（水工结构工程专业论文）水工岩体结构三维精细建模与曲面块体分析理论与应用研究.pdf

摘要 在大型水电工程中，岩体结构是控制坝基坝肩、地下结构和边坡工程等稳定 的主要因素之一。对于深埋于坚硬、高应力的岩体内的地下引水发电系统，其区 域性地质构造和岩体内随机发育的节理裂隙等构成了地下洞室区域复杂的地质 环境，而这些岩体结构面和开挖面组合切割得到的工程岩石块体的失稳将导致洞 室围岩的破坏并影响到工程安全。因此，准确分析和预测地下洞室区域的岩石块 体信息，包括块体的位置、几何形态、块体与地下结构的相互关系的确定，是大 跨度地下洞室设计与施工中需要解决的关键问题之一。本文在水电工程原始地质 数据分析的基础上，针对不同类型的地质表达数据研究了确定型建模地质构 造三维建模技术和随机型建模随机结构面三维网络模拟技术，提出了水电工 程岩体结构三维精细建模的理论与方法；在岩体结构三维精细模型的支持下，进 行地下洞室曲面块体的识别分析研究。本文主要工作与研究成果如下： 1 针对水电工程地质构造特点，基于确定型地质数据，引入水电工程地质 构造三维建模方法。研究了面向水电工程地质的三维混合数据结构，地质构造曲 面和地质体的n u r b s 构造技术等，并对岩体结构中的地质构造对象( 如地层、 断层等) 提出了相应的拟合构造和几何建模方法，完成水电工程三维地质构造模 型的建立，该模型满足了精度高、数据量小的要求。 2 针对裂隙发育的随机性、分组性和分区性特点，基于统计型裂隙数据， 引入随机结构面三维网络模拟技术，进行工程区域随机裂隙网络模拟。研究了基 于实测数据的模拟裂隙面动态校核技术，以保证模拟结果在采样区与现场情况一 致，提高模拟真实性；在三维地质构造模型支持下，研究在地质构造约束区内裂 隙面的动态模拟；耦合三维地质构造模型，建立了岩体结构三维精细模型，精细 地描述了工程区域复杂的岩体构造系统。 3 基于岩体结构三维精细模型，进行地下洞室工程岩石块体的识别分析研 究。提出曲面块体的概念和数学定义，并提出曲面块体识别的三大定理封闭 性、完备性和唯一性，为块体识别奠定理论基础；提出了基于无向图的地质结构 面网络优化方法，极大地提高了块体识别效率；结合洞室开挖面，设计了约束曲 面块体和自由曲面块体的识别功能；研究曲面块体数据结构，并分析其空间几何 形态，为进一步的块体稳定性分析提供可靠的地质属性和几何信息。 4 依托某水电工程，对上述理论、技术和方法进行了完整、系统的应用研 究。建立了该工程区域的三维地质构造模型和岩体结构三维精细模型，并进行地 下洞室曲面块体识别和块体几何形态的分析，为进一步的稳定分析和围岩支护提 供有价值的定性和定量数据。 关键词：水电工程；岩体结构；三维精细建模；随机裂隙面网络模拟；曲面块体； 地下洞室 a b s t r a c t r o c ks t r u c t u r ei so n eo fm a i nf a c t o r s i n f l u e n c i n gs t a b i l i 西p r o b l e mo fd a m f o u n d a t i o n ， d a ms h o u l d e r ， u n d e r g r o u n ds t r u c t u r e sa n ds l o p ee n g i n e e r i n g i n l a 曙e s c a l eh y d r o e l e c t r i cp r o j e c t ，u n d e 唱r o u n dw a t e rd i v e r s i o na n dp o w e rg e n e r a t i o n s y s t e mi sm o s t l yl a i dd e e p l yi n t os o l i dr o c km a s sw i t hh i g hg e o s t r e s s ，a n dc o m p l i c a t e g e o l o g i c a le n v i r o n m e n ts u n o u n d i n gt h eu n d e 曙r o u n ds t r u c t u r e si sm a d eu po f r e g i o n a lg e o l o g i c a ls t r u c t u r e s ，s u c ha sf a u l t ，w e a ki n t e r c a l a t e dl a y e r s ，a n di n t e r l a v e r s h e a rz o n e ，a n df i s s u r es t m c t u r e ss t o c h a s t i c a l l yd e v e l o p i n gi n s i d er o c km a s s t h e s e g e o l o g i c a id i s c o n t i n u i t i e sa n de x c a v a t i o nf a c eo fu n d e r g r o u n d 鳓m c t u r e si n t e r s e c t w i t he