澜沧江藏东流域岩体结构面分形研究

基于澜沧江藏东流域岩体结构面的现场编录资料和分形理论,验证了研究区岩体结构面具有自相似性,符合分形特征。通过对研究区35个平硐、5 000余米长度平硐揭露的岩体结构面进行计算分析,用分形维数定量描述了岩体质量等级、岩体卸荷风化强弱分带。尝试通过细化计算平硐内结构面分形维数,实现运用分维值对工程中岩体质量进行评价和对岩体卸荷风化强弱进行划分。     

小浪底水利枢纽区域层状裂隙岩体的分形研究

在已有岩体结构分形研究的基础上,提出了基于Rosiwal截取法的岩石结构分形维数分析方法,即用分形维数的大小反映结构面发育的复杂程度,并运用这种方法对小浪底水利枢纽区域层状裂隙岩体进行了分形研究。研究结果表明:小浪底水利枢纽导流洞区域层状裂隙岩体具有很好的分形特征,岩体结构是受层理控制的,而节理裂隙对岩体稳定性的影响处于次要地位;处于同类构造或沉积区的岩体,分形维数与岩体强度相关;岩体的分形维数是与岩石强度、构造历史和岩性学特征有关的一个参量。     

锦屏一级水电站左岸1601m廊道岩体质量指标研究

岩石质量指标(RQD)是评价岩体质量的一个重要参数,被广泛应用于岩石质量评价,但通过钻孔取芯方式获取RQD存在明显不足,给岩体质量评价带来了一定的误差。以锦屏一级水电站左岸廊道岩体为实例,结合结构面三维网络模拟技术,采用测线法研究了广义RQD_t随测线布置长度与角度的变化情况。在此基础上分析了岩体的尺寸效应和各向异性。研究结果表明:RQD_t存在显著的尺寸效应,随着测线长度增大至10 m,RQD_t收敛于一个稳定的值;随着测线倾向和倾角的变化,RQD_t沿空间不同方向呈现出不同的分布。研究发现锦屏一级水电站左岸1 601 m廊道岩体具有显著的尺寸效应和各向异性,基于广义RQD_t的岩石质量指标能克服传统RQD在这方面的不足。     

河道形态特征的随机分形模拟

应用随机分形理论中的一维和二维RMD模型,在给定平面区域上生成了不同分形维数、粗糙程度及分辨率的河道剖面轮廓及床面形态。结果表明:不同分形维数的河道剖面轮廓或床面形态具有相似的微观粗糙结构,且随着分形维数的增大,结构复杂程度提高,粗糙度的峰谷位置不变,但各点的幅值将发生不同程度的变化。     

基于钻孔图像的结构面分布分维数计算方法

在工程实践中,对岩体结构面分布的分维数进行实测往往存在一定的难度,但是采用钻孔摄像技术既能够准确获取布设的钻孔内各项地质信息,而且形成的钻孔图像能够直观地反映钻孔中岩体结构面的特征参数,因此提出了一种基于钻孔图像的岩体结构面分布分维数计算方法。该方法的原理是:首先,通过钻孔图像获取研究区域内各钻孔内的岩体结构面的特征参数(包括倾角、倾向、隙宽、间距);然后,根据各钻孔之间的连通判断准则,判断区域内各钻孔结构面的连通性,并估算出研究区域内结构面的迹长值,同时参照钻孔的孔位及深度信息,来界定研究区域模型的范围;最后,结合Monte-Carlo法,建立岩体结构面分布的三维网络模型,根据分维数计算方法,求解模型各研究面的分形维数,并将3个钻孔的整体连通模型和各钻孔模型所得到的分维数开展对比分析。结果表明,该方法的计算结果与其他评价方法的结论一致。     

