多参数统计均质区划分——以马吉水电站为例

引入秩和检验非参数统计方法,建立不连续面岩体统计均质区评价模型。文中考虑了不连续面产状、迹长两个参数,在随机数学的基础上提出了一种不连续面岩体统计均质区划分的新方法,即利用秩和检验计算研究区样本之间的相关性,从而合理划分不连续面岩体统计均质区。选取云南省马吉水电站左岸坝肩某两高程4个平硐作为研究对象,首先将产状数据用其法向极点与单位圆上半球被划分为100个等面积四边形小方格的交点来表示;其次,根据迹长从小到大对落入小方格的极点进行编秩;最后,基于秩和检验来分析不连续面落入相应小方格的频率。研究结果表明:PD201和PD251以及PD251和PD253不具有统计相似性,而PD241和PD253、PD201和PD241在不同的比较区域下得到不同的均质区评价结果,这说明统计均质区存在尺寸效应。较Miller仅考虑不连续面产状,本文同时考虑了产状和迹长两个因子,结果更加合理。此外,该方法可以应用到小样本不连续面统计均质区划分中。     

卡方检验在裂隙岩体统计均质区划分中的应用研究

岩体统计均质区的研究一直是岩土工程中的重要问题。在基于随机数学的基础上,充分考虑了不连续面的产状（倾向、倾角）、迹长、张开度、起伏状态,通过列联表卡方检验法,验证对比样本之间的显著性差异与否,以此实现了对裂隙岩体的统计均质区的划分。研究区域统计均质区为 18 ～ 90 m 和 108 ～ 144 m 。 由于岩体不连续面分布的不均匀性,造成了统计均质区分布随研究空间的变化而产生明显的差异,通过改变对比样本之间的空间布局,验证了统计均质区空间效应的存在性,并在基于空间效应的基础上进行了统计均质区的划分,计算得出研究区域统计均质区为 18 ～ 57 m 和 108 ～ 144 m 。     

钻孔岩体裂隙几何参数确定方法研究及其应用

 裂隙岩体渗透性是高放废物处置库场址选择和评价的重要考虑因素。钻孔岩体渗透性特征主要依靠钻孔电视获得的裂隙几何参数来确定。针对传统统计法确定裂隙几何参数存在的不足和误差,提出了新的统计方法和计算公式。研究认为：(1) 由于岩体裂隙空间分布多变性,提出了以裂隙密度和产状为基础的岩体均质区划分方法;(2) 钻孔岩体裂隙发育优势产状采用聚类分析方法来统计;(3) 裂隙间距的确定考虑了测量误差的影响并提出了修正公式;(4) 裂隙有效水力隙宽提出按照力学成因来确定。将获得的裂隙几何参数代入渗透张量计算程序中,得到钻孔岩体的渗透张量以及渗透主值和主渗透方向,从而为钻孔岩体渗透性分析提供依据。     

钻孔岩体裂隙几何参数确定方法及其应用

裂隙岩体渗透性是高放废物处置库场址选择和评价的重要因素。钻孔岩体渗透性特征主要依靠钻孔电视获得的裂隙几何参数来确定。针对传统统计法确定裂隙几何参数存在的不足和误差,提出新的统计方法和计算公式。研究结果如下:(1)由于岩体裂隙空间分布多变性,提出以裂隙密度和产状为基础的岩体均质区划分方法;(2)钻孔岩体裂隙发育优势产状采用聚类分析方法来统计;(3)裂隙间距的确定考虑了测量误差的影响,并提出修正公式;(4)裂隙有效水力隙宽提出按照力学成因来确定。将获得的裂隙几何参数代入渗透张量计算程序中,得到钻孔岩体的渗透张量以及渗透主值和主渗透方向,从而为钻孔岩体渗透性分析提供依据。     

钻孔裂隙岩体结构均质区划分方法研究

岩体结构均质区是针对实际工程特点而划定的成果,在实践过程中需要根据具体工程,抓住主要矛盾后,选择最具影响性的要素作为划分依据。针对裂隙岩体渗透特征这一问题,提出了以密度分区法和产状分区法相结合的均质区划分方法。密度分区法采用重叠窗口对密度绝对差这一指标进行比较来分区;产状分区法首先对列联表中实际频数偏差进行了取样偏差修正,然后利用修正数据对相邻区间进行独立性检验来确定裂隙岩体均质区;采用数学原理对两种分区结果综合考虑获得最终的均质区。将此法应用到钻孔裂隙岩体中,并验证了结果的正确性。     

