就可以把水截住并存留在地下”。想法剛一提出，劉曉麗便遭到了老專家和施工方的強烈反對，他們大多認為，水是煤礦的重大威脅，以前的做法都是“排水治災”，現(xiàn)在卻要“儲水致災”。
大膽創(chuàng)新，但不是無稽之談。劉曉麗及其團隊用數(shù)據(jù)一步一步反復推導，嘗試無數(shù)次實驗，最終將想法變成現(xiàn)實。建大壩把水截留在地下后，再建數(shù)個水庫，將他們一一連通，通過水庫間的調(diào)水，保證了煤炭開采的安全。并且“流水不腐”，水會隨著自身在水庫間的流動得到凈化，在水庫中經(jīng)過多次循環(huán)流動后的地下水甚至可以直接飲用，既充分開采了煤炭資源又保護了水資源。這是世界首座示范工程，和神華集團合作建成，2014年開始運行。目前，還有十多個煤礦、巖鹽礦等待劉曉麗及其團隊去實踐這項技術(shù)和工程。在這項工程設(shè)計、建設(shè)和運行過程中，劉曉麗及其團隊研究分析了采動影響下滲流場演化、水巖耦合巖體破壞機理、分布式水庫儲水機理、地下?lián)跛ㄖ€(wěn)定性、物理模型試驗研究等關(guān)鍵科學問題。
美國工程院院士、賓夕法尼亞州立大學教授Derek Elsworth這樣評論煤礦地下水庫技術(shù)：“創(chuàng)新地將大量稀缺水資源儲存于煤礦地下水庫的技術(shù)，真正實現(xiàn)了煤炭資源和水資源的協(xié)調(diào)、安全和高效開發(fā)，為煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了很好的范例?！?/p>
近8年來，劉曉麗及其團隊在“廢棄礦山再利用”和“煤礦地下水處置及高效利用”方面一直在不斷創(chuàng)新和突破，上述煤礦地下水庫工程只是其工程研究中的一部分。2010？2011年，他們依托遼寧阜新露天煤礦設(shè)計了國內(nèi)首座廢棄煤礦抽水蓄能工程；2013？2014年，他們設(shè)計并搭建了國內(nèi)外首個庫水巖耦合大型三維物理模型試驗平臺（長8米，寬2米，高4米）。自2015年起，他們提出了“煤礦地下水原位凈化及分質(zhì)儲用技術(shù)”，既在煤礦地下水庫建設(shè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，對于水質(zhì)差的煤礦地下水，研發(fā)小型模塊化凈水裝備，在地下實現(xiàn)水質(zhì)凈化，并供給生產(chǎn)和生活應用。目前這項技術(shù)也正在示范工程實踐過程中。
從獨辟蹊徑的設(shè)想到切實可行的實踐，劉曉麗及其團隊用科技創(chuàng)新解決了生活中的大問題。
“上天容易入地難”
20年前，還在讀高中的劉曉麗就對與力學、結(jié)構(gòu)有關(guān)的物體有濃厚的興趣，因為老師的一句話――“世界上一切東西都和力學相關(guān)”更堅定了他與力學的緣分。從那以后，劉曉麗對物理和力學的癡迷便一發(fā)不可收拾。
1997年，劉曉麗被遼寧工程技術(shù)大學理論與應用力學專業(yè)錄取。“力學本身偏理論，必須和具體的學科結(jié)合，時任中國空間技術(shù)研究院副院長的馬興瑞（現(xiàn)為廣東省委副書記，省長）學長是我們學習的楷模，受他的影響，我立志也要搞航空航天。”
人生就像巧克力，你永遠不知道下一顆是什么味道。剛剛立志的劉曉麗就突然決定放棄航空，轉(zhuǎn)做地下工程。這次，同樣因為老師的一句話?！吧咸烊菀?，入地難”，一位在流體力學領(lǐng)域非常著名的老教授對他說。距飛機誕生那天已經(jīng)過去了100多年，人類早已揭開了外太空的神秘面紗，“再做研究就是在此基礎(chǔ)上修改”，但要想進入地下似乎就沒那么簡單了。地下的地質(zhì)情況異常復雜，受其固體狀態(tài)的影響更加阻礙了人類的探索。這一切對于劉曉麗來說卻更具吸引，也更具挑戰(zhàn)?！昂髞砦揖蛯Φ叵碌臇|西感興趣，和地質(zhì)相關(guān)，做地下工程”。
2001年，劉曉麗考取遼寧工程技術(shù)大學工程力學研究生，研究方向就此轉(zhuǎn)向土木和地下工程?！傲W理論性很強，推導公式、研究數(shù)學，一旦和工程結(jié)合，就落地了，需要把工程做出來?！弊畹湫偷睦泳褪侨龒{工程。
3年后，劉曉麗又以優(yōu)異成績考入清華大學土木水利學院，師從工程地質(zhì)界德高望重的王思敬院士開始攻讀水利工程博士學位。求學過程中，王院士告誡劉曉麗做工程以外還要兼顧一些基礎(chǔ)研究，因為工程以技術(shù)為主，在技術(shù)中碰到的很多問題是無法解釋的，這時候就需要發(fā)展新的理論。劉曉麗便開始在工程現(xiàn)場和實驗室間兩頭跑，雖然辛苦，但收獲頗多。
隨后，在導師的建議下劉曉麗又出國深造，遠赴瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學（EPFL）從事隧道及地下工程研究。在瑞士，劉曉麗接觸了機械破巖的相關(guān)研究。他的導師Jian Zhao是TBM（Tunnel Boring Machine）高效破巖領(lǐng)域的國際知名專家。TBM即隧道掘進機是利用機械刀具開挖巖石進行掘進，形成整個隧道斷面的一種新型、先進的隧道施工機械。TBM代替了人力，消除了人工地下施工的危險，而且集鉆、掘進、支護于一體，使用電子、信息、遙測、遙控等高新技術(shù)對全部作業(yè)進行制導和監(jiān)控，使掘進過程始終處于最佳狀態(tài)，因此得到廣泛應用，現(xiàn)在很多地鐵及隧道工程都使用TBM來開挖。對TBM高效破巖方面的學習對劉曉麗的水利工程工作無疑是錦上添花。
1年后，劉曉麗回清華大學進行博士答辯。隨后，他得到了兩個工作機會：中石油勘探開發(fā)研究院和清華大學水利系。去哪兒？他面臨抉擇。中石油勘探開發(fā)研究院，“既要挖地下工程，還要把油氣資源拿上來，是和我專業(yè)特別相關(guān)”，一直在高校接受理論化知識的劉曉麗深感自己真正接觸工程的經(jīng)驗少之又少。他想腳踏實地做點實際的事情，但企業(yè)始終有它的局限性――需要服從領(lǐng)導分配，沒有自。再三考慮，劉曉麗最終選擇研究氛圍好，同樣有機會做工程的清華大學，成為了一名講師。
