三维岩体质量的多重分形评价及分类

岩体中结构面的存在往往会对岩体质量造成显著影响。笔者剖析了传统岩体质量指标的不足,以白云鄂博铁矿主矿边坡岩体为例,在工程地质测绘的基础上,利用蒙特卡洛(Monte Carlo)法仿真出三维岩体结构网络图,从多重分形几何的角度出发,计算和绘制出其表征岩体结构分布和复杂性的多重分形谱,对岩体质量作出定性评价和定量分析,并且进行了岩体质量的多重分形分类。

三维岩体质量的多重分形研究

岩体质量是工程岩体性态和边坡稳定性评价的重要参数之一,岩体中不连续面的存在大大地恶化了岩体的工程性质 ,往往使得岩体质量显著降低 由于传统的岩体质量指标ＲＱＤ具有明显的缺点 ,其确定意义难以反映出岩体本身结构的变化性和复杂性 因此 ,以白云鄂博铁矿主矿边坡岩体为例 ,在工程地质测绘的基础上 ,利用蒙特卡洛 (ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ)法绘制出岩体结构网络图 ,从多重分形几何的角度出发 ,计算和绘制出其表征岩体结构分布和复杂性的多重分形谱 。

基于裂隙连续方法的三维裂隙岩体渗流传热数值模拟

模拟裂隙岩体渗流传热的主要困难在于岩体各种尺度上的非均质性。为了兼顾裂隙岩体渗流传热过程模拟的效率和精度,将二维裂隙连续方法拓展到三维问题中,应用深度优先搜索算法挑出对网格块渗透性有贡献的有效裂隙,综合考虑有效裂隙和岩石基质作用给出网格块的等效渗透率张量,采用Matlab对COMSOL Multiphysics有限元软件进行二次开发,生成由不同渗透率网格块组成的三维裂隙连续模型。数值模拟结果表明:裂隙连续模型结合了随机连续介质模型和离散裂隙模型的特点,既能避免处理裂隙网络的复杂性,又能考虑岩体渗透率的空间变异性,兼顾了模拟效率和精度;当岩石基质渗透率与裂隙渗透率比值的数量级在10-4~10-6范围内时,有效裂隙网络模型的流量计算误差会超过5%。

三维节理岩体分形维数与RQD相关性研究

应用三维随机不连续面网络模拟技术对岩体结构统计均质区内的不连续面进行计算机模拟,再现岩体结构,并应用分形理论计算三维节理岩体的分形维数。平行于三维节理岩体网络模型的x,y,z轴布置测线,计算不同阈值下三维岩体的岩石质量指标(RQD)。对获取的分形维数与RQD分析表明,三维岩体RQD随分形维数增大而减小,二者具有良好的线性关系。最后,推导三维节理岩体的分形维数与若干个阈值下RQD的关系式,并根据不同阈值下RQD与分形维数关系曲线的斜率确定合理阈值。

岩体三维网络模拟技术及其在三峡工程中的应用

在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深入研究的基础上，初步开发了相应的岩体三维网络模拟分析程序。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，如闭合块体区域面积及可移动块体体积等。最后，根据对三峡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。

突泉盆地磁性体重力场剥离的方法技术及岩体三维显示

各地层中赋存的岩体可能形成局部重力异常,对重力资料的密度界面反演计算可靠性产生影响,所以在进行反演计算之前去除岩体引起的异常影响,可增强密度界面反演的可靠性。笔者以突泉盆地重磁异常资料为基础,通过重磁异常特征分析,切取多条剖面进行2.5D正反演计算,进而对磁性岩体形成的重力场进行剥离,增加了重力场密度界面反演计算的可靠性;同时构建岩体的三维地质模型,清晰反映岩体的空间分布,为对目标地质体进行三维地质填图方法做了初步探索。

岩体三维非稳定渗流模型及数值模拟

地下水是导致地质灾害发生的重要因素之一。岩体本身的复杂性及地下水在岩体内随时间而变化造成地下水在岩体内运动机理的复杂性。文章采用数值模拟方法探索地下水在岩体内的运动规律,了解其致灾机理。以岩体结构力学为基础,运用现代分形理论,建立主干裂隙分形网络;根据裂隙发育规模与工程尺度关系将岩体看作拟连续介质与块裂介质混合介质,并根据两类介质接触处水头相等及节点流量相等建立合理的三维非稳定渗流模型;给出渗流模型的有限元解法,开发出相应的有限元软件;给出算例,计算结果体现了主干裂隙在渗流中的强导水作用及网络状裂隙的贮水功能与渗流滞后效应;强调根据裂隙发育规模与工程尺度关系确定合理渗流模型的重要性。

岩体三维主干裂隙网络渗流分析

基于流体力学的基本理论和二维岩体裂隙网络渗流原理 ,推广得到了三维岩体裂隙网络渗流基本方程。将三维岩体裂隙网络渗流理论及有限元数值方法应用于主干岩体裂隙网络渗流分析中 。