甘肃北山芨芨采石场岩体节理特征研究

 芨芨采石场是我国高放废物处置库甘肃北山预选区有利候选地段之一。采用综合节理测量法在芨芨采石场进行详细的节理调查，共获得13 012条节理数据。根据芨芨采石场内的断层将该区域初步划分为3个岩体结构均质区和2个断层影响区。基于圆形窗口法原理编制计算程序，分析断层两侧节理的平均迹长和迹线中点面密度的变化，确定断层对节理分布的影响范围，准确划分岩体结构均质区的大小，并得出各均质区节理的平均迹长和迹线中点面密度；采用节理玫瑰花图和节理极点图法，得出各均质区节理的优势组，对各优势组的产状进行统计分析。芨芨采石场的岩体节理以陡倾角的剪节理为主，节理倾向和倾角符合正态分布；统计分析各优势组的节理间距，得出各优势组节理间距符合负指数分布。按照ISRM提出的《岩体不连续面定量描述的建议方法》(1978)，采石场各结构均质区的节理间距都属于宽间距，表明岩体完整性较好。本次研究得到芨芨采石场岩体节理基本特征的定量化参数，为岩体力学和渗流特性的深入研究提供必要的数据。     

二维K-S检验法在岩体统计均质区划分中的应用

在常规的岩体统计均质区划分方法中,产状数据相似性判定结果通常会受到投影图子区划分方案的影响,并且不适用于小样本数据。为解决上述问题,引入二维K-S检验法进行产状数据相似性判定。首先介绍了K-S检验法的基本原理,继而根据二维K-S检验法提出了产状数据相似性判定的具体算法,并利用算例验证了算法对小样本产状数据的适用性。最后,针对北山坑探设施斜坡道进行了应用和验证。提出的算法不需要进行投影图子区划分,适用于小样本数据,为岩体统计均质区划分提供了一种新手段。     

结合结构面统计的侧向岩石压力计算方法

岩体抗剪强度取决于结构面分布及其性质,侧向岩石压力的计算常用岩体等效内摩擦角参数,而边坡规范中岩体等效内摩擦角的取值难以反映实际岩体结构面分布及其性质的影响。为确定合理的支挡结构侧向岩石压力值,提出对现场岩体结构面性质包括产状、隙宽、迹长、间距、粗糙度进行统计,进而结合现场结构面统计的蒙特卡洛随机模拟结果和RMR地质评价系统,对岩体结构面进行定量评价。利用评价结果和Hoek-Brown准则拟合得到岩体等效摩尔库伦强度参数,由此计算侧向岩石压力。通过与现有方法进行对比发现,采用本方法得到的岩体等效内摩擦角计算所得的侧向压力更符合实际。     

裂隙岩体渗透张量计算及其表征单元体积初步研究

基于三维节理网络模拟技术,应用渗流能量叠加原理,推导节理岩体渗透张量的理论计算公式,在此基础上提出裂隙岩体渗透表征单元体积的确定方法。该方法考虑空间节理的具体分布和连通情况,同时根据节理的开度变化和立方定理又可分析应力场对渗透张量的影响,可方便、有效地进行裂隙岩体渗透特性的分析。随后讨论节理迹长、间距、开度、产状和组数等结构面几何特征对岩体渗透特性及表征单元体积的影响。最后采用上述方法,以拉西瓦水电站右岸岩体为例,计算工程岩体的渗透张量,并分析渗透表征单元体积大小及地应力对其渗透特性的影响。研究结果在工程设计中具有应用价值。     

采用全空间块体搜索技术初步研究岩体完整性

 岩体完整性包括两方面含义：岩体切割程度和岩体块度。全面反映岩体完整性需要同时考虑结构面间距和长度,而不仅仅是间距。采用全空间块体搜索技术,可直观形象地对岩体切割程度及块度进行研究。结果表明,迹长间距比越大,岩体被切割程度越高,完整程度越低。当迹长间距比为3～4时,岩体被切割成较为离散的块体,对应于完整程度为较破碎即完整～破碎岩体的过渡阶段,结构类型为次块状。岩体块度不完全取决于结构面间距,还与切割程度有关,即要考虑到迹长间距比,当岩体被完全切割(迹长间距比大于3～4)时,块度才基本只受间距控制。这些结论可以作为岩体完整程度及岩体结构类型划分的补充条件。另外,以迹长服从对数正态分布为例,讨论不同迹长分布对所得结果的影响。最后,根据典型工程实例的结构面地质统计资料,分析岩体完整性及结构类型。研究途径和结论对于深入认识岩体完整性具有较大意义。     

Identification of structural domains by considering multiple discontinuity characteristics: a case study of the Songta Dam

Discontinuities formed by different geological processes strongly affect the inhomogeneity of a rock mass. Demarcation of statistically homogeneous regions is useful to speculate the tectonic evolution history. Therefore, a new method is introduced to divide the homogeneous structural domains based on multiple discontinuity characteristics. The new method is divided into three steps. Firstly, the 34-patch network on the lower-hemisphere Schmidt projection and the correlation coefficient are adopted to quantify the similarity of discontinuity orientation. Secondly, the Wald–Wolfowitz runs test is utilized to identify the similarity for trace length and trace type. Thirdly, the structural domains are comprehensively identified based on the similarity of discontinuity orientation, trace length and trace type. The comprehensive method is subsequently adopted to divide the structural domains within the Songta right abutment rock mass. The results illustrate that the rock mass around PD222 and PD234 belongs to the same structural domain D1 and the rock mass around PD224 and PD236 belongs to the other structural domain D2. The D2 located at the high elevation suffers longer and stronger unloading effect of the river valley, which is more likely to form the long discontinuities. However, the D1 located at the low elevation develops mainly the short discontinuities. Hence, it is reasonable and consistent with geological development background that the abutment rock mass is divided into two structural regions along the vertical direction using the new method.     