a c ho t h e r ，a n dm a n ye n g i n e e r i n gb 】o c k sa r ec u to 成i n s t a b t yo f t h e s eb l o c k s w i l ll e a dt od e s t r u c t i o no fc a v es u l l r o u n d i n gr o c k ，a n dt h e ni n f l u e n c ep r o i e c ts a f e 谚 t h e r e f o r e ， a c c u r a t e a n a l y s i s a n dp r e d i c t i o nf o rb l o c ki n f o r m a t i o ns u r r o u n d i n g u n d e 喈r o u n ds t n j c t u r e s ，i n c l u d i n gp o s i t i o n ，g e o m e t r i c a im o 叩h o l o g y 卸dr e i a t i o n s h i p w i t hs t m c t u r e s ，i so n eo fk e yp r o b l e m sd u r i n gd e s i g n i n ga n dc o n s t r u c t i o no fl a 唱e s p a nu n d e 曙r o u n dc a v e m b a s eo na n a l y s i so fg e o l o g i c a ld a t af o rh y d r o e l e c t r i c p r l 0 0 e c ta n dc o m b i n g3 dg e o l o g i c a lm o d e l i n gw i t h3 dn e t w o r ks i m u l a t i o no f d i s c o n t i n u i 吼t h e o d ，a n dm e t h o do f3 dr e f j n e dg e o l o g i c a lm o d e l i n gf o r h y d r o e j e c t r i c p r o j e c tw a sp r e s e n t ，a n d ，w i t ht h eh e l po ft h i sm o d e l ，r 印i di d e n t 狮c a t i o nf o r s u r f a c e - b l o c ko fu n d e 唱r o u n ds t m c t u r e sw a ss t u d i e d t h em a i n c o n t e n t sa n d a c h i e v e m e n t sa r ea sf o i l o w s ： 1 b a s e do nd e t e n n i n a t eg e o l o g i c a ld a t aa n da c c o r d i n gt og e o l o g i c a ls t r u c t u r e s c h a r a c t e r i s t i c ，m e t h o do f3 dg e o l o g i c a lm o d e l i n gi si n t i o d u c e df o r h y d r o e l e c t r i c p r o j e c t h y b r i dd a t as t m c t u r eo fe n g i n e e r i n gg e 0 1 0 9 ya n dn u r b sc o n s t m c t i o n t e c h n o l o g yo fg e o l o g i c a ls t m c t u r ef o rh y d r o e l e c t r i cp r o i e c ta r es t u d i e d ，a n dr e l e v a n t g e o m e t r ym o d e l i n gm e t h o d sa r ep r e s e n tf o rd i f r e r e n tk i n do fg e o l o g i c a lo b j e c t t h e n ， 3 dg e o l o g i c a lm o d e lf o rh y d r o e l e c 仃i cp r o j e c ti sr e a l i z e d 2 a c c o r d i n g 白of i s s u r ed e v e l o p m e n tc h a r a c t e r i s t i c ，r a n d o m n e s s ，g r o u p i n ga n d r e g i o n a li z a t i o n ，t h es i m u l a t i o nt e c h n o l o g yo f3 dd i s c o n t i n u j t yn e t w o r kj si n t r o d u c e d t or e c o n s t m c ts t o c h a s t i cf i s s u r ei n e n g i n e e r i n gr e g i o n t bi m p r o v et h er e a l i 够o f s i m u l a t i o n ，t h em e t h o do fd y n a m i cv e r i f i c a t i o nf o rs i m u l a t e df i s s u r e 。