工程岩体三维空间结构建模与关键块识别方法

专利名称：：工程岩体三维空间结构建模与关键块识别方法
技术领域：
：本发明属于岩土工程、矿山开采、工程建筑、水利工程、地下结构等岩体工程的实体结构建模和分析领域，尤其涉及到一种基于不连续介质、各向异性岩体、工程扰动过程三维数值模拟分析方法与工程应用。
背景技术：
：工程岩体稳定性影响因素比较复杂，与传统结构稳定可靠性分析存在较大的差别，它与工程岩体的地质特征、工程因素、力学机制、破坏机理、扰动过程等各方面的因素紧密相关。在漫长的地质历史演变过程中，岩石经受了不同大小和不同方向的多期构造应力场的长期作用，加之岩石材料本身的非均质性，从而导致了岩体结构面分布的随机性，形态的多样性，空间组合的复杂性，密度的不均匀性，以至于对岩体的综合性能变得非常复杂，仅仅利用有限几个统计量如均值、方差、阶矩，难以全面描述岩体特性，因此在岩体性能方面需要更先进的分析手段和方法。传统的分析方法是基于有限元、离散元、边界元及其耦合等数值方法考虑，模拟过程很难考虑岩体结构的真实特征和工程的扰动过程，目前，大多采取块体理论解决上述问题，但是块体理论主要针对边坡块体稳定的分析，研究对象是边坡，并且缺乏如赤平投影等块体理论的基本分析功能，因此不是真正意义上的块体理论计算方法，其它方法如楔形体稳定性分析等，也与块体理论方法有较大的差别。
发明内容基于现场工程岩体结构特性，建立反映工程岩体真实结构特性三维模型，实现了工程岩体结构和施工过程结合起来模拟真实岩体结构，本发明中同时实现了三种块体搜索与显示的方法，即确定性关键块体搜索与显示、非确定性结构面和随机块体的空间模拟、确定性和非确定性结构面模型显示与分析，同时，通过对现场数据的对比以及现场观测数据的反馈，可以进一步预测工程岩体破裂与失稳的状态；工程岩石块体通常分为两类关键块体和一般块体，关键块体就是不用其他块体阻碍，自己能塌下来、掉下来的块体；即在工程作用力和自重作用下，由于滑动面上的抗剪强度不足以抵御滑动力，若不施加工程锚固措施，必将失稳的块体。工程岩体三维空间结构建模与关键块识别方法步骤如下如图1所示，—、工程岩体现场结构原始数据获取，数据包括工程岩体结构参数、工程岩体结构面信息和工程岩体结构状态，其中工程岩体结构参数包括巷道、隧洞和断面尺寸；工程岩体结构面信息和工程岩体结构状态包括断层参数和节理参数；二、工程岩体原始数据的处理与提取通过岩体结构面的结构特点会产生多种原始数据，同时，在对这些数据进行处理过程中，也会产生大量的中间数据，如何对这些数据进行科学的管理和有效的处理，以充分利用和挖掘其中的有效信息，从而保证成果的准确可靠性，是一个关键问题，工程岩体裂隙发育的特点决定了对工程岩体裂隙的研究必须建立在大量的统计分析基础之上，以实现对研究区具体工程部位的工程岩体裂隙进行优势方位分析及配套参数提取；在现场采集的原始数据基础上，利用赤平投影和概率统计方法，整理出1)岩体裂隙方位，以及每一条裂隙所在的硐号、方位、层位、工程部位、风化带信息，进行裂隙优势方位分析；2)存储工程普遍测网法获得的每条裂隙的基本信息，包括每条裂隙对应的测点号、位置和产状，进行绘制裂隙平面展布图的坐标信息；3)存储工程岩体测点的各条裂隙的产状及相对测网原点的局部几何坐标；在对普遍测网法实测数据有效管理的基础上，根据现场实测数据对各测点的岩体结构参数由计算机进行数据处理和统汁分析。