CN109614630A - 基于迹线节点的碎裂结构岩体碎裂程度量化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于迹线节点的碎裂结构岩体碎裂程度量化方法，属于碎裂结构岩体领域。包括如下步骤：(1)获取碎裂结构岩体结构面几何特征参数；(2)分析结构面几何特征的概率分布和特征参数；(3)岩体结构面三维网络数据生成；(4)岩体结构面三维网络可视化；(5)输出剖面视图；(6)基于迹线节点的计算点线率。本发明通过对岩体不同空间位置剖面迹线的交割情况进行量化分析，从结构面迹线的交点数量和结构面迹线条数出发，量化表达了结构面交切搭接情况，反映了碎裂结构岩体的碎裂程度。

Description

基于迹线节点的碎裂结构岩体碎裂程度量化方法

技术领域

本发明涉及碎裂结构岩体领域，具体而言，涉及一种基于迹线节点的碎裂结构岩体碎裂程度量化方法。

背景技术

碎裂结构岩体是工程岩体中最差的类型，其结构面常为贯通的且发育密集，岩体完整性和整体强度较低，表现出强烈的非均质、不连续、各向异性等特征。目前对于碎裂结构岩体分类分级主要是按其结构特征将其分为镶嵌碎裂结构、层状碎裂结构和碎裂结构三种类型。这一方法不足以准确量化和区分不同碎裂程度的碎裂岩体，导致难以开展不同碎裂程度碎裂结构岩体的力学性质与力学模型研究，针对性的工程治理措施研究等工作。

发明内容

本发明提供了一种基于迹线节点的碎裂结构岩体碎裂程度量化方法，提出了一种针对碎裂结构岩体的碎裂程度量化方法，弥补了现有技术对碎裂结构岩体量化方法不适用的问题。

本发明采用如下技术方案：

一种基于迹线节点的碎裂结构岩体碎裂程度量化方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)获取碎裂结构岩体结构面几何特征参数；

(2)分析结构面几何特征的概率分布和特征参数；

(3)岩体结构面三维网络数据生成；

(4)岩体结构面三维网络可视化；

(5)输出剖面视图；

(6)基于迹线节点计算点线率。

第一步：获取碎裂结构岩体结构面几何特征参数：

利用测线法、测窗法或近景测量法获取岩体结构面几何特征参数，其中，岩体结构面几何特征参数包括结构面的产状、迹长、间距。

第二步：分析结构面几何特征的概率分布和特征参数

利用第一步获取的岩体结构面几何特征参数确定结构面几何特征的概率分布和特征参数，其具体步骤如下：

1)根据产状分布的结构面分组：利用赤平投影方法，把结构面实测数据整理生成极密度图，然后根据产状投影的不同密度，完成结构面分组；

2)计算结构面产状概率密度分布拟合参数：根据结构面分组情况，按组采用频数分布直方图确定样本数据的概率分布形式，并采用极大似然法和最小二乘法拟合法确定样本数据的特征参数；

3)计算结构面迹长概率密度分布拟合参数：根据结构面迹长的频数分布直方图及概率密度分布拟合曲线确定结构面迹长概率密度分布拟合参数；

4)由结构面迹长概率密度分布拟合参数推算结构面半径概率密度分布拟合参数：根据圆盘模型，假设结构面形状为圆盘或椭圆盘，当假定结构面为圆盘时，其大小完全由一个参数即半径a确定，对于所有的结构面来说，结构面半径a可以是整数，也可以是半径分布函数f(a)确定的随机变量，假设结构面为圆盘形，结构面形心在三维空间里完全随机分布，则一个露头面与结构面交切的平均迹长是圆的平均弦长，即：

式中：l为结构面迹长，a为结构面的半径；

设结构面半径a服从分布fa(a)，则有：

式中：f(l)为结构面迹长的概率分布；

可见，结构面半径仍然服从负指数分布，其期望和方差为

式中：E(l)为结构面迹长的期望，E(a)为结构面半径的期望，D(a)为结构面半径的方差；由公式和迹长分布直方图及概率密度拟合曲线得到研究点结构面半径的概率分布模型参数；

