水工岩体结构三维精细建模与曲面块体分析理论与应用研究

论文摘要

在大型水电工程中,岩体结构是控制坝基坝肩、地下结构和边坡工程等稳定的主要因素之一。对于深埋于坚硬、高应力的岩体内的地下引水发电系统,其区域性地质构造和岩体内随机发育的节理裂隙等构成了地下洞室区域复杂的地质环境,而这些岩体结构面和开挖面组合切割得到的工程岩石块体的失稳将导致洞室围岩的破坏并影响到工程安全。因此,准确分析和预测地下洞室区域的岩石块体信息,包括块体的位置、几何形态、块体与地下结构的相互关系的确定,是大跨度地下洞室设计与施工中需要解决的关键问题之一。本文在水电工程原始地质数据分析的基础上,针对不同类型的地质表达数据研究了确定型建模——地质构造三维建模技术和随机型建模——随机结构面三维网络模拟技术,提出了水电工程岩体结构三维精细建模的理论与方法;在岩体结构三维精细模型的支持下,进行地下洞室曲面块体的识别分析研究。本文主要工作与研究成果如下:1.针对水电工程地质构造特点,基于确定型地质数据,引入水电工程地质构造三维建模方法。研究了面向水电工程地质的三维混合数据结构,地质构造曲面和地质体的NURBS构造技术等,并对岩体结构中的地质构造对象(如地层、断层等)提出了相应的拟合构造和几何建模方法,完成水电工程三维地质构造模型的建立,该模型满足了精度高、数据量小的要求。2.针对裂隙发育的随机性、分组性和分区性特点,基于统计型裂隙数据,引入随机结构面三维网络模拟技术,进行工程区域随机裂隙网络模拟。研究了基于实测数据的模拟裂隙面动态校核技术,以保证模拟结果在采样区与现场情况一致,提高模拟真实性;在三维地质构造模型支持下,研究在地质构造约束区内裂隙面的动态模拟;耦合三维地质构造模型,建立了岩体结构三维精细模型,精细地描述了工程区域复杂的岩体构造系统。3.基于岩体结构三维精细模型,进行地下洞室工程岩石块体的识别分析研究。提出曲面块体的概念和数学定义,并提出曲面块体识别的三大定理——封闭性、完备性和唯一性,为块体识别奠定理论基础;提出了基于无向图的地质结构面网络优化方法,极大地提高了块体识别效率;结合洞室开挖面,设计了约束曲面块体和自由曲面块体的识别功能;研究曲面块体数据结构,并分析其空间几何形态,为进一步的块体稳定性分析提供可靠的地质属性和几何信息。4.依托某水电工程,对上述理论、技术和方法进行了完整、系统的应用研究。建立了该工程区域的三维地质构造模型和岩体结构三维精细模型,并进行地下洞室曲面块体识别和块体几何形态的分析,为进一步的稳定分析和围岩支护提供有价值的定性和定量数据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 本文研究的相关理论与技术
• 1.2.1 三维地质建模技术
• 1.2.2 随机结构面网络模拟技术
• 1.2.3 块体理论与分析方法
• 1.3 水工岩石块体分析研究的发展和现状
• 1.3.1 国外研究发展与现状
• 1.3.2 国内研究发展与现状
• 1.4 论文研究思路与主要内容
• 第二章 水电工程地下洞室块体分析的关键问题分析
• 2.1 水电工程地质数据分析
• 2.1.1 确定型地质数据
• 2.1.2 统计型地质数据
• 2.2 水电工程地质数据的建模方法
• 2.2.1 确定型建模——地质构造三维建模方法
• 2.2.2 随机型建模——随机结构面三维网络模拟方法
• 2.3 耦合确定型与随机型建模的岩体结构三维精细建模研究
• 2.4 地下洞室岩石块体识别分析问题的分析
• 2.4.1 地下洞室开挖面的准确表达
• 2.4.2 块体几何形态
• 2.4.3 块体识别的方法
• 2.5 关键科学问题分析小结
• 第三章 水电工程地质构造三维建模理论研究
• 3.1 三维数据结构
• 3.1.1 面向水电工程地质的混合数据结构
• 3.1.2 混合数据结构的设计实现
• 3.2 水电工程地质构造三维建模实现框架
• 3.3 水电工程地质构造三维建模技术
• 3.3.1 工程地质构造对象分类
• 3.3.2 地质构造曲面的拟合技术
• 3.3.3 地质构造单元实体NURBS 构造技术
• 3.4 水电工程地质构造分类建模
• 3.4.1 基于TIN 模型的三维数字地形NURBS 重建
• 3.4.2 地层类地质构造建模
• 3.4.3 断层类地质构造建模
• 第四章 水电工程裂隙面三维网络模拟方法研究
• 4.1 工程岩体裂隙面的特性
• 4.1.1 裂隙面的随机性
• 4.1.2 裂隙面的分组性
• 4.1.3 裂隙面的分区性
• 4.2 裂隙面数学模型与统计概率模型
• 4.2.1 裂隙面的数学模型
• 4.2.2 裂隙面参数的常见概率分布
• 4.2.3 随机变量抽样
• 4.2.4 Fisher 分布
• 4.3 裂隙面三维网络模拟
• 4.3.1 模拟空间的定义
• 4.3.2 裂隙面参数动态模拟
• 4.3.3 模拟裂隙面的动态校核技术
• 4.3.4 随机模拟系统的设计与实现
• 4.4 岩体结构三维精细模型的实现
• 4.5 岩体结构三维精细模型的分析
• 第五章 水电工程地下洞室曲面块体分析理论研究
• 5.1 曲面块体分析
• 5.1.1 曲面块体的提出
• 5.1.2 曲面块体的定义
• 5.2 地下洞室开挖面的建模
• 5.3 曲面块体识别定理
• 5.3.1 封闭性定理
• 5.3.2 完备性定理
• 5.3.3 唯一性定理
• 5.4 基于无向图的岩体结构面网络优化
• 5.4.1 地质曲面有效的必要条件
• 5.4.2 相交拓扑关系的无向图表达
• 5.4.3 岩体结构面网络的优化算法
• 5.5 曲面块体识别
• 5.5.1 曲面块体的分类
• 5.5.2 约束曲面块体的识别
• 5.5.3 自由曲面块体的识别
• 5.5.4 曲面块体识别中的重要函数
• 5.6 曲面块体几何形态分析
• 5.6.1 曲面块体面数的校核
• 5.6.2 曲面块体体积和边界面积的计算
• 5.6.3 曲面块体的地质属性
• 5.7 与块体理论的对比分析
• 第六章 工程应用
• 6.1 工程地质概况
• 6.2 主厂房区域裂隙面随机网络模拟
• 6.3 主厂房区域岩体结构三维精细模型及三维可视化分析
• 6.4 地下洞室曲面块体识别成果分析
• 第七章 结束语
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况
• 致谢