基于误差分析的水电工程坝基岩体三维裂隙网络动态模拟研究（英文）

大坝坝基岩体裂隙对水电工程坝体安全与稳定的影响巨大,建立准确的坝基岩体三维裂隙网络模型是坝基稳定及灌浆与渗流分析的基础。以往研究多注重对裂隙几何参数(尺寸、产状、位置、密度)的研究,估计方法复杂众多,且大多忽略了各类方法适用性及对参数估计的精度;缺乏研究裂隙模型精度及检验模型准确性的方法。针对上述问题,基于误差分析,以降低模型与实测数据偏差、提升模型准确性为目的,提出基于误差分析的水电工程坝基岩体三维裂隙网络动态建模方法。首先,对4位学者(ODA,KULATILAKE,MAULDON和SONG)提出的体密度估计方法以及另3位学者(EINSTEIN,SONG,TONON)提出的四种裂隙尺寸估计方法的误差进行对比分析,以确定较优的参数估计方法;其次,引入分形维数并基于相对绝对误差建立表征模型与实测数据偏差的误差指标;最后,根据上述成果,构建三维裂隙网络动态建模方法,以最小化误差指标为目标函数,利用下山单纯形法动态调整裂隙体密度及直径参数初始值,修正模型误差指标,最终得到统计意义上符合要求的三维裂隙网络模型。将该方法应用于某水电工程坝基三维裂隙模拟中,结果表明,三维裂隙网络模型精度较高,对实测数据的拟合程度高。

基于三维裂隙网络的岩体剪切特性尺寸效应分析

为研究复杂裂隙岩体剪切特性的尺寸效应,以西藏怒江松塔水电站PDC3平硐为例,在现场采集裂隙信息的基础上,基于颗粒流PFC3D软件通过统计学方法及蒙特卡洛原理生成三维裂隙网络,构建等效岩体,进行大尺度直剪模拟试验得到裂隙岩体的抗剪强度、内摩擦系数及内聚力,分别研究其尺寸效应并确定不同参数下的REV尺寸,继而对相关参数和试样尺寸分别进行非线性回归拟合,探究其函数关系。结果表明:抗剪强度、内聚力及内摩擦系数随着试样尺寸的变化而趋于稳定,且不同参数得到的REV大小不同;综合分析不同参数的REV尺寸,得出研究区裂隙岩体的剪切特性REV尺寸为11 m×11 m×11 m;通过函数关系拟合,抗剪强度、内聚力和内摩擦系数与试样尺寸之间均存在指数函数关系。该成果为研究复杂裂隙岩体的力学REV以及合理确定力学参数提供了依据。

随机与确定耦合的裂隙岩体结构面三维网络模拟

离散裂隙随机网络模型中结构面的分布特征仅代表其统计规律,并非地质成因、结构模式、构造形迹的客观反映,以致后续力学计算及渗流模拟结果可信度偏低。针对国家高放废物处置库甘肃北山预选区出露良好的花岗岩体,基于实测结构面统计规律、内在成生关系及水力联系,在前期纯随机模型关键部位修正特征参数,并融入人工辨识的确定结构模式而构建"随机-确定"耦合模型。图形和渗流模拟两种定量检验结果表明:耦合模型结构面数量更接近客观实际,模型准确度提升约48.8%;耦合模型渗流路径与流量较之前更显客观真实,模拟结果与试验数据的接近程度比随机模型大约1/3。另外,不同孔位渗流结果显示:相比于随机结构面,确定性结构面对区域渗流控制作用更加明显,在渗流模拟中扮演更为重要角色。此耦合模型有益于拓宽结构面网络模拟的发展方向。

基于三维随机裂隙网络的坝基多孔分序灌浆数值模拟

大坝基岩内节理裂隙数量众多、分布随机性强。针对裂隙灌浆数值模拟研究现状,在耦合多孔的三维随机裂隙网络岩体灌浆模型的基础上,提出了多孔分序灌浆实现方法,并结合实际工程,进行了考虑隙宽随机分布的裂隙灌浆数值模拟研究,分析了灌浆孔序对浆液扩散压力场和单宽流量的影响规律。通过模拟灌浆量和灌浆时间与实际值的对比分析,验证了该方法的可靠性。