5)计算结构面间距概率密度分布拟合参数：根据结构面间距频数分布直方图及概率密度分布拟合曲线确定结构面间距概率密度分布拟合参数。

第三步：岩体结构面三维网络数据生成，其具体步骤如下：

1)模拟空间定义

首先假定一个具有一定大小空间的立方体作为生成结构面三维网络的空间，为消除边界效应，在立体内定义一个较小的立方体，统计计算和相关分析仅考虑位于此立方体内的结构面或被此立方体边界截断后位于其内部的节理部分；

2)确定结构面数目

确定单位空间内结构面的数目，即体密度λv。模拟空间内结构面的数目为λv和空间体积的乘积；

3)确定随机结构面空间位置

根据泊松分布的假定，结构面中心点位置服从均匀分布，采用Monte-Carlo方法模拟，随机产生各结构面中心点的坐标x、y、z；

4)确定产状、隙宽及结构面半径随机数

根据统计分布形式和特征参数，确定结构面的直径、产状和隙宽，采用Monte-Carlo方法模拟生成随机数。

进一步地，步骤还包括：

5)结构面数目和规模的动态校核

当模拟得到的结构面平均迹长L大于迹长预设值L₀，则减小结构面的半径；反之则增加结构面半径直至模拟迹长与实际迹长相适应。

第四步：岩体结构面三维网络可视化，其具体方法为：使用GeneralBlock软件中FRACTURE DRAWING模块进行岩体结构面的三维可视化。

第五步：输出剖面视图：将GeneralBlock软件获取的结构面的三维可视化成果输出剖面视图。

可选地，将GeneralBlock软件获取的结构面的三维可视化成果输出至少三张不同空间位置的剖面视图。

第六步：基于迹线节点的点线率计算：1)计算节点密度，即单位面积平面内迹线节点的数量，用TND表示，单位：个/m²，数学表达式为：

2)计算点线率，即单位面积平面内单位迹线的迹线节点个数，用NTR表示，单位：个，数学表达式为：

式17、式18中：N_O-统计平面内迹线节点的数量，单位：个；N_L-统计平面内迹线数量，单位：条(个)；S-结构面迹线平面面积，单位：m²。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

本发明提出的一种基于迹线节点的碎裂结构岩体碎裂程度量化方法，其根据现场获取的碎裂结构岩体结构面几何特征参数，分析结构面几何特征的概率分布和特征参数，以此获取岩体结构面三维网络数据并实现岩体结构面三维网络可视化。根据岩体结构面三维网络可视化成果输出输出剖面视图。通过对岩体不同空间位置剖面迹线的交割情况进行量化分析，从结构面迹线的交点数量和结构面迹线条数出发，量化表达了结构面交切搭接情况，反映了碎裂结构岩体的碎裂程度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例中A、B小区结构面分布统计图；

图2是本发明实施例中A小区的结构面产状分布直方图及概率密度拟合曲线图；

图3是本发明实施例中B小区的结构面产状分布直方图及概率密度拟合曲线图；

图4为本发明实施例中A小区的迹长分布直方图及概率密度拟合曲线图；

图5为本发明实施例中B小区的迹长分布直方图及概率密度拟合曲线图；

图6为本发明实施例中A小区的间距分布直方图及概率密度拟合曲线图；

图7为本发明实施例中B小区的间距分布直方图及概率密度拟合曲线图；

图8为本发明实施例中的岩体结构面三维空间坐标系中表示示意图；

图9为本发明实施例中的λ_v求解示意图；

图10为本发明实施例中的各组结构面体密度图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，以便于本领域普通技术人员的理解。

研究区处于四川省绵阳市安州区某滑坡，在滑坡区域选定A、B两个小区开展精细化调查工作，其中A小区为风化侵蚀较为严重区域，岩体结构面发育程度高，B小区为风化侵蚀相对较弱地区，岩体结构面发育程度较低。

