基于多面体网络模型的岩石块体群精细建模与识别方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多面体网络模型的岩石块体群精细建模与识别方法，包括以下步骤：通过野外测量采集结构面的特征、规则开挖面及地形曲面的特征；根据实测数据建立三维多面体网络模型、规则开挖面以及地质曲面模型；根据三维多面体网络模型中的随机结构面、规则开挖面和地质曲面的交汇情况，切割生成大块体；根据大块体内部的子结构面，将其分割成多个小块体，以实现对岩石块体群的建模与识别。本发明专利技术可以实现对临空面以及岩体内部的复杂块体建模，并克服了以往建模过程中由于对复杂曲面简化而使块体形状改变的缺点，使模型更为接近真实形态，可用于块体稳定性分析、岩体渗流等方面的研究。

【技术实现步骤摘要】
基于多面体网络模型的岩石块体群精细建模与识别方法
本专利技术涉及岩土工程、水利工程、地下工程等岩体工程的实体结构建模和分析领域，特别涉及一种基于多面体网络模型的岩石块体群精细建模与识别方法。
技术介绍
岩体是由岩块和围限它们的结构面组成的地质体，是非均匀、非连续、各向异性的介质。岩体作为边坡、地基和地下洞室等工程的直接作用对象，是在漫长的地质历史发展过程中经受了各种地质作用，并在地应力的长期作用下，在其内部保留了各种永久变形的迹象和地质构造形迹的天然地质体。大量的工程实践表明，岩体破坏大多表现为被岩体结构面和开挖面(或称为临空面)组合切割得到的工程岩石块体的失稳。块体理论是一种有效的岩体工程稳定性分析方法，最早由石根华在20世纪70年代提出。该理论作了如下假说：(1)结构面为平面并贯穿研究的岩体；(2)结构体为刚体；(3)岩体破坏沿结构面产生剪切滑移。该理论有两个基本定理，即有限性定理和可移性定理。这两个定理已给予了严格的数学证明，是块体理论的基本核心。在块体理论的基础上建立岩石块体群的几何模型可以更加真实的分析岩体稳定性状态。在这个方面一些学者也做过一定的研究。如薛健、李建勇公开一种块体理论赤平投影的三维可视化方法，使块体分析过程更加易于理解、形象直观，但些方法主要是侧重于将赤平投影方法进行三维可视化的转换，不能对复杂块体的实际形态进行建模和识别；吴云通过采用以方程组解算为主的方法，结合块体理论中的有限性判定，专利技术了一种适用于岩体的建模方法，并对岩体的破坏模式进行力学稳定性分析，但此方法不能对岩体内部不可见的块体进行模拟，更无法实现块体群的建模；王述红等专利技术了一种工程岩体三维空间结构建模与关键块体识别方法，实现了工程岩体结构体的快速搜索与关键块体的识别，但此方法没有考虑临空面与规则开挖面对块体的影响，而且其采用圆盘模拟结构面的方法与实际情况也不相符。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术中的不足，提供了一种基于多面体网络模型的岩石块体群精细建模与识别方法，用于对岩石块体进行精细化建模。本专利技术所采用的技术方案是：基于多面体网络模型的岩石块体群精细建模与识别方法，包括以下步骤：步骤A：通过野外测量采集结构面的特征、规则开挖面及地形曲面的特征；步骤B：根据实测数据建立三维多面体网络模型、规则开挖面以及地质曲面模型；步骤C：根据三维多面体网络模型中的随机结构面、规则开挖面和地质曲面的交汇情况，切割生成大块体；步骤D：根据大块体内部的子结构面，将其分割成多个小块体，以实现对岩石块体群的建模与识别。步骤A中的野外测量手段包括地质测绘、遥感和地质勘探。步骤A中的结构面的特征包括用于建立三维多面体网络模型的结构面的位置、产状、密度和迹长；地形曲面的特征为用以对复杂地形的建模的遥感图像、地质等高线和地质点资料。步骤B进一步包括：步骤B1：确定多边形结构面的边数，统计实测数据中的最大迹长和最小迹长，并以此为基础建立控制圆，通过控制圆实现对结构面大小的模拟；步骤B2：以分区占位方法进行限制，确定多边形的形状，并结合步骤B1，生成确定的随机结构面；步骤B3：以统计学为理论基础，确定岩体结构面空间坐标、产状要素的分布情况，并以此为依据对步骤B2生成的结构面在三维空间中随机地移动、旋转，确定结构面的空间方程，模拟出随机结构面；步骤B4：在步骤B3的基础上生成三维多面体网络模型；步骤B5：若存在规则的开挖面，建立其空间数学方程；步骤B6：利用非均匀有理B样条曲面建模方法对复杂的地质曲面进行建模。步骤C进一步包括：步骤C1：联立步骤B3获得的随机结构面与步骤B5获得的规则开挖面方程，求出它们之间的交线以及各交线的交点；采用全网格遍历法求解随机结构面、规则开挖面和非均匀有理B样条曲面的交线以及各交线的交点；步骤C2：采用空间砍树法，筛选出有效交线和有效交点，作为块体棱线和顶点的必要条件；步骤C3：在所有有效交线和有效交点上，按照逆时针旋转内角最小规则，搜索在同一结构面或者临空面上的闭合回路；步骤C4：以每个封闭回路为边界布尔分割所属的结构面或者临空面，然后删除回路以外的结构面或者临空面部分，保留闭合回路内部的子切割面；步骤C5：校核每个分割后的外部子切割面回路中的边界线段是否都被两个或两个以上的外部子切割面所共有，以证明留下的面可以围限成封闭的块体，校核完毕后，对所有子结构面进行空间缝合，得到复杂块体群。步骤D中的对大块体分割过程为：对大块体与其内部的子结构面进行布尔运算，从而分割成块体群，如果此大块体内部没有其他子结构面，则该大块体被认为是一个单个的复杂块体，然后根据块体在模型中的位置赋予块体地质信息及物理参数信息，实现对岩石块体群的精细建模与识别。本专利技术的有益效果是：本专利技术结合了计算机图形学和数学地质学，实现对临空面以及岩体内部的复杂块体建模，并克服了以往建模过程中由于对复杂曲面简化而使块体形状改变的缺点，使模型更为接近真实形态，可用于块体稳定性分析、岩体渗流等方面的研究。附图说明图1：本专利技术基于多面体网络模型的岩石块体群精细建模与识别方法流程图；图2：控制圆模型；图3：多边形结构面空间示意图；图4：三维随机多边形结构面网络模型；图5：相互切割的结构面和临空面；图6：结构面交线；图7：各交线间交点；图8：空间砍树后的效果图；图9：闭合回路分割切割面；图10：回路分割后剩余的子切割面；图11：边界面缝合成大块体图12：布尔分割而成的小块体图13：主厂房区域岩体结构地质模型；图14：三维多面体网络模型；图15：地下洞室岩体结构精细模型；图16：主厂房区域块体群建模结果；图17：典型的块体TⅠ；图18：典型的块体TⅡ；图19：典型的块体群QⅠ；图20：典型的块体群QⅡ；具体实施方式下面结合附图及工程实例对本专利技术作进一步的描述。如图1所示，一种基于多面体网络模型的岩石块体群精细建模与识别方法，包括以下步骤：步骤A：通过野外测量采集结构面的特征、规则开挖面及地形曲面的特征。其中，野外测量手段包括地质测绘、遥感和地质勘探；结构面的特征包括用于建立三维随机多边形网络模型的结构面的位置、产状、密度和迹长；地形曲面的特征为用以对复杂地形的建模的遥感图像、地质等高线和地质点资料。步骤B：根据实测数据建立三维多面体网络模型、规则开挖面以及地质曲面模型。步骤B1：确定多边形结构面的边数，统计实测数据中的最大迹长和最小迹长，并以此为基础建立控制圆，通过控制圆实现对结构面大小的模拟；步骤B2：以分区占位方法进行限制，确定多边形的形状，并结合步骤B1，生成确定的随机结构面；步骤B3：以统计学为理论基础，确定岩体结构面空间坐标、产状要素的分布情况，并以此为依据对步骤B2生成的结构面在三维空间中随机地移动、旋转，确定结构面的空间方程，模拟出随机结构面；步骤B4：在步骤B3的基础上生成三维多面体网络模型；步骤B5：若存在规则的开挖面，建立其空间数学方程；步骤B6：利用非均匀有理B样条曲面建模方法对复杂的地质曲面进行建模。步骤C：根据三维多面体网络模型中的随机结构面、规则开挖面和地质曲面的交汇情况，切割生成大块体。步骤C1：联立步骤B3获得的随机结构面与步骤B5获得的规则开挖面方程，求出它们之间的交线以及各交线的交点；采用全网格遍历法求解随机结构面、规则开本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多面体网络模型的岩石块体群精细建模与识别方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤A：通过野外测量采集结构面的特征、规则开挖面及地形曲面的特征；步骤B：根据实测数据建立三维多面体网络模型、规则开挖面以及地质曲面模型；步骤C：根据三维多面体网络模型中的随机结构面、规则开挖面和地质曲面的交汇情况，切割生成大块体；步骤D：根据大块体内部的子结构面，将其分割成多个小块体，以实现对岩石块体群的建模与识别。