收獲巖土力學的科研碩果
4年后，在崗位上兢兢業(yè)業(yè)的劉曉麗升為副教授，博士生導師，他教師從業(yè)的職業(yè)生涯又邁上了一個臺階。期間，獲包括國家科技進步獎二等獎（第8）等獎項4項；發(fā)表學術(shù)論文80余篇，其中國際期刊論文20余篇，應邀出版專著1部。2015年，劉曉麗還得到國家優(yōu)秀青年科學基金項目――“巖土力學與巖土工程”。在他看來，優(yōu)青項目是一次“對前期工作的總結(jié)，對日后工作的展望”。
日前，我國國家戰(zhàn)略提出需建立支撐可持續(xù)發(fā)展的能源資源環(huán)境技術(shù)體系，加強南水北調(diào)、三峽等重大水利工程建設(shè)與安全保障技術(shù)研發(fā)，這些重大工程則需要工程安全控制及評價技術(shù)、非常規(guī)水資源利用關(guān)鍵技術(shù)、煤礦地下水庫技術(shù)等的發(fā)展?；诖?，劉曉麗及其團隊提煉出“水巖作用及其多尺度效應的研究”這一方向，他認為開展這項基礎(chǔ)理論研究十分必要，也十分緊要。
針對巖石材料的連續(xù)和非連續(xù)狀態(tài)、多尺度特性，現(xiàn)有的理論并不完善，計算分析誤差也很大，劉曉麗希望圍繞“復雜條件下多尺度水巖系統(tǒng)模型”和“水巖系統(tǒng)的過程演化與耦合機制”這兩個關(guān)鍵科學問題，提出“水巖作用系統(tǒng)”概念。在此基礎(chǔ)上，他已開展了三個層面的研究-多尺度水巖耦合系統(tǒng)的過程演化研究、開挖擾動條件水巖耦合作用機制研究和水巖耦合作用巖土介質(zhì)破壞過程研究。
據(jù)統(tǒng)計，90%以上的巖體邊坡破壞、60%礦井事故、30%？40%的水利水電工程大壩失事都與水巖耦合作用有關(guān)，即地質(zhì)體系統(tǒng)（應力場）與地下流體系統(tǒng)（滲流場）相互聯(lián)系、相互作用。劉曉麗自2001年攻讀碩士學位以來就開始了水巖耦合機理及分析方法的研究工作，但由于地下巖土中各種過程的任意性和不確定性，使得水巖耦合問題的研究得復雜和極具挑戰(zhàn)性。通過物理模型試驗、理論分析以及數(shù)值模擬相結(jié)合等途徑，他針對巖土介質(zhì)的非均質(zhì)和各向異性等特點，圍繞水巖耦合及其多尺度特性開展了深入而細致的研究，并取得了一系列創(chuàng)新性研究成果。
在多尺度水巖耦合系統(tǒng)的過程演化研究中，他提出“多尺度巖體結(jié)構(gòu)數(shù)字化描述方法”，解決了地質(zhì)體結(jié)構(gòu)多尺度間的內(nèi)在聯(lián)系（即尺度關(guān)聯(lián)）難題，發(fā)表相關(guān)論文被SCI檢索收錄5篇，EI檢索8篇，獲1項軟件著作權(quán)、巖石力學與工程學會優(yōu)秀博士學位論文獎和水力學會大禹獎，并多次收到學術(shù)大會的特邀報告邀請；他提出的“數(shù)字巖體模型構(gòu)建方法及數(shù)值模擬技術(shù)”，解決了數(shù)據(jù)不完備的地質(zhì)系統(tǒng)與理論嚴密的精細力學模型和數(shù)值計算方法之間的相互脫節(jié)問題。其次，他發(fā)展了宏細觀多尺度數(shù)字巖體模型及其工程特性評價方法，基于數(shù)字巖體模型，他首次提出了水巖作用分析的表征單元體概念，并應用水巖作用模型，采用水巖表征單元體分析了大壩上抬現(xiàn)象。此外，他建立的多尺度水巖耦合系統(tǒng)的過程演化理論與數(shù)學模型完善了有效應力原理，使物理意義更明晰，耦合機制更全面。
在開挖擾動條件下水巖耦合作用機制研究中，他根據(jù)圍巖漸進破壞過程與滲透空間結(jié)構(gòu)變異的關(guān)系建立了大型水巖耦合試驗平臺。美國賓夕法尼亞州立立大學教授、美國工程院院士Derek Elsworth訪問清華期間參觀了這個試驗平臺，交流中他說：“這簡直是一項不可能完成的任務，新平臺、新材料、新工藝、新開挖方式，我期待它表現(xiàn)卓越”。另外，劉曉麗還發(fā)現(xiàn)了裂隙巖體多流態(tài)地下水滲流變化特征，圍繞此研究發(fā)表的論文被SCI檢索收錄6篇，EI檢索5篇，申請專利4項，軟件著作權(quán)1項，并獲國家科技進步獎二等獎；不僅如此，他還揭示了水巖作用系統(tǒng)中裂隙自愈合的作用機制，實驗結(jié)果證明水巖系統(tǒng)具有自愈合能力，這一點對于理解開挖擾動引起的損傷發(fā)展具有重要意義。
在水巖耦合作用下巖土介質(zhì)破壞過程研究中，他提出了水力驅(qū)動裂紋萌生和擴展的模式，獲中國地質(zhì)學會工程地質(zhì)專業(yè)委員會谷德振青年科技獎；此外，他建立了水力劈裂過程的連續(xù)-非連續(xù)數(shù)值模型，提出的MCZM（Multiscal Conhesive Zone Model）和IPFEM（Immersed Particle FEM）方法有效地解決了強滲壓作用下強固結(jié)和弱固結(jié)介質(zhì)水力破壞過程難以表征的難題。
目前，劉曉麗的研究成果已在多個重大水利工程中得到應用，為水庫蓄水過程大壩工程及庫區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐。
未來，他計劃圍繞“動靜組合載荷下水巖系統(tǒng)超孔隙水壓力響應及致裂機制”和“水力多尺度裂紋擴展和多流態(tài)滲流評價與控制原理”這兩個巖土力學與巖土工程中的關(guān)鍵科學問題開展研究。
劉曉麗的研究涉及到水利水電工程建設(shè)、資源和能源的開采與開發(fā)、核廢料地質(zhì)處置的環(huán)境風險評價等方面，一直以來也都是國際巖石力學領(lǐng)域研究的熱點和難點。在傳統(tǒng)水巖耦合問題研究中，通?？紤]靜力作用或擬靜力作用下應力與滲流的相互作用，但在實際工程中，靜力載荷（巖石賦存環(huán)境，如地應力等）和動力載荷（外部擾動載荷，如地震或爆破等）是共存的，只有研究動靜組合載荷作用下水巖耦合作用機制才能真實反映實際工程中水巖耦合系統(tǒng)的工程行為。但是，相關(guān)研究工作還很匱乏。
