CN111859497A - 一种地质块体对象化建模分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地质块体对象化建模分析方法，包括步骤S1地质块体对象化定义，S2地质块体自动化建模，S3地质块体模型化分析。其方法原理是步骤S1将地质块体视为个体或多个地质子块体构成的集合体，进行对象化定义；步骤S2通过概化延展地质结构面与自然临空面、人工开挖面将岩体划分成若干地质子块体，自动生成岩体的地质块体模型；步骤S3直接从模型上提取地质结构面的几何和力学参数，进行稳定性分析计算，输出评价报告、图表等。本发明将地质块体视为一个有机系统，对象化表达了地质块体的构成、属性和空间关系，判定岩体的稳定状况，计算其安全系数，为施工地质超前预报、设计支护参数调整提供科学依据。本发明主要应用于岩土工程领域的岩质洞室、边坡和基坑工程。

Description

一种地质块体对象化建模分析方法

技术领域

本发明涉及一种地质块体对象化建模分析方法。该技术方法适用于洞室、边坡工程等地质专业领域。

背景技术

在边坡、地下洞室和地基工程中，工程岩体的地质块体稳定性分析是一项极为重要的工作内容，其目的是通过各种手段和途径，正确认识受力岩体的变形和破坏规律，判定岩体的稳定状况，为工程规划、设计、施工和加固等工作提供科学合理的建议和依据。

目前，地质块体稳定性分析方法主要有极限平衡法、差分法、有限元法、离散元法、边界元法、DDA法、块体单元法、非连续变形分析和数值流形法等。极限平衡法作为一种预先制定破坏面并获得唯一上限解的方法，经历了竖直条分至斜条分的完善过程，它是块体理论的思想基础；由于地质结构面的存在而往往表现为非连续性，使用基于连续介质力学的有限元法进行地质块体稳定性分析时通常存在较大的局限性；基于非连续介质力学的离散元法视块体为离散介质，可以计算块体沿结构面滑动、转动直至破坏的全过程，但与有限元法类似，需要预先网格化以及获取准确的结构面位置等信息，实际工程中往往难以满足；非连续变形分析和数值流形方法在大变形、动力学计算等方面具有广阔的发展前景，但由于发展相对较晚，目前应用不多。块体理论主要根据结构面的产状等参数直接判断相应块体的稳定性，是“几何法”分析，而且计算完全是三维的，所得结果可直接用于实际工程，且块体理论也是非连续变形分析和数值流形方法等非连续介质力学方法发展的基础。

块体理论是一种结构分析方法，是借助于拓扑学、集合论、几何学和矢量代数学建立的，其基本假定为：①结构面为平面；②不考虑岩石块体本身的强度破坏；③结构体为刚体；④岩体的失稳是岩体在各种荷载作用下沿着结构面产生剪切滑移。块体理论自从提出和建立以来，国内外许多学者从结构面几何分布特征、物理特性、块体的力学行为等方面考虑并结合现代数学方法提出了一些新的方法，归纳起来主要有随机网络模拟法、关键群法、分形几何法、弹粘塑性法以及非连续变形分析和数值流形法等6类方法。

自然界发生的滑坡绝大多数呈三维状态，但是在块体稳定分析领域，二维极限平衡法仍是常用手段。越来越多的工程实际问题提出了建立三维块体稳定分析的要求(Seedet al,1990；Morgenstern,1992)。三维块体稳定性分析可以更加真实地反映边坡的实际状态，特别是当滑裂面已经确定时，使用三维分析可以恰当地考虑滑体内由于滑裂面的空间变异特征对边坡稳定安全系数的影响。

尽管三维的地质块体稳定性分析具有重要意义，但大部分研究工作仅限于学术领域，实际工程中将地质块体稳定性分析与地质三维模型完全结合，建立从地质块体对象化定义到自动化建模、模型化分析的技术方法未见应用。然而一个大型边坡工程可能有数十个地质块体交叉出现，二维图和分析报告难以描述真实的岩体复杂状况和工程影响，人工的地质分析和资料整编工作量极大，且非常考验地质人员的空间分析和计算评价能力，地质块体稳定性分析成果质量、工作效率都难以提高。

发明内容

目前，二维块体稳定性分析方法及理论已相当成熟，但结合三维软件进行地质块体的自动建模与稳定性分析计算一体化的研究尚少。本发明在块体理论的基础上，深入研究地质块体建模与稳定性分析理论，将地质块体视为一个有机系统，提出一种地质块体建模分析方法。

一种地质块体对象化建模分析方法，其特征在于

S1、在计算机中将地质块体对象化定义为一个或多个子块体组合的虚拟可视化地质块体模型，由至少一个地质结构面和临空面构成，所述虚拟可视化地质块体模型的属性结构中一体化存储了地质结构面、临空面的图形属性、地质属性、工程属性；所述临空面可以是自然边坡或人工开挖面；

