岩体结构面网络模拟技术研究进展贾洪彪 唐辉明 刘佑荣(中国地质大学工程学院,湖北武汉,430074)摘 要: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,具有良好的应用前景。
关键词:岩体;结构面网络;网络模拟技术;进展中图分类号:P611;P595 文献标识码:A 文章编号:1000-7849(2001)01-0105-04 岩体结构面网络模拟是根据结构面发育具有随机性的特征,依据统计学原理,采用M onte Ca rlo随机模拟方法在计算机上进行模拟。
这一技术发展至今,已有近20年的历史,对岩体力学的研究、发展及工程应用起到了很大的推动作用[1]。
通过模拟,可以由局部到整体、“由表及里”,了解在一般情况下难以观察、测量到的岩体内部结构面的发育情况,确定岩体的结构特征。
它被积极地运用到工程实践中,有效地解决了一系列与工程岩体结构性质有关的问题。
多年来,很多学者对它进行了认真、细致的研究,使之不断发展与完善。
现将近期研究的主要进展介绍如下。
1 三维模拟在以往的研究中,重点是进行岩体结构面网络的二维模拟。
近年来,结构面网络三维模拟的研究得到了重视与发展[2]。
1.1 三维模拟的优势岩体结构面网络三维模拟与二维模拟相比有着明显的优势。
主要体现在以下几个方面:①三维网络图具有空间立体感,对工程岩体问题的判断更客观、全面;②在二维模拟的同一地点各方向的网络图中,各条结构面难以一一对应。
而在通过三维网络图自动生成的各切面图中,结构面能一一对应,可以组合成各种空间模型;③三维模拟可以很好地解决空间问题,如地下洞室围岩的滑移、垮落;岩质边坡的崩塌等问题。
1.2 三维模拟的方法岩体结构面网络三维模拟的具体步骤如下。
(1)结构面的野外采样 这是保证模拟精度的重要环节,只有按统计学的要求量测到一定数量的结构面,才能进行有效的模拟。
(2)结构面概率模型的建立 结构面的发育具随机性,其特征参数都遵循一定的概率分布形式,一旦确定出它们的分布形式就可以得到结构面的概率模型。
(3)结构面三维网络的模拟 采用M onte Ca r-lo随机模拟方法,生成遵循预定概率分布形式的随机数序列,对结构面各特征参数分别进行模拟,可以得到结构面三维网络图(图1),其流程见图2。
(4)结构面网络切面图的生成 为了更好地从不同角度对岩体的结构特征进行研究,可以从三维网络图中自动生成所需要的切面图(图3)。
图1 结构面网络三维图(单位:m)F ig.1 3-D discontinuity netw ork⒇收稿日期:2000-09-21 编辑:曲梅兰作者简介:贾洪彪,男,1969年12月生,讲师,主要从事岩土工程专业的教学与科研工作图2 结构面网络三维模拟程序框图Fig.2 Flow diag ram of3-D discon tin uity netwo rk modeling图3 由图1得到的结构面网络切面图(单位:m)Fig.3 Netwo rk ch arts of apiece s ection from Fig.12 工程应用自从结构面网络模拟技术问世,大家就注重对它的工程应用进行研究。
在国内,很多工程中都运用这一方法来解决相应的岩体力学问题。
从岩体结构的评价到岩体结构面形态参数的确定;从岩体滑移面的搜索到地下洞室围岩稳定性的分析;从岩体强度的估算到岩体渗透性能的评价,应用的领域很广泛。
在长江三峡工程、黄河小浪底工程等大型工程中都得到了应用。
现在人们仍然不断对它进行完善、拓展,进一步发挥这项技术的应用价值。
例如庞作会等[3]在结构面模拟的基础上进行了数值计算的网格自动剖分,王建峰等在1997年进行了危险滑移面的搜索,王渭明[4]对地下洞室围岩的“危石”进行了预测。
甚至有学者尝试把结构面模拟与分维理论结合起来,进行体积RQD值。
具体方法是先计算出结构面的体密度,再利用体密度与体积RQD值的倒数关系得到岩体体积RQD值。
2.3 岩体裂隙率的确定笔者提出用岩体裂隙来表征岩体裂隙化程度,并将它定义为单位体积的岩体所包含的裂隙的总面积(m-1)。
由定义可以看出,岩体裂隙率既与结构面密度有关,又与结构面规模有关。
因此,岩体裂隙率综合反映岩体中结构面发育的情况,它不仅反映结构面数量的多少,也反映结构面规模的大小。
于是,可以用它来衡量岩体的完整性,用于岩体质量的评价。
表1列出了用岩体裂隙率评价岩体完整性的方案。
表1 用岩体裂隙率进行的分类Table1 Ro ck classification with r ock cranny r atio岩体裂隙率/m-10～55～1010～2525～50>50裂隙发育程度不发育较不发育一般发育发育很发育岩体完整性完整较完整较破碎破碎极破碎在通常条件下,岩体裂隙率不容易直接测定,而利用岩体结构面网络三维模拟可以非常容易地确定。
当然,同样也可以确定出岩体面裂隙率(单位面积内所包含的裂隙的总迹长)。
2.4 隔离体的搜索工程岩体被各类结构面所切割,又被临空面(开挖面)揭露,就会形成一系列形状各异的镶嵌块体。
隔离,称之为隔离体,如楔形体、连通的滑移面所切割出的滑移体等。
相对来说,隔离体出现破坏的可能性要大得多。
