岩体结构面网络模拟的工程应用

岩体结构面网络模拟的工程应用一、结构而网络模拟的简介1、结构面概念结构面作为组成岩体基本单元之一，它是岩体结构的薄弱环节。结构面相互之间的组合、交切和围限情况则控制着岩块的形态和规模。因此，在岩体的两大基本组成单元之中，结构面在岩体的力学性质中起着决定性的控制作用，是影响岩体强度和变形的主要因素。从而，对结构面的研究在岩体结构研究领域显得非常重要且十分有意义。在漫长的地质历史演变过程中，岩体受到了多期构造应力场的长期作用，使得结构面的分布具有随机性、形态具有多样性、空间组合具有复杂性。而目前的地质勘察手段仅仅只能采取到岩体天然或人工露头面出露的有限结构面样本数据。如何利用有限的样本数据，实现岩体内部结构的显示是当前岩体力学研究的热点。随着计算机技术的迅速发展，各种模拟岩体结构面网络的技术逐步发展起来，并开始探讨其在实际工程中的应用。通过对岩体结构面三维网络的计算机模拟技术的学习。了解到通过对岩体露头进行勘测，采取有效的样本数据，进而分析推求岩体的内部结构，“由表及里”，实现岩体结构的仿真模拟图像化。并将其应用到岩质边坡工程中，进行了初步的应用探讨。结构面三维网络模拟是基于数学统计理论和MonteCarlo随机模拟原理两个基本理论，将岩体露头面的大量结构面几何特征数据进行有效统计分析找出其基本规律，建立合适的岩体模型，将结构面的空间分布形态合理地进行模拟，并以数字图像形式直观呈现。在岩质边坡工程中的应用，则是基于岩体结构面的三维网络，实现岩质边坡潜在滑动面的搜索以及边坡临空面危岩块体的搜索，进而对边坡整体的稳定性和临空危岩楔体的稳定性进行分析和评价，用以指导边坡防护设计及其措施优化的依据。2、结构面网络模拟原理及其研究现状自然界中的岩体，通常都包含有大量不连续分布的结构面，其分布状况对岩体的宏观力学特性起着重要的控制作用。在工程实际中，岩体结构面的分布情况是极为复杂的，但从统计意义上讲，反映岩体结构面分布特征的几何参数（倾向、倾角、迹长、间距等）都是服从一定的统计规律的。因此我们可以通过在现场一定范围内对结构面做野外实测，通过分析整理得出结构面各几何参数的分布函数形式及其相应的平均值、标准差，再通过计算机程序对结构面进行网络模拟。总体说来，计算机结构面网络模拟就是根据现场量测到的结构面的各种几何参数的概率分布函数，来推求服从这些分布规律的结构面网络几何图形。实现计算机网络模拟过程所采用的方法为蒙特•卡洛方法。自上世纪50年代开始，就有人致力于结构面网络模拟的研究，并得出了各种模型及方法。国内的汪小刚、陈祖煜教授在岩石结构面网络模拟方面做了大量的工作，陈剑平教授在三维网络模拟方面取得了一定的成果。利用这些方法均可以获得岩体的连通率，进而根据岩石、结构面的强度得到岩体的强度参数。现今，结构面网络模拟己被广泛应用于多项生产实际之中。二、结构面网络模拟的主要方法这里的模拟过程主要是指结构面网络图、连通图、线密度图、RQD图的实现。大体做法及应用存在于以下几个方面：基于概率统计理论的现场结构面样本资料的系统化量测和统计分析方法；（2）应用随机模拟理论（蒙特卡罗模拟法）的计算机再现模拟。随机模拟，也称蒙特卡罗模拟法，它是一种通过对随机变量的模拟和统计试验来求工程技术问题近似解的方法。应用随机模拟法的第一步是建立与所要解决问题有相似性的概率模型（随机事件、随机变量）；然后对这种相似概率模型进行随机抽样模拟，使随机过程得以实现；最后对模拟结果进行统计处理，以给出所求问题的解和解的精度的估计。其理论基础是“大数定律”。结构面网络的随机模拟就是在结构面分组的基础上，通过对结构面各几何参数进行统计，得到其分布模型，并借助这些模型，模拟产生与这个概率模型相似或平行的随机数，在计算机上再现结构面在三维工程岩体中的分布。在本文采用的模拟中，假定结构血的形状为薄圆盘，其实现过程如下所述：采用测线法进行野外结构面测量，获取大量结构面调查资料。室内将结构面产状及其法向的极点投影至等面积的施密特图上，得到结构面等密度图，由等密度图可以进行结构面分组，获得优势结构面的组数；当然这只是数量优势结构面，在实践中还需结合工程判断，区分出统计优势结构面和地质优势结构面，突出真正对工程意义重大的优势结构面。获得结构面分组后，可以对各组优势结构面分别统计，同时对产状和迹长进行偏差校正，确定各几何特征参数的概率分布类型、均值、方差。