b a s e do nf i s s u r e d a t af r o m6 e l dm e a s u r e m e n t ，i sr e s e a r c h e d ，a n dt h e ni t i se n s u r e dt h a ts i m u l a t i o n r e s u l tw 1 l k e e pt h es 锄ea sf i e l dc o n d i t i o ni ns a m p l i n ga r e a w i t ht h eh e i po f3 d g e o l o g i c a ls t r u c t u r em o d e l ，f i s s u r es u r f a c e sa r ed y n 锄i c a l l ys i m u l a t e d ，a n d3 d r e f i n e dg e o l o g i c a lm o d e li sr e b u i l t ，w h i c h6 n e l yd e s c r i p tt h ec o m p i i c a t eg e o i o g i c a i e n v i r o n m e n ti ne n g i n e e r i n gr e g i o n 3 b a s e do n3 dr e n n e d g e o l o g i c a lm o d e l ， t h ei d e n t i 矗c a t i o nm e t h o do f s u r f a c e - b l o c ki nu n d e 唱r o u n ds t r u c t u r e si s s t u d i e d c o n c e p to fs u r f a c e b l o c ki s p r e s e n t e d ，a n di t sd e f i n i t i o ni sm a d e t h r e et h e o r e m s ，s e a l a b i l i t y ，c o m p l e t e n e s sa n d u n i q u e n e s s ，a r ep u tf o n a r dt or e a l i z ei d e n t i n c “o no fs u 晌c e - b l o c k t oi m p r o v e i d e n t i 行c a t i o n e 币c i e n c y ，g e o i o g i c a is t r u c t u r es u r f a c en e t w o r ki so p t i m i z e dw i t h u n d i r e c t e dg r a p h ，a n di d e n t i f i c a t i o nf u n c t i o n so fr e s t r i c ts u i f a c eb l o c ka n d 6 e es u r f a c e b l o c ka r ed e s i g n e d 4 t h ea b o v et h e o r i e sa n dm e t h o d sh a v eb e e na p p l i e dt 0ah y d r o e l e c t r i cp r o j e c t 3 dg e o l o g i c a lm o d e la n d3 dr e f i n e d g e o l o g i c a lm o d e la r er e c o n s t r u c t e d ，t h e n 。 