在此基础上，为本发明提供的初始数据，工程地下结构参数和结构面参数的数据范围及精度要求1)工程地下结构参数<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>2)结构面参数<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>根据前述的裂隙几何数据对表征岩体结构指标进行有效的测试，包括结构面的优势方位、间距、密度、连通率、各类迹长、测网延时质量指标(RQD)值、裂隙系数、三维空间结构模式、裂隙网络分形维数、损伤张量、渗透张量等十余个岩体结构参数，并具有对选择的多个测点进行综合统计分析和结构面参数概率分布拟合及裂隙网络模拟计算，包括1)基本分析计算①测点分布及坐标显示②岩体裂隙网络显示及三维结构可视化模型③优势方位计算④间距计算⑤连通率计算⑥迹长计算⑦裂隙率计算；2)网参数统计①测网延时质量指标(RQD)值统计②测网分形维数统③测网渗透张量统计④测网损伤张量统计；3)参数统计计算；4)结构面网络模拟功能。三、构建工程岩体模型；1)、建立岩体模型判断岩体几何体被分成凸体和凹体两类，建立模型时加以区别；凸体结构首先，把它分解为多边形，依次添加多边形，多边形的建立是按同一顺序即逆时针或顺时针顺序，依次输入顶点坐标到文本文件中，把实际工程岩体划分为凸体遵循一个原则，即岩体被划分后，任何两个相邻的岩体公面必须是重合的，如图4(a)和4(b)所示，岩体被分成A、B、C、D、E、F六个凸体，其中相邻的块间公共面都是完全重合的；凹体结构按照相邻两个块体公共面重合的原则，把凹体分成多个凸体，并把重合面赋上虚拟面的标记值，将被分成的凸体按照凸体的建模规则建模；2)、建立数据结构A数据结构如图2、图3(a)、图3(b)和图(c)所示，先确定块体棱线的两个端点，把放入线段存储结构中，再把形成的线段放入多边形存储结构中，最后把多边形放入块体的数据结构中；B建立数据组织，存储数据，形成数据链，采用编程语言中自带的动态类对数据进行管理；3)、确定结构面信息方法包括确定性结构面、非确定性结构面和耦合结构面确定性结构面现场调查所得的结构面，包括地球物理勘探、数字图象拍摄等手段直接采集的结构面数据，作为确定性结构面数据，方位、倾向、倾角和迹长，输入模型中；非确定性结构面通过概率统计的方法来模拟产生的结构面数据，根据现场邻近工程、专家经验，采用统计方法获得结构面参数；耦合结构面模型中输入工程中确定性结构面，将不能通过钻孔、照相、物理方法获取的数据，用概率统计的方法模拟产生结构面数据；四、块体识别方法把岩体模型划分为有限个网格，然后在依次加入结构面，对现有的小块体进行切割，最后在去掉网格，合并小的块体，从而识别出有结构面切割得到的所有块体；1)、网格划分根据区域内结构面的密度，平均半径进行网格划分，首先确定区域的范围，然后设置三组相互垂直的虚拟结构面对岩体模型进行切割，最后记录下小单元的数据结构，如图5(a)、5(b)和图6所示；①切割过程裂隙面对块体切割可分解为对其表面多边形的切割，进而分解为裂隙面对直线的切割，实现裂隙与多边形的切割，裂隙切割多边形；有三种情况A如果多边形顶点全在裂隙面的上方，此时把这个多边形编号后放到上面的新块体中；B如果多边形顶点全在裂隙面的下方，此时把这个多边形编号后放到下面的新块体中；C如果多边形顶点分布在裂隙面的两侧，用裂隙平面把这个多边形切割成两个新多边形，编号后分别放入上下两个块体中；当块体表面多边形属于情况B时，我们进一步研究裂隙面如何对直线切割，如图7中，以DG为例，设裂隙面所在的平面方程为Ax+By+Cz+D=0，点D坐标为(Xl，yi，Zl)，点G坐标为(x2，y2，z2)，分别代入方程中结果为Ax一By,Cz,D>0Ax2+By2+Cz2+D<0所以点D在平面上，点G在平面下，求出DG所在直线与裂隙平面的交点K，然后把KD相关数据放入上面块体相应的多边形中，KG相关数据放入下面块体相应的多边形中；②采用这个裂隙切割其他与其相关的块体，直到切割完与其相关的所有块体，然后进入下一个裂隙的切割过程；如图8所示；2)