劉曉麗希望，從動靜組合載荷下水巖系統(tǒng)超孔隙水壓力響應、超孔隙水壓力致裂機制研究、動靜組合載荷下水力致裂控制理論3個方面開展動靜組合載荷作用下水巖系統(tǒng)超孔隙水壓力響應及致裂機制研究。他致力于揭示動靜組合載荷下巖體超孔隙水壓力的產(chǎn)生機制，建立動靜組合載荷下滲流流態(tài)識別和水力致裂分析方法，形成一套動靜組合載荷下工程水巖耦合穩(wěn)定性分析測試手段和安全控制技術(shù)，拓展和豐富水巖作用過程演化的理論和內(nèi)容。這無疑對于豐富水巖多物理場理論、研發(fā)新型水巖系統(tǒng)試驗平臺和設(shè)備、評價水巖系統(tǒng)相關(guān)的巖石或巖土工程穩(wěn)定性產(chǎn)生重要科學意義和工程應用價值。
尋求科研的世致用
采訪過程中，不斷有人敲響劉曉麗辦公室的門，他的確很忙。采訪之際，正值臺灣成功大學來京與清華大學開展學術(shù)交流，劉曉麗十分看重類似的交流機會，“只有通過學術(shù)交流才能知道別人在做什么，與別人的差距”。
交流總能碰撞出新的火花。在一次莫納什大學教授來華交流會上，與會的20位專家被分為4組進行小組討論，討論的問題是“巖石力學未來研究方向”，劉曉麗也在其中。會議結(jié)束時，大家達成了共識――深部地下工程、地熱、核廢料處置3個問題將是巖石力學未來研究的主流問題，也是日后共同合作的方向。這個經(jīng)歷只是劉曉麗眾多交流中的一次，他熱衷于與同行們分享交流，已和澳大利亞莫納什大學、西澳大學、香港理工大學、美國賓夕法尼亞大學等高校建立了長期合作關(guān)系。
身為老師，劉曉麗常常鼓勵學生創(chuàng)新，“奇思妙想，不是天方夜譚”。他從不會給學生規(guī)定題目，而是讓他們自己想，他所做的就是評估方案的可行性和盡可能地為他們提供平臺和經(jīng)費。
如今建樹頗多的劉曉麗在工作中游刃有余，殊不知，在剛?cè)胄械臅r候他也曾打過退堂鼓。地下的很多東西對于人類來說都是未知的，即使能探測但也受深度和精度的限制，“千里之提，潰于蟻穴”，即使是個很小的螞蟻洞，如果探測不到，就很有可能對工程造成巨大影響。他說：“很多東西提前很難知道，很隨機，這次成功不能保證下一次也成功，可能這次恰巧沒有不良地質(zhì)體，可能下次就會遇到”，這或許是每個剛?cè)胄腥说臒o奈。
西北農(nóng)林科技大學農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)已有近80年的歷史，目前已培養(yǎng)3500余名本科畢業(yè)生，為我國農(nóng)業(yè)和水利事業(yè)發(fā)展做出了突出貢獻，在國內(nèi)外享有較高聲譽，2003年被評為陜西省第一批名牌專業(yè)。本專業(yè)以我國第一個農(nóng)業(yè)水土工程國家級重點學科、國家節(jié)水灌溉楊凌工程技術(shù)研究中心、旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室等為依托，形成了具有明顯特色的人才培養(yǎng)模式，是我國農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)人才培養(yǎng)的重要基地。
一、主動適應社會需求，轉(zhuǎn)變?nèi)瞬排囵B(yǎng)理念
從1999年合并以來，我校的總體發(fā)展定位為“突出產(chǎn)學研緊密結(jié)合辦學特色，創(chuàng)建世界一流的農(nóng)業(yè)大學”。由此，農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)的人才培養(yǎng)必須緊緊圍繞產(chǎn)學研的辦學特色，以國家社會經(jīng)濟發(fā)展對人才需求為導向，以農(nóng)業(yè)水土工程國家重點學科為依托，充分利用具有農(nóng)業(yè)工程和水利工程兩個一級學科的交叉和產(chǎn)學研結(jié)合的優(yōu)勢，按照“知識、能力與素質(zhì)”協(xié)調(diào)發(fā)展的目標，加強外語、數(shù)理知識和計算機應用能力培養(yǎng)，注重實踐教學，突出專業(yè)特色，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和精神。為此，開展國內(nèi)外農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)教育比較研究，詳細分析本專業(yè)國內(nèi)外教育現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，利用問卷與座談會形式向不同層次用人單位進行廣泛調(diào)研，了解新形勢下社會對本專業(yè)知識結(jié)構(gòu)、能力與素質(zhì)要求的變化，明確國家建設(shè)對人才的需要。《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》(2010－2020年)指出了人才培養(yǎng)模式的核心與精髓是，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式要注重“學思結(jié)合”、“知行統(tǒng)一”、“因材施教”［4］。依據(jù)其核心和精髓，深刻理解創(chuàng)新人才的內(nèi)涵，研究創(chuàng)新人才的培養(yǎng)規(guī)律，改變傳統(tǒng)的教育理念。隨著大學招生規(guī)模的擴大，大學教育已由精英教育轉(zhuǎn)向大眾化教育，社會對人才也提出了新的要求。創(chuàng)新是我國科技實力提升的基本國策，創(chuàng)新人才培養(yǎng)既是新時期經(jīng)濟社會發(fā)展和科技發(fā)展對高等學校人才培養(yǎng)的新要求［5］，也是一種教育理念，不是說本科生就成為創(chuàng)新人才，而是應該為學生今后成為創(chuàng)新人才奠定相應的知識、素質(zhì)和能力基礎(chǔ)。按照此理念設(shè)計培養(yǎng)方案，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識，訓練學生的創(chuàng)新能力。按照“知識、能力、素質(zhì)”協(xié)調(diào)發(fā)展的目標，創(chuàng)新精神的培養(yǎng)為理念架構(gòu)人才培養(yǎng)模式，不僅僅體現(xiàn)在教學的每一個環(huán)節(jié)，而且涉及到教育的全過程，包括學校的人文環(huán)境等方方面面。在人文環(huán)境方面，學校定期組織文化名人、政府要員、著名企業(yè)家、創(chuàng)業(yè)成功人士開展講座，以提高學生文化綜合素質(zhì)。
