岩溶地质分形预报方法的应用研究

论文摘要

在大量的工程实践基础上，作者根据岩溶隧道施工所存在的问题-复杂的岩溶地质问题，抓住问题的重点和难点进行方法研究。 本论文主要在以下几方面进行了研究：1)岩溶发育分布的宏观规律及分形特征；2)岩溶发育的微观规律及分形特征；3)掌子面前方岩溶分形地质预报模型研究；4)岩溶围岩力学特性及岩溶围岩分级初步研究。 通过试验研究工作所取得的主要成果如下： 1)．岩溶发育分布的宏观规律性：主要表现在区域平面分布和垂直剖面分布两个方面。首先在区域平面上，岩溶发育分布主要受岩石性质、地质构造、地下水动力条件及气候等因素的控制，其中岩性、构造和地下水是岩溶发育的三个必要条件。在岩溶垂直剖面三分带理论基础上，借助化学动力学水文地质理论，根据可溶岩的矿物溶沉规律，提出将方解石、白云石、石膏等矿物饱和指数加入到岩溶垂直分带中，增强了岩溶垂直剖面分带的定量化程度。对于岩溶涌水量及水压的预测问题，本文提出建立岩溶涌水的化学动力学水文地质模型，以期实现采用常规的水化学成分资料及可获取的基础地质资料，实现对岩溶隧道的分段涌水量预测。 2)．不同的岩溶形态具有自相似性和标度不变性等两个分形图形的最重要特性。 3)．提出岩溶元的概念。岩溶元或称溶蚀元（Karst unit），即岩溶形态发育的最小单元。岩溶元沿着微裂隙、节理等结构面或岩石表面按照一定的规律生长，并逐步生长为溶孔、溶缝、溶槽、溶管、以至于最终变为溶洞和岩溶暗河。 论文进行了不同条件下岩溶元的分形生长规律研究。首先，指出岩溶元分形生长的充分必要条件。然后，在宏观和微观控制条件下，岩溶元的分形生长机理按照不同的分形维数生长为不同的岩溶形态。论文指出了岩溶元的分形生长过程，其中的第N级生长结果就反映了特定条件下的岩溶发育程度或岩溶形态。同时，不同阶段的岩溶元生长所形成的不同岩溶形态与相应的岩溶岩体的工程质量级别是对应的，这就为利用岩溶元的分形生长结果进行岩溶分形地质预报奠定了理论基础，并为岩溶围岩分级奠定了理论基础。通过对岩溶分形曲线的相关系数和岩溶分形维数定性分析，可以定性描述被研究区域岩溶发育的可能性。于是提出岩溶发育程度的分形评价指数IKFA(the

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 岩溶地质预报研究现状
• 1.2.1 岩溶水系统的研究现状
• 1.2.2 岩溶隧道中不良地质体的超前预报技术研究现状
• 1.2.3 岩溶隧道涌水量及水压的预测预报
• 1.2.4 新近发展的几种岩溶问题研究方法
• 1.2.5 岩溶地质分形预报方法的国内外研究现状
• 1.3 研究思路
• 1.4 本论文主要研究内容及研究技术路线
• 第2章 岩溶地质预报的分形理论应用基础
• 2.1 分形理论的基本原理
• 2.2 岩溶发育分布规律具有分形特点
• 2.2.1 不同的岩溶形态具有自相似性的分形特点
• 2.2.2 不同的岩溶形态具有标度不变性的分形特点
• 2.3 微观裂隙的分形理论研究方法及岩溶元概念
• 2.3.1 微观裂隙的分形理论研究方法综述
• 2.3.2 岩溶元概念的提出
• 2.3.3 岩溶元分形生长的充分必要条件
• 2.4 岩溶元的分形生长过程及岩溶分形维数的计算方法
• 2.5 分形理论应用于岩溶地质预报的前景
• 第3章 岩溶发育的宏观规律及分形特征
• 3.1 岩溶发育的宏观分布规律
• 3.1.1 岩溶发育的区域分布规律
• 3.1.2 岩溶发育的垂直剖面分布规律
• 3.1.3 表征岩溶及岩溶水发育分布规律的化学动力学-水文地质模型
• 3.2 地表岩溶形态的划分
• 3.3 反映岩溶形态特征的图片数值处理技术
• 3.4 几个典型地区或隧道工程地表岩溶的分形维数计算及分析
• 3.4.1 广东肇庆七星岩地表岩溶
• 3.4.2 乌江上游黔江流域地表岩溶
• 3.4.3 乌江下游武隆隧道地表岩溶
• 3.4.4 贵州关岭隧道地表岩溶
• 3.4.5 贵州黄果树隧道地表岩溶
• 3.4.6 贵州五龙山隧道地表岩溶
• 3.4.7 桐子林隧道地表岩溶
• 3.4.8 隧道内开挖面岩溶发育的分形特征
• 第4章 岩溶发育的微观规律及分形研究
• 4.1 石灰岩的微观物理性质实验
• 4.1.1 宏观与微观岩溶规律研究方法的相互关系
• 4.1.2 石灰岩的岩相鉴定实验
• 4.1.3 电镜实验
• 4.1.4 岩相鉴定和电镜实验结果分析
• 4.2 微观岩溶形态发育的分形特征
• 4.3 岩溶发育的微观动力学原理及规律
• 4.3.1 碳酸盐岩溶蚀动力学原理
• 4.3.2 岩溶微观溶蚀规律
• 第5章 掌子面前方岩溶地质的分形预报模型及应用
• 5.1 HSP声波反射法岩溶地质体超前预报的分形理论基础研究
• 5.1.1 HSP声波反射法岩溶地质超前预报基本原理、方法及仪器系统
• 5.1.2 HSP声波反射法探测技术的主要优、缺点
• 5.1.3 HSP声波反射法岩溶地质体超前预报数据分析的分形理论方法
• 5.2 岩溶地质体超前预报的分形模型
• 5.2.1 问题的提出
• 5.2.2 岩溶地质分形预报的物理模型
• 5.2.3 岩溶地质分形预报的数学模型
• 5.3 岩溶分形地质预报模型的应用及验证
• 5.3.1 武隆隧道岩溶地质分形预报
• 5.3.2 坝陵河大桥隧道锚岩溶地质分形预报
• 5.3.3 五龙山隧道岩溶地质分形预报结果验证
• 5.3.4 黄果树隧道岩溶地质分形预报
• 第6章 岩溶围岩分级初步研究
• 6.1 问题的提出
• 6.2 岩溶围岩分级的基本概念
• 6.3 岩溶围岩的物理力学性质试验研究
• 6.3.1 概述
• 6.3.2 灰岩宏观力学特征的研究实例
• 6.3.3 单轴压缩条件下石灰岩的强度与变形特征
• 6.3.4 三轴压缩试样的变形规律
• 6.3.5 循环荷载条件下嘉陵江组灰岩的变形特征
• 6.3.6 声发射与灰岩破坏的规律
• 6.4 岩溶围岩分级模型的建立
• 6.4.1 岩溶围岩分级模型的提出
• 6.4.2 岩溶发育程度评价的定性指标
• 6.4.3 岩溶发育程度评价的定量指标
• 6.5 岩溶发育程度评价的建议标准
• 6.6 岩溶围岩分级应用实例
• 结论及展望
• 主要结论
• 本文的不足之处
• 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及参加的科研项目
• 附图1 几个典型地区的岩溶现场照片及分形图形处理成果图
• 附图2 几个典型地区的岩溶分形计算成果图
• 附图3 桐子林隧道采取岩样的岩相鉴定和电镜实验照片
• 附图4 电镜实验照片的分形图形及分形计算成果图