i d e n t i f i c a t i o no fs u r f a c eb l o c k ss u i - r o u n d i n g u n d e 唱r o u n ds n u c t u r e si sd o n e ，a n d g e o m e t 巧o ft h e s eb j o c j ( sa r ea n a l y z e d ，h i c hs u p p l i e sm a n yu s e f u lq u a l i t a t i v ea n d q u a n t i t a t i v ed a t af o rt h ef o l l o w i n gs t a b i l i t ya n a l y s i s 锄ds u r m u n d i n gr o c ks u p p o r t k e y w o r d s ：h y d r o p o w e rp r i d j e c t ； f l o c ks t r u c t u r e ： 3 dr e f i n e dm o d e n i n g ； s i m u l a t i o no fs t o c h a s t i cf i s s u r en e t w o r k ： s u r f a c e b l o c k ： u n d e 唱r o u n ds t m c t u r e s 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究二【：作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得基盗表鲎或其他教育机构的学位或证 粥而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：毒 蔓签字日期：力护口罗年多月臼学位论文作者签名：孑i 立签字日期：力护口7 年多月臼 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 墨鲞盘茎 有关保留、使用学位论文的规定。 特授杈：苤淀基堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：别 导师签名： 签字日期：力纱口罗年月曰 签字日期： 钕嗽 1 年4 月2 勿日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 在大型水电工程中，复杂的岩体结构是控制坝基坝肩、地下结构和边坡工程 等稳定的主要因素之一。布置在高地应力和高坚硬度的岩石环境中的地下引水发 电系统决定了工程建设存在庞大的岩石开挖。除了区域性的地层、断裂带和软弱 夹层等地质构造，岩石内部还发育着大量具有一定统计规律的节理裂隙等；这些 岩体结构面一起控制着地下洞室施工期和运行期的围岩稳定和工程安全。大量的 工程实践表明，洞室围岩的破坏大多表现为被岩体结构面和开挖面( 或称为临空 面) 组合切割得到的工程岩石块体的失稳【1 】。因此，精确掌握岩体结构面的展布 特征和空间组合形态，并结合岩体的地质特征做好地下洞室工程岩石块体的分析 是很一个现实的工程问题。 由于地质数据的多源性、地质体及其空间的复杂性，并随着工程信息化水平 的不断提高，地质三维建模技术在水电工程中得到广泛的应用1 2 划。借助成熟的 地质构造三维建模技术，水电工程地质工作人员能够利用工程地质勘探、实验分 析和空间解译得到的一系列空间分布不均但位置确定的离散数据，如地表测绘 点、平硐钻孔和工程地质c a d 剖面图等地质构造资料，建立起描述地质岩体的 形态特征和构造要素空间关系的工程三维地质构造模型，直观、准确的展示了工 程区域地下的地质构造情况，进而分析工程建筑与工程地质条件之间的相互制 约、相互作用的机制与过程，提供设计与施工参考。 但随着工程的进展，该阶段的三维地质构造成果逐渐不能满足地下洞室设计 和施工中对工程现场岩体结构精细描述的要求。在岩石内部还发育着不易一一精 确测量的节理裂隙等不连续面，它们与地质构造面组合构成了复杂的岩体结构系 统；其对岩石切割程度高，不仅破坏了岩石的整体性，而且还直接影响岩石力学 性质和应力分布状态，控制着岩石的破坏方式【5 】。从洞室开挖面揭露看出，裂隙 数量众多，无法查清每个个体的几何特征；但由于裂隙在空间展布的随机性和规 律性，将它们的参数看作随机变量，根据调查得到的实测数据的概率统计分析， 可以采用随机模型来定量描述，由此发展了随机结构面三维网络模拟技术。该技 术有助于人们由局部到整体、由表及里地了解工程岩石内部裂隙的分布规律，掌 握人们一般情况下难以观察、量测到的岩体内部的结构特征。 勘探、分析得到的确定型地质构造数据和现场调查得到的统计型裂隙数据， 在不同尺度上共同描述了工程的岩体结构信息，因此，需要综合这两种类型数据 来分析相应的工程地质问题。通过充分利用地质确定型数据和随机型数据，耦合 第一章绪论 三维地质构造建模和随机结构面三维网络模拟，建立起了岩体结构三维精细模 型，在空间展布表达上精度高，在岩体描述上更细致，从以往的岩体几何构造模 型，可以深入到岩体内部的裂隙等更小尺度的不连续面，真实、完整的反映了包 括地下洞室在内的复杂的岩石环境。由于岩体信息的精细表达，该模型将会对岩 石开挖工程的设计、施工等提供更有效的支持。 在地下洞室的开挖过程中或开挖后，由于临空面( 开挖面) 的存在可能使得结 构面以一定的组合形式构成不稳定或潜在不稳定块体。块体的位置、块体的几何 形态、块体与地下结构的相互关系的确定以及块体稳定性评价是大跨度地下洞室 设计与施工中需要解决的关键问题之一【6 1 。岩体的结构特征是产生块体并控制块 体稳定的基础，因此块体识别分析研究应当充分、综合考虑研究区域复杂的岩石 环境。 