A state-of-the-art review of automated extraction of rock mass discontinuity characteristics using three-dimensional surface models

In the last two decades, significant research has been conducted in the field of automated extraction of rock mass discontinuity characteristics from three-dimensional (3D) models. This provides several methodologies for acquiring discontinuity measurements from 3D models, such as point clouds generated using laser scanning or photogrammetry. However, even with numerous automated and semi-automated methods presented in the literature, there is not one single method that can automatically characterize discontinuities accurately in a minimum of time. In this paper, we critically review all the existing methods proposed in the literature for the extraction of discontinuity characteristics such as joint sets and orientations, persistence, joint spacing, roughness and block size using point clouds, digital elevation maps, or meshes. As a result of this review, we identify the strengths and drawbacks of each method used for extracting those characteristics. We found that the approaches based on voxels and region growing are superior in extracting joint planes from 3D point clouds. Normal tensor voting with trace growth algorithm is a robust method for measuring joint trace length from 3D meshes. Spacing is estimated by calculating the perpendicular distance between joint planes. Several independent roughness indices are presented to quantify roughness from 3D surface models, but there is a need to incorporate these indices into automated methodologies. There is a lack of efficient algorithms for direct computation of block size from 3D rock mass surface models.     

应用蒙特卡洛法确定节理岩体的连通率和综合抗剪强度指标

本文提出了一种确定节理岩体连通率和岩体综合抗剪强度指标的新方法。该方法对传统的连通率的概念作了扩充,将连通率的确定归结为在岩体结构面网络图中寻找节理面和岩桥组合破坏路径的问题。在连通率的确定过程中,考虑了节理和岩桥的组合破坏机制。并应用动态规划原理,基本解决了岩体中存在多组节理面情况下的连通率确定问题,所得成果在漫湾电站左岸边坡稳定分析研究中获得了成功的应用。     

北山预选区新场地段岩体节理几何特征及评价

 准确分析和评价BS17,BS18和BS19钻孔周边岩体节理几何特征,是我国高放废物处置北山预选区新场地段场址筛选及适宜性评价的重点内容和关键步骤之一。通过现场调查、数理统计和概率分析等方法,对该地区的岩体节理几何特性进行研究,结果表明：(1) 各钻孔均发育4个节理优势组,尤以NE向和NW向最发育;(2) 节理倾角以陡倾角的剪节理为主,节理产状服从正态分布函数,节理间距可用负指数函数进行有效拟合;(3) 节理平均间距宽,迹长长,中点面密度小。基于岩体节理在高放废物处置库工程安全运行中的重要性。采用 法对岩体节理发育特征进行综合评价,发现新场地段3个钻孔周围岩体节理发育程度轻微、区域差异性小、岩体完整性好,断层对其两侧岩体的节理发育有促进作用,研究结果可为北山预选区处置库场址筛选和场址适宜性评价提供必要的数据支持。     

Development of a new classification system for assessing of rock mass drillability index (RDi)

The drilling process and its results are affected by various parameters of the rock material and rock mass. The effects of rock material have been emphasized in various studies; however lack of perfect knowledge of rock mass structural parameters may lead to unpredictable results. This paper presents a new classification system for specifying the rock mass drillability index (RDi). For this purpose, six parameters of the rock mass, including texture and grain size, Mohs hardness, uniaxial compressive strength (UCS), joint spacing, joint filling (aperture) and joint dipping have been investigated by physical modeling and rated. Physical modeling in particular has been used for investigating the effects of joint characteristics on drilling rate. In the proposed RDi system, each rock mass is assigned a rating from 7 to 100, with a higher rating corresponding greater ease of drilling. Based on the RDi rating, the drilling rate may be classified into five modes: slow, slow-medium, medium, medium-fast, and fast.     

一种基于结构面密度的岩体结构均质区划分方法

根据结构面发育的主要特点以及工程实际需要，合理选择划分岩体结构均质区的岩体参数是必要的。在某些特殊情况下，选择结构面密度作为划分均质区的依据更为合适。为此，提出了一种基于结构面密度的岩体结构均质区划分方法，即密度分区方法，并通过对西南某大型水电站工程侧裂结构面的密度分区，证明了该方法的可行性。该方法简单、直观、易于操作，有很强的推广实用价值。