添加结构面网格换分后，加入实测结和拟合出来的结构面，对现有的小块体进行再次切割；3)开挖面处理，近似用平面代替曲面，曲面对块体的切割就是对单元块体的切割，求出单元体所有棱线与曲面的交点后依次连接各点，形成一个新的面，生成两个新的块体；如图9所示，曲面对块体的切割就是对单元块体的切割，求出单元体所有棱线与曲面的交点后依次连接各点，形成一个新的面，从而形成两个新的块体，这样，得到的开挖面就随着网格数量的增加而无限接近实际的开挖曲面；4)、消除网格，生成块体首先判断相邻两个小单元面的交集是否与虚拟结构面有交集，如果有交集则合并两个小块，没有交集就不必合并，按照此方法，依次对存在的所有小块体进行处理，最后记录下合并后块体的数据；如图10、图ll(a)和图ll(b)所示；5)、判别块体的可移移动性首先，找出一个带有两个角度参数的试算向量，这两个参数的初始值为90。和0°，依次试算，如果这个试算向量与块体每个面的方向向量相乘都为正，则判断次块体几何可移动，进一步利用莫尔库仑强度理(Mohr-Coulomb)准则对其进行稳定性判断，如果不稳定，就是关键块体；经过网格划分，结构面切割块体，消除虚拟结构面合并块体的运算后，所有独立块体的数据都已经得到，接下利用所得到的块体数据进行可移动行的判别；关键块体是岩体中的最薄弱环节，围岩中岩石的冒落或滑动首先由关键块开始，7从而导致相邻块体的失稳，并有可能引起连锁反应，产生由围岩冒落或者滑动导致的岩体工程失稳，因此，其核心是找出岩体临空面处的关键块体，以便对它们采取加固措施，保持岩体的稳定，由于将空间各组结构面和临空面平移，使之通过坐标原点，则空间平面将构成以坐标原点为顶点的一系列棱锥，进行块体可动性判断时，首先判断裂隙锥是否非空，然后加上临空面形成块体，判断块体锥是否为空，进行稳定性系数计算方法计算时采用莫尔库仑强度理(Mohr-Coulomb)准则，主动力只考虑块体自重，分两种情况块体可移动满足三个条件具有出露面，几何可移动，稳定系数小于规定值；(1)几何可移动的判别如图12所示；表示块体所受驱动力，^表示块体表面的方向矢量，指向块体内部，i为多边形在块体内的编号，不包括出露面，几何可动表示为^=&|^[520,^20}非空，;(S。^max(^S)，^)为块体的运动方向；[ooes](2)稳定性的判别稳定性系数计算方法计算时采用莫尔库仑强度理(Mohr-Coulomb)准则，主动力只考虑块体自重，分两种情况A.当块体沿单面i滑动时，按下式计算稳定系数《=gcosa,.tan^("式中Q为块体重量，a,为滑动面倾角，St为滑动面i的面积，&和^分别为滑动面上的内聚力和内摩擦角；B.当块体沿双面i和j滑动时，按下式计算稳定系数X二乂tan化+7V;ta，++②式中Q为块体重量，Ci、P,和Cj、A分别为滑动面i和j上的内聚力及内摩擦角，Si和Sj分别为滑动面i和j的面积，a为滑动面i和j交线棱的倾角，Ni和Nj为作用在二滑动面上的法向力；并不能用解析的方法求得。的，所以考虑到用数值的方法求得，作一个可变的向量，令其指向下方即Z方向小于O，并按照一定的方向旋转(间隔为1°)，依次试算出；；如图13为判断块体可移动性的流程图；6)、显示图像首先，按照块体顺序进行搜索，得到每个块体的数据，进而对块体中面进行搜索，最后对组成面的线段进行数据查询，利用图像处理的画出线段，最后进行渲染；图形处理处理开放式图形库(0penGL)作为本发明图象接口，作为一个性能优越的图形应用程序设计界面(API)，适用于广泛的计算机环境，0penGL已成为目前的三维图形开发标准，是从事三维图形开发工作的技术人员通用的开发工具，为此，本模块选用了该平台作为图象处理工具；本模块中几何顶点数据包括模型的顶点集、线集、多边形集