如地下洞室围岩的冒顶、片帮;斜坡岩体滑移、崩塌等现象,经常都是因隔离体所产生的。
因此,如果能够在岩体结构面网络模拟的基础上搜索出这类隔离体的存在,就可以为岩体稳定性评价创造条件。
在搜索隔离体时,既可以进行空间块体的搜索,也可以进行潜在滑移面的搜索。
空间块体的搜索可以在岩体结构面网络三维模拟的基础上自动进行。
结合临空面(开挖面)的具体位置,搜索出被不同结构面组合切割出的空间块体,在此基础上评价块体的稳定性。
潜在滑移面的搜索难度较大,潜在滑移面时常会有多条,这需要对其进行甄别,其中涉及强度与稳定性的关系。
另外,由于它并非完全由连通的结构面构成,因此,仅从结构面网络中搜索就会产生与实际情况不太吻合的结果。
陶振宇等[5]提出应结合岩体节理扩张理论进行搜索。
2.5 岩体渗透性分析只有岩体结构面张开并相互连通,形成一定的渗流通道,地下水才可以在岩体中流动。
因此,基于此目的的结构面连通性分析,可以搜索从“源”到“汇”的裂隙连通网络。
这在坝基岩体渗漏分析,地下巷道的涌水、突水预测及地下水封油库的防渗研究等方面有着十分重要的意义。
借助于计算机自动搜索可以研究与岩体渗透性相关的各类性质。
例如,郝哲等在1999年利用网络模拟研究注浆扩散情况,估算岩体渗透系数。
3 仿真研究岩体结构面网络模拟的最大顾虑在于它模拟出的结构面网络并非实际的结构面网络,它只是与实际结构面网络在统计规律上相一致。
换言之,它模拟出的结构面网络只是在统计意义上与实际结构面分布相同,而不是在具体位置上相同。
这成为限制其工程应用的最大障碍。
因此,需要对结构面网络模拟的“仿真性”(“逼真性”)进行研究。
另一方面,结构面网络模拟毕竟是建立在概率统计学上的技术方法,概率统计学的最大特征就是“不确定性”,因此,对其仿真性的无限追求也是不符合科学实际的,只能在“不确定性”的前提下,尽量提高仿真性。
要做到这一点,就应该研究对岩体结构最起制约作用的因素。
在岩体结构面网络中,众多一般性的结构面与的作用要显著得多。
因此,可以考虑对于一般性结构面仍进行通常的模拟,而对于数目有限的控制性结构面不进行统计模拟,而是把它反映到实际结构面网络中去[2]。
这样,就在一定程度上保证了模拟得到的结构面网络与实际结构面网络相同,从而提高了网络模拟的仿真性。
4 工程实例京珠高速公路湖北大悟段地处丘陵山区,将开挖一系列岩质边坡,其中K34+100至K34+400段岩质边坡规模最大,坡高达70m。
该段基岩为元古界红安群片岩、片麻岩,属斜交坡。
岩体破碎,裂隙密集,风化强烈,但大多数节理裂隙规模较小,多填充泥质薄膜。
经过对该段岩坡5个测段的结构面统计,利用自行开发的3D-RDN M程序进行了网络模拟。
图4为第5测段中一组结构面的特征参数分布图。
图5为该测段结构面三维网络图。
各测段的岩体结构参数列于表2。
同时对未来边坡可能存在的楔形体进行了搜索。
对具体的结果分析如下。
(1)各测段岩体性质差别较大,结构面发育程度不同。
其中第3测段岩体最完整,结构面最不发育,按完整性分类属“完整”等级;第4测段岩体最破碎,结构面最发育,属“极破碎”等级;其余测段介于二者之间,多属“破碎”等级。
(2)与此相对应,各测段岩体的RQD值与结构图4 结构面特征参数的分布图F ig.4 Th e dis trib ution ch art of ch aracteris tic parametersof discontinuity第1期贾洪彪等:岩体结构面网络模拟技术研究进展图5 K34段结构面三维网络图Fig .5 3-D discontinuity n etw ork at K 34表2 岩体结构参数估算值Ta ble 2 T he estimated v alue of rock str uctura lpar ameter s测 段12345裂隙率/m -139.635.9 1.586.931.9RQD /%3859972363线密度/(条·m -1)23.915.3 2.228.912.3连通率0.770.590.350.870.64面密度同样差别较大。
第3测段的RQD 值高达97%,结构面密度仅为2.2条/m;而第4测段的RQD 值仅23%,结构面密度达28.9条/m 。
(3)从结构面连通率可以看出,除第3测段连通率较低(0.35)外,其它测段的连通率较高,都在0.60以上,最高达0.87。
说明大多数结构面是相互连通的。
因此,组合成隔离体的可能性很大。
(4)根据搜索结果,未来边坡存在较多的楔形体,但规模较小,多数体积在1m 3左右,几乎就是通常所说的“岩块”,个别体积稍大,为3～5m 3。
因此,边坡可能的破坏形式应为浅表层的掉块、塌落,加固措施应以浅表层岩块的加固为主。
可采用喷锚网加固方案,由于岩块块度在1m 左右,因此锚杆长度可选择3m 左右。
(5)由于第3测段岩体质量较好,锚杆间距可适当放大;第4测段岩体质量较差,锚杆间距可适当缩小,锚杆长度适当加大。
5 结 论岩体结构面网络模拟技术在近期取得了多方面的进展,使之更有助于岩体结构性质的研究,有助于解决岩体力学问题。
特别是三维模拟技术的开发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,具有较好的应用前景。