第一步：获取碎裂结构岩体结构面几何特征参数

对于A、B小区，考虑到该区域岩体结构面发育较为紧密，非接触测量方式解译结构面产状效果不佳的情况，采用人工接触测量法(测线法)获取岩体结构面产状，采用近景摄影测量的方法获取岩体结构面的迹长和间距。另外，对迹长和间距也可以采用测线法进行测量，也可以采用测窗法进行测量，而岩体结构面的产状也可以采用测窗法进行。可以理解，对于结构面产状、迹长和间距的测量可以根据实际情况及需求进行选择，本发明对测量方法不作具体限制。

通过采用人工接触测量和近景摄影测量相结合的方式，对主要的两处研究点进行了调查分析，共获得各类参数的数据量如表1。

表1精细化调查获取的碎裂结构岩体几何特征数据量

类型	产状	迹长	间距	合计
					A小区	405	358	367	1508
B小区	320	305	315	1243
					合计	725	663	682	2751

第二步：分析结构面几何特征的概率分布和特征参数

利用第一步获取的岩体结构面几何特征参数确定结构面几何特征的概率分布和特征参数，其具体步骤如下：

1)根据产状分布的结构面分组：利用赤平投影方法，把结构面实测数据整理生成极密度图，然后根据产状投影的不同密度，完成结构面分组

岩体中结构面的发育具有一定的规律性和方向性，结构面几何特征的概率模型应分组构建，结构面网络模拟也是分别对各组结构面进行模拟。结构面分组是结构面几何特征统计分析和结构面网络模拟的前提。

利用赤平投影方法，把结构面实测数据整理生成极密度图，然后根据产状投影的不同密度，完成结构面分组。研究区共采集725条结构面数据，剔除错误数据29个后，把产状看成费歇尔分布，利用DIPS软件，生成了岩体结构面极密度图，可参见图1。

结合图1,结构面密度集中情况和结构面展布的不同簇群，分析认为研究点主要发育的结构面有三组，见表2：①I组，该组结构面与岩层产状一致，平行发育，是原生构造作用形成的结构面；②II组，该组结构面与岩层层面高角度相交，是岩体在受构造作用下形成的结构面；③III组，该组与II组形成“X”型结构，与结构面高角度相交。在II组和III组结构面中，II-①与II-②、III-①与III-②是伴生出现的，说明构造结构面不是仅由构造力作用形成的，是构造作用与岩体结构共同作用的产物。

表2 A、B小区结构面分组

分组	产状	有效结构面数量	占比(％)
				I	350°～15°∠25°～45°	175	25.14％
II-①	60°～100°∠60°～90°	127	18.25％
				II-②	240°～280°∠60°～90°	122	17.53％
III-①	120°～150°∠60°～90°	144	20.69％
				III-②	300°～330°∠60°～90°	128	18.39％

2)计算结构面产状概率密度分布拟合参数：根据结构面分组情况，按组采用频数分布直方图确定样本数据的概率分布形式，并采用极大似然法和最小二乘法拟合法确定样本数据的特征参数

A、B两个小区岩体结构面可分为三大组五小组，下面将依据得出的分组情况，采用频数分布直方图确定样本数据的概率分布形式，并采用极大似然法和最小二乘法拟合法确定样本数据的特征参数。A小区的结构面产状的频数分布直方图及概率密度分布拟合情况可参见图2，其概率分布的特征参数值见表3；B小区的结构面产状的频数分布直方图及概率密度分布拟合情况可参见图3，其概率密度分布的特征参数值见表3。统计分析来看，两处研究点的产状服从正态分布。

表3 A、B小区结构面产状分布拟合模型及其参数

3)计算结构面迹长概率密度分布拟合参数：根据结构面迹长的频数分布直方图及概率密度分布拟合曲线确定结构面迹长概率密度分布拟合参数

通过近景摄影测量获取各研究小区的图像数据并数字化解译获取了各组结构面的迹长数据。A小区结构面迹长的频数分布直方图及概率密度分布拟合情况可参见图4；B小区结构面迹长的频数分布直方图及概率密度分布拟合情况可参见图5。A、B两个小区的概率分布的特征参数值见表4。