高陡岩质斜坡的结构面非接触式采集技术与三维裂隙网络模拟研究

本文分别以非接触式测量与三维裂隙网络模拟技术对汶川县绵虒镇大溪沟沟口高陡斜坡的结构面系统进行了深入研究。以无人机、数字近景摄影测量与三维激光扫描方法建立了现场斜坡的三维DEM模型并识别与解译了斜坡的结构面系统。尤其是采用无人机与近景摄影测量技术,识别并解译了整体斜坡的长大控制性结构面与坡面上的6663条随机构造结构面。基于以上数据,本文提出了一种适用于高陡斜坡分析的超大窗口三维裂隙网络模拟方法,采用概率统计与空间几何推导的方法,建立了岩体三维结构面的直径、产状与密度计算方法。这种方法更加简便且针对性强,现场验证也表明其具有较高的模拟精度。

基于三维随机裂隙的岩溶水渗流数值模型构建及渗流特性研究

为研究裂隙含水介质中岩溶水的微观动力学特征,针对济南泉城公园岩芯样本,通过CT扫描与三维重建技术获取含水介质的内部裂隙结构信息,实现内部三维裂隙结构的再现,通过Monte Carlo模拟技术构建三维裂隙含水介质网络,采用数值模拟方法,研究岩溶水在裂隙网络空间的渗流特性。结果表明,研究区岩溶裂隙微观非均质性强;渗流受控于裂隙分布,具有非常强的方向性;在裂隙相交位置处渗流速度远大于其他部位渗流速度。

三维岩体裂隙网络模拟研究及应用

为合理评价某水库库岸岩体结构特征及工程整治提供依据,对区内岩体进行了裂隙调查及三维网络模拟研究。研究基于Monte-Carlo模拟方法,由走向玫瑰图、倾向和倾角分布的直方图对裂隙的产状分布特征分别进行了分析,结合裂隙等密度图分析得出了结构面优势产状、用直接法产生随机数并利用计算机模拟得出符合实际的三维裂隙网络图。引入广义计算,讨论了值的变化可能影响库岸岩体在不同方向的稳定性。

裂隙网络的三维随机模拟方法研究

为合理评价研究区域内裂隙结构特征,基于地质统计学方法在综合考虑裂隙方向(走向和倾角)的基础上,统计分析研究区域内的裂隙,进而对裂隙网络进行三维模拟研究。基于裂隙密度的半变异函数模型,应用Monte-Carlo和普通克里格法相结合对裂隙位置进行模拟;用主成分分析法对裂隙的n个不同的方向组进行分析,得出主成分并计算其半变异函数,用普通克里格估计各主成分的空间分布,在裂隙走向和倾角的累积分布函数基础上,运用随机函数产生该裂隙的方向。将模拟得到的裂隙元按照一定的距离间隔和角度大小连接为1个裂隙面,从而形成符合实际的裂隙网络的三维模型。

柔性织物三维动态模拟中的网格剖分研究

论述了基于弹簧质点模型的柔性织物在三维动态模拟中网格剖分问题 ,针对剖分子区域的划分、子区域间拼接光顺性和任意区域下的二维剖分算法进行了研究 ,提出了一种解决此类问题的方法。