二、不斷優(yōu)化培養(yǎng)方案，更新教學內(nèi)容
(一)培養(yǎng)方案
按照“基礎(chǔ)扎實、知識面寬、能力強、素質(zhì)高、富有求實與創(chuàng)新精神，實踐技能強的高級專門人才”的培養(yǎng)目標，優(yōu)化知識結(jié)構(gòu)和課程體系，控制總學分，強化專業(yè)基礎(chǔ)，增加選修課，減少必修課，加強和統(tǒng)籌規(guī)劃實踐教學，優(yōu)化實踐教學體系。該專業(yè)已3次對培養(yǎng)方案進行了調(diào)整，已初步形成“基礎(chǔ)教育、實踐教育、創(chuàng)新教育”三大模塊。堅持課堂講授與實習實驗、社會實踐、科研訓練相結(jié)合，構(gòu)建完整的產(chǎn)學研緊密結(jié)合人才培養(yǎng)過程和教學管理運行機制，促進學生實踐創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的提高。新的培養(yǎng)方案突出四個特點:一是學分總量控制，強化專業(yè)基礎(chǔ)?？刂瓶倢W分在175學分，其中學科通識類40%左右，學科大類基礎(chǔ)和專業(yè)課40%左右，綜合實踐20%左右。二是突出實踐教學，增加綜合性、設(shè)計性實驗，使其占實驗項目數(shù)的80%以上，增加工程訓練實習，實踐教學安排6個月以上。三是將課外科技創(chuàng)新、實踐活動納入培養(yǎng)方案，規(guī)定完成創(chuàng)新與技能訓練8學分。四是，加強英語、計算機、高等數(shù)學等公共基礎(chǔ)課程的比重。五是開設(shè)包括人文科學、社會科學、自然科學、工程技術(shù)等門類通識課程及反映本專業(yè)領(lǐng)域特點的專題講座，強化學科交叉，培養(yǎng)綜合素質(zhì)。
(二)構(gòu)建經(jīng)濟社會發(fā)展需要的課程體系，抓好課程建設(shè)，打造精品課程
認真分析人才市場需求，根據(jù)產(chǎn)學研緊密結(jié)合的人才培養(yǎng)模式和教改、課改成果，合理調(diào)整課程體系結(jié)構(gòu)，進行課程的重組和整合，提高課程的綜合化程度，構(gòu)建學科群內(nèi)的專業(yè)基礎(chǔ)課程平臺;以主干課為核心組成專業(yè)課程框架和實踐教學體系;在充分體現(xiàn)理論教學、實踐教學和科學研究相結(jié)合的同時，突出創(chuàng)新能力培養(yǎng)，形成科學合理的課程體系。農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)根據(jù)課程性質(zhì)建設(shè)形成了4個主要課程群組和1個實踐教學體系。以工程測量學為龍頭帶動和建立集工程制圖、地質(zhì)、測量、工程水文等專業(yè)基礎(chǔ)主干課為學科基礎(chǔ)課程群組平臺;以理論力學、材料力學、結(jié)構(gòu)力學、水力學、土力學、建筑材料、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)等課程構(gòu)建力學結(jié)構(gòu)課程群組;以灌溉排水工程學為龍頭帶動和建立集土壤農(nóng)作、農(nóng)業(yè)節(jié)水、農(nóng)業(yè)水利工程管理等課程的農(nóng)業(yè)用水課程平臺;以水工建筑物為龍頭構(gòu)建水泵與泵站、水利工程施工、水工概論等課程群組。同時，構(gòu)建完整的實踐教學體系，目前，已獲批國家級農(nóng)業(yè)水工程實驗教學示范中心，著力建設(shè)各課程組平臺的實踐教學環(huán)節(jié)、創(chuàng)新教學實驗平臺、網(wǎng)絡教學平臺。在構(gòu)建課程體系的同時，極力打造精品課程等項目的課程建設(shè)，目前該專業(yè)已建成國家級、省級精品課程1門，校級精品課程9門、網(wǎng)絡課程8門、雙語教學課程3門。2008－2009年獲校教改項目7項，課程教學中70%課程采用多媒體教學。
(三)加強教材建設(shè)，規(guī)范教材選用
加強專業(yè)教材建設(shè)與管理，保證選用教材的質(zhì)量。以培養(yǎng)高質(zhì)量人才為目標，以教學內(nèi)容和教學方法改革為核心，充分利用現(xiàn)代化教育技術(shù)，按照編著與選用并重的原則，抓好教材規(guī)劃，實施精品戰(zhàn)略;健全和完善教材選用、引進、編寫機制，加大資金投入，構(gòu)筑本專業(yè)系列教材體系。實行課組集體論證，院系兩級審核的教材選用制度，保證教材質(zhì)量。必修課優(yōu)先選用國家規(guī)劃教材或新教材，適當引進國外優(yōu)秀教材。結(jié)合學科前沿及時更新和編寫輔助教材。2008－2010年正式出版教材19部，其中國家級規(guī)劃教材12部。同時，配合雙語教學，引進國外原版教材3部，探索性運用到教學中，收到了較好的教學效果。
(四)構(gòu)建與優(yōu)化實踐教學體系，強化實踐教學