【技术特征摘要】
1.一种基于多面体网络模型的岩石块体群精细建模与识别方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤A：通过野外测量采集结构面的特征、规则开挖面及地形曲面的特征；步骤B：根据实测数据建立三维多面体网络模型、规则开挖面以及地质曲面模型；步骤C：根据三维多面体网络模型中的随机结构面、规则开挖面和地质曲面的交汇情况，切割生成大块体；步骤D：根据大块体内部的子结构面，将其分割成多个小块体，以实现对岩石块体群的建模与识别。2.根据权利要求1所述的基于多面体网络模型的岩石块体群精细建模与识别方法，其特征在于，步骤A中的野外测量手段包括地质测绘、遥感和地质勘探。3.根据权利要求1所述的基于多面体网络模型的岩石块体群精细建模与识别方法，其特征在于，步骤A中的结构面的特征包括用于建立三维多面体网络模型的结构面的位置、产状、密度和迹长；地形曲面的特征为用以对复杂地形的建模的遥感图像、地质等高线和地质点资料。4.根据权利要求1所述的基于多面体网络模型的岩石块体群精细建模与识别方法，其特征在于，步骤B进一步包括：步骤B1：确定多边形结构面的边数，统计实测数据中的最大迹长和最小迹长，并以此为基础建立控制圆，通过控制圆实现对结构面大小的模拟；步骤B2：以分区占位方法进行限制，确定多边形的形状，并结合步骤B1，生成确定的随机结构面；步骤B3：以统计学为理论基础，确定岩体结构面空间坐标、产状要素的分布情况，并以此为依据对步骤B2生成的结构面在三维空间中随机地移动、旋转，确定结构面的空间方程，模拟出随机结构面；步骤B4：在步...

【专利技术属性】
技术研发人员：李明超，韩帅，张野，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12