岩体三维网络模拟技术及其在三峡工程中的应用

1、 收稿日期:19972122163国家自然科学基金资助项目, 三峡水利枢纽工程几个关键问题的应用基础研究, 专题 24, 基金号(59493600 。第一作者简介:邬爱清男长江科学院岩基研究所高级工程师硕士主要从事岩石力学数值分析计算岩体三维网络模拟技术及其在三峡工程中的应用3邬爱清周火明任放(岩基研究所摘要, 岩体三维网络模拟分析程序。程序分析内容包括:图; , , 并分析其几何特征值, , , , 。关键词0前言岩体是一种地质结构体, 岩体力学性质与其结构条件密切相关。对岩体结构条件进行定量化研究, 并在岩体力学特性分析中考虑结构条件的影响, 是岩石力学的主要研究课题。用统计学方法对岩体结

2、构参数进行定量化描述和分析, 包括岩体结构参数(产状、结构面分组、结构面间距、迹线长度、结构面面密度和体密度等 的统计分析方法和参数的分布特征研究等, 已取得了基础性成果。对于一定工程岩体, 岩体结构条件研究还应与其所处的工程环境相联系。对岩体开挖工程而言, 岩体结构条件的研究不仅只局限于对岩体结构参数的描述, 还应包括岩体结构与岩体开挖面间的相互切割关系。因为岩体结构条件对工程岩体的影响效果还与岩体开挖方位等工程设计参数相关。后者对工程更具有针对性。本文应用岩体结构统计理论及研究成果, 对三维岩体开挖面上节理迹线生成及其迹线网络搜索技术进行了深入研究。初步开发完成了岩体三维节理网络模拟分析程

3、序。程序分析内容包括:绘制任意给定开挖面或复杂开挖边界上的岩体节理迹线分布图; 在三维迹线图上搜索出由结构面切割形成的各闭合块体区域, 进一步搜索可移动性块体, 并分析其几何特征值。最后, 根据对某工程船闸高边坡施工期典型区段开挖面岩体结构的调查资料和分析结果, 用已开发的程序, 对岩体结构条件进行了初步模拟分析。1岩体三维网络模拟程序实现过程1. 1三维结构面模拟生成在进行岩体三维网络模拟分析时, 结构面假定为圆盘形, 结构面中心点在空间服从泊松分布。任何一个结构面可用一组参数来确定:结构面倾角、倾向、半径及其中心点坐标。结构面半径用结构面迹线统计均值按式(1 进行计算1。a =2×

4、;l (1 式中:l 为结构面迹长均值; a 为结构面半径。若结构面迹长服从负指数分布, 相应结构面半径也服从负指数分布。结构面体积密度, 即单位体积内结构面数量可按式(2 计算1。v =2(2mi=1i a 2i (2式中:m 为结构面组数; i 为结构面线密度; a i 为第i 组结构面半径均值。根据结构面产状、半径的概率分布及结构面体第15卷第6期长江科学院院报V o l . 15N o. 61998年12月Journal of Yangtze R iver Scientific Research Institute Dec . 1998 积密度, 并根据结构面中心点服从泊松分布的假定,

5、 便构成了任意岩体区域范围内结构面三维空间信息。对于确定性结构面, 如岩体中定位断层等, 可直接输入相应结构面参数信息。1. 2程序实现过程图1中绘出了岩体三维网络模拟实施过程程序框图。图1岩体三维网络模拟研究实施过程工程岩体特征评价岩石力学试验结果岩体结构条件概化分析关键块体特征岩体完整程度迹线分布特征开挖面节理迹线计算可移动块体搜索三维块体区域搜索数量、产状、半径建立岩体三维模型定位结构面测量裂隙资料统计2三维网络模拟计算技术研究对于已建立的岩体三维区域模型, 为在三维岩体开挖面上进行结构面迹线计算及结构面网络搜索分析, 需解决以下几方面相关计算技术。2. 1有界空间开挖面与空间有界园盘形

6、结构面的相交切割节理迹线即为结构面与开挖面交线中位于开挖面有界区域内的部分线段。园盘形结构面与开挖面所在平面相交与否, 可根据结构面所在平面内园盘中心点至开挖面平面的距离来判断。园盘与开挖面平面的交线线段是否位于开挖面区域以内, 可用图2所示的交点法来判断2。在开挖面所在平面内, P 1, , P n 为开挖面闭合区域, D (x , y 为园盘与开挖面平面交线上的点。过D 点向开挖面区域作射线DD , 若DD 与开挖面区域交点为偶数, 则D 点位于开挖面区域以外, 若交点数为奇数, D 点位于开挖面区域以内。2. 2开挖面迹线半平面与所在结构面半空间关系判断如图3, P e 为开挖面平面,

