岩体节理三维模拟及渗透张量分析

论文摘要

在岩体工程地质条件调查分析的基础上，对岩体所赋存的结构条件进行有效的描述和定量化分析，是进行岩体力学特性、岩体水力学特性及岩体工程性质判断的有效途径。本论文以中国高放废物处置库甘肃北山预选区候选场址评价为背景，在系统地回顾岩体节理三维模拟和基于节理三维模拟应用研究的已有成果和研究现状后，按照岩体节理调查—岩体节理三维模拟—基于节理模拟的岩体渗透张量分析的研究思路，深入开展岩体节理三维模拟和基于节理模拟的岩体渗透张量的研究。 通过对中国高放废物处置库甘肃北山预选区BS01、BS03钻孔附近和岌岌采石场的岩体露头进行节理调查、对BS01、BS03钻孔进行岩芯编录和钻孔声波成像测量取得大量的节理数据。 在岩体节理调查的基础上，对节理几何特征的概率分析进行完善和改进，主要有：扩展了岩体节理平均迹长估计的方法。扩展的测线法平均迹长估计，在获得节理数据后，不必对节理分组，可以用一个或多个露头（同一结构均质区的）的全部节理数据进行平均迹长估计；根据圆形窗口法原理编制计算程序，求出不同半径和位置的圆形取样窗口中节理的平均迹线长度和迹线中点密度的大小，分析它们在窗口中的变化，确定出每个露头的合理平均迹线长度和迹线中点密度；根据平面上节理迹线与三维节理圆盘的对应关系，推导出节理迹线中点面密度与节理圆盘中心体积密度的联系。 在深入研究节理几何特征与其产生的力学机制间关系的基础上，提出一种“数学-力学”节理系统三维模型。此模型基于节理产生的力学机制，考虑节理组间的成生联系，反映节理间的层次性。 对岩体节理系统进行对象分析和设计，利用VC++6.0结合OpenGL技术，编制出节理三维模拟程序JointSA。此程序既可根据测量数据的统计分析结果生成三维节理，也可以直接输入节理的几何参数生成三维节理或大断层。 研究了裂隙岩体渗透张量的算法，编制了相应的渗透张量计算程序。此程序能方便快捷地计算岩体的渗透张量及其主值和主方向，同时还可以绘制出任意两个渗透主轴的渗透椭圆。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 岩体节理各项基本特征的研究
• 1.2.2 岩体节理系统模型研究
• 1.2.3 基于岩体节理模拟的应用研究
• 1.3 本文的研究思路
• 1.4 本文的研究内容
• 第二章 岩体节理模拟数据准备
• 2.1 引言
• 2.2 岩体节理的各项基本特征
• 2.3 露头节理测量
• 2.3.1 现场勘查采样原则
• 2.3.2 露头节理测量
• 2.4 钻孔裂隙编录
• 2.4.1 岩芯裂隙编录
• 2.4.2 钻孔超声波成像测量
• 第三章 岩体节理几何特征概率分析
• 3.1 引言
• 3.2 节理产状模拟
• 3.2.1 节理数据统计分组
• 3.2.2 节理产状概率分析
• 3.3 节理平均迹长和面密度估计
• 3.3.1 测线法节理平均迹长估计
• 3.3.2 圆形窗口法平均迹长估计
• 3.4 节理间距概率分析
• 3.4.1 节理间距的分布形式
• 3.4.2 北山采石场节理间距分析
• 3.5 节理大小与迹长的关系
• 3.6 节理体积密度
• 3.7 节理张开度概率分析
• 第四章 岩体节理三维系统模型
• 4.1 观察研究的尺度和方法
• 4.2 节理的产生和扩展机制研究
• 4.3 断层与节理及节理间的派生层次关系
• 4.3 岩体节理三维系统模型
• 4.3.1 节理系统几何模型
• 4.3.2 节理系统几何—机理模型
• 4.4 节理系统三维数学-力学模型
• 第五章 面向对象节理模拟系统开发
• 5.1 概述
• 5.2 节理模拟对象分析和设计
• 5.2.1 静态结构分析
• 5.2.2 动态行为分析
• 5.2.3 岩体系统对象分析和设计
• 5.3 建立面向对象节理模拟程序
• 5.3.1 建立Windows应用程序框架
• 5.3.2 添加数据文件输入过程代码
• 5.3.3 建立命令消息映射
• 5.4 Monte Carlo法随机数生成
• 5.4.1 伪随机数的生成方法
• 5.4.2 常用概率分布随机数产生
• 5.5 岩体节理三维模拟
• 第六章 基于节理模拟的岩体渗透张量分析
• 6.1 引言
• 6.2 单裂隙内的水流运动规律
• 6.3 岩体渗透系数张量
• 6.3.1 渗透张量概念的产生
• 6.3.2 多组裂隙岩体渗透张量公式
• 6.4 渗透系数张量主值与主渗透方向的求解
• 6.4.1 渗透张量主值
• 6.4.2 渗透张量的特征矢量
• 6.5 渗透系数张量计算程序设计
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 在读期间发表的论文
• 致谢