改革實踐教學內(nèi)容，構(gòu)建以課程綜合實驗為基礎(chǔ)，以課程設(shè)計、實習和畢業(yè)設(shè)計(論文)為主線，以社會實踐、科學訓練和工程訓練等為拓展的實踐教學體系，推進人才培養(yǎng)與工程實踐和科學研究的結(jié)合。目前，該體系總體已構(gòu)成，形成基礎(chǔ)綜合實習和專業(yè)綜合實習兩大子體系?；A(chǔ)實習將專業(yè)認識實習、工程地質(zhì)實習和測量實習有機結(jié)合，校外實習與校內(nèi)實習有機銜接，該方案在2010年和2011年的暑期實踐教學中已實施，目前還處于探索階段。完善實驗室管理體制和運行機制，按課程群設(shè)置綜合實驗室，組建集教學、科研、生產(chǎn)服務功能于一體的綜合實驗室，搭建學生進行創(chuàng)新性、綜合性、設(shè)計性實驗的平臺，實行開放運行管理新體制。加強實踐教學基地建設(shè)，利用學校與水利工程設(shè)計及施工單位和西北各大灌區(qū)在科研和社會服務中建立的長期合作關(guān)系，建設(shè)產(chǎn)學研相結(jié)合、反映區(qū)域特點和專業(yè)特色的校外實踐教學基地，讓學生充分接觸生產(chǎn)一線，為學生提供實踐場所和就業(yè)渠道，使學生的實踐能力和創(chuàng)新訓練落到實處。建立學生到教學基地開展實踐教學的長效機制，保證實踐教學時間達到6個月以上。目前，已建立校外實踐教學基地17個、校內(nèi)4個。#p#分頁標題#e#
(五)采取各種措施，提高學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力
鼓勵和支持教師與學生建立“一對一”或“一對多”的聯(lián)系，結(jié)合學生在“三下鄉(xiāng)”和暑期社會實踐活動中發(fā)現(xiàn)的問題，申請國家及學校的各類大學生科技創(chuàng)新基金、科技創(chuàng)新實驗計劃等項目，積極引導和組織學生參加“挑戰(zhàn)杯”等各類競賽，使學生參加科學研究，培養(yǎng)學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。2008－2010年本專業(yè)大學生獲批國家創(chuàng)新項目14項、校級重點項目16項，一般項目43項。學院組織學生參加了陜西省力學競賽、全國大學生力學競賽(周培源力學競賽)，在師生的共同努力下，學院先后獲得了全國大學生水利創(chuàng)新設(shè)計競賽獎、全國力學竟賽獎及全國智能機器人大賽獎項等。實行“2+2”培養(yǎng)模式，即在大學教育階段的后2年，給該專業(yè)的每一位學生配備指導教師。不僅進行專業(yè)課學習、人生規(guī)劃、攻讀研究生、就業(yè)等全方位指導，更重要的是學生參與導師的縱、橫向科研任務，在具體的科研中深化提升理論知識，鍛煉實踐技能，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。
三、師資隊伍建設(shè)
以建設(shè)教學團隊和支持高層次創(chuàng)造性人才為重點，以留住并加快培養(yǎng)專業(yè)技術(shù)骨干和青年后備人才為基礎(chǔ)，以引進高層次優(yōu)秀人才為補充，加強師資隊伍建設(shè)”的人才強校戰(zhàn)略。充分利用學校的青年教師出國研修項目和國家留學基金委西部計劃項目，選派教師到國外高水平大學進修、學習與合作研究，努力建設(shè)一支素質(zhì)優(yōu)良、結(jié)構(gòu)合理、充滿創(chuàng)新活力的高水平師資隊伍。目前農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)教學團隊已獲批為省級教學團隊，近年來本專業(yè)師資隊伍中已有12名教師出國進修和進行合作研究，有校教學名師3人，省級教學名師1人。注重對青年教師培養(yǎng)，2008－2010年在學校青年教師講課比賽中獲一等獎3人，二等獎1人，三等獎3人;參加全國水利專業(yè)青年教師講課比賽中獲特等獎1人，一等獎3人，二等獎2人。同時充分利用學院擁有的各種設(shè)計、咨詢及檢測資質(zhì)，鼓勵專業(yè)教師參加各種生產(chǎn)和服務項目。建立新進專業(yè)教師到工程建設(shè)、管理單位實習，以及專業(yè)教師到生產(chǎn)實習基地交流學習等制度，全方位增強教師實踐能力。堅持教學與科研并重，在完成教學任務的同時，鼓勵教師開展科學研究，促進學術(shù)水平的提高，形成一支結(jié)構(gòu)合理、教學科研實踐經(jīng)驗豐富、熱愛教學事業(yè)的高水平專兼結(jié)合的教師隊伍。
四、教學監(jiān)控與教學質(zhì)量保證
在嚴格執(zhí)行學校的各項教學質(zhì)量標準的同時，結(jié)合專業(yè)特點制訂各個教學環(huán)節(jié)的質(zhì)量標準，完善教師授課資格制、青年教師導師制、開課試講制等制度。通過實施學生評教、校院兩級督導組督導、院領(lǐng)導聽課和定期教學檢查等措施，了解教學動態(tài)，加強教學質(zhì)量監(jiān)控。結(jié)合學生培養(yǎng)警示制和家長聯(lián)系制，做好學生教育工作，建立學校、學生、家庭三者良性互動的培養(yǎng)機制，提高教學質(zhì)量，同時，建立畢業(yè)生教學質(zhì)量反饋體系，及時了解社會對學生的要求，同時也是單位對我們教育、教學質(zhì)量的綜合評價。
關(guān)鍵詞：平面換能器對測法；穿透聲波法；圍巖分類；波速測試；動彈性參數(shù)
中圖分類號：C35文獻標識碼： A
1引言
長期以來，在工程地質(zhì)勘探中，多采用鉆探和電法等物探方法 [1]。這些方法很難與巖體的物理力學性質(zhì)建立關(guān)系。近些年來,在水工隧洞領(lǐng)域研究采用一種新的探測方法：聲波探測技術(shù)。該法既是工程地質(zhì)的物探手段，又是巖體力學的測試手段，具有重大的實用價值和意義。在國內(nèi)外隧洞巖體探測方面得到廣泛研究應用。
本文結(jié)合工程實例，通過聲波探測技術(shù)中各種方法的對比，選取了適合該工程區(qū)的探測方法：平面換能器對測法和穿透聲波法[2]，對該工程區(qū)的巖體地質(zhì)情況進行了分類，從而為設(shè)計和施工提供依據(jù)。
2 工作原理