基于SEM图像处理的天然硅藻土分形特征分析

为探讨天然沉积硅藻土的微观结构及变形机制,对硅藻土样进行了SEM电镜扫描、压汞试验和高压三轴试验。采用图像分割原理及最佳阈值法分析了天然沉积硅藻土在不同固结压力下的分形特征和孔隙结构特征参数,探讨了硅藻土分形维数和各向等压固结压力之间的关系。结果表明,硅藻土体多孔隙,具有很强的结构性。土中孔隙孔径大多在0.1~1.0 μm之间。在固结压力达到屈服压力后,孔径大于1 μm的较大孔隙随固结压力的增加而减少,硅藻颗粒破坏,孔隙结构坍塌。获取了灰度阈值及二值化后的SEM图像。得到天然沉积硅藻土在不同固结压力下的分形盒子数和盒维数。结果还表明分形盒维数随固结压力增加而增加,天然沉积硅藻土在固结压力下的微观结构性及孔隙分布可通过分形盒维数来反映。     

基于三维激光扫描技术的岩体RQD获取方法与程序

在西南地区岩质边坡高陡的特殊地形条件下,常规的地面地质调查方法难以开展。引入三维激光扫描技术获取边坡体出露的结构面各项几何参数(产状、间距、迹长),然后以这些地质资料为基础,结合结构面网络模拟技术生成不同走向网络图,通过在网络图上布置人工虚拟钻孔来计算得到岩体质量指标(RQD)。结果表明:提出的方法适用性较强,方便可靠,不仅解决了常规地质调查方法在高陡边坡地段难以开展的问题,而且还克服了以往钻孔岩芯获取岩体RQD指标数据少、误差大的缺点,获得岩体RQD指标经过修正后能满足工程实际需求。     

岩块分形维规律及三维岩体质量评价

利用Monte-Carlo 法在计算机上生成岩体结构面三维网络图,对结构面切割后的块体分形维进行分析,结果表明块体数量与结构面数量有明显的幂律关系,即分形规律;小于某体积尺度的块体数量与体积尺度也存在分形关系,结构面数目改变时,该分形维基本不变。另外,块体数目与测量空间大小之间的分维数D_NL随着结构面数目的增加即破碎程度的增加而增加,这表明D_NL可以作为三维岩体质量评价的一种有效参数,这为岩体质量评价体系提供了一个新思路和新方法。     

BIM技术在楞古水电站大坝建基面选择中的应用

BIM技术具有数字化、可视化、多维化、协同性和模拟性等特点,在工程建设领域普遍运用,特别在建筑、设备和结构等规则性的建筑结构中应用效果显著。由于地质体的不规则性和复杂性,BIM技术在工程地质勘察方面的应用受限。本文依据钻孔Vp、RQD指标,采用三维地质建模软件(GOCAD),建立楞古水电站大坝坝基岩体Vp、RQD指标的三维空间云图,进行三维空间分析,快速得到坝基岩体质量等级的空间分布,弥补二维分析的不足,为大坝建基面选择提供依据,证明了BIM技术可以应用到工程地质勘察方面,并且具有以往传统方法没有的优势。     

分形理论在海滩剖面演化规律研究中的应用初探

基于分形原理,通过波浪水槽试验,对波浪作用下的海滩剖面形态开展分形维数计算和分析,探究分形理论应用于海滩剖面演化规律研究的可能性。结果表明:海滩剖面分形维数可以用于描述海滩剖面形态的不规则程度和复杂性,分形维数越大,海滩剖面形态越复杂。同时,围绕波浪动力因素变化对海滩剖面分形维数的影响展开讨论,波浪类型、波高和水深的变化均会导致海滩剖面分形维数的改变,波浪类型和波高的变化对海滩剖面维数的影响更明显,而水深变化导致的波浪因素变化对海滩剖面分形维数的影响相对较小。研究发现随着波浪作用时间的增长,海滩剖面分形维数最终朝平衡方向发展。     

