CN108344385B - 一种节理三维形貌表征方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了节理三维形貌表征方法，该方法是以表观表面积率作为三维形貌表征的唯一核心形貌表征参数，充分考虑了受力、渗流方向的影响，针对同一节理面不同的方向得到不同的粗糙度大小，简单明了，便于工程应用。

Description

一种节理三维形貌表征方法
技术领域
本发明涉及岩石节理形貌表征方法，尤其是涉及一种能够用于岩石节理抗剪强度及渗透特性评估的三维节理面粗糙度表征方法。
技术背景
近年来，随着水利水电、核废料储藏、石油矿山开采等大型工程的建设，工程岩体所处的地质环境越来越复杂。岩石节理抗剪强度及其渗透特性作为对岩体工程稳定性有着重要影响的因素越来越受到研究人员的重视，岩体中地应力与地下水的相互作用往往直接决定着工程结构的稳定与安全。
由于节理形貌对于节理抗剪强度、渗透特性的重要性，该方面的研究随着形貌表征方法的进步而不断发展。早年的研究成果大多是基于节理剖面的二维方法，主要分为三类：经验参数方法、统计参数方法及分形参数方法。其中，统计参数物理意义明确，运用统计参数表征节理粗糙度有利于节理本构的提出；经验参数更利于工程应用，节理粗糙度表征参数JRC是目前应用最广泛的节理粗糙度表征方法，并被国际岩石力学学会推荐使用。随着时代的发展，三维激光扫描仪的出现为研究者开展三维节理表面粗糙度表征提供了有力的测量工具，国内外学者通过对二维统计参数进行拓展展开了三维统计参数的研究。
然而，1，基于节理剖面的二维方法从二维参数出发描述节理粗糙度，低估了节理粗糙程度，与节理真实粗糙度有较大偏差，因此，会低估节理抗剪强度及渗透特性。2，目前的三维形貌表征方法大多是基于二维统计方法进行的扩展，大多需要多个统计参数对节理面粗糙程度进行表征，不利于工程应用。3目前的节理形貌表征方法无法体现节理面的各向异性，因此，无法应用到考虑剪切方向及渗流方向的工程应用中。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种岩石节理三维形貌表征方法，提供一种基于三维激光扫描技术的三维形貌表征参数，即表观表面积率。
本发明还有一目的是解决现有形貌表征方法中表征参数多且片面，难以进行工程应用的技术问题。提供一种基于一个核心形貌表征参数即表观表面积率的三维形貌表征方法，表征方法简单明了，表征参数易于获得，有利于工程应用。
本发明再有一目的是解决现有形貌表征方法无法反应节理各向异性的技术问题；提供一种能够反应节理面各向异性，能够考虑工程中节理受力方向、节理中渗流方向的节理三维形貌表征方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
采用三维激光扫描仪对岩石节理进行三维点云重构，三维激光扫描仪自定义一个“大地坐标系”，即包含X、Y方向以及一个高程基准面H(该基准面初始高程h0小于或等于节理点最小高程值hmin)。从而生成的点云数据，具有在该“大地坐标系”下的三维坐标(X,Y,H)。
节理三维点云中，选择高程最大值点A1，其坐标值为(x,y,hmax)。将节理面受力(渗流)方向线定义为K1，受力(渗流)方向面定义为M1。
由高程最大值点A1向受力方向面M1作一条法线S1，从而得到无数个与受力方向面垂直的基于S1的法面MSi；每个法面MSi与方向面的交线为MJi，最终得到一条与节理受力方向线K1空间垂直的MJ1，从而得到通过MJ1且与K1垂直的法面MS1。
将法面MS1与受力方向面M1作为二维平面的X,Y坐标系的Xm,Ym，所有点云在该坐标系下的坐标为(Xmi,Ymi)，定义受力方向为正值，受力方向反方向为负值。
将Xmi中大于零的点云选取出，重构TIN三角形，得到总面积T1；同理，将Xmi中小于零的点云选取出，重构TIN三角形，得到总面积T2。TIN全称不规则三角网。在TIN中，满足最佳三角形的条件为：尽可能的保证三角形的三个角都是锐角，三角形的三条边近似相等，最小角最大化。TIN是基于矢量的数字地理数据的一种形式，通过将一系列折点(点)组成三角形来构建，此时TIN非常有用，因为它们允许计算平面面积、表面积和体积。