從工程地質(zhì)勘探看，超聲波探測法是小型輕便的地球物理勘探方法，其工作原理是用人工的方法在巖石介質(zhì)和結(jié)構(gòu)中激發(fā)一定頻率的彈性波[3]。由一聲源訊號發(fā)生器(發(fā)射機),向壓電材料制成的發(fā)射換能器發(fā)射一電脈沖,激勵晶片振動,產(chǎn)生聲波向巖石發(fā)射,作為聲波探測的聲源。聲波在巖石中傳播,經(jīng)由接收換能器接收,把聲能換成微弱的電訊號送至接收機,經(jīng)放大后由示波管在屏幕上顯示出波形圖。本次探測主要使用NM-4A型非金屬超聲檢測分析儀，引水隧洞圍巖級別判定采用帶信號放大功能的10kHZ低頻平面換能器，用黃油耦合，聲時測量精度為±0.1us，通過超聲波在巖體發(fā)射和接受換能器之間巖體的距離F和聲波通過巖體距離所需傳播時間T來計算波速，從而根據(jù)聲波傳播速度V來判別巖石和巖質(zhì)情況，對巖體進行圍巖分類。
（1）
3 探測方法的對比
3.1 平面換能器對測法
平面換能器對測法是將發(fā)射和接收換能器放在相距一定距離F的巖體表面，用黃油耦合，通過發(fā)射換能器發(fā)射一定頻率的聲波，穿過發(fā)射和接收換能器之間巖體，在相距F的接收換能器得到接收波，接收波起點時標讀數(shù)即為聲波通過距離為F的巖體所需傳播時間，見圖1。
本方法適用于巖體圍巖地質(zhì)情況和巖體分類，而工程區(qū)大多數(shù)開挖段由于巖體巖性軟弱，節(jié)理裂隙發(fā)育，風化強烈，為防止圍巖塌落等而進行了混凝土噴錨，故該方法只能反映一部分巖體的地質(zhì)情況，并不能真實反映整個開挖段巖體地質(zhì)。
3.2穿透聲波法
穿透聲波法是為了克服上述的不足，根據(jù)鐵路隧道探測兩鉆井之間的工程地質(zhì)情況原理，使用聲波儀一發(fā)單收換能器，在兩個測試孔內(nèi)同時放入換能器進行測試，其中一個為發(fā)
射換能器，另一個為接收換能器?？變?nèi)灌滿水，作為換能器與孔壁巖體的耦合劑。這種方法可以真實反映該工程區(qū)巖體情況并進行圍巖分類，見圖2。
圖1 平面換能器對測法圖2 跨孔測試方法示意圖
4工程應用
建設(shè)中的迭部溝潔寺水電站引水隧洞，隧洞全長約5km，洞徑約為3.6m，橫穿過達拉河右岸巖體上。對引水隧洞有影響的沖溝有3條，分別為引1#沖溝；2#沖溝及3#沖溝，尤以3#沖溝最大。沖溝走向基本垂直河流，坡降較大，呈“V”，相對高差100～300m，溝內(nèi)覆蓋第四系沖洪積物，厚度10～30m。沿途洞室圍巖巖性為變質(zhì)砂巖夾板巖、板巖夾少量砂巖呈互層狀。變質(zhì)砂巖巖性致密堅硬，板巖巖質(zhì)較軟，板理發(fā)育，局部呈片理化帶。巖體中斷裂發(fā)育，層間擠壓帶和層面裂隙地帶多，故在設(shè)計施工階段，探測巖體地質(zhì)狀況，并判斷巖性級別非常重要，為設(shè)計施工提供主要依據(jù)，并對巖體穩(wěn)定性進行定量評價。
4.1 測孔布置及數(shù)據(jù)采集
按設(shè)計要求，隧洞圍巖級別測試共劃分為3個測區(qū)，分別為引水隧洞、廠房和壩址處，每個測區(qū)隨機選取3～6個測點進行測試，采樣間距0.5～1m，采用接收信號放大功能的10kHZ低頻平面換能器，以得到較清晰的波形，見圖3。
a. 隧洞平面換能器測試波形 b. 穿透聲波法孔1和孔2跨孔測試波型
圖3隧洞測試波形
一般巖性堅硬，風化微弱，結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，巖體完整性好則波速高、振幅大；反之，當巖性軟弱，節(jié)理裂隙發(fā)育，風化強烈，巖體破碎則波速低，吸收衰減厲害，振幅小。應力增大，波速增高；反之，則降低。
4.2引水隧洞圍巖分類
引水隧洞根據(jù)已有的勘察資料和設(shè)計資料，利用地質(zhì)推斷和作圖等方法初步推測了一些定性指標及圍巖的變化情況，引水發(fā)電洞圍巖除進水口和沿線的主要沖溝段巖體屬Ⅲ～Ⅳ類圍巖外，其它地段洞室埋深較大，厚度在100～400m之間，隧洞均處于微風化～新鮮巖體中，屬Ⅱ～Ⅲ類圍巖，板巖由于巖體軟弱，圍巖變形較大，因此圍巖分類時將微～新鮮巖體劃分到Ⅲ類圍巖中。圍巖分類及巖體力學參數(shù)建議值見表1[4]，國外按比值和動泊松比協(xié)值對巖體分類情況見表2。
表1 圍巖分類及巖體力學參數(shù)建議值
圍巖
類別 巖體結(jié)構(gòu)類型 縱波速度VP 巖石抗壓強度Rb 巖體完整性系數(shù)
KV 變形
模量 抗剪斷 彈性抗力系數(shù)K0 堅固
系數(shù)
f
f c
m/s MPa GPa Mpa MPa/cm
Ⅱ 完整層狀 >4100 >80 >0.55
10
∫
15 1.1
∫
1.2 0.8
∫
0.9 70
∫
90 6
∫
8
Ⅲ 中厚層狀 3000
∫
4000 40
∫
80 0.55
∫
0.30 5
∫
8 0.8
∫
0.9 0.0.6
∫
0.80 40
∫
50 3
∫
5
Ⅳ 層狀
∫
碎裂 2000
∫
3000 >25 0.3
∫
0.17 2
∫
3 0.50
∫
0.60 0.30
∫
0.40 15
∫
20 ＜2
表2國外按Vp/Vs比值和動泊桑比巖體分類
動態(tài)參數(shù)比 比值范圍 巖石質(zhì)量好壞 圍巖
類別
縱橫波速比Vp/Vs 1.7～1.6 質(zhì)量好 I、II
2.0～3.0 巖石質(zhì)量變壞 III、IV
3.0～3.5 巖石質(zhì)量較破碎 IV
3.5以上 巖石非常破碎 V
動泊松比 0.25～0.30 質(zhì)量好 I、II
0.30～0.36 巖石質(zhì)量變壞 III、IV
0.36～0,40 巖石相當壞 IV
0.40～0.43 巖石破碎并充水 V
4.3 資料的分析與處理
根據(jù)聲波探測法的測試原理，對引水隧洞的4條引水支洞開挖段的所有巖層和廠房、壩址的巖體進行探測，對其中一部分探測資料進行整理分析[5]，并判斷其巖性情況，整理結(jié)果見表3.
根據(jù)彈性波的傳播速度（縱波和橫波），還可以利用下列資料計算一些動態(tài)彈性參數(shù)反映巖體地質(zhì)情況[6]，整理結(jié)果見表4.