在岩体结构三维精细模型的支持下，不仅可为地下洞室区域提供全面的地质 可视化信息和丰富的分析手段，而且通过分析模型中相关岩体结构面之间的组合 关系，能从复杂的岩体结构面网络中快速的识别出贴近实际的曲面块体。该块体 比传统平面块体更具普遍性和适用性，在对其进行几何形态分析后，为进一步的 稳定计算提供精确的有效信息，并将会为工程设计、施工预测和失稳区域的实时 加固提供重要的指导作用。 1 2 本文研究的相关理论与技术 1 2 1 三维地质建模技术 三维地质建模( 3 dg e o l o 萄c a lm o d e l i n g ) ，又可称三维地学建模( 3 d g e o s c i e n c em o d e l i n g ) 、三维地质数字化建模等，是国内外相关领域研究的热点 和难点，如数学地质、矿山地质、油气藏地质、水文工程地质以及计算机科学等 【”。加拿大学者h o u l d i n g 于1 9 9 4 年最早提出了三维地学建模的概念，即在三维环 境下将地质解译、空间信息管理、空间分析和预测、地质统计学、实体内容分析 以及图形可视化等结合起来，并用于地质分析的技术。 三维地质建模研究最初主要是为了满足地球物理、矿业工程和油藏工程等领 域的地质模拟与辅助工程设计需要而展开的1 8 】。国外的三维地质建模及其分析研 究开展较早，在理论研究、软件开发和实际应用等方面发展较为成熟。m a l l e t l 9 l 针对地质体建模的特殊性和复杂性，采用离散光滑插值技术来模拟地质体，并作 为g o c a d 的核心技术，得到了许多地球物理公司和石油公司的支持；d ek e m p l l o j 则运用三维b 6 z i e r 工具对复杂地质结构进行可视化建模，并与s p 豫g u e 【1 1j 合作发展 了b 6 z i e r - n u r b s 混合曲面来拟合构造三维地质结构面；c o u r r i o u x 等人1 1 2 】基于 第一章绪论 v o r o n o i 图实现了地质对象实体的自动重构。随着相应理论基础的研究和深入， 以及计算机技术的迅速发展，国外的三维地质建模软件己形成相当的规模，比较 典型的大型专业软件有：g o c a d 、e a n h v i s i o n 、v u l a n 、g e m c o m 、m i c r o l y n x 、 s u r p a c v i s i o n 、l a n d m a r k 、g e o s e c 3 d 等，这些软件分别在地球物理、石油物探、 石油开采和露天矿开采等领域取得了颇有成效的研究成果。在国内，自计算机在 地学中应用以来，由于受到硬件以及人才培养等客观因素的限制，地质工程师大 多从二维上对地质体进行分析和研究，并且研制了许多二维制图的应用软件【3 j ， 而对于三维地质建模和分析方面的研究还在探索中。 随着水利水电工程建设的迅速发展，作为构筑水利水电工程数字化、可视化 设计与施工的基础，三维地质建模与分析受到地质工程师、工程设计和施工人员 等广泛而密切的关注。成都理工大学【l 3 1 5j 结合溪洛渡水电站研制开发一套岩体 结构三维可视化系统，在一定程度上建立了三维地质模型构图，并能够进行一些 简单的剖切分析。长江勘测技术研究所等【2 ，1 6 j 结合清江水布垭水利枢纽工程、重 庆江口水电站和南水北调穿黄工程，应用采用可视化交互数据语言( i n t e r a c t i v e da t al a n g u a g e ，i d l ) 开发了三维地质模型可视化系统( 3 d g v s ) ，针对所研究 地质对象的空间形态和相互关系建立工作区的三维地质模型，能进行动态显示和 自动切剖面分析。天津大学1 1 7 j 针对多源地质数据的耦合分析、地质体的复杂性、 模型信息存储量大且分析速度慢、地质构造的动态性、模型的可靠性及其快速更 新修改等关键问题，集成了工程地质解译分析技术、数据结构技术、面向对象技 术、n u r b s 建模技术、地质趋势面分析技术、三维图形集合运算与显示技术、 g i s 技术以及数据库技术等多种先进技术手段，研制开发了水利水电工程地质信 息三维建模与分析技术平台胁扰口f g p d 系统，并提出一系列围绕工程地质统 一模型的相关分析，为水利水电工程优化设计与施工地质预测提供有效的技术支 持。 随着三维地质建模技术的成熟与发展，在国内该技术已经逐渐应用到水利水 电工程的前期规划、地质勘测、工程设计和施工等各个阶段的工程地质分析中， 对改变传统的工程地质制图和地质分析方式、提高工程设计水平与效率、指导地 下工程施工起到着积极的促进作用。 1 - 2 - 2 随机结构面网络模拟技术 随机结构面网络模拟是根据结构面发育具有随机性的特征，依据统计学原 理，采用m o n t e c a r l o 随机模拟方法在计算机上进行模拟岩体内部的结构面网络。 该技术是由英国帝国理工学院s a m a n i e g o 在1 9 8 1 年提出的，发展至今，已有2 0 多年的历史。它是在对节理裂隙面的产状【1 8 2 1 1 、迹长【2 2 2 7 】、大小【2 8 ，2 9 1 、间距【3 0 ，3 1 】 第一章绪论 和密度p 2 j 等方面的研究基础上逐渐发展起来的，并由早期二维网络模拟发展到 目前的三维网络模拟，其理论与方法也不断得到完善，对岩石力学的研究、发展 及工程应用起到了很大的推动作用【j 川。 