复杂结构岩体三维裂隙网络密度的计算方法研究

岩体的力学性质受岩体中的结构面控制,但是结构面的展布特征十分复杂,仅用在现场二维露头面上采集的裂隙信息不能完整地反映结构面的发育特征。为了完整地反映结构面的发育特征,广泛应用三维裂隙网络模拟的方法。而裂隙的密度是三维裂隙网络模拟的关键参数之一。本文在预先确定三维裂隙网络中裂隙的位置、大小、产状等参数的前提下,采用模拟露头面切割三维裂隙网络,统计迹线条数的试算法,确定裂隙的密度。并以在建大藤峡水利枢纽泄水闸28号坝段下游岩体为例,计算了裂隙的密度。采用考察模拟露头面上的迹线半迹长的分布函数,并与现场实测裂隙半迹长的分布函数对比的方式,证明了本文方法的合理性,该方法有着广阔的应用前景。

三维结构面连通率的随机模拟计算

通过对裂隙岩体中大量随机分布的结构面调查资料的统计分析,得出结构面分布的统计规律,运用随机模拟的方法,建立了裂隙岩体的三维结构面网络。通过三维结构面网络图像,在大量实际工程岩体破坏面特征调查的基础上,提出了三维结构面连通率的概念,并应用岩桥破坏机理,选取通过破坏面的结构面,采用三维曲面拟合的方法,建立了三维结构面连通率的计算方法。

岩体结构面网络模拟技术研究进展

主要介绍了岩体结构面网络模拟技术的研究进展。通过近期的研究 ,结构面网络模拟技术得到了进一步的完善与发展 ,特别是三维模拟技术的出现使岩体结构面网络模拟技术更加实用 ,表现出比二维模拟更大的优势 ,可以较好地解决空间岩体力学问题 。

裂隙岩体稳定/非稳定渗流数值模拟

发展裂隙岩体稳定/非稳定的渗流数值模型,一方面,依照裂隙面的密度、产状、位置、大小和开度的统计分布规律,使用蒙特卡罗模拟技术将完整岩石切割为三维不规则块体集合。根据相邻块体单元间产生的裂隙单元,构建三维裂隙网络系统,并附加各裂隙单元的水力特性;另一方面,对裂隙单元进行三角形单元的有限元网格划分,运用变分原理导出裂隙单元的渗流有限元求解方程。采用离散元方法中的动态松驰技术,在无须组装整体渗透矩阵的情况下求解裂隙网格各结点的水头值。最后,通过典型算例验证程序的可靠性及适用性。

利用“岩体裂隙率”评价工程岩体的质量

本文提出用建立在岩体结构面网络三维模拟基础上的“岩体裂隙率”来表征岩体的质量。它可以用来衡量结构面的发育程度及岩体的完整性 ,评价岩体质量 。

基于LHS的坝基岩体三维裂隙网络模拟

坝基岩体裂隙发育直接影响水电工程的结构安全与渗流稳定,建立准确的坝基岩体三维裂隙网络模型是分析坝体安全的基础。岩体裂隙数量巨大,分布复杂,以往的研究多采用Monte Carlo简单随机抽样方法获取裂隙参数的样本数据,进而建立二维或三维裂隙网络模型,忽略了揭露面以下裂隙数据对模拟结果的影响,计算结果稳定性差、精度低,且容易产生样本坍塌的问题。本文提出了水电工程坝基岩体三维裂隙网络的模拟方法,即在坝基揭露面裂隙数据的基础上,融合钻孔摄像技术获取的钻孔全孔壁资料,对裂隙面位置、大小、数量和产状等参数进行统计;然后采用拉丁超立方抽样(Latin Hypercube Sampling)方法对裂隙参数进行随机模拟;最终利用Visual Geo软件建立三维裂隙网络模型。该方法应用于某水电站坝基裂隙三维网络模拟中,并与传统的Monte Carlo方法进行对比,结果表明:该方法在融合揭露面裂隙资料和钻孔摄像数据的前提下,空间填充性好,模拟结果更加接近实测值,为水电工程坝基稳定分析提供了可靠的技术手段和准确的模型基础。