，这些数据经过流程图的上部，包括运算器、逐个顶点操作等；图像数据包括像素集、影像集、位图集等，图像像素数据的处理方式与几何顶点数据的处理方式是不同的，但都经过光栅化、逐个片元处理直至把最后的光栅数据写入帧缓冲器，在0penGL中的所有数据包括几何顶点数据和像素数据都可以被存储在显示列表中或者立即可以得到处理，OpenGL中，显示列表技术是一项重要的技术；OpenGL要求把所有的几何图形单元都用顶点来描述，这样运算器和逐个顶点计算操作都可以针对每个顶点进行计算和操作，然后进行光栅化形成图形碎片对于像素数据，像素操作结果被存储在纹理组装用的内存中，再类似于几何顶点操作一样光栅化形成图形片元；整个流程操作的最后，图形片元都要进行一系列的逐个片元操作，这样最后的像素值送入帧缓冲器实现图形的显示；如图14所示。本发明的优点通过该方法实现了工程岩体结构体快速搜索，关键块体的识别，考虑工程实施过程中快速辨别新结构面，并能自动搜索关键块体，统计出可移动块体数量方法。图1是本发明识别方法流程图；图2是本发明块体的数据组成结构图；图3(a)是本发明多边形数据结构图；图3(b)是本发明块体数据结构图；图3(C)是本发明数据组织形式图；图4(a)是本发明岩体实际凹体结构图；图4(b)是本发明岩体分解为凸体结构图；图5(a)是本发明网格划分方框流程图；图5(b)是本发明划分网格后等效结构面图；图6是本发明网格划分流程图；图7是本发明结构面切割块体示意图；图8是本发明切割块体流程图；图9是本发明开挖面处理图；图IO是本发明合并块体流程图；图11(a)是本发明网格消除导致块体合并示意11(b)是本发明消除网格前后块体形态图；图12是本发明块体可移动性判别示意图；图13是本发明块体可移动性判别流程图；图14是本发明图像显示流程图。具体实施例方式本实施例选取某高速公路隧道作为实例进行说明，具体实现过程如下1、工程概况该隧道轴线方向进口218°，出口21(T，断面呈近似椭圆形，隧洞净宽19.24m，高10.39m，开挖宽度为21.242m，轴线处开挖高度15.52m，隧道自桩号K344+670m开始至桩号K345+130m结束，全长520m，隧道纵坡1.6%，隧道位于R=5500m的平曲线上。n、野外地质调查野外地质调查从k345+360公路边坡开始，向北300m，分两个测段，测段南部长100m，北部长200m，中间冲沟处间断约30m，边坡岩体的岩性以灰岩为主，页岩仅见于010m处，灰紫色，薄层状，层面产状58/45，此测段其余10100m间皆为灰岩，在北测段146.5150m和165182m间为泥灰岩，层面产状65/52，其余皆为灰岩，自北测段200m处向北又为泥灰岩，并渐变为灰岩和泥灰岩交互沉积，根据现场地质调查，可以将该区域断裂构造分为七组，各断裂组的主要特征如下第1组断裂主要为层间节理和断层，包括J7、J9、J22、J27等节理和f12、f13断层，平均产状66/56，属压扭性；第2组断裂主要为近东西向的节理和断层，包括J28、J32、J33、J37、J38、J44、J45等节理和f2、f8和f16等断层，其中，如f8断层，产状175/88，压扭性，断层面较平直，钙质泥质充填，破碎带宽1020cm，延伸大于30m，f8断层错断f7断层，呈右旋扭动，即断层上盘岩层向SWW方向错动，由于被钙泥质充填覆盖，见不到原位移檫痕；第3组为北北东向的陡倾断裂，包括J15、J34等节理和f1Q、fu和f18等断层，平均产状120/87，也包括产状300/87的断裂，如^。断层，倾向120°，倾角86°，压扭性，断层面较平直，呈左旋扭动，即上盘岩层向NNE方向错动，断层面上见檫痕，与水平线呈20°;第4组为近南北向的断层，包括J4。、J43、J47、J49等节理和f2。