坡面细沟分形研究的空间数据获取与分析

如何实现细沟沟网分形维数的准确计算是目前坡面侵蚀非线性量化面临的主要问题之一。为了实现分形理论在细沟量化中的应用,在介绍坡面DEM获取、细沟沟网提取方法的基础上,依据分形盒维数的基本原理,提出基于ArcGIS的细沟沟网分维值计算的网格化方法,以黄土坡面侵蚀模型为例,对黄土坡面模型细沟分形维数和数据无标度区进行了计算和分析,通过计算得到分维值为1.126 6,并对计算结果的合理性进行了讨论,认为该方法具有较高可信度。     

裂隙岩体二维渗流水力学理论模型研究

本研究主要内容包括 :裂隙岩体随机网络模拟、分形几何描述裂隙岩体参数几何特征、二维裂隙岩体等效渗透系数估算、二维裂隙岩体渗流应力耦合 非耦合模型、三维等效连续介质渗流模型、二维裂隙岩体连续介质与离散介质耦合模型、渗流模型与离散元应力模型耦合分析工程问题等。(1)利用三维裂隙网络随机模拟模型 ,针对乌江构皮滩水利枢纽工程平硐裂隙数据 ,研究其裂隙几何参数的分布情况 ,对其中一个优势裂隙组进行了模拟和检验。在模型中 ,基于蒙特卡罗方法 ,对裂隙隙宽的模拟进行了尝试。并应用分形几何的理论对其网络分维和裂隙数分维进行了研究 ,提出应用分形几何来模拟裂隙岩体中裂隙几何参数的方法。(2 )基于裂隙网络的转形 ,提出了裂隙岩块等效渗透系数的简便算法。与数值计算方法比较 ,其计算更简便迅速。 (3)推导了裂隙渗流和应力耦合的理论关系 ,建立二维裂隙岩体渗流应力耦合 非耦合非稳定流模型和三维等效连续介质渗流模型。耦合模型中应用经典耦合关系进行了计算验证 ,模型可以计算多种耦合关系。 (4)建立二维裂隙岩体连续介质和离散介质耦合非稳定流模型 ,并对其数值算法进行了研究。耦合模型使用离散介质渗透理论描述岩体主干裂隙中的水运动 ,使用连续介质渗流理论来描述岩体次要裂隙及孔     

大坝下游河道剖面分形与水力因素的关系研究

基于一维、二维非恒定流分形计算分析模型,对长江某段河道进行横纵剖面的分形维数分析,并建立了与水力因素的相关关系。研究结果表明:该段河道纵剖面分形维数呈二阶分维特征,整体的分形维数小于分段分形维数;流量越大,河道越短,纵剖面的分形维数越小;分析得到的横剖面分形维数呈一阶分维特征,水越深,横剖面的分形维数越大;通过综合分析得到了剖面分形维数与通航水力指标的关系,认为该段的最大水流速度不应大于3.5m/s。     

集水面积阈值确定方法在嘉陵江流域的比较应用

为探讨集水面积阈值确定方法用于不同流域面积、不同地形地貌特征流域的差异性和适用性,将河网密度法、适度指数法和分形维数法3种常用的集水面积阈值确定方法应用于嘉陵江流域。结果表明:河网密度法方法简单,对下垫面分布均匀、地形起伏度较大的地区模拟效果更好;适度指数法对地形起伏度较大的区域模拟效果较好,计算结果受缓冲半径的影响;分形维数法模拟效果不稳定,不适用于面积和地形起伏度较大且河道多弯曲的流域。研究结果可为嘉陵江流域水系提取时阈值的选取提供依据。     

基于分形理论的渗透结构面渗流特性研究

渗透结构面是岩体结构中渗透能力较强、系统分布规律较明显的岩体结构面,它是一个粗糙裂隙面。基于渗透结构面明显的分形特征,本文采用分形几何方法模拟渗透结构面的几何形态和分形特征,进而通过渗流数值分析来进一步研究渗透结构面的渗流特性。     