表4 A、B小区迹长分布直方图及概率密度拟合曲线

4)由结构面迹长概率密度分布拟合参数推算结构面半径概率密度分布拟合参数：根据圆盘模型，假设结构面形状为圆盘或椭圆盘，当假定结构面为圆盘时，其大小完全由一个参数即半径a确定，对于所有的结构面来说，结构面半径a可以是整数，也可以是半径分布函数f(a)确定的随机变量，假设结构面为圆盘形，结构面形心在三维空间里完全随机分布，则一个露头面与结构面交切的平均迹长是圆的平均弦长，即：

式中：l为结构面迹长，a为结构面的半径；

设结构面半径a服从分布fa(a)，则有：

式中：f(l)为结构面迹长的概率分布；

可见，结构面半径仍然服从负指数分布，其期望和方差为

式中：E(l)为结构面迹长的期望，E(a)为结构面半径的期望，D(a)为结构面半径的方差；由式3、式4和迹长分布直方图及概率密度拟合曲线得到研究点结构面半径的概率分布模型参数，参见表5。

表5 A、B小区结构面半径分布拟合模型及其参数

5)计算结构面间距概率密度分布拟合参数：根据结构面间距频数分布直方图及概率密度分布拟合曲线确定结构面间距概率密度分布拟合参数

将A、B小区通过近景摄影测量解译获取的间距数据进行合并和分组，得出A小区结构面间距的频数分布直方图及概率密度分布拟合情况可参见图6；B小区结构面间距的频数分布直方图及概率密度分布拟合情况可参见图7；A、B小区的概率分布的特征参数值见表6。

表6 A、B小区结构面间距分布拟合模型及其参数

第三步：岩体结构面三维网络数据生成，其具体步骤如下：

1)模拟空间定义

首先假定一个具有一定大小空间的立方体作为生成结构面三维网络的空间，为消除边界效应，在立体内定义一个较小的立方体，统计计算和相关分析仅考虑位于此立方体内的结构面或被此立方体边界截断后位于其内部的节理部分。

2)确定结构面数目

确定单位空间内结构面的数目，即体密度λv。模拟空间内结构面的数目为λv和空间体积的乘积。

结构面的密度是指单位尺度范围内结构面的数目，主要由线密度(λd)、面密度(λs)和体密度(λv)等三种类型。分别表征在结构面法线方向、单位面积和单位体积内结构面条数、结构面中心点和形心点的数目。

请参阅图8，图8所示为岩体结构面在三维空间坐标系中表示示意图。建立三维空间坐标系，设有一组结构面，即图8中△ABC，倾向为α，倾角为β，结构面法线n的方向余弦{l,m,n}为：

如果在露头上布置一条测线，假设其倾伏向为ξ，倾俯角为ζ，则方向余弦{l′,m′,n′}为：

由式5和式6可得结构面法线n和测线夹角θ的余弦为：

cosθ＝ll′+mm′+nn′ 式7

则该组结构面的线密度λ_d为：

式8中，L为测线长度；N为结构面条数；λ_d′为测线方向结构面视线密度。

按照结构面间距和线密度的定义，在统计结构面时要求测线沿着结构面法线方向法制。但在实际的统计过程中，受场地条件限制测线往往只能沿着露头面近水平布置。由结构面线密度定义有：