等效岩体随机节理三维网络模型构建方法研究

由于目前仍难以将建立的结构面网络模型直接应用于岩体力学行为的分析,构建反映节理真实空间状态的等效岩体模型是岩体工程稳定性分析与计算的研究基础。以内蒙古白云鄂博铁矿东矿为研究背景,通过现场节理测线法调查,运用概率统计理论对节理倾向、倾角、间距和迹长进行统计分析、偏差校正并建立概率分布模型。在此基础上,根据Monte Carlo随机模拟理论并采用Matlab软件,获取节理模拟数据,并通过OPEN GL三维可视化技术构建能充分反映工程岩体节理分布特征的等效岩体随机节理三维网络模型,模拟结果与实测数据具有良好的统计相似性。该研究成果可为等效岩体技术所利用,并为后续开展节理岩体变形特性、强度特性、尺寸效应、各向异性、表征单元体积(REV)、关键块体识别、开挖效应、破裂机理等量化分析研究奠定基础。

等效岩体三维随机节理网络模型构建及其在两河口水电站中的应用

节理的存在对水电高陡岩质边坡的力学性质有重要影响,如何构建反映三维节理分布特征的等效岩体计算模型,是分析与评价岩体力学特性的关键.本文基于损伤力学和统计强度理论,在三维岩石破裂过程分析(RFPA^(3D))软件的基础上,提出了一种计算等效岩体三维随机节理网络模型的新方法.首先,基于Baecher模型和Monte-Carlo方法,在RFPA^(3D)软件中实现了三维随机离散节理网络(Discrete fracture network,DFN)模型的重构.然后,利用RFPA^(3D)软件内嵌DFN模型,赋予节理和岩石不同的力学参数,构建了工程尺度等效岩体三维随机节理网络模型,实现了三维随机节理岩体破裂过程、变形和强度等力学性质的分析.最后,以两河口水电站左岸边坡坝址区下游节理岩体为研究对象,验证了三维随机DFN模型的准确性,开展了研究区内节理岩体尺寸效应研究,并获得了研究区内岩体的表征单元体(Representative elementary volume,REV)和等效力学参数.该研究成果为等效岩体力学行为分析提供一种新方法.

裂隙岩体渗流与三维应力耦合的理论与实验研究

围绕裂隙岩体渗流与应力之间的关系问题,从理论出发,经过合理的建模和严密的推演,得出裂隙岩体渗流与三维应力的耦合方程。该方程经过了大量的三轴实验数据的验证,解决了裂隙岩体受到的侧向应力对其渗流是否有影响这一岩石力学学科中争议很大的问题。指出了裂隙侧向应力引起的裂隙侧向变形是影响裂隙岩体渗流的主要因素,其影响符合负指数规律。同时,还分析了裂隙组的渗流问题。

天然岩体结构面三维粗糙度的多尺度取样影响规律研究

基于三维激光扫描技术,在单一大尺度天然岩体结构面点云数据上开展多尺度窗口取样时,取样窗口中心位置的选取对结构面三维粗糙度的准确表征具有显著的控制作用,然而该控制机制与影响规律的研究十分匮乏。为此,以青海祁连县黄藏寺水利枢纽右岸坝址边坡大尺度天然岩体结构面为研究对象,以结构面三维激光扫描点云数据和Grasselli三维粗糙度计算方法为基础,开展了单一大尺度结构面上窗口取样中心位置对三维粗糙度多尺度特征影响与控制规律的深入研究。结果表明:窗口取样中心位置对结构面三维粗糙度的尺寸效应影响显著,取样中心位置的不同导致尺寸效应具有显著差异;同一剪切方向上结构面三维粗糙度的差异性随取样窗口尺寸的增大而减小;窗口取样中心位置对分析含结构面岩质边坡的潜在滑动方向的影响较小,当取样窗口尺寸增大到特征尺寸后,潜在滑动方向将被限定在一定角度范围,天然结构面的角度区间为110°~130°。最后基于上述研究,建立了窗口取样中心位置选取的基本原则,改进了天然大尺度结构面三维粗糙度取样方法。

基于V.RQD值与Hoek-Brown准则的破碎岩体强度研究

被多组贯通结构面切割后产生的大体积破碎岩体在不同围压下仍具有一定的强度,但通过Hoek-Brown准则对其进行强度评价时,因对岩体结构划分缺乏定量描述,使得参数m与s的取值很难准确确定。在传统RQD值不足的基础上,引入不同阈值下的三维体积V.RQD值概念,建立破碎岩体质量指标V.RQD值计算机模拟方法,结合RMR评分标准和Hoek-Brown强度准则,通过探讨三维体积V.RQD值的取值范围,得到不同阈值时岩体质量参数m,s值与Hoek-Brown强度包络线以及岩体变形模量E0等之间的一些变化规律,定量化表述V.RQD值对破碎岩体强度的影响。结果表明,V.RQD值作为岩体质量指标之一,可为破碎岩体的强度估计提供新的实用途径。