S2、在地质三维模型中选择一定空间范围内的地质结构面、临空面，将这些面延展、剪切、组合、封闭，自动化创建步骤S1所定义的地质块体模型；

S3、根据步骤S2创建的地质块体模型，从地质块体模型中一次性获取地质结构面、临空面的全部属性数据，采用一种或多种理论计算方法，进行地质块体稳定性分析计算和成果输出。

优选的，步骤S1所述地质块体对象化定义，为地质块体模型的属性定义了树形结构，每个地质块体节点下为展开并行的地质结构面、临空面节点，每个节点根据类别记录不同的结构面或临空面编号、地质类型、图形属性、地质属性、工程属性。其中图形属性包括图层名称、线宽、线型、透明度、显示优先级、显示样式；地质属性包括编号、地质类型、发育特征、性状描述、结合关系；工程属性包括分析评价、工程影响、工程措施岩体抗剪强度、地质结构面抗剪强度指标C(内摩擦角)和ψ(粘聚力)。

优选的，步骤S1所述地质块体对象化定义，为地质块体的虚拟可视化模型定义了原生模型、切割模型和概化模型三种可视状态和显示方式，分别表示了岩体的原生状态、潜在风险地质块体的实际状态和推测滑移发生时的破坏状态。

优选的，步骤S2的地质块体自动化建模，是将所有地质结构面按照其产状趋势延展重构得到其概化面，由地质结构面的概化面、临空面相互切割、组合成空间封闭的实体，得到地质块体的概化模型；从地质块体的概化模型中，隐藏地质结构面的延展部分，得到地质块体的切割模型；在地质块体的切割模型中，将地质结构面、临空面被切割掉的部分还原，得到地质块体的原生模型。

优选的，步骤S3的地质块体模型分析，是以地质块体的虚拟可视化模型作为唯一输入，从概化模型获取潜在风险地质块体的棱边长、滑移面面积、体积方量，从切割模型获取地质块体滑移面中地质结构面实际所占面积，为潜在滑移面抗剪强度加权计算提供参数；将计算过程参数、稳定性评价、分析报告记录到地质块体的属性结构中；地质块体稳定性分析报告为电子文稿，附有描述信息、概化模型视图、编号标识、计算方法、计算过程参数、稳定性系数、稳定性评价内容。

本发明的有益效果是：本发明通过定义地质块体对象及其原生模型、切割模型和概化模型，据此可以实现地质块体模型的自动化创建，并基于该模型进行块体稳定性分析，计算其安全系数，判定岩体的稳定状况。可真实展现地质块体的空间位置关系，正确认识受力岩体的变形和破坏规律，能快速、全面地对块体稳定性进行分析，为施工地质超前预报、设计支护参数调整提供科学合理化建议和参数依据，具有非常重要的意义。

附图说明

图1是本发明的流程示意图。

图2是本发明实施例的地质结构面空间分布示意图。

图3是本发明实施例的地质结构面的概化面示意图。

图4是本发明实施例的地质块体的概化模型示意图。

图5是本发明实施例的地质块体的切割模型示意图。

图6是本发明实施例的地质块体的原生模型示意图。

图7是本发明实施例的地质块体稳定性分析工具界面示意图。

图8是本发明的地质块体对象化定义。

图9是本发明实施例的地质块体对象化定义实例的属性构成界面示意图，显示了虚拟可视化模型一体化存储的信息。

图10是本发明实施例的地质块体稳定性分析报告示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和有点更加清楚，下面将几个本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本实施例以某大型水电站左岸边坡稳定性分析为例，该边坡在大规模断层以及错动带等地质结构面的切割作用下，边坡内不稳定块体分布广、规模大，属于典型的结构面控制问题。该大型水电站左岸边坡分布的主要结构面有以下三组：J110、f114和LS337。J110为后裂面，卸荷破碎带10～30cm，形成空缝或充填架空岩块，有岩屑、次生泥。f114为侧裂面，有碎裂岩，角砾、断层泥，逆冲擦痕，错距40cm。LS337为底滑面，面平直，局部段呈波状，在洞顶处见分支，带内岩石呈强风化，呈半胶结状；沿带接触面上分布1～2mm厚的次生泥，带内连续分布2～3mm厚的次生泥，沿带渗、滴水。本实施例选用Bentley公司的产品MicroStation作为创建地质块体原生模型、概化模型、切割模型创建及分析的三维平台。

本实施例按照本发明的流程示意图，如图1所示，一种地质块体对象化建模分析方法，包括：

S1、在三维平台MicroStation中将拟构建的地质块体对象定义为一个或多个子块体构成的集合体虚拟可视化模型，每个地质子块体又由至少1个地质结构面和至少1个临空面构成，临空面是自然边坡或人工开挖面。虚拟可视化地质块体模型中一体化存储了地质结构面、临空面(自然边坡或人工开挖面)的图形属性、地质属性、工程属性，地质块体对象化定义的内容如图8、9所示；其中结构面J110、f114和LS337空间分布如图2所示；