7、X , Y 为P e 面内局图2D 与闭合区域位置关部坐标系坐标轴矢量, X 水平, Y 与平面P e 的倾向线矢量相反。P i 为岩体中一个结构面, ni 为该结构面向上法线矢量。E 1E 2为P e 和P i 。图3迹线半平面与结果面半空间关系i Y >e , 2平面与P i 的上、下半空间对应; 如果n i Y <0,E 1E 2的上、下半平面与P i 的下、上半空间对应。该判断关系可以将结构面空间切割问题用开挖面上迹线的切割问题来表示。2. 3相邻交点的有序排列对节理迹线网格进行搜索分析时, 一个基本环节是, 对网络图中的任何一个交点, 需找出与该交点相连接的所有交点, 并

8、将这些交点在空间进行有序排列。在三维条件下迹线交点有序排列可用图4所示方法实现。图4(a 交点I 在开挖面内如图4(a , 若迹线交点I 在某开挖面内, 如I 交点在P 1面内, 与I 交点相连的各相邻交点J 1, J 2, J n 也在该开挖面内, 在该图4(b 交点I 在开挖面交线上开挖面内, 计算IJ k方位角k (k =1, 2, , n , 并根据k 大小, 将J 1, J 2, , J n 有序排列。若迹线交点I 在两个开挖面交线上, 如图4(b , 与I 交点相连的各交点J 1, J 2, , J n 形成的矢量IJ 1, IJ 2, IJ n 为空间矢量。将I 交点的各相连交点

9、划分成P 1平面和P 2平面两类, 即J 11, J 12, J 1k 1为P 1面内相连交点, J 21, J 22, J 2k 2为P 2平61长江科学院院报1998年 3长江委三峡勘测研究院, 长江三峡水利枢纽单项工程技术设计报告, 永久船闸工程地质勘察报告(送审稿 , 1994面内交点。n1, n 2为P 1, P 2面向岩体外侧法向矢量。选择交线矢量IE 1, 使得(IJ 1k 1×n 1 IE 1>0,则P 1面内各相连交点J 11, J 12, J 1k 1的方位角可用相应交点矢量IJ 11, IJ 12, IJ 1k 1与IE 1的夹角1k 表示(k =1, 2

10、, , k 1 ; P 2面内各交点方位角用相应矢量IJ 2k 与IE 2的夹角2k +180°表示(k =1, 2, , k 2 。根据I 交点各相邻交点相应方位角大小, 对各相邻交点进行顺序排列。2. 4一般形状块体体积计算一般形状块体包括凸形块体及凹形块体得3。图5块体侧面投影柱体块体有n 个侧面, m 个角点。在块体的m 个角点中, 找出其最小Z 坐标为Z m in 。将各角点均投影到Z =Z m in 平面上。每个侧面相应有一闭合投影区域。各侧面与其相应闭合投影区域之间构成一铅直柱体, 称为该侧面的投影柱体, 如图5。若图5中P i 侧面投影柱体体积为V i (A i 1,

11、 ,A ik i ; A i 1, , A ik i , 则P i 侧面有向投影柱体体积为V i (A i 1, , A ik i , A i 1, , A ik i =sign (n i Z V i (A i 1, , A ik i , A i 1, , A ik i (3式中:n i 为P i 侧面的外法向矢量; Z 为Z 坐标矢量; sign (x 为符号函数。一般形状块体体积为V n =2ni =1V i (A i 1, , A ik i , A i 1, , A ik i (4 3应用实例以三峡工程船闸高边坡的岩体开挖为研究对象, 根据典型区段岩体结构面调查资料, 利用已开发的三维网

12、络模拟程序, 对相应岩体开挖面上岩体结构特征进行模拟和分析。3. 1计算条件表1为某典型统计区段统计得出的岩体结构面参数值。表1中, 结构面间距和迹长按负指数分布计算, 岩体开挖面选取船闸高边坡北坡的两个开挖台阶边坡范围, 台阶以上坡面倾向为S W 201°, 倾角75°, 坡段高度15m 。台阶以下坡面倾向S W 201°, 倾角90°, 20m 。开挖面沿边坡30m 60m 。表1典型区段结构面参数取值统计区号分组产状倾向 (° 倾角 (° 间距 m迹长 mIN EE SE 160782. 18614. 9N EE NW 3208

13、01. 30315. 73NNW N E 65753. 56211. 63NNW S W255757. 39411. 133. 2三维节理迹线网络特征图6(a 、图6(b 和图6(c 分别为边坡开挖面上节理迹线三维展布图、迹线连通网络图及关键块体分布图。开挖面上关键块体(可移性块体 可根据表1中结构面和开挖面全空间赤平投影图判断得出4。关键块体类型为1001, 即表1中第一、四组结构面下半空间和第二、三组结构面上半空间切割形成的块体。3. 3块体块径分布特征研究根据节理岩体中块体块径大小, 地质部门将岩体结构划为不同的结构类型:整体结构(块径大于1. 0m 、块状结构(块径0. 51. 0m