基于IVDF-SVR耦合模型的边坡变形预测

针对改进变维分形在分形维数进行拟合预测中的不足,提出一种基于改进变维分形理论(IVDF)和支持向量回归机(SVR)理论耦合的分形预测模型。该模型利用支持向量回归机(SVR)理论来对原来改进变维分形模型中分形维数序列进行拟合预测。以茅坪滑坡的边坡位移监测数据为例,选取ln(r)-ln(S1)累计和序列分维分段曲线作为预测模型的分形参数曲线,先利用改进变维分形模型计算各曲线的分段分形维数,进而预测边坡的位移值,再利用IVDF-SVR耦合模型计算各曲线的分段分形维数,进而预测边坡的位移值。预测结果表明,IVDF-SVR耦合模型充分利用了分形理论的自相似性,使预测模型具有良好的抗噪性,同时结合SVR理论的自学习能力,可以实现小样本、非线性条件下的数据拟合与预测的优势,使得该模型能够达到较好的预测长度和较高的预测精度,有着较好的应用前景。     

结构面粗糙度系数的三维分形表征

结构面粗糙度对结构面的抗剪强度有重要影响,进而影响工程岩体的变形破坏行为。基于高精度三维激光扫描技术,以贵州某水库拱坝基岩结构面为研究对象,现场采取泥质白云岩结构面、白云岩结构面、泥质白云岩与白云岩接触面三类优势结构面并对各岩样结构面表面进行扫描,获取三维形貌数据,建立了数字高程模型。采用MATLAB软件编写立方体覆盖法程序,进而精确求取每个结构面的三维分形维数,同时采用均方根方法估算每个结构面的三维粗糙度系数,然后建立两者之间的关系式。研究结果为将结构面粗糙度系数表征方法从二维拓展到三维提供了一种新思路。     

复杂结构岩体三维裂隙网络密度的计算方法研究

岩体的力学性质受岩体中的结构面控制,但是结构面的展布特征十分复杂,仅用在现场二维露头面上采集的裂隙信息不能完整地反映结构面的发育特征。为了完整地反映结构面的发育特征,广泛应用三维裂隙网络模拟的方法。而裂隙的密度是三维裂隙网络模拟的关键参数之一。本文在预先确定三维裂隙网络中裂隙的位置、大小、产状等参数的前提下,采用模拟露头面切割三维裂隙网络,统计迹线条数的试算法,确定裂隙的密度。并以在建大藤峡水利枢纽泄水闸28号坝段下游岩体为例,计算了裂隙的密度。采用考察模拟露头面上的迹线半迹长的分布函数,并与现场实测裂隙半迹长的分布函数对比的方式,证明了本文方法的合理性,该方法有着广阔的应用前景。     

扩散限制凝聚过程的凝聚体分形特征研究

利用多分散团簇—团簇凝聚模型,模拟了扩散限制条件下的凝聚过程,对生成的小粒度凝聚体的特征参数进行了研究。结果表明:凝聚体的回转半径与包裹半径随粒度的增加表现出近似一致的幂律变化趋势,但当模拟初始颗粒浓度接近和超过0.03时,二者会偏离分形标度,向更小值的方向发展,说明凝聚体形态结构对浓度的依赖性与凝聚体粒度无关。得到的二维凝聚体分形维数理论值为1.45。     

结构面三维形态测量及表面粗糙度分形分析

针对结构面表面形态各异、难以获得的问题,采用自行研制的结构面三维形态测量装置——变阻式结构面三维形态测量仪,对硬性结构面表面形态进行三维测量,实现了三维曲面形态的图形化。针对结构面粗糙度系数JRC值估测不准,导致结构面精确评价困难的问题,运用分形几何理论进行分析,获取粗糙度系数JRC与分形维数D的函数关系式,并与经典Barton理论相结合,建立了结构面表面三维分形表述的剪切强度模型。实例验证表明,该理论计算模型具有一定应用价值。