随机结构面网络模拟技术是建立在对结构面系统测量基础上的，其模拟结果 不仅与结构面的实际分布在统计规律上一致，而且还可以由局部到全部、由表及 里，得到岩体整体的结构特征，有助于人们直观了解岩体内结构面的分布规律， 掌握人们一般情况下难以观察、测量到的岩体内部的结构特征【5 】。该技术被积极 的运用到工程实际中，有效地解决了一系列与工程岩体结构性质有关的问题，如 裂隙岩体的渗流问题【3 “3 8 1 、岩体质量评价陬4 0 】、数值计算的网格剖分【4 1 】、灌浆 模拟【4 2 ，4 3 1 、巷道危岩预测【删和地下洞室岩体块体分析【4 5 ，删等。 随机结构面网络模拟技术的出现，为岩体结构特征的研究开辟了一条新的途 径，对岩石力学的研究起到了一定的促进作用。随着对其不断的完善和改进，特 别是在工程应用方面的开发，该技术在岩石力学研究中将会发挥更大的作用。 1 2 3 块体理论与分析方法 1 9 7 7 年石根华博士提出了岩体稳定分析的赤平投影方法【47 1 ，建立了块体理 论的雏形，1 9 8 5 年r e g 0 0 d m a n 与石根华正式提出了块体理论( b l o c kt l l e o r y ) h 8 1 ， 标志着块体理论基本成熟。块体理论用于分析不同产状的结构面切割能否形成块 体，块体能否在不同的开挖面上出现，以及块体的形态特征、失稳模式等；在块 体稳定性力学分析中，根据极限平衡分析思想，计算块体的稳定性安全系数，若 块体在各种外力合力的作用下不能自稳，则称为关键块体，需要进行工程支护。 它的基本假定如下【4 9 j ： 1 结构面为平面，对于每个具体工程，各组结构面具有确定的产状，并由 现场地质测量获得； 2 结构面无限大，并贯穿所研究的岩体； 3 结构体为刚体，不计块体的自身变形和结构面的压缩变形( 岩体的力学 强度，包括岩石强度和结构面强度，岩石的力学性能比结构面高的多，其变形相 对小很多) ： 4 岩体的失稳使岩体在各种荷载作用下沿着结构面产生的剪切滑移。 随着国内外学者认识和研究的深入，块体理论日益被广泛接受，成为工程岩 体稳定分析的一种有效方法，在地下洞室、边坡、坝基等岩体稳定性分析中得到 较为广泛的应用。 块体理论其实质是应用几何方法研究由结构面和临空面组成的块体类型及 可动性，根据块体的静力平衡条件，求出滑动力，评价它的稳定性。它打破了传 4 第一章绪论 统的力学分析方法，将几何拓扑学应用到岩体稳定分析中。块体理论不是从力的 平衡、应力应变关系、介质变形破坏等准则出发，通过分析岩体内的应力应变场， 塑性区分布等，评价岩体的稳定性；块体理论将工程岩体看作是被结构面( 节理、 断层、软弱面等) 和工程开挖面共同切割下形成的块体所组成的群体，各块体因 几何形态差异、所处的位置不同，导致他们对岩体稳定性所起的作用不同，一些 块体是稳定的，而另一些块体是不稳定的。块体理论根据几何拓扑学原理，运用 矢量分析方法和全空间赤平投影方法，从块体群中找出一切可移动块体，因此只 需对几何可移动块体进行稳定性分析和相应的锚固支护分析。 1 3 水工岩石块体分析研究的发展和现状 块体理论正式提出后，一直受到国内外科研人员和工程技术人员的重视。随 着理论的成熟与技术的发展，其在水电工程中的应用越来越广，如边坡稳定、地 下洞室工程、坝基稳定分析等。 1 3 1 国外研究发展与现状 在国外，从块体理论的提出到发展，一直以来进行了很多的研究和实践，并 结合相关技术使得该理论获得越来越广泛的应用。d l i n 等【5 0 】基于组合拓扑学 及s i m p l i c i a lh o m o i o g y 理论，采用了链( c h a i n ) 、循环( c y c l e ) 、边界同胚( b o u n d a l y h o m e o m o 叩h i s m ) 等概念，讨论了块体几何形体的构造方法、几何形态和块体搜 索等问题。h o e r g e rs f 【5 1 】应用随机及确定性模型分析研究了地下开挖工程中的 关键块体。k o t t e n s t e t t e 【5 2 j 将块体理论应用于拱坝坝基稳定分析，并结合现场照片 进行坝基块体稳定性分析中。j i n gl 和s t e p h a n s s o no 1 5 3 】在二维平面上进行了块 体识别，类似g h s h i 和r e g o o d m a n 中的寻找封闭回路。m i t o f 5 4 】通过己开挖 二维节理迹线推断关键块体，解决边坡随机关键块体问题。在节理网络模拟基础 上，通过进行砍树( t r e ec u t ) 、寻找封闭回路、搜索随机块体可能出现的最大区 域等过程，完成三维随机块体的搜索分析1 55 ，5 6 】。l y c h a n 结合块体理论和三维 网络模拟技术应用在岩石开挖工程选址及最佳设计方案中【5 7 1 。j s k u s m a u l 一直 在研究如何估计地下开挖工程中关键块体的大小，并提出了若干方法，如节理间 距估计法、数值分析法和随机模型统计法等【5 8 ，5 9 】。y i k e g a w a 和j a h u d s o n 【删 提出或定义了矢体、面矢、棱矢等概念，在此基础上进行了块体搜索。