動彈性模量：（2）
動泊松比：（3）
動剪切模量：（4）
式中：為巖體密度（g?cm-3）；為縱波波速（m/s）；為橫波波速（m/s）
表3溝潔寺水電站引水隧洞圍巖分類情況
里程范圍 縱波波速/（m/s） 泊松比 巖性類別 T/（us） A/（m） F/（m）
引0+023 2205.3 0.34 Ⅳ類圍巖 263.0 23.52 0.58
引0+630 2249.1 0.36 Ⅳ類圍巖 231.2 26.44 0.52
引1+240 4252.6 0.27 Ⅱ類圍巖 155.2 25.11 0.66
引1+760 3006.3 0.30 Ⅲ類圍巖 252.8 26.44 0.76
引2+200 2690.8 0.35 Ⅳ類圍巖 204.4 58.75 0.55
引3+270 2665.4 0.34 Ⅳ類圍巖 217.6 25.11 0.58
引3+800 2508.7 0.34 Ⅳ類圍巖 231.2 27.23 0.58
引3+850 3042.0 0.31 Ⅲ類圍巖 233.4 26.85 0.71
引4+090 2006.8 0.33 Ⅳ類圍巖 264.1 25.58 0.53
引4+390 2272.7 0.34 Ⅳ類圍巖 246.4 38.16 0.56
引4+800 2444.8 0.33 Ⅳ類圍巖 212.7 23.52 0.52
管0+032 2051.1 0.37 Ⅳ類圍巖 297.4 22.92 0.61
管0+120 2217.1 0.35 Ⅳ類圍巖 261.6 26.02 0.58
廠右0+019 2358.5 0.34 Ⅳ類圍巖 275.6 25.11 0.65
壩0+000-壩右0+017 2717.4 0.33 Ⅳ類圍巖 202.4 23.52 0.55
壩下0+005-壩右0+018 2207.1 0.34 Ⅳ類圍巖 235.6 25.58 0.52
表4勾潔寺水電站引水隧洞動彈性參數(shù)計算表
里程范圍 縱波波速/(km/s) 橫波波速/(km/s) 縱橫波速比Vp/Vs 泊松比 動彈性模量
/(Gpa) 動剪切模量
/(Gpa)
引0+023 2.205 1.086 2.03 0.34 8.47 3.16
引0+630 2.249 1.052 2.14 0.36 8.07 2.97
引1+240 4.252 2.386 1.78 0.27 39.48 15.54
引1+760 3.006 1.607 1.87 0.30 18.00 6.92
引2+200 2.691 1.293 2.08 0.35 12.09 4.48
引3+270 2.665 1.312 2.03 0.34 12.36 4.61
引3+800 2.509 1.235 2.03 0.34 10.95 4.09
引3+850 3.042 1.596 1.91 0.31 18.02 6.88
引4+090 2.007 1.011 1.99 0.33 7.29 2.74
引4+390 2.273 1.119 2.03 0.34 8.99 3.36
引4+800 2.445 1.232 1.98 0.33 10.82 4.07
管0+032 2.051 0.932 2.20 0.37 6.39 2.38
管0+120 2.217 1.065 2.08 0.35 8.21 3.04
廠右0+019 2.359 1.161 2.03 0.34 9.68 3.61
壩0+000-壩右0+017 2.717 1.369 1.98 0.33 13.36 5.02
壩下0+005-壩右0+018 2.207 1.087 2.03 0.34 8.49 3.17
5 結(jié)論
采用聲波探測技術(shù)探測溝潔寺水電站引水隧洞圍巖地質(zhì)情況，結(jié)合超聲波波速（縱波和橫波）所得出的動彈性系數(shù)，得出以下結(jié)論：
（1）.穿透聲波法能真實反映水工隧洞圍巖的地質(zhì)情況，巖體完整性及某些巖體動態(tài)彈性參數(shù)，能夠克服混凝土對圍巖地質(zhì)情況的影響；
（2）.探測段巖體的密度越大、空隙越小，則波速越大；巖性軟弱，節(jié)理裂隙發(fā)育，風化強烈，巖體破碎則波速??；
（3）.巖體結(jié)構(gòu)面對波速有明顯影響，如平行層理波速要高一些，垂直層理波速則低一些；
（4）.聲波探測對巖體的了解較為細致,且具有簡便、快速、經(jīng)濟、便于重復測試，對測試的巖體(巖石)無破壞作用等優(yōu)點；
（5）.利用聲速、聲幅及超聲電視測井的資料劃分鉆井剖面巖性,進行地層對比,查明裂隙、溶洞及套管的裂隙等（不做介紹）；
（6）.根據(jù)波速隨巖體裂隙發(fā)育而降低及隨應力狀態(tài)的變化而改變等規(guī)律,圈定開挖造成的圍巖松弛帶,為確定合理的襯砌厚度和錨桿長度提供依據(jù)（不做介紹）；
（7）.用聲波探測法判斷出的巖體地質(zhì)情況與巖石類別，跟設(shè)計院在設(shè)計階段用其他方法以及該工程區(qū)以往經(jīng)驗資料基本吻合，準確率高。
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1土石壩潰壩的危害
1.1土石壩的興建情況
土石壩是最普遍采用的一種壩型，其具有就地取材、節(jié)省建筑材料及減少建壩過程遠途運輸?shù)葍?yōu)點，土石壩的結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，便于維修和加高、擴建，且由于土石壩的壩身是土石散粒體結(jié)構(gòu)，有適應變形的良好性能，在施工方面的工序較少。因此，不論是在全世界，還是在中國，與其它的壩型相比較，土石壩都占有絕對的優(yōu)勢，與世界土石壩占大壩總數(shù)的82.9%，在中國土石壩數(shù)量占到大壩總數(shù)的93%。
1.2土石壩潰壩的危害
大壩是水利工程中的擋水建筑物，水庫的興利和除害效益主要是通過大壩存蓄一定庫容的水來進行調(diào)配發(fā)揮的。水庫潰壩，不僅使工程本身遭受損失，更嚴重的給下游人民生命財產(chǎn)和經(jīng)濟建設(shè)造成災害，有的造成毀滅性的災害。淹沒下游農(nóng)田，破壞公共設(shè)施，導致建筑物破壞、停水停電等嚴重影響人民正常生活，嚴重破壞生態(tài)環(huán)境，甚至奪走下游群眾生命，造成不可估量的損失。重新修建大壩也必將耗費巨額資金。
1.3研究課題的提出
我國的土石壩眾多，質(zhì)量也參差不齊，設(shè)計施工標準不一。一旦發(fā)生潰壩將對河流下游的人民群眾的生命安全產(chǎn)生極大的威脅，潰壩使水庫、水電站的防洪、蓄水灌溉、供水、發(fā)電等一系列產(chǎn)生的效益毀于一旦，嚴重影響了國民經(jīng)濟和國家建設(shè)。因此，切實搞好水利工程管理工作，杜絕事故發(fā)生，避免不必要的經(jīng)濟損失和對社會生產(chǎn)生活的嚴重影響，更好地發(fā)揮經(jīng)濟和社會效益，確保水庫大壩安全意義十分重大，同時，由于潰壩因素的復雜性，更使這項研究成為水庫建設(shè)和管理的核心問題。