14、、次块状结构(0. 30. 5m 、碎裂结构(00. 3m 和镶嵌结构等类型3。根据上述对岩体结构的分类方法, 并利用三维网络模拟分析程序, 分析任意开挖面上由节理迹线切割形成的闭合块体的块径分布特征。若开挖面上某闭合区域面积为S , 定义该闭合区域所代表的块体块径为D =S 。表2为经7次迹线网络模拟分析得出的开挖面上台阶以下倾角为90°坡面(P 2面 及边坡横断面(P 1面 块体块径概率分布值及块体块径平均值。71第6期邬爱清等岩体三维网络模拟技术及其在三峡工程中的应用 a (b 节理迹线网络连通图(c 关键块体分布图图6岩体开挖面三维迹线网络图表中, 块径单位为类, 统计区段岩

15、体结构主要为块状至整体结构岩体。表2岩体开挖面上块体块径统计分析结果m开挖面产状倾向 (° 倾角 (° 平均块径区间概率值(%<0. 30. 30. 50. 51. 01. 03. 53. 55. 0>5. 0P 1111901. 950. 030. 22. 726. 520. 749. 8P 2201901. 560. 070. 24. 245. 629. 919. 84结语本文利用岩体结构统计理论及研究成果, 对三维岩体开挖面上节理迹线生成及其迹线网络搜索技术进行了深入研究。解决了程序实现过程中相应的计算技术问题, 包括如何用任意开挖面上的节理迹线表示相应结

16、构面的三维信息, 在三维开挖面迹线网络图上如何进行迹线网络的搜索等。岩体结构条件的研究包括开挖面上迹线分布特征、迹线切割形成的闭合块体块径大小的定量分布及开挖面迹线网络图上关键块体搜索和分析等研究内容。块体理论解决了复杂结构岩体中所有可移动块体边界构成的数学判断问题4。利用块体理论和三维网络搜索技术对存在于三维网络图中的所有可移动块体作进一步搜索和分析, 从而扩大了三维迹线网络模拟技术的工程应用范围。利用文中三维网络模拟研究方法可以形象显示和定量分析不同岩体结构条件下岩体开挖面上节理切割特征, 或相同结构条件岩体对不同空间开挖面所产生的影响。该分析方法对边坡明挖或洞室开挖均实用。另外, 该方法

17、对岩体渗流及岩体爆破方面的研究, 也可作为一个基础性工作。参考文献1伍法权. 统计岩体力学原理. 北京:中国地质大学出版社, 19932石根华著. 块体系统不连续变形数值分析新方法. 任放,陈扬友, 邬爱清等译. 北京:科学出版社, 19933邬爱清, 任放, 郭玉. 节理岩体开挖面上块体随机分布及锚固方式研究. 长江科学院院报, 1991(44Goodm an R E , Sh i Genhua . B lock T heo ry and its A pp li 2cati on to Rock Engineering . Englew ood C liffs , N ew Je 2sery

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19、eli o t D . Generating a B lock Rock M ass . Int . J . RockM ech . M in . Sci. &Geom ech . A bstr . 1988, 25(3 (编辑:罗淦堂(下转第22页81长江科学院院报1998年 结果来估计岩体的强度和变形参数。参考文献1Goodm an R E . Introducti on to Rock M echanics . N ewYo rk :W iley , 19892Hoek E , B row n E T . Emp irical Strength C riteri on ofRoc

20、k M asses , J . Geo tech . Engrg , 1980, 106:101310353Schultz R A . L i m its on Strength and D efo r m ati on P rop 2erties of Jo inted Basaltic Rock M asses. Rock M ech . Rock Engrg , 1995, 28(1 :1154B ieniaw sk i Z T . D eter m ining Rock M ass D efo r m ability .Int . J . Rock M ech . M in . Sci

21、. , 1978, 15(5 :2372475D eere D U . T echnicalD escri p ti on of Co res fo r Engineer 2ing Purpo ses . Rock M ech . Eng . Geo t . , 1963, 1(1 :1622(编辑:罗淦堂Strength and D on of Basaltic Rock M assesin , H uang R unqiu(In stitu te of T echno logy , Chengdu 610059Abstract T h rough field investigati on

22、and com b in ing w ith site test and rock m ass classificati on , the strength and defo r m ati on p roperties of the basaltic rock m ass at som e dam stie have been studied . T he re 2search resu lts show that the un iax ial com p ress , shear strength and cohesi on fo rce of the basaltic rock m as

23、sare 12m agn itudes low er than tho se of in tact rock , and its defo r m ati on m odu lu s is 12ti m es low er than that of in tact rock . the com p ress strength of basaltic rock m ass increases by 23ti m es from upper part , low er p art of w eak ly w eathered rock m ass to fresh one , W h ile te

24、n si on strength increases w ith 1m agn i 2tude .Keywords basaltic ; rock m ass ; strength p roperty ; defo r m ati on p roperty(上接第18页R esearch on 32D Rock Jo in t N etw o rk Si m u lati on T echn iquesand Its A pp licati on to T GPW u A iqing , Zhou H uom ing , R en Fan(Yangtze R iver Scien tific

25、R esearch In stitu te , W uhan 430010Abstract B ased on research w o rk s of generating 32D jo in t traces on rock excavati on su rfaces and search 2ing trace netw o rk techn ique , a co rresponding com p u ter p rogram fo r 32D jo in t si m u lati on analysis w as de 2velop ed , w h ich includes draw ing 32D