岩体完整性的定量描述方法与流程

本发明涉及工程地质及岩石力学领域，尤其涉及一种用于对水电工程中的岩体完整性、边坡裂隙节理进行定量描述的方法。

背景技术：

对水电工程而言，对岩体质量进行划分，并提供不同岩体质量岩体的物理力学参数具有重要的作用。目前，对于裂隙岩体的定量指标常用的有岩体质量分级、岩体完整性系数及Barton节理粗糙度系数，这两个指标其主要应用于岩体的定性评价及裂隙岩体的抗剪强度估算，然而，无论是岩体质量分级或是节理的粗糙度系数，其指标的量化是建立在定性的基础上的，无法给出具体的定量描述。

如目前水电工程领域应用较多的岩体完整性系数，其主要依据岩体与岩块的波速比来评价岩体的完整性，其缺点在于现场波速测试受测试点的限制，其岩体波速测试结果与实际波速有差别，对取样测试，岩体的取样难度较大。此外，通过波速测试来评价岩体完整性是一种间接的、半定量的评价方法，通过波速测试结果，可将岩体完整性程度划分为完整、较完整、完整性差、较破碎及破碎，无法得出定量的指标来对岩体的完整性和强度进行评价。

技术实现要素：

为克服现有对岩体完整性的描述多为定性评价，无法进行定量指标的衡量等不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种能对岩体的完整性进行定量描述的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：岩体完整性的定量描述方法，包括以下步骤：

a、通过地质编录，获取岩体内节理裂隙的素描图；

b、将步骤a中获取的岩体结构素描图转换为数字格式的图形文件；

c、利用盒覆盖法对图形文件中的裂隙进行覆盖，方块盒子的边长尺寸为δ_i，对应该尺寸所需的盒子个数为N_i；

d、根据分形理论，岩体裂隙长度可近似表示为：L(δ_i)＝L₀δ_i^1-D，式中：

δ_i--覆盖所需方块盒子的边长尺寸；

D--分形维数；

L(δ_i)--岩体裂隙近似长度；

L₀--常数；

根据步骤c，岩体裂隙长度可近似表示为：L(δ_i)＝N_i·δ_i；

结合上述两个公式，得出：N_i·δ_i＝L₀δ_i^1-D，即，N_i＝L₀δ_i^-D；

对上式两边取对数，得出：log(N_i)＝log(L₀)-Dlog(δ_i)；

e、结合步骤c和d，采用不同尺码的盒子去覆盖岩体裂隙，得到一系列不同尺码下的覆盖所需盒子数，进而得到log(δ_i)与log(N_i)的对应关系，通过直线拟合，即可得到表征岩体裂隙的定量描述指标，即反应岩体完整性的定量指标D。

进一步的是，步骤c中的盒覆盖法通过软件编程来实现，确定盒子的尺码δ_i后便能直接得出对应所需的盒子数量N_i。

进一步的是，步骤e中对log(δ_i)与log(N_i)进行直线拟合时应采用至少十组数据，盒子尺码δ_i按照从100mm至1mm进行等分得出对应的N_i。

本发明的有益效果是：将岩体内节理裂隙的素描图转化为数字格式，然后利用盒覆盖法和分形理论计算得出岩体的分形维数，相对于现场波速测试，该方法能够避免取样误差，得出的分形维数为一个定量指标，通过分形维数可以与岩体完整性与其岩体强度、变形等对应关系曲线建立基础，进而预测岩体的强度指标。

附图说明

图1是本发明岩体内节理裂隙的素描图。

图2是本发明利用盒覆盖处理的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述。

岩体完整性的定量描述方法，包括以下步骤：

a、通过地质编录，获取岩体内节理裂隙的素描图；

b、将步骤a中获取的岩体结构素描图转换为数字格式的图形文件；

c、利用盒覆盖法对图形文件中的裂隙进行覆盖，方块盒子的边长尺寸为δ_i，对应该尺寸所需的盒子个数为N_i；

d、根据分形理论，岩体裂隙长度可近似表示为：L(δ_i)＝L₀δ_i^1-D，式中：

δ_i--覆盖所需方块盒子的边长尺寸；

D--分形维数；

L(δ_i)--岩体裂隙近似长度；

L₀--常数；

根据步骤c，岩体裂隙长度可近似表示为：L(δ_i)＝N_i·δ_i；

结合上述两个公式，得出：N_i·δ_i＝L₀δ_i^1-D，即，N_i＝L₀δ_i^-D；

对上式两边取对数，得出：log(N_i)＝log(L₀)-Dlog(δ_i)；

e、结合步骤c和d，采用不同尺码的盒子去覆盖岩体裂隙，得到一系列不同尺码下的覆盖所需盒子数，进而得到log(δ_i)与log(N_i)的对应关系，通过直线拟合，即可得到表征岩体裂隙的定量描述指标，即反应岩体完整性的定量指标D。

岩体内节理裂隙的素描图可通过现场的勘测人员测量后绘出，如图1所示，该素描图主要涵盖了岩体中裂隙的空间分布状态及裂隙长度和粗糙程度等几何信息。绘制完成后再将其转换为数字格式的图像文件，如cad格的的文件，然后利用盒覆盖法对图形文件中的裂隙进行覆盖，保证方块形的盒子将所有裂隙都遮挡覆盖住，如图2所示，采用不同尺寸的盒子进行覆盖会需要不同的盒子数量，在欧式空间，岩体裂隙的总长度可表示为：L(δ_i)＝N_i·δ_i，盒子的尺寸越小得出的结果更精确。在分形理论中，岩体裂隙长度又可近似表示为：L(δ_i)＝L₀δ_i^1-D，根据上述两式，经过一定转换得出：log(N_i)＝log(L₀)-Dlog(δ_i)，从而计算出岩体的分形维数D。由于测试的结果都为近似表示，所以需要测量多组数据来使结果更趋近准确值，然后通过直线拟合，该直线的斜率即为该岩体的分形维数。有了分形维数就能与岩体完整性与其岩体强度、变形等对应关系曲线建立基础，进而预测岩体的强度指标，相对于以前的定性描述，本方法所采用的定量描述更加直观，得出的结果更加具有参考性。

在整个测量计算过程中，对盒覆盖法所采用的盒子尺码以及所需盒子数量的统计是一个比较关键的步骤，为了准确快速的得出结构，可借助一些软件编程来实现，比如MATLAB等数学软件，在确定盒子的尺码δ_i后便能直接得出对应所需的盒子数量N_i。

进一步的，在步骤e中对log(δ_i)与log(N_i)进行直线拟合时应采用至少十组数据，盒子尺码δ_i按照从100mm至1mm进行等分得出对应的N_i。经过多次测量试验后发现，要得到更加精确的计算结果，需要采用至少十组数据来进行直线拟合，数据越多，得出的结果会更加精确。根据大多数岩体的实际情况，盒子尺码δ_i可以根据数据组数来从100mm至1mm进行等分，得出对应的N_i，这样可以使各组数据离散性更好，更容易进行直线拟合。

本发明利用盒覆盖法和分形理论相结合的方式，计算出岩体的分形维数，通过分形维数可以与岩体完整性与其岩体强度、变形等对应关系曲线建立基础，进而预测岩体的强度指标。在实际的应用过程中，相对与以前的定性描述，本发明的定量描述更加直观、具体，对于水利工程的初期勘测具有重要意义，因此，本方法具有很好的适用性和应用前景。