2土石壩潰壩的基本原因
造成土石壩潰壩的原因較多，涉及土石壩設(shè)計建設(shè)、管理和運行等多個方面。而且已建成的土石壩安全情況是不斷變化的，洪水、地震及大壩本身存在的各種病害都會直接或間接地影響大壩安全。
2.1土石壩的滲漏
2.1.1土石壩滲漏的原因
土石壩滲漏按滲漏的部位可分為壩體滲漏、壩基滲漏、接觸滲漏和繞壩滲漏等，各類滲漏在設(shè)計、施工、運行管理等方面都有較多的因素影響土石壩的滲漏。
（1）壩體滲漏
滲漏的逸出點在背水面坡或坡腳。
1）壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計問題。試驗資料不足或未經(jīng)試驗，特別是壩體土石料性質(zhì)的試驗數(shù)據(jù)；壩身尺寸設(shè)計單薄，尤其是防滲設(shè)施厚度單薄，由于厚度不夠致使?jié)B流水力坡降大于其臨界坡降時，或者在反濾不符合要求等情況下，使防滲墻體土料流失，最后使斜墻或心墻被擊穿，形成滲漏通道；反濾設(shè)計存在問題，未按反濾原理進行鋪設(shè)或未設(shè)反濾層，形成心墻等的破壞，形成滲漏。
2）壩體施工質(zhì)量差。清基不徹底，壩料填筑混雜，不符合壩料設(shè)計要求；施工碾壓不密實，使壩身水平向透水性遠大于垂直向透水性；缺少特殊季節(jié)防護措施，防滲體選在雨季施工而使大壩本身防滲質(zhì)量降低，或冬季施工而出現(xiàn)凍土等，導致滲漏。
3）管理不到位。壩體出現(xiàn)的滲漏、管涌等情況，未及時研究其產(chǎn)生原因和處理辦法，行歷時長，產(chǎn)生老化問題。
（2）壩基滲漏
滲水通過壩基的透水層，從壩腳或壩腳以外覆蓋層的薄弱部位逸出。水庫蓄水后，在水壓力作用下，壩基是主要的滲流途徑之一。壩基發(fā)生滲漏主要原因有：
1）勘測設(shè)計不當，由于壩址處的工程地質(zhì)條件不良，地質(zhì)勘探工作不夠詳細；未能有效的避開裂隙較多的巖層，未能采用有效的壩基防滲措施或壩基防滲設(shè)施尺寸不夠；
2）施工地基處理質(zhì)量差，灌漿漿液濃度或者灌漿壓力等控制不好，未能將裂隙充滿，防滲帷幕等質(zhì)量控制不嚴，未起到較好的防滲作用等；
3）運用管理不當，庫水位降落太低，部分粘土鋪蓋曝曬裂縫而失去防滲作用；因?qū)B溝、減壓井養(yǎng)護不良，淤塞失效。
（3）接觸滲漏：滲水經(jīng)壩體、壩基、岸坡的接觸面或壩體與剛性建筑物的接觸面在壩后相應逸出。主要是由于設(shè)計施工過程中考慮不周全或施工質(zhì)量存在問題等存在的接觸滲漏。
（4）繞壩滲漏
水庫的蓄水后，水流通過土壩兩端的岸坡從下游岸坡面逸出，這種滲漏現(xiàn)象稱為繞壩滲漏。繞壩滲漏可使壩端部分壩體內(nèi)的浸潤線抬高，岸坡背后出現(xiàn)陰濕、或出現(xiàn)水色較清的小量滲流。較嚴重的將使岸坡軟化，形成集中滲漏通道，甚至引起岸坡塌陷和滑坡，影響土壩體安全。產(chǎn)生繞壩基滲漏的主要原因如下：
1）勘察設(shè)計不到位，壩端兩岸地質(zhì)條件過差，透水性過大，或有斷層通過，而又未提出妥善處理方案。
2）因施工取土或水庫蓄水后由于風浪淘刷，破壞了上游岸坡的天然鋪蓋。
3）壩頭與岸坡接防滲處理不當或施工質(zhì)量不符合要求，壩岸接合質(zhì)量不好，形成滲漏通道。
4）管理和監(jiān)測不到位。水庫蓄水后，應加強對水庫滲流壓力等監(jiān)測，提前獲知，以便采取相應的措施，并改進管理方法。
3潰壩防治措施和技術(shù)
通過上述潰壩形式及原因的分析，研究土石壩潰壩的防治措施和相關(guān)技術(shù)，可適當加入潰壩分析計算的方法。潰壩的防治措施可從多個角度闡述。如：壩體自身結(jié)構(gòu)、防洪抗震減災、科學管理等多個方面，并注意與第四章的緊密結(jié)合。
3.1土石壩滲漏的防治措施
3.1.1防滲漏措施之粘土截水槽法
粘土截水槽常用于透水性很強、抗管涌能力差、隔水層埋藏較淺的砂卵石壩基。其結(jié)構(gòu)視土石壩的結(jié)構(gòu)而定(圖3.1)。截水槽一定要作到下伏的隔水層中，形成一個封閉系統(tǒng)。必須注意隔水層的完整性和滲透性。
圖3.1截水槽示意圖
a－心墻壩；b－均質(zhì)斜墻壩
3.1.2防滲漏措施之水平鋪蓋法
當透水層很厚，垂直截滲措施難以奏效時，常采用此措施。其方法是在壩上游設(shè)置粘性土鋪蓋，其滲透系數(shù)比透水地基小2－3個量級，并與壩體的防滲斜墻搭接(圖3.2)。這種措施只是加長滲徑而減小水力梯度，并不能完全截斷滲流。
圖3.2防滲鋪蓋示意圖
鋪蓋的長度l一般為壩上下游水頭差的5－10倍；其厚度t在上游末端為0.5-1m，與防滲斜墻搭接處應適當加厚。
當壩前河谷中表層有分布穩(wěn)定且厚度較大的粘性上覆蓋時，則可利用它作天然的防滲鋪蓋。施工時一定要嚴格禁止破壞該覆蓋層。
3.2科學管理防治潰壩措施
土石壩修建后，要防止?jié)问鹿实陌l(fā)生，就必須加強其運行管理?？茖W、安全的運行管理方式，既是充分發(fā)揮大壩綜合效益的要求，也是保障大壩持久穩(wěn)定運行的必要。
首先，必須嚴格依照國家法律法規(guī)及工程安全標準進行管理。這是保證土石壩安全的前提。
其次，對大壩和附屬建筑物 以及大壩安全所必需的相關(guān)設(shè)備應經(jīng)常維修，包括安全監(jiān)測儀器設(shè)備，使其處于安全和完整的工作狀態(tài)，對設(shè)備還應定期檢查和測試 確保其安全和可靠的運行。
再次，要對土石壩大壩進行安全監(jiān)測，監(jiān)測項目、觀測布置、觀測設(shè)施及安裝埋設(shè)、觀測方法及要求、觀測頻次等應按規(guī)范SL60-94《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行[12]。
最后，要對土石壩進行大壩運行管理綜合評價。評價內(nèi)容包括：
（1）水庫是否按審定的調(diào)度規(guī)程（或計劃）合理調(diào)度運用水文測報及通信設(shè)施是否完備各項規(guī)章制度或計劃（或文件）是否齊全落實；
（2）大壩是否得到完好的維修并處于完整的可運行狀態(tài)；
（3）大壩安全監(jiān)測設(shè)施是否完備大壩安全監(jiān)測是否按規(guī)范執(zhí)行并由監(jiān)測資料整編分析初步結(jié)果審查大壩的變形滲流及穩(wěn)定總體上是否處于正常狀態(tài)；
（4）綜合上面3項的分析對大壩運行管理進行綜合評價：3項都做得好的，評為好；大部分做得好的，評為較好；大部分未做到的，評為差。
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