基于分解‑重构建立裂隙岩体三维数值模型的方法与流程

本发明涉及一种基于对裂隙岩体的分解-重构建立裂隙岩体三维数值模型的方法，适用于内部存在贯通裂隙的天然岩体。

背景技术：

天然岩体的形成需要经历一个复杂而又漫长的过程，由于不同的地质成因，岩体在经历多次构造运动的改造作用，发生了构造变形与破裂，破坏了岩体的连续性和完整性。以上作用会在其内部形成众多节理、裂隙等不连续构造，其裂隙岩体内部富含各种缺陷，包括微裂纹、孔隙以及节理裂隙等宏观非连续面，在地下内部复杂的水环境下，这些岩体裂隙严重影响着岩体的力学特性和渗透特性。

随着经济的发展，边坡加固、地铁、隧道、水利水电等岩土工程正在快速的建设中，而岩体内部的裂隙对工程岩体的稳定性有着十分重要的影响，国内外很多岩土工程的事故都是由于贯通裂隙造成的。针对此问题，国内外众多学者对岩体的力学与渗流问题进行了广泛的讨论和理论研究。一般基于裂隙长度、开度、频率分布等参数，描述岩体内裂隙的几何形态，这些参数都以其各自的方式影响着裂隙的力学和渗流特性。

目前基于裂隙三维数值模型对裂隙岩体的研究较多，其优点在于1)可以模拟岩体内部裂隙的发育情况，较为真实的反映出天然岩体的裂隙；2)数值模型在电脑操作，便于对模型的数值模拟分析；3)可以改变裂隙的各项几何参数，分析各项参数的影响。但目前裂隙岩体的三维数值模型多基于对内部裂隙的抽象模拟，并不能完全反映岩体内部裂隙的真实发育情况。

技术实现要素：

为了克服现有的裂隙三维数值模型不能完全模拟岩体内部真实的裂隙几何形态的不足，本发明提供了一种有效模拟岩体内部真实的裂隙几何形态的基于分解-重构建立裂隙岩体三维数值模型的方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于分解-重构建立裂隙岩体三维数值模型的方法，包括如下步骤：

1)在岩石表面贴上用于坐标识别的参考点：对岩体试样的表面进行清理，贴上参考点；

2)构建岩石块体表面的三维数值模型：利用三维扫描仪对岩体表面进行扫描，获得裂隙岩体的三维表面形态的测量数据，利用逆向工程软件完成对扫描数据的拼合，获得岩体的三维数值模型，记录参考点的坐标；

3)岩石块体的分解：沿着岩体内部的天然贯通裂隙将块体分解，分解后获得含有内部裂隙面的各块体，保留块体上的参考点；

4)构建各个岩石块体的三维数值模型：利用三维扫描仪对分解的块体进行逐个扫描，同步骤2)获得三维表面数值模型，记录扫描的参考点坐标；

5)岩体三维数值模型的重构：利用分解之前参考点的坐标对获得的三维数值模型进行坐标转化拼接，即获得重构的裂隙岩体三维数值模型。

所述的参考点为特制的可用于坐标识别的参考点，三维扫描仪扫描之后建立三维数值模型，参考点可被识别和标记出。

所述步骤2)中，所述的三维扫描仪在扫描过程中，收集的数据即为点云的三维坐标，因此，只要参考点可被三维扫描仪识别，即可记录参考点的坐标。

所述步骤1)中，所述的贴参考点需要注意的是，在岩体表面贴参考点，不得覆盖表面裂隙，且参考点为了便于块体的重构拼接，不能规则分布，在分解块体时，不得对参考点进行任何的移动、撕毁。

优选的，所述三维扫描仪为高精度结构光三维扫描仪，亦可是其他高精度三维扫描仪。

所述逆向工程软件及参考点坐标转化拼接，需要用到数据采集软件、数据分析软件和点云处理软件。

更进一步，获得的三维数值模型包含了岩体内部各条裂隙的表面形态和空间坐标数据。

由于采用了上述技术方案，本发明所取得有益效果为：

1)本发明中建立的裂隙岩体三维模型由真实的裂隙岩体所得，可完全还原岩体中裂隙的三维空间分布和表面形态。裂隙岩体三维模型可用于数值模拟，和实验结果作对比分析。可基于实测数据改变裂隙长度、开度、粗糙度等参数以及模型尺寸，实施多参数分析。

2)本发明中运用参考点的相对坐标转化拼接分解的块体，此方法在建立裂隙岩体三维模型中第一次试用。坐标转化的优点是可将分解后散乱的块体按原状拼接，且拼接后得到的模型可还原真实的内部裂隙面发育情况。

3)利用高精度三维扫描仪，裂隙面的模拟效果好，具有很好的操作性和实用性。

附图说明

图1为贴了参考点的裂隙岩体以及沿裂隙分解块体的式样。

图2为扫描前裂隙岩体的三维数值模型。

图3为重构后的裂隙岩体三维数值模型。

其中，1、参考点，2、分解的块体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图3，一种基于分解-重构建立裂隙岩体三维数值模型的方法，包括如下步骤：

1)现场采集天然裂隙岩体试样，对岩体试样的表面进行清理，贴上参考点(如附图1)。参考点如附图1上所示，不能规则分布，不得覆盖裂隙。

2)利用三维扫描仪对岩体表面进行扫描，获得裂隙岩体各个表面的测量数据，利用逆向工程软件完成对扫描数据的拼合，获得裂隙岩体的三维表面数值模型，记录参考点的坐标。即附图2所示的三维模型，对岩体表面的扫描只能显示表面裂缝的情况，不能反映内部裂隙的发育。

3)沿着岩体内部的天然裂隙将块体分解，分解后获得含有内部裂隙面的各块体，保留块体上的参考点。

4)利用三维扫描仪对分解的块体进行逐个扫描，同步骤2)获得三维数值模型，记录扫描的参考点坐标，利用分解之前参考点的坐标对获得的三维数值模型进行坐标转化拼接，即获得重构的三维数值模型。附图3为重构后裂隙岩体的三维数值模型，可以精确反映内部裂隙的表面形态和空间分布情况。

所述的参考点为特制的可用于坐标识别的参考点，三维扫描仪扫描之后建立三维数值模型，参考点可被识别和标记出。

所述步骤2)中，所述的，三维扫描仪在扫描过程中，收集的数据即为点云的三维坐标，因此，只要参考点可被三维扫描仪识别，即可记录参考点的坐标。

所述步骤1)中，所述的贴参考点需要注意的是，在岩体表面贴参考点，不得覆盖表面裂隙，且参考点为了便于块体的重构拼接，不能规则分布，在分解块体时，不得对参考点进行任何的移动、撕毁。

优选的，所述三维扫描仪为高精度结构光三维扫描仪，亦可是其他高精度三维扫描仪。

所述逆向工程软件及参考点坐标转化拼接，需要用到数据采集软件、数据分析软件和点云处理软件。

更进一步，获得的三维数值模型包含了岩体内部各条裂隙的表面形态和空间坐标数据。