S2、在地质三维模型中，选择一定空间范围内的地质结构面、临空面(自然边坡或人工开挖面)，通过自动化软件工具将面延展、剪切、组合、封闭，创建步骤S1中定义的地质块体模型。

具体操作如下：首先将所有地质结构面按照其产状趋势延展重构得到其概化面，如图3所示，由地质结构面的概化面、临空面(自然边坡或人工开挖面)相互切割、组合成空间封闭的实体，得到地质块体的概化模型示意图，如图4所示；从地质块体的概化模型中，隐藏地质结构面的延展部分，得到地质块体的切割模型示意图，如图5所示；在地质块体的切割模型中，将地质结构面、临空面(自然边坡或人工开挖面)被切割掉的部分还原，得到地质块体的原生模型示意图，如图6所示。

S3、通过结构面参数等数据对地质块体进行分析评价。具体分析内容包括块体的几何特征和稳定性评价等。操作界面如图7所示。

以地质块体的虚拟可视化模型作为唯一输入，从概化模型获取潜在风险地质块体的棱边长、滑移面面积、体积方量，从切割模型获取地质块体滑移面中地质结构面实际所占面积，为潜在滑移面抗剪强度加权计算提供参数。在地质块体稳定性分析结果中，以原生模型和概化模型的两个视图分别表示岩体的实际状态和可能发生破坏的状态；采用地质块体稳定性计算方法，包括方法极限平衡法(楔形体滑动分析)、极限平衡法(圆弧形滑面分析)、极限平衡法(平面型滑面分析)、极限平衡法(折面型滑面传动系数法)、极限平衡法(折面型滑面等Fs法)、极限平衡法(折面型滑面Sarma法)、极限平衡法(倾倒破坏分析法)等，点击块体分析工具界面上的分析按钮，即可得到地质块体稳定性分析的结果。将地质块体稳定性计算结果作为地质块体的部分属性，与其它图形属性、地质属性、工程属性一起在块体分析工具界面上显示，如图7所示。图9展示了地质块体的图形属性，地质属性和工程属性，图10所示报告中的信息与其对应，据此生成图10所示的地质块体稳定性分析报告。

通过块体分析信息表输出工具可以读取块体的地质属性和体积属性，以及构成块体的结构面地质属性和面积属性，将这些信息一并输出到块体信息模板中，完成块体分析报告的输出，如图10所示。

Claims (5)

1.一种地质块体对象化建模分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在计算机中将地质块体对象化定义为一个或多个子块体组合的虚拟可视化模型，由至少一个地质结构面和临空面构成，模型的属性结构中一体化存储了地质结构面、临空面的图形属性、地质属性、工程属性；所述临空面是自然边坡或人工开挖面；

S2、在地质三维模型中选择一定空间范围内的地质结构面、临空面，通过将这些面延展、剪切、组合、封闭，自动化创建步骤S1中所定义的地质块体模型；

S3、根据步骤S2创建的地质块体模型，从地质块体模型中一次性获取地质结构面、临空面的全部属性数据，采用一种或多种理论计算方法，进行地质块体稳定性分析计算和成果输出。

2.如权利要求1所述的一种地质块体对象化建模分析方法，其特征在于，步骤S1所述地质块体对象化定义，模型属性结构为树形结构，每个地质块体节点展开后为并行的地质结构面、临空面节点，每个节点根据类别记录图形属性、地质属性、工程属性。

3.如权利要求1所述的一种地质块体对象化建模分析方法，其特征在于，步骤S2的地质块体自动化建模，是将所有地质结构面按照其产状趋势延展重构得到其概化面，由地质结构面的概化面、临空面相互切割、组合成空间封闭的实体，得到地质块体的概化模型；从地质块体的概化模型中，隐藏地质结构面的延展部分，得到地质块体的切割模型；在地质块体的切割模型中，将地质结构面、临空面被切割掉的部分还原，得到地质块体的原生模型。

4.如权利要求1所述的一种地质块体对象化建模分析方法，其特征在于，步骤S1所述地质块体对象化定义，为地质块体的虚拟可视化模型定义了原生模型、切割模型和概化模型三种可视状态和显示方式，分别表示了岩体的原生状态、潜在风险地质块体的实际状态和推测滑移发生时的破坏状态。

5.如权利要求3或4所述的一种地质块体对象化建模分析方法，其特征在于，步骤S3所述地质块体模型化分析，是以地质块体的虚拟可视化模型作为唯一输入，从概化模型获取潜在风险地质块体的棱边长、滑移面面积、体积方量，从切割模型获取地质块体滑移面中地质结构面实际所占面积，为潜在滑移面抗剪强度加权计算提供参数；最后将采用一种或多种理论计算方法的计算过程参数、稳定性评价、分析报告记录到地质块体的属性结构中。

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