岩体节理体积频率的计算方法及工程应用

利用Monte-Carlo原理进行三维结构面网络模拟是研究岩体内节理面发育规律最常用的技术手段,节理体积频率(λv)则是影响结构面网络模拟正确与否的关键参数之一,需要根据野外实测节理线频率(λ)进行换算。利用三维结构面网络模拟程序,提出了基于线频率反演节理体积频率的新思路。首先赋给某组节理一个初始体积频率,利用三维结构面网络模拟程序,生成只包含该组节理的三维网络模型样本,计算此模型中该组节理在测线方向上的线频率,不同体积频率(λv)对应不同线频率(λ),进而可建立两者的函数关系,最后将测线方向上该组节理的线频率带入该函数即可确定其体积频率。以贵州省息烽县鱼简河水库坝址区岩体为例,按照上述思路根据测线法统计数据计算了节理体积频率,结果表明λv与λ之间呈现出高度的线性关系。当节理圆盘半径服从对数正态分布时,λv与λmax的比值约为0.4～1.0,而当节理圆盘半径服从负指数分布时,λv与λmax的比值约为1.3～3.5。最后依据《工程岩体分级标准(GB50218-94)》表3.3.1、表3.4.3和表3.4.4,分别基于线频率和体积频率对鱼简河水库坝肩岩体完整性进行了评价,结果表明,后者评价结果的可信度比前者高。

三维裂隙网络非稳定渗流数值分析

研究裂隙岩体中渗透水流随时间、边界条件的变化规律,从而客观反映渗透水流情况,具有重要的意义。本文针对分布特别稀疏的三维主干岩体裂隙网络,以渗流区内的水量平衡原理为依据建立基本方程,推导三维岩体裂隙网络非稳定渗流的基本方程;并将三维裂隙网络渗流理论及有限元数值方法运用于主干岩体裂隙网络渗流分析中。基于裂隙岩体网络非稳定渗流数学模型,编制相应的程序。对于工程实例,根据实测情况利用Monte-Carlo模拟出岩体中二级裂隙网络分布情况进行分析,然后进行了三维非稳定渗流分析。计算结果充分体现了岩体中裂隙网络的储水性,当边界条件发生变化时,裂隙岩体中水头分布变化存在一定的滞后性;并表明主干裂隙的强导水性,使得裂隙岩体中的主干裂隙的渗流分析成为渗流分析中的重点。

含油气盆地成藏动力学系统模拟评价方法

在总结分析国内外盆地模拟技术发展现状的基础上，指出盆地模拟技术的发展方向是以成藏动力学系统模拟为核心的地质家综合评价应用平台，成藏动力学系统模拟方法的突破点是以三维岩体模拟和三维构造模型为基础的三维运聚模拟，地质家综合评价应用平台的优势主要体现在系统的规模（适用于各种地质单元体的多维综合模拟评价），和系统的适用性（人机联作的图形编辑及三维可视化界面，人机联作的参数设置界面，开放式信息管理系统），在分析含油气盆地成藏动力学系统模拟的概念，思路，技术关键以及系统结构的基础上，对突破点的核心模型（三维岩体模拟，三维构造模拟，三维运聚模拟）进行了设计，并提出了预期的目标。

江西五里街地区地磁特征及综合信息找矿预测

赣北五里街地区横跨长江中下游铜钼金铅锌成矿带与江南隆起东段钨锡钼成矿带,区内已发现钨钼矿(化)点4处,铜铅矿矿点1处及锡石(褐铁矿)化点1处,显示出良好的找矿前景。本文通过在五里街地区开展1∶5万地面高精度磁法测量工作,厘定了第四系覆盖区横山花岗岩体隐伏边界范围,并利用剩余重力异常数据三维人机交互反演了该岩体深部形态;以磁异常为主,识别出了不同的构造边界(断裂带或不同岩性侵入接触界线)及环形蚀变砂岩带;以地质为基础,将磁异常与化探水系沉积物综合异常进行对比研究,根据异常套合情况,有效地缩小了找矿范围,提高了矿产地质调查效率。根据大比例尺地、物、化示矿信息,指出了五里街地区寻找铜钼金等多金属矿的靶区,为该区后续开展找矿地质工作提供了重要依据。

考虑地震波折射的层状介质微震源定位方法

现有的微震源定位方法假设地震波沿直线传播,定位结果往往不能满足精度要求,为此建立一种新的微震源快速定位方法--地震波最小走时面法。该方法考虑波的传播符合斯涅尔定律而提出地震波最小走时路径射线传播平面的假设,通过旋转坐标系,将地震波三维传播路径转换为二维平面传播路径,实现平行分层岩体中相对准确的地震波初至到时计算,并在三层水平模型中采用改进的遗传算法进行微震源的优化求解验证假设的有效性,同时对影响定位精度的因素进行分析。结果表明,最小走时面法所得地震波走时明显优于传统最短几何路径走时计算方法,二者的差值是微震源和传感器连线倾角α和间距L的函数;该算法在多层岩体的微震源定位中具有良好的定位精度,且不受介质波速比的影响。