工程地质问题的数值分析技术优化

工程地质问题数值分析主要包括两种类型的问题:一是工程地质现象形成机制和演化过程的数值模拟;二是工程岩体的稳定性评价和预测。

复杂地质现象的数值模拟是运用数值分析方法再现地质现象的形成和演变过程来揭示现象的内在规律,如斜坡的变形破坏机理和过程;不同类型滑坡的形成机制和演化趋势;深切河谷两岸岩体浅表改造过程与趋势分析;区域构造应力场的模拟反演;裂隙岩体渗流场模拟等。由于客观地质体不论其空间、时间尺度,还是物质条件和影响因素的复杂程度,都不是数值模拟所能准确再现的。因此,这种数值模拟方法的意义不在于具体成果的准确性,而在于规律探索,并预测地质体未来的发展趋势或失稳破坏的方式。这一分析方法已在许多大型水电工程的建设中得到应用。如大渡河铜街子水电站坝基岩体结构的形成演化;黄河大柳树水电站坝区边坡破裂岩体的形成机制;金沙江溪落渡水电站坝区岩体卸荷带的形成演化等问题的数值模拟研究,对认识坝区岩体结构特征和建坝条件,提供了重要依据。水电工程坝区和库区斜坡岩土体稳定问题,往往在工程设计中占有重要位置。因此,工程地质数值模拟分析技术为再现各类斜坡变形破坏的机制、演化过程、失稳的可能模式及与各种内(外)地质营力的相关性等,为斜坡(或滑坡)的稳定性评价预测及拟定工程处理方案提供了依据。

解决各类工程岩体的稳定性问题,是数值分析方法在工程地质领域应用的主要目标。目前,工程地质问题数值分析中最常用的方法包括:二维、三维有限元法、边界元法、离散元法,较早采用的差分法仍在不断改进中,此外还有新近发展起来的半解析元法和无界元法。由国家自然科学基金委员会和中国长江三峡工程开发总公司联合资助完成的“三峡工程岩质高边坡的变形与稳定”研究专题,广泛采用了当前国际上最前沿的数值分析方法。除系统进行了边坡岩体变形、岩体粘、弹、塑性时空效应及开挖卸荷机理研究外,在数值分析方法上,还应用了自适应有限元法、DDA 法、FLAC 法、界面元法、人工神经网络分析方法及断裂损伤弹塑性模型等。这些数值分析方法各有所长,有不同的适用条件,要根据所研究对象的特点和回答问题的要求,决定采用哪一种或几种方法进行数值分析。目前这些方法均已较普遍地应用到工程地质问题的分析中。由于数值分析方法所得到的不仅是岩体变形(位移)和破坏的最终结果,而且可以获得工程岩体在外荷载作用下位移场、应力场的细部情况,可以在一定程度上模拟岩体的非均质性的各向异性,同时还可以通过对岩(土)体变形破坏规律和过程的模拟研究、评价岩体的稳定性现状并预测其未来的变化。因此,工程地质数值分析技术在地质勘探中占有重要的位置。

然而,通过20多年来的实践,工程地质工作者也深刻意识到,由于工程岩体的特殊性和复杂性,主要依赖(甚至完全依赖)数值分析方法来解决大量的工程实践问题是不可取的。原因是:首先地质体是在漫长的地质历史时期形成的复杂体系,同时地质体高度的各向异性和非均质性也是任何其他材料所不能比拟的。因此,应用工程地质数值分析技术,应很好地把握好以下几个原则:

(1)高度重视第一性资料的收集工作。充分利用各种可能的勘察手段和方法,尽可能多地取得各种原始资料,这是一切数值分析的基础。工程地质数值分析的可靠性和准确性,很大程度上取决于对地质原型认识的正确性。(www.xing528.com)

(2)建立合理的地质概化模型和力学模型。任何数值分析都必需对地质体原型条件作合理的抽取、归并和概化,使之能较好地概括地质体的基本特征和环境条件,既突出工程地质问题的主导因素,同时又具有数值分析的可能性。

(3)适时优化和完善计算条件和参数。要根据不断变化的地质情况,及时调整各种计算条件和参数,充分利用数值分析方法快捷、简便的优势,及时补充数据,修改和完善地质概化模型、力学模型和计算方法,使数值分析方法的优越性得到充分的发挥。

(4)重视并充分运用岩体原位测试和变形监测技术。近几年来岩体原位测试和变形监测技术日益普遍用在大坝建设的各种建筑物的设计、施工和运行中,成为当前勘测、设计、施工信息化的重要组成部分。充分利用监测成果检验数值分析的正确性和进行反分析,已成为工程岩体稳定性研究的一个重要手段。大量的实践证明,没有监测成果的检验,许多工程岩体稳定问题的数值分析成果是难以应用的。因此,利用监测技术成果进行反分析计算已成为工程地质数值分析的一个重要的新领域。

(5)正确估量数值分析成果的可靠性和应用条件。数值分析方法在解决复杂的工程岩体问题时,有很大的局限性。因此不能简单地将数值分析的成果应用于岩体工程的设计中。