gh s h i l 6 l 】 突破块体理论只能研究岩石开挖面上的可移动块体的限制，引入产生三维裂隙多 边形的统计方法，并采用切割线法找到组成岩体的任何块体，实现了全空间上的 块体搜索，但其特点之一是搜索得到封闭块体的体积之和等于所分析岩体区域的 体积。n a l ( a it 1 6 2 j 采用照相技术，对施工开挖所揭露的结构面进行现场勘察与记 第一章绪论 录，通过分析勘察得到的结构面资料，即开挖面上的结构面迹线信息，判断关键 块体。y a r a h m a d ib a 龟h i 【6 3 】把可靠度分析引入块体理论分析中，对于得到的随机 块体出现概率和块体大小进行可靠度分析。g o o d m a n 畔j 基于施工照片、地质编录 和地形数字资料，运用块体理论识别混凝土坝坝基和坝肩可动块体，其中考虑了 地下水压力的影响。h o e k e 等【6 5 】应用块体理论开发了用于地下开挖工程的分析 程序i7 n ，e d g e ( v e r - 1 ，1 2 3 5 ) ，该程序假定结构面相交切形成的块体为四面 体，即由三组结构面和开挖临空面组成。结构面对岩体进行切割组合成块体时， 仅考虑组成块体的结构面的产状而忽视结构面的空间位置，允许结构面平行移 动，以形成最大块体为目的。2 0 0 1 年，r o c s c i e n c e 公司推出的s w e d 2 e 可以用来 计算边墙块体的体积及稳定性系数。 1 3 2 国内研究发展与现状 在国内，块体理论最早由刘锦华【4 9 j 介绍到中国，他对块体理论的基本原理 和分析方法及在岩石边坡、地下铜室、坝基坝肩等岩体工程中的应用作了系统全 面的介绍，为进一步研究块体理论与识别分析奠定了基础。 国内学者在块体稳定性分析方法、随机块体几何分析方法、块体可靠度分析 和几何形态分析等方面进行了大量的研究，出现了不少成果。邬爱清酗j 提出了 一种考虑块体侧面一般水压分布模式下的块体稳定性计算方法，并对某工程实际 块体的稳定性进行了分析。毛海和【67 】和张子别6 8 】运用块体理论赤平解析法分别 分析龙滩水电站地下厂房洞室群和某矿卷扬机硐室的稳定性，对各开挖面构成可 能移动块体的不连续面分布情况进行较系统的评价，为设计有效的加固方案提供 了依据。怀超【6 9 】以某连拱隧道为工程实体，以在施工现场绘制的地质素描图( 包 括洞顶、洞壁结构面展示图) 为基础，建立隧道和结构面的实体模型，应用矢量 运算对由隧道临空面和岩体中的结构面构成的块体进行稳定性分析。张子新【7 0 】 把随机概率模型引入分形块体理论，研究了三峡高边坡关键分形块体的滑落概率 和分彤块体的大小及其分布密度，为峡高边坡加固提供了理论依据。王英学【7 l 】 通过对块体形成机制的讨论，根据岩体内节理面间距分布的随机性，分析了不同 尺寸块体的出现概率。以块体加与块体减算法进行复杂岩体的形态分析，块体加 是在一个凹形或凸形块体的基础上，加上一个或多个体，使之成为更复杂的形体； 块体减的含义则相反l7 2 j 。谢全敏1 7 3 】对可疑关键块体成为正真关键块体的概率进 行了分析计算，使块体理论的分析进一步定量化，可为岩体工程的稳定性评介与 治理提供合理的依据。汪卫吲7 4 】基于矢体概念开发出三维岩石块体系统的自动 识别方法，有效解决包含不规则地形面和非贯通结构面等情况下的复杂块体识别 问题。 6 第一章绪论 在块体理论发展过程中，其工程应用也日趋深入，结合成熟的岩体结构面三 维网络模拟技术，在国内众多水电工程地下工程中得到推广，并在块体识别与分 析中得到较大的突破。盛谦1 7 5 j 和黄正加【7 6 】应用块体理论和正交设计方法对三峡 地下厂房围岩中可能形成的随机块体类型、几何特征与稳定性进行了分析。陈剑 平【7 7 】等根据随机结构面三维网络计算机模拟技术，建立了岩体结构面空间分布 概率统计数值模型，在此基础上判断所有在i 晦空面上出露的可动块体。向晓辉1 7 8 】 基于随机结构面概率模型，搜索出临空面迹线上所有的闭合凸多变形，并提出”面 积判断诘来断块体是否为有限块体。吴旭东p 9 】提出了复杂块体的自动搜索方法， 该方法以结构面在临空面上的二维迹线展布图为基础进行闭合回路自动搜索，进 而向上延伸，搜索出三维块体。张奇华【4 6 j 建立了有别于其他文献的“有向性”原理 和“封闭性”原理，通过三维结构面网络模拟、结构面交线及封闭回路分析以及孤 立回路删除、相关回路分析、封闭块体搜索等过程，实现了全空间块体搜索。 综上所述，国内外所开展的一系列研究和应用说明了块体理论及相关技术已 经受到专家学者越来越多的重视，并逐渐在水电工程中得到应用。但从取得成果 来看，块体理论以及基于块体理论的块体分析，均是在结构面平面、无限大的假 设前提下引入棱锥概念进行研究，过低地估计岩体的完整性，块体的位置、几何 形状、块体与地下结构的相互关系等也不能准确预测；近年来发展的块体分析方 法，在块体理论基础上进行了改进，并结合结构面三维网络模拟，能确定块体的 几何信息，但并未将区域性地质构造如软弱夹层、大型断裂带等大型地质构造面 与随机裂隙面的组合考虑在内，因此，识别出的块体不具有普遍性。