断层，平均产状280/48，此组断裂在坡面上呈反倾切割岩体；第5组为北东东向的陡倾断裂，包括4、f9、f14、f15断层和Jn节理等，平均产状148/82，它们多与边坡平行，如f9断层产状140/89，断层面充填钙质(方解石)和泥质，表面粗糙，沿走向延伸13m，形成坡面；第6组为北东东向断裂，倾向北西，对边坡为反倾，包括J『J『，等节理，平均产状310/60，为扭性;第7组分布在页岩中，如卫节理，其产状250/56，为张性节理；综上所述，隧道区的七组断裂构造及其特征可以概括为表5.1表51隧道断裂构造分组及主要特征<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>III、模型的建立与关键块体的搜索工程岩体三维空间结构建模与关键块识别方法步骤如下—、工程岩体现场结构原始数据获取1)该隧道工程岩体结构参数巷道、隧洞、断面尺寸岩体模型参数为宽70m，高40m，长450m;2)工程岩体结构面信息，在工程中通过现场钻孔勘探和隧道沿线结构面测量获取结构面<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>数据初步分析后如下二、工程岩体原始数据的处理与提取，在现场结构调查的原始数据基础上，采用蒙特卡罗法对不能测量和读取的数据进行赋值，对现场的结构面进行统计，确定蒙特卡洛法所需要的参数<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>三、工程岩体模型构建1)岩体模型的建立本模型中建立较为简单的凸体模型，不需要建立复杂的凹体模型，所以可以利用程序提供的对话框的固定格式输入岩体尺寸即可；2)结构面信息，实际调查和产生的结构面的密度为0.008/m平均半径为6.3m;四、块体识别方法1):网格划分，网格数因为岩体尺寸简单，所以采用人工划分，由于结构面密度较小，所以选取基元的尺寸为0.5mX0.5mX0.5m，对模型划分1008万个小基元；2):添加结构面，添加现场调查7组确定性结构面，18组非确定性结构面；3):开挖面尺寸，隧洞开挖面尺寸宽21.242m，高10.39m;4):消除网格，生成块体，清除第1步人工生成虚拟网格1008万个，生成块体；5):判断块体的可移移动性，在本模型中，利用几何参数和力学参数判断可移动块体4个；6):图像显示显示关键块体及信息<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>与现场测得的可移动块体数据对比相吻合。权利要求一种工程岩体三维空间结构建模与关键块识别方法，其特征在于该识别方法步骤如下一、工程岩体现场结构原始数据获取，数据包括工程岩体结构参数、工程岩体结构面信息和工程岩体结构状态，其中工程岩体结构参数包括巷道、隧洞和断面尺寸；工程岩体结构面信息和工程岩体结构状态包括断层参数和节理参数；二、工程岩体原始数据的处理与提取，按现场采集的原始数据，利用赤平投影和概率统计方法，整理出1)岩体裂隙方位，以及每一条裂隙所在的硐号、方位、层位、工程部位、风化带信息，进行裂隙优势方位分析；2)存储工程普遍测网法获得的每条裂隙的基本信息，包括每条裂隙对应的测点号、位置和产状，进行绘制裂隙平面展布图的坐标信息；3)存储工程岩体测点的各条裂隙的产状及相对测网原点的局部几何坐标；三、构建工程岩体模型；1)、建立岩体模型判断岩体几何体被分成凸体和凹体两类，建立模型时加以区别；凸体结构首先，把它分解为多边形，依次添加多边形；多边形的建立是按同一顺序即逆时针或顺时针顺序，依次输入顶点坐标到文本文件中；凹体结构按照相邻两个块体公共面重合的原则，把凹体分成多个凸体，并把重合面赋上虚拟面的标