裂隙岩体的多孔介质水力等效性研究

工程岩体中数量众多的裂隙面限制了离散裂隙网络模型在岩体渗流中的应用,迫使人们寻找能够用理论上成熟的等效连续介质模型替代,这就要求进行岩体多孔介质的水力等效性研究。在野外大量实测裂隙的基础上,进行裂隙密度、方位、大小、延续性、开度等几何参数的统计分析,以Enhanced Baecher模型建立离散裂隙网络随机模型,采用Monte-Carlo随机模拟方法进行三维裂隙网络随机模拟。在所生成的一定尺度的三维裂隙网络图基础上,给出计算研究域REV的方法,通过判断REV是否存在,确定能否用等效连续介质模型分析岩体渗流。

金川二矿区三维数字化通风模型构建技术研究

为实现矿井通风管理信息化和自动化,利用长沙迪迈公司iVent软件,根据巷道基础资料初步建立数字化通风模型。通过春夏两季实测数据对通风模型进行修正,使各个巷道阻力与现场相符,并通过测风求阻和测阻反算摩擦阻力系数,使三维模型更符合矿井实际通风情况,实现矿井通风的三维可视化建模和风流模拟。通过建立三维通风模型,提高了矿井通风的管理效率,实时掌控井下通风情况,快速做出改进方案,增强井下生产安全性,提高矿井生产经济效益,具有很好应用前景。

坝基裂隙岩体三维灌浆数值模拟

坝基灌浆工程地质条件复杂且具有隐蔽性,如何建立能准确反映岩体内裂隙分布情况的三维随机裂隙网络模型,并进行浆液扩散特征的研究是灌浆数值模拟的关键和难点。现有研究大多通过岩体揭露面统计资料估计裂隙的几何参数,无法有效反映复杂裂隙真实特征,且灌浆模拟研究中多将裂隙简化为单一裂隙或规则裂隙网络。本文采用Monte Carlo法建立三维随机裂隙网络模型;提出三维裂隙宾汉姆流体灌浆数学模型,实现对随机裂隙内宾汉姆浆液扩散特征的研究;运用该模型对某水电站坝基裂隙岩体灌浆过程进行模拟,结果表明:浆液主要在与灌浆孔相交的裂隙内流动,灌浆压力在灌浆孔附近衰减速率最快且对浆液扩散的影响较为显著。同传统裂隙灌浆模拟相比,该方法能有效反映复杂裂隙的真实特征,获取更贴近实际工程的灌浆结果,为保障灌浆工程的安全建设和经济合理性提供了理论依据。

锦屏一级水电站左岸岩体裂隙网络模拟

该文以锦屏一级水电站坝区左岸三维主干裂隙渗透性研究为出发点,在平硐裂隙测量统计的基础上,运用Monte-Carlo方法随机生成裂隙网络,并以Comsol script软件为平台,编写了裂隙网络圆盘模型的3D可视化程序,为等效-离散介质耦合渗流模型提供了物理建模的基础。通过两个不同高程中的5个代表性平硐实测裂隙对随机生成的裂隙进行拟合验证,证明随机生成的裂隙网络的合理性,模拟结果能够代表研究区主干裂隙空间关系,为岩体未知区域内裂隙的预测、岩体渗透张量的计算、岩体稳定性计算等工程地质研究提供了基础数据。

利用倾斜影像重建点云的建筑物变化检测

城镇空间建筑物的变化检测是分析城市空间格局变化的一项重要内容。针对利用卫星影像检测建筑物变化过程中噪声、复杂边界等干扰难题,本文从不同期倾斜影像重建点云中自动提取建筑物平面和高度两个维度的准确变化信息。首先采用布料模拟滤波算法较大程度上减少地形点的影响;然后利用一种动态图神经网络深度学习方法,有效地检测出点云中的建筑物,通过前后两期点云分类后结果对比提取出建筑物的三维变化信息;最后选取杭州市萧山区局部区域的两期倾斜摄影测量密集匹配点云数据开展分析验证。结果表明,本文方法能够在大范围内快速实现可靠的建筑物变化检测,建筑物平面和高程两个维度的变化信息均有很好的反映,为城市精细化管理提供了一种有效方法。