式9中，d′为测线方向结构面视线间距。

由式8和式9可得该组结构面平均线密度为：

式10中，为该组结构面视间距均值。

根据结构面呈薄圆盘状的假设条件，请参阅图9，图9所示为λ_v求解示意图，假设测线L与结构面法线平行，即L垂直于结构面。取圆心在L上，半径为R，厚为dR的空心圆筒，其体积为dV＝2πRLDR，则中心点位于体积dV内的结构面数dN为：

dN＝λ_vdV＝2πRLλ_vdR 式11

但是，对于中心点位于dV内的结构面，只有其半径r≥R时才能与测线相交。若结构面半径r的密度为f(r)，则中心点在dV内且与测线L相交的结构面数目dn为：

所以，结构面线密度λ_d为：

若结构面迹长服从负指数分布，则结构面半径服从函数代入式13有：

式14中为结构面半径的均值。

若岩体中存在k组结构面，则结构面总体密度为：

式15中λ_di和为第i组结构面的线密度和半径均值。

联立式10和式15，可得结构面总体平均体密度为：

式16中为第i组结构面的视间距均值。

据式16和表5和表6得出A、B小区各组结构面的体密度，可参见图10。

进一步地，以此得到的结构面数量仅作为结构面网络模拟的输入初始值，最终的结构面数量应根据需要动态确定。

3)确定随机结构面空间位置

根据泊松分布的假定，结构面中心点位置服从均匀分布，采用Monte-Carlo方法模拟，随机产生各结构面中心点的坐标x、y、z；

4)确定产状、隙宽及结构面半径随机数

根据统计分布形式和特征参数，确定结构面的直径、产状和隙宽，采用Monte-Carlo方法模拟生成随机数。

进一步地，步骤还包括：

5)结构面数目和规模的动态校核

当模拟得到的结构面平均迹长L大于迹长预设值L₀，则减小结构面的半径；反之则增加结构面半径直至模拟迹长与实际迹长相适应。

最终，得到经动态校核的结构面三维网络模拟参数可见表7。

表7经动态校核的结构面三维网络模拟参数

第四步：岩体结构面三维网络可视化，其具体方法为：使用GeneralBlock软件中FRACTURE DRAWING模块进行岩体结构面的三维可视化。

第五步：输出剖面视图：将GeneralBlock软件获取的结构面的三维可视化成果输出剖面视图。可选地，将GeneralBlock软件获取的结构面的三维可视化成果输出至少三张不同空间位置的剖面视图。

第六步：基于迹线节点计算点线率：

1)计算节点密度，即单位面积平面内迹线节点的数量，用TND表示，单位：个/m²，数学表达式为：

2)计算点线率，即单位面积平面内单位迹线的迹线节点个数，用NTR表示，单位：个，数学表达式为：

式17、式18中：N_O-统计平面内迹线节点的数量，单位：个；N_L-统计平面内迹线数量，单位：条(个)；S-结构面迹线平面面积，单位：m²。

最终，得出A、B小区典型剖面迹线与迹线交点统计表，可见表8。

表8 A、B小区典型剖面迹线与迹线交点统计表

A小区的迹线条数差异不大，其均值分别为370.0条、368.4条，但两处研究的迹线节点个数具有显著差异，其均值分布为637.8个、583.0个；直接致使两小区的点线率存在明显差异，比例达到7.83％。从点线率NTR来分析，A小区的岩体程度比B小区高；点线率也一定程度反映了岩体中优势结构面的复杂程度，结构面之间的交切程度，是较好评价岩体碎裂程度的指标。

以上仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于迹线节点的碎裂结构岩体碎裂程度量化方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)获取碎裂结构岩体结构面几何特征参数；

(2)分析结构面几何特征的概率分布和特征参数；

(3)岩体结构面三维网络数据生成；

(4)岩体结构面三维网络可视化；

(5)输出剖面视图；

(6)基于迹线节点计算点线率。

2.根据权利要求1所述的一种基于迹线节点的碎裂结构岩体碎裂程度量化方法，其特征在于，所述步骤(1)的具体方法如下：

利用测线法或测窗法获取岩体结构面几何特征参数，其中，岩体结构面几何特征参数包括结构面的产状、迹长、间距。

3.根据权利要求1的所述的一种基于迹线节点的碎裂结构岩体碎裂程度量化方法，其特征在于，所述步骤(1)的具体方法如下:

利用近景摄影测量法获取岩体结构面几何特征参数，其中，岩体结构面几何特征参数包括结构面的产状、迹长、间距。

4.根据权利要求2的所述的一种基于迹线节点的碎裂结构岩体碎裂程度量化方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体方法如下：