依据优势结构面组数，及各组优势结构面的几何特征参数，进行蒙特卡罗网络模拟，得到岩体的结构面网络模型。并可切割模型，绘制结构面在横剖面、纵剖血及平面上的网络图。横剖面走向与测线走向一致，纵剖面走向与测线垂直，平面走向为正东方向。网络模型生成后，还不能直接用于工程运用与计算，还需要进行模型检验。所谓模型检验，即在生成的模型中切取与实际取样段同样大小的检验窗，将检验窗中出露的迹长、产状、出露的结构面条数等信息与野外实际取样段内的信息进行图形和数值对比，如果各个参数的数值接近，则认为模型检验结果良好，可以参与工程计算；如果模型与实际情况差距较大，则必须重新模拟，使模型与实际情况尽量一致，降低尺寸效应的影响1、岩体结构面几何参数的概率统计模型建立岩体结构面几何参数的概率统计模型是进行结构面网络模拟的前提和基础。岩体结构面的空间分布特征主要由结构面的倾向、倾角、隙宽（开度）和迹长（延伸长度）等几何参数所决定。这些参数的样本资料可通过在现场露头、平硐或钻孔（测井）中测量获得。结构面每个几何参数的概率统计模型，可以采用标准的统计分析方法建立，目前我们已提供了一个十分便利的应用程序。该方法包括以下几个步骤：（1）建立一个样本的直方图；（2）根据概率图，找到与样本最适配的一种概率密度分布函数；（3）通过极大似然法或最小二乘拟合，求出与选定的概率分布函数相关联的样本的统计参数，如平均值和标准偏差。2、岩体结构面网络计算机模拟岩体结构面网络计算机模拟过程实际上是结构面现场测量统计的逆过程。概括起来说，就是根据实测统计分析建立的关于结构面几何参数的概率统计模型，应用蒙特卡洛法，按已知密度函数进行“采样”从而得出与实际分布函数相“平行”或相“对应”的人工随机变量，这些变量包括了结构面的的倾向、倾角、结构面的长度以及位置等，然后在计算机中以图象的形式再现出来。3、节理岩体连通率的确定方法当岩体受剪破坏时，滑裂面一部分通过岩体中的结构面，一部分通过这些结构面之间的完整岩石（岩桥），确定由结构面和岩桥共同提供的岩体综合抗剪强度，始终是工程界广泛关注的问题。与这个问题密切相关的，就是确定节理岩体连通率的问题。与以往纯几何（投影法）的概念不同，在我们的研究工作中对连通率的定义作了扩充，将连通率定义为岩体沿某一剪切方向发生剪切破坏所形成的破坏路径中结构而所占的比例：k=一』JL+RBR式中】JL和ERBR分别代表剪切路径上结构面和岩桥的总长度。4、考虑节理掩体连通率各异性的边坡稳定分析方法在现有的各种边坡稳定极限平衡分析方法中，由于Sarma法采用了斜分条的模式，可以很好的模拟包含在岩体内的各个不同方向的结构面，因此在岩质边坡中得到了广泛的应用。最近，我们将连通率的分析结果引入到边坡稳定分析中，发展了一种在Sarma法中可考虑节理岩体连通率各向异性的稳定分析的新方法［16］。在该方法中，底滑面和条间界面的抗剪强度指标根据与它们剪切方向相关的连通率来确定。5、层状岩体块体离散及倾倒分析地质概化模型的建立。倾倒破坏是反倾向层状结构岩质边坡常见的一种失稳破坏形式，当岩体中又同时存在有一组或几组顺坡向结构而时，这种破坏形式就更为典型。目前对倾倒破坏的研究，主要采用的是Hoek［20］的极限平衡分析、离散元分析以及模型试验等方法。无论采用何种方法，地质模型的概化（即合理的块体离散）是必须首先解决的问题。但是，实际工程中岩体结构面的分布情况是极为复杂的，要从如此复杂的网络图中，抽取出计算分析和试验所能采用的概化模式，并不是一件容易的事情。由于受结构而随机分布的影响，在概化模型的建立过程中，重要是确定与块体离散有关特征参量的统计均值，或者按某一概率分位数选取的办法，建立稳定分析和试验所需的概化模式。当然如果采用可靠度的分析方法，将这些参量直接作为随机变量来处理，则更为合理。6、结构面模拟分析在岩体质量研究中的应用在总结以往岩体质量分类经验基础上，突出岩体的结构特征分析与研究，阐明了岩体质量评价的理论方法、指标体系，结合实例建立了一种简洁、实用的岩体质量评价体系。在这一系统中，突出了岩体结构面网络模拟分析在评价中对确定ROD值的重要性，解决了ROD值的定量分析。通过工程实践说明这一评价体系对工程建设具有重要指导意义。