在水电工程 中尤其地下洞室的地质区域中，经常会遇到曲面性构造面，如一些大的断层或软 弱夹层等，其产状有时会发生较大的变化，它们与随机裂隙面交相发育、切割， 形成复杂的地质构造曲面网络，对他们进行准确的描述并实现近似真实的块体的 自动识别还需要进一步的研刭剐。 因此，针对上述研究的不足，本论文对精细描述水电工程研究区域的岩体条 件的三维精细建模技术进行研究，并在其支持下实现水电工程地下洞室中岩石块 体的识别分析，取得了一定的研究成果。 1 4 论文研究思路与主要内容 综合以上研究背景和国内外研究现状分析，本文研究的总体思路如图1 1 所 示。岩体结构三维精细模型的建立是第一阶段的研究重点，充分利用水电工程中 的地质确定型数据和统计型数据，耦合相应的地质构造三维建模和随机结构面三 维网络模拟，直观、精细的描述了工程研究区域的岩石环境；基于岩体结构三维 第一章绪论 精细模型，以水电工程地下洞室作为研究对象，依据块体识别定理和相关技术， 快速识别地下洞室中的曲面块体，并分析块体几何形态，为进一步的块体稳定分 析和围岩支护提供有效的地质和几何信息。 图卜1 论文研究思路 根据上述研究思路的论述，本文的主要研究内容包括： ( 1 ) 基于岩体结构三维精细模型的地下洞室块体识别分析的关键问题分析。 通过对水电工程地质数据、工程岩石块体等的分析，归纳出本文研究的重点问题 水电工程地质构造三维建模问题、随机结构面三维网络模拟问题、水电工程 岩体结构三维精细建模问题和水电工程地下洞室曲面块体识别分析研究。下述各 章将展开详细的研究。 ( 2 ) 水电工程地质构造三维建模研究。引入面向水电工程地质的三维混合 数据结构，研究了面向对象技术对地质构造进行合理分类，并结合地质构造 n u r b s 构造技术等，对地层、断层等不同类别的地质构造对象提出了相应的拟 合构造和几何建模方法，建立起三维地质构造模型。 ( 3 ) 水电工程裂隙面三维网络模拟研究。针对裂隙发育的随机性、分组性 和分区性特点，基于统计型裂隙数据，引入随机结构面三维网络模拟技术，进行 工程区域随机裂隙面网络模拟。研究了基于实测数据的模拟裂隙面动态校核技 术，以保证模拟结果在采样区与现场情况一致；在三维地质构造模型支持下，研 究在地质约束区内裂隙面的动态模拟，建立了岩体结构三维精细模型，精细描述 第一章绪论 了工程区域复杂的岩石环境。 ( 4 ) 水电工程地下洞室曲面块体分析研究。基于岩体结构三维精细模型， 以水电工程地下洞室为研究对象，进行地下洞室工程岩石块体的识别分析研究。 提出曲面块体的概念和定义，并提出曲面块体识别的三大定理封闭性、完备 性和唯一性，为块体识别奠定理论基础；提出了基于无向图的地质结构面网络优 化方法，极大地提高了块体识别效率；设计了约束曲面块体和自由曲面块体的识 别功能；研究曲面块体数据结构，并分析其空间几何形态，为进一步的块体稳定 性分析提供可靠的地质属性和几何信息。 ( 5 ) 结合工程实例，实现水电工程地下洞室曲面块体识别与分析。依托某 水电工程，对上述理论、技术和方法进行了完整、系统的应用研究。建立了工程 区域的三维地质构造模型和岩体结构三维精细模型，进行地下洞室曲面块体识别 和块体几何形态的分析，为进一步的稳定分析和围岩支护提供丰富的定性和定量 数据。 第二章水电工程地下洞室块体分析的关键问题分析 第二章水电工程地下洞室块体分析的关键问题分析 岩体结构是影响地下洞室块体稳定最主要的因素。水电工程中，由于采用多 种勘测手段，原始地质构造数据是离散、多源的，而且深埋于地下的坚硬岩体中 还发育着大量随机的裂隙面，他们从不同的尺度1 8 l 】上描述了工程区域的岩石环 境，影响着地下工程的设计和施工安全。针对岩体结构中不同地质数据类型的建 模方法，耦合确定型和随机型建模的岩体结构三维精细建模方法，以及如何综合 上述地质数据进行地下洞室的岩石块体分析，本章将全面分析其中的难点和问 题，并提炼出本文所要解决的几个关键问题。 2 1 水电工程地质数据分析 水电工程地质数据丰富多样，根据其数据表达方式的不同，将地质原始数据 分为确定型和统计型两类。 2 1 1 确定型地质数据 通过多种地质勘测方式如地质测绘、遥感、地质勘探等，得到了各种丰富多 样的地质数据，主要包括地形等高线、地质点资料、遥感图像、钻孔、平硐及物 探信息掣8 2 】。这些来源不同的数据虽然在精度、分辨率、数量、质量等方面都 存在较大的差异，但有一个共同的特点通过空间解译1 8 3 】和多源数据耦合 矧 可以转化为空间位置确定的点、线或面等几何对象，成为三维地质建模系统可利 用的、可靠的、一致的有效数据。因此，该类地质数据统称为确定型地质数据， 属于工程尺度上的岩体结构。 图2 1 ( a ) 为地质测绘点数据采集，它是对地表露头的观察与测绘，主要运 用于具有复杂地质条件的大型水利水电工程，所获得的数据精度高，但工作量大， 是构建一个工程区域地质框架的最初资料【8 5 】。图2 1 ( b ) 为地质钻探数据，揭 露地下深部地层和地质构造，其空间数据有钻探口坐标、方位、倾角等工程空间 位置数据，揭露的地层岩性、产状、软弱夹层、断层破碎带和风化岩层等性质， 取样分析试验数据等。图2 1 ( c ) 为耦合多源数据和空间解译后得到的某工程主 厂房纵轴线工程地质剖面图，它综合了工程地质测绘、勘探、试验和解译分析等 多项工作成果，并