1)根据产状分布的结构面分组；

2)计算结构面产状概率密度分布拟合参数；

3)计算结构面迹长概率密度分布拟合参数；

4)由结构面迹长概率密度分布拟合参数推算结构面半径概率密度分布拟合参数；

5)计算结构面间距概率密度分布拟合参数。

5.根据权利要求4的所述的一种基于迹线节点的碎裂结构岩体碎裂程度量化方法，其特征在于，所述步骤(3)的具体方法如下：

1)模拟空间定义

首先假定一个具有一定大小空间的立方体作为生成结构面三维网络的空间，为消除边界效应，在立体内定义一个较小的立方体，统计计算和相关分析仅考虑位于此立方体内的结构面或被此立方体边界截断后位于其内部的节理部分；

2)确定结构面数目

确定单位空间内结构面的数目，即体密度λv。模拟空间内结构面的数目为λv和空间体积的乘积；

3)确定随机结构面空间位置

根据泊松分布的假定，结构面中心点位置服从均匀分布，采用Monte-Carlo方法模拟，随机产生各结构面中心点的坐标x、y、z；

4)确定产状、隙宽及结构面半径随机数

根据统计分布形式和特征参数，确定结构面的直径、产状和隙宽，采用Monte-Carlo方法模拟生成随机数。

6.根据权利要求4的所述的一种基于迹线节点的碎裂结构岩体碎裂程度量化方法，其特征在于，所述步骤(3)的具体方法如下：

1)模拟空间定义

首先假定一个具有一定大小空间的立方体作为生成结构面三维网络的空间，为消除边界效应，在立体内定义一个较小的立方体，统计计算和相关分析仅考虑位于此立方体内的结构面或被此立方体边界截断后位于其内部的节理部分；

2)确定结构面数目

确定单位空间内结构面的数目，即体密度λv。模拟空间内结构面的数目为λv和空间体积的乘积，以此得到的结构面数目仅作为结构面网络模拟的输入初始值，最终的结构面数量应根据需要动态确定；

3)确定随机结构面空间位置

根据泊松分布的假定，结构面中心点位置服从均匀分布，采用Monte-Carlo方法模拟，随机产生各结构面中心点的坐标x、y、z；

4)确定产状、隙宽及结构面半径随机数

根据统计分布形式和特征参数，确定结构面的直径、产状和隙宽，采用Monte-Carlo方法模拟生成随机数；

5)结构面数目和规模的动态校核

当模拟得到的结构面平均迹长L大于迹长预设值L₀，则减小结构面的半径；反之则增加结构面半径直至模拟迹长与实际迹长相适应。

7.根据权利要求5或6任一项所述的一种基于迹线节点的碎裂结构岩体碎裂程度量化方法，其特征在于，所述步骤(4)的具体方法为：使用GeneralBlock软件中FRACTUREDRAWING模块进行岩体结构面的三维可视化。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种基于迹线节点的碎裂结构岩体碎裂程度量化方法，其特征在于，所述步骤(5)的具体方法为：

将GeneralBlock软件获取的结构面的三维可视化成果输出剖面视图。

9.根据权利要求8所述的一种基于迹线节点的碎裂结构岩体碎裂程度量化方法，其特征在于，所述步骤(5)的具体方法为：

将GeneralBlock软件获取的结构面的三维可视化成果输出至少三张不同空间位置的剖面视图。

10.根据权利要求1所述的一种基于迹线节点的碎裂结构岩体碎裂程度量化方法，其特征在于，所述步骤(6)的具体方法如下：

1)计算节点密度，即单位面积平面内迹线节点的数量，用TND表示，单位：个/m²，数学表达式为：

2)计算点线率，即单位面积平面内单位迹线的迹线节点个数，用NTR表示，单位：个，数学表达式为：

式17、式18中：N_O-统计平面内迹线节点的数量，单位：个；N_L-统计平面内迹线数量，单位：条(个)；S-结构面迹线平面面积，单位：m²。