定义表观表面积率SA＝T1/T2。表观表面积率越大，表明节理粗糙度越高，节理的抗剪能力越强，节理的渗流能力越差。
由上述技术方案可知，本发明采用一个核心参数表征节理三维形貌，充分考虑了受力、渗流方向的影响，针对同一节理面不同的方向得到不同的粗糙度大小，简单明了，便于工程应用。
附图说明
图1是岩石节理扫描图。
图2是岩石节理面扫描点集图。
图3是表观表面积率获得示意图。
图中标记为：1-传感头，2-节理试样，3-位移台，4-控制器，5-高程最大值点，6-节理面受力方向，7-受力方向面，8-法线，9-垂直钱，10-法面。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的任何限制。
实施例1：
对岩石节理进行点云采集。图1是一台三维非接触式高速、高精度激光扫描系统，该仪器由传感头1、控制器4、数据采集器等组成。岩体试样2放在可沿x、y方向移动的位移台3上，岩石结构面表面的起伏形状通过激光变位计转换成光信号，光信号再由CCD转换成电信号，结构面表面变化的起伏形貌就经由变化的电信号处理，最后由数据采集软件LK-Navigator以点集的形式存储。位移台带动岩块试样移动，移动的方向及路线配合扫描仪，即可获取结构面表面形貌上点的坐标。
利用三维激光扫描仪对岩石节理获取三维点云后，三维激光扫描仪自定义一个“大地坐标系”，即包含X、Y方向以及一个高程基准面H(该基准面初始高程h0小于或等于节理点最小高程值hmin)。从而生成的点云数据具有在该“大地坐标系”下的三维坐标(X,Y,H)。图2为一岩石节理扫描得到的表面形貌点集。
节理三维点云中，选择高程最大值点5定义为A1，将节理面受力方向线6定义为K1，受力方向面7定义为M1。
由高程最大值点5向受力方向面7作一条法线8，从而得到无数个与受力方向面7垂直的基于法线8的法面10；每个法面10与受力方向面7的交线为MJi，最终得到一条与节理受力方向线6空间垂直的垂直线9，从而得到通过垂直线9且与节理面受力方向线6垂直的法面10。
将法面10与受力方向面7作为二维平面的X,Y坐标系的Xm,Ym，所有点云在该坐标系下的坐标为(Xmi,Ymi)，定义受力方向为正值，受力方向反方向为负值。
将Xmi中大于零的点云选取出，重构TIN三角形，得到总面积T1；同理，将Xmi中小于零的点云选取出，重构TIN三角形，得到总面积T2。
得到表观表面积率SA＝T1/T2。
在工程现场，采取获得不同天然节理试样后进行扫描，得到不同节理的表观表面积数值，即可对岩石节理面的粗糙程度进行评估，进一步可以评估该岩石节理的抗剪强度、渗透特性。
以上只是本发明的具体应用范例，本发明还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种节理三维形貌表征方法，其特征在于：以表观表面积率作为三维形貌表征的唯一核心形貌表征参数；该方法包括如下步骤：
步骤1，采用三维激光扫描仪对岩石节理进行三维点云重构；
步骤2，节理三维点云中，选择高程最大值点A1，将节理面受力方向线定义为K1，受力方向面定义为M1；
步骤3，由高程最大值点A1向受力方向面M1作一条法线S1，从而得到无数个与受力方向面垂直的基于S1的法面MSi；每个法面MSi与方向面的交线为MJi，最终得到一条与节理受力方向线K1空间垂直的MJ1，从而得到通过MJ1且与K1垂直的法面MS1；
步骤4，将法面MS1与受力方向面M1作为二维平面的X,Y坐标系的Xm,Ym，所有点云在该坐标系下的坐标为(Xmi,Ymi)，定义受力方向为正值，受力方向反方向为负值；
步骤5，将Xmi中大于零的点云选取出，重构TIN三角形，得到总面积T1；同理，将Xmi中小于零的点云选取出，重构TIN三角形，得到总面积T2；
步骤6，在TIN中，满足最佳三角形的条件为：尽可能的保证三角形的三个角都是锐角，三角形的三条边近似相等，最小角最大化；
步骤7，定义表观表面积率SA＝T1/T2；表观表面积率越大，表明节理粗糙度越高，节理的抗剪能力越强，节理的渗流能力越差。
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