记值，将被分成的凸体按照凸体的建模规则建模；2)、建立数据结构A数据结构先确定块体棱线的两个端点，把放入线段存储结构中，再把形成的线段放入多边形存储结构中，最后把多边形放入块体的数据结构中；B建立数据组织，存储数据，形成数据链，采用编程语言中自带的动态类对数据进行管理；3)、确定结构面信息方法包括确定性结构面、非确定性结构面和耦合结构面确定性结构面现场调查所得的结构面，包括地球物理勘探、数字图象拍摄等手段直接采集的结构面数据，作为确定性结构面数据，方位、倾向、倾角、迹长等，输入模型中；非确定性结构面通过概率统计的方法来模拟产生的结构面数据，根据现场邻近工程、专家经验，采用统计方法获得结构面参数；耦合结构面模型中输入工程中确定性结构面，将不能通过钻孔、照相、物理方法获取的数据，用概率统计的方法模拟产生结构面数据；四、对块体进行识别；块体识别方法把岩体模型划分为有限个网格，然后在依次加入结构面，对现有的小块体进行切割，最后在去掉网格，合并小的块体，从而识别出有结构面切割得到的所有块体；1)、网格划分根据区域内结构面的密度，平均半径进行网格划分。首先确定区域的范围，然后设置三组相互垂直的虚拟结构面对岩体模型进行切割，最后记录下小单元的数据结构。2)、添加结构面网格换分后，加入实测结和拟合出来的结构面，对现有的小块体进行再次切割；3)、开挖面处理，近似用平面代替曲面，曲面对块体的切割就是对单元块体的切割，求出单元体所有棱线与曲面的交点后依次连接各点，形成一个新的面，生成两个新的块体；4)、消除网格，生成块体首先判断相邻两个小单元面的交集是否与虚拟结构面有交集，如果有交集则合并两个小块，没有交集就不必合并。按照此方法，依次对存在的所有小块体进行处理，最后记录下合并后块体的数据；5)、判别块体的可移移动性；首先，找出一个带有两个角度参数的试算向量，这两个参数的初始值为90°和0°，依次试算，如果这个试算向量与块体每个面的方向向量相乘都为正，则判断次块体几何可移动，进一步利用莫尔库仑强度理(Mohr-Coulomb)准则对其进行稳定性判断，如果不稳定，就是关键块体；6)、显示图像首先，按照块体顺序进行搜索，得到每个块体的数据。进而对块体中面进行搜索，最后对组成面的线段进行数据查询，利用图像处理的画出线段，最后进行渲染。2.按权利要求1所述的工程岩体三维空间结构建模与关键块识别方法，其特征在于所述的步骤四中网格划分按如下方法进行①切割过程裂隙面对块体切割可分解为对其表面多边形的切割，进而分解为裂隙面对直线的切割，实现裂隙与多边形的切割，裂隙切割多边形；有三种情况A如果多边形顶点全在裂隙面的上方，此时把这个多边形编号后放到上面的新块体中；B如果多边形顶点全在裂隙面的下方，此时把这个多边形编号后放到下面的新块体中；C如果多边形顶点分布在裂隙面的两侧，用裂隙平面把这个多边形切割成两个新多边形，编号后分别放入上下两个块体中；②采用这个裂隙切割其他与其相关的块体，直到切割完与其相关的所有块体，然后进入下一个裂隙的切割过程。全文摘要本发明涉及一种工程岩体三维空间结构建模与关键块识别方法，属于岩土工程、矿山开采、工程建筑、水利工程、地下结构等岩体工程的实体结构建模和分析领域，步骤如下一、工程岩体现场结构原始数据获取；二、工程岩体原始数据的处理与提取；三、构建工程岩体模型；四、块体识别方法。本发明的优点通过该方法实现了工程岩体结构体快速搜索，关键块体的识别，考虑工程实施过程中快速辨别新结构面，并能自动搜索关键块体，统计出可移动块体数量方法。文档编号G06T17/00GK101739716SQ200910220460公开日2010年6月16日申请日期2009年12月4日优先权日2009年12月4日发明者朱万成,杨勇,杨天鸿,王述红申请人:东北大学