岩体结构面几何参数获取的数字化方法及三维网络模型研究

摘要

高放废物地质处置场址的岩体结构面发育特征的系统研究尤为重要。采用人工现场接触测量、近景摄影测量、GPS-RTK技术等多种调查方法，获取了甘肃北山高放废物处置预选场址大量结构面信息。在此背景下，主要做了以下几方面工作与研究:
　　(1)以甘肃北出芨芨槽块段测区野外调查数据，研究开发了岩体结构面几何特征参数获取的数字化方法。这一方法的应用基础为迹线三维模型，此模型实现了结构面信息的可视化。同时，编程实现了结构面迹长、产状、结构面间距及面密度参数的自动化计算。该方法提高了野外测量数据的统计效率，解决了野外测量中结构面间距及面密度数据难以大量获取的问题，并可广泛用于GPS-RTK、摄影测量、三维激光扫描等技术获取岩体结构面信息的后处理。
　　(2)完成了研究区结构面迹长、间距及面密度参数的统计分析与研究。将数字化方法应用于芨芨槽块段测区，其岩体几何特征参数的统计结果显示:迹长服从对数正态分布;结构面间距及面密度均服从双参数负指数分布。同时，对面密度的估算方法进行了系统研究，利用实测数据验证了Mauldon估算方法的准确性并发现应用圆形或矩形测窗对最终估值影响很小。此外，基于数字化面密度统计方法并结合现场调查，研究并确定了芨芨槽场区断层、十月井断裂带对结构面密度的影响范围。
　　(3)建立了研究区岩体结构面三维网络模型，并以差分进化算法对圆盘直径参数进行优化。通过数字测窗离散化模拟空间，以单个测窗面密度确定对应模拟空间的体密度来建立初始模型，其结构面圆盘圆心整体上呈非均匀分布。此后，借助差分进化算法以实测迹长参数为基准编程实现了圆盘直径参数的优化，优化效果显著。
　　(4)基于优化三维网络模型进行了巷道开挖的块体识别研究。参考基于拓扑原理的块体搜索方法，通过简化封闭回路及封闭块体的搜索，编程实现了巷道面有限块体的识别。同时，对块体的几何形态、体积进行了统计分析，研究了组成块体的结构面产状分布情况，并据此判断主导块体形成的结构面分组。研究结果可为该区域巷道支护工程提供参考。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 岩体结构面信息获取方法及后处理现状

1．2．2 结构面三维网络模型研究现状

1．2．3 块体识别研究现状

1．3 论文主要研究内容与研究思路

2 岩体结构面几何特征参数的数字化获取方法

2．1 测区结构面发育基本情况

2．2 迹线三维模型

2．2．1 获取结构面迹线信息

2．2．2 建立地形TIN模型

2．2．3 建立迹线三维模型

2．3 结构面迹长计算

2．4 结构面产状计算

2．5 结构面间距的获取

2．5．1 结构面间距概念与测量计算

2．5．2 数字测线的自动布置

2．5．3 间距算法

2．6 结构面面密度的获取

2．6．1 面密度概念与估算理论

2．6．2 数字测窗的自动布置

2．6．3 面密度算法

2．7 本章小结

3 岩体结构面几何特征统计分析

3．1 结构面迹长统计分析

3．1．1 迹长的概率统计模型

3．1．2 迹长数据的分布拟合与统计

3．1．3 基于迹长的结构面连续性判定

3．2 结构面间距统计分析

3．2．1 间距的概率统计模型

3．2．2 间距数据的分布拟合与统计

3．3．3 间距与结构面密度

3．3 结构面面密度统计分析

3．3．1 Mauldon法面密度估算值与真值对比分析

3．3．2 面密度的概率统计模型及分布拟合与统计

3．4 基于数字化面密度统计方法的断裂带影响范围分析

3．5 本章小结

4 结构面三维网络模型的研究与优化

4．1 模型建立的前期准备

4．2 结构面产状模型的建立

4．2．1 概率分布模型

4．2．2 随机产状数据的生成

4．2．3 模型产状数据

4．3 圆盘尺寸模型的建立

4．3．1 圆盘直径的概率分布模型

4．3．2 随机直径数据的生成

4．3．3 模型圆盘直径数据

4．4 结构面模拟空间与体密度估算

4．4．1 结构面模拟空间

4．4．2 体密度估算

4．5 结构面三维网络模型的建模流程

4．6 基于实测迹长数据的圆盘半径优化

4．6．1 模型交切面迹长计算

4．6．2 差分进化算法

4．6．3 优化流程

4．6．4 优化后模型评估

4．7 本章小结

5 基于结构面三维网络模型的巷道开挖块体识别及分析

5．1 关键块体理论及其在结构面三维网络模拟中的应用

5．2 典型块体识别方法

5．2．1 基于拓扑理论的三维块体识别方法

5．2．2 基于凸体组合的三维块体识别方法

5．3 巷道开挖块体识别实例

5．3．1 三维网络模型与巷道模型

5．3．2 巷道面迹线计算与封闭回路筛选

5．3．3 相关结构面交线计算

5．3．4 封闭块体搜索

5．3．5 块体搜索流程

5．4 块体几何形态及体积统计分析

5．5 块体结构面产状分布情况

5．6 小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况

攻读硕士学位期间参加的科学研究情况