7、利用岩石结构面网络模拟计算岩体带宽连通率及岩体强度参数利用路径搜索法计算岩体的连通率，所得到的破坏路径是一条折线，计算强度参数时就要根据岩体的破坏机理进行分析计算。而利用带宽投影法进行计算时，剪切方向为一条直线，计算得出的带宽连通率即是此方向上的连通率。三、结构面网络模拟的应用实例拟建的金沙江白鹤滩电站位于金沙江下游攀枝花至宜宾河段。坝址区主要出露二叠系上统玄武岩和三叠系下统砂页岩，玄武岩由于受喷发旋回影响，可以划分为斜斑玄武岩、隐晶-微晶玄武岩和柱状节理玄武岩等几类，其中隐晶-微晶玄武岩呈块状构造，主要发育3组陡倾构造裂隙。在现场采用测窗法对隐晶-微晶玄武岩中的构造裂隙进行量测，并取典型岩块和结构面样进行室内试验。图8是依据结构面量测结果绘制的产状等密度图，表1中给出了各组结构面特征参数的统计结果，同时还给出了各组结构面变形参数的室内试验结果，图9是在计算机中生成的5m范围内的随机裂隙网络。图10和图11分别为在图9的基上生成的连通水力网络和有限元网格。给图10中的连通水力网络施加图12所示水头边界条件（左右两侧定水头，顶、底面渐变水头）、给图11中的有限元网格施加图13所示荷载边界条件（顶、底面受均布荷载作用），分别进行裂隙网络渗流模拟和线弹性有限元计算，可以得到图14所示水头等值线图和图15所示y方向位移等值线图，图中对应给出了节理网络形态。有限元计算时岩块弹性模量取60GPa，泊松比取0.23。由计算结果不难看出，节理网络的存在对渗流场和变形场有较大影响，考虑节理网络的渗流场、位移场模拟结果较不考虑节理网络的均质体模拟结果更真实、更合理。

图8蕴构町样本产状等密度图Flg.SDeinisityrcrnhwof心mtwphties图9图8蕴构町样本产状等密度图Flg.SDeinisityrcrnhwof心mtwphtiesftl辎缮肉面样本儿有豚旗果甦哄Hit'觐械喉F娜0CMiEcirrthydradkDdwml图iiwisswrwffiFig.LLFiiitetkmdsgridHit'觐械喉F娜0CMiEcirrthydradkDdwml图iiwisswrwffiFig.LLFiiitetkmdsgridif度侬静证长!EL方曲。国％,皿1法明诚GPamG?a'in两值分布廊健均值451.00[>.6751.505.2(10.S81.3111.0站4.01.03听1OIE番亦25.950.4?邱负楠1.2O.tir京。卫138.^02LM0.231.2(115OJ

图口木头也昇条件图H荷箴边界条件Tig.liLo丽bound^jycondirionFig.12HydradiettJid.图口木头也昇条件图H荷箴边界条件Tig.liLo丽bound^jycondirionFig.12HydradiettJid.boundiiiycondition图15.1方向位移簪僮岫睛果(单也皿》曰虬15Cffiutomsofdi§pJiU£inEiLt§JicrciniiiLgtoilwvisfiniil:trn)Fig.14C'0ufomn5ofhydraulicLead(unit:m)四、总结在工程实际中，岩体结构面的分布情况是极为复杂的。但从统计意义上来说，反映岩体结构面的分布特征的几何参数则服从一定的概率分布规律。因此，我们可以通过现场实地调查和室内统计分析，建立结构面几何参数的概率统计模型，进而应用随机模拟的方法，在计算机上求得表征结构面分布特征的节理网络图象。岩体结构面网络模拟过程实际上是一个现场测量统计的逆过程。概括而言，就是根据实测统计分析建立的关于结构面各几何特征参数的概率密度函数，通过蒙特卡罗方法，按已知密度函数进行〃采样”，从而得出与实际分布函数相“平行〃或相〃对应〃的人工随机变量。这些随机变量包括了结构面的倾向、倾角、结构面的长度以及结构面位于模拟区域内的中点坐标等，进而可以推算出每一条结构面的端点坐标。所有这些结构面组合起来即构成了岩体结构面的网络图象。但是这个节理网络图象并不是岩体节理面的真实图象，它只是真实图像的一个随机抽样。随着这种随机抽样数目的增加，在模拟图象上获得的信息的平均值将逐步逼近该信息的真实值。主要参阅文献：1、《结构面模拟分析在岩体质量研究中的应用》王环玲，余宏明，晏鄂川（中国地质大学（武汉）工程学院武汉市430074）2、《岩体结构面网络计算机模拟及其