一种三维岩石块体系统建模方法技术方案

本发明专利技术公开了一种三维岩石块体系统建模方法，步骤是：A、输入表征岩体工程模型边界、确定与随机结构面几何参数的三角形，建立三角形面、边、点之间的拓扑访问关系；B、计算空间内所有面的交线；C、采用递归算法进行线段共面识别；D、计算空间中所有线段的交点；E、识别空间中所有面上的闭合回路；F、分析闭合回路之间的包含关系；G、更新空间中面、边、点的拓扑访问关系；H、删除空间中的孤立多边形面，生成非孤立多边形面的双胞面；J、通过几何拓扑分析识别空间中所有三维岩石块体，并分析块体之间的包含关系。通过对岩体结构面网络的点、线、面、体的几何拓扑相关分析实现了三维复杂块体系统的全空间识别，操作简便，分析精度高。

A modeling method for 3D rock block system

The invention discloses a three-dimensional rock block modeling method, system comprises the following steps: A, input characterization of rock mass engineering model boundary, deterministic and stochastic geometry parameters of the triangle topology is established between triangle surface and boundary point, the relationship between the intersection of the B access; all, computing space; C, using recursive algorithm line segment intersection coplanar recognition; all D, computing space; closed loop on all sides of the E and identification of space; the relationship between F, including analysis of closed loop topology; G, update the space surface, edge and vertex access relation; H, remove isolated polygon planes in space, generating non isolated polygons in twin surface; J, the geometric topology analysis to identify space all three-dimensional rock block, and analyze the relationship between the blocks contain. Through the geometric topological correlation analysis of the points, lines, planes and bodies of the rock mass discontinuity network, the whole space identification of the three-dimensional complex block system is realized. The operation is simple and the analysis accuracy is high.

【技术实现步骤摘要】
一种三维岩石块体系统建模方法
本专利技术属于水利、交通、矿山等岩土工程
，更具体涉及一种三维岩石块体系统建模方法，尤其适用于边坡与地下工程的岩石块体系统稳定性分析。
技术介绍
工程岩体经受过复杂的地质作用后，其内部存在不同规模、性质各异的地质结构面(断层、节理、裂隙)，这些确定性或随机的结构面彼此组合将岩体切割成形态不一、大小不等和成分各异的岩石块体。这些块体在环境与工程作用下往往容易诱发塌落、滑动等失稳现象，严重危害社会发展和人民安全，其防治工作成为保障国家安全与社会经济发展的重大需求。块体理论是解决该问题的有力武器，该方法最早于20世纪70年代提出；1985年，国际著名数学家、岩石力学家石根华博士与R.E.Goodman教授针对裂隙切割下的岩体块体稳定问题，采用几何拓扑学理论，创立了全空间赤平投影方法，共同编著了《BlockTheoryandItsApplicationtoRockEngineering》，标识着块体理论体系正式形成；1988年，刘锦华，吕祖珩翻译出版了《块体理论在工程岩体稳定分析中的应用》一书，开启了国内研究块体理论的大门。为了深入研究、应用和推广块体理论，长江水利委员会长江科学院、水利水电规划设计总院分别在1986年11月、2004年8月、2017年5月先后举办了三期块体理论培训班；同时，块体理论在国内外边坡、洞室等重大岩体工程的稳定性分析中得到了广泛应用。工程应用发现，由于关键块体理论不考虑节理裂隙的形状和大小，将其假设为无限大的不连续面，导致其只能针对较为简单的凸形块体进行稳定性分析，而且无法定量地确定岩石块体的数量、规模和位置。对此，专利号为200910220460.4(专利技术名称：工程岩体三维空间结构建模与块体识别方法)，首先采集工程岩体结构与施工过程中的岩体裂隙数据，再将岩体模型划分为有限个网格，然后依次加入采集的结构面，对现有的小块体进行切割，最后去掉网格，合并小的块体，从而识别出有结构面切割得到的所有块体；专利申请号为201210253744.5(专利技术名称：一种复杂块体的三维建模方法)，把非凸块体视为一系列凸块体的组合，通过凹状组合的临空面对空间进行划分，对每个子区域求出子凸块体，最后将一系列的子凸块体合并成最终的复杂块体。现有的这些方法虽然实现了复杂岩体的三维块体系统建模，但是针对复杂块体均采用了小/子块体组合的办法。
技术实现思路
为解决现有技术的不足，本专利技术的目的是在于提供了一种三维岩石块体系统建模方法，通过对岩体结构面网络的点、线、面、体的几何拓扑相关分析实现了三维复杂块体系统的全空间识别，理论完备，操作简便，分析精度高，为关键块体分析、离散块体系统动力学计算提供了地质与力学模型。为了实现上述的目的，本专利技术采用以下技术措施：一种三维岩石块体系统建模方法，其步骤是：步骤1：输入表征岩体工程模型边界、确定与随机结构面几何参数的三角形，对空间中所有三角形面、边、点进行编号，并建立它们之间的拓扑访问关系；计算每个三角形所在面的法向向量以及局部坐标转换矩阵。步骤2：取任意两个三角形，判断二者的相交情况，若存在相交线段，记录其交点坐标与相交的三角形编号。步骤3：针对空间中所有三角形边与相交线段，采用计算机科学中的递归算法进行共面识别，得到所有线段(任意两条线段不存在重合)的组成点与所属面编号。步骤4：取空间中任意两条线段分析相交情况，若存在交点，记录通过该交点的每条交线段编号与对应分割比例。步骤5：针对空间中的每一个面，通过面上的线段、交点的回路搜索，得到所有的闭合回路，记录每个回路所在面编号、组成线段(通过交点编号表示)。步骤6：分析所有回路之间的包含关系，针对那些包含其它回路的回路，修正组成它的线段。步骤7：将每个回路视为一个多边形面，更新空间中面、边、点的拓扑访问关系，即组成每个多边形面的线段编号、每条线段所属多边形面编号、每条线段的两个点编号、每个点的三维坐标。步骤8：删除空间中所有孤立的多边形面；对每个保留下来的多边形面，生成它的双胞多边形面(法向向量与原多边形面相反)，即将原多边形面的线段逆序存储；再次更新面、边、点的拓扑访问关系。步骤9：对空间中所有多边形面进行几何拓扑分析，识别所有岩石块体，并判断任意两个岩石块体的包含关系；从而获得空间中所有岩石块体，并形成以多边面编号、线段编号、顶点编号与三维坐标访问的拓扑结构，同时获得岩石块体之间的包含关系。通过上述技术措施，利用三维计算几何与拓扑学理论实现了面—面交线、线—线交点分析，解决了线—线共面、面—面包含、体—体包含的几何相关问题，建立了以多边面编号、线段编号、顶点编号与三维坐标访问岩石块体的拓扑结构。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点和效果：通过对岩体结构面网络的点、线、面、体的几何拓扑分析，建立了三维凸块体与凹块体全空间统一识别方法，克服了现有技术通过小/子块体组合识别复杂块体的不足，具有理论完备、操作简便、分析精度高等优点。申请人在一台计算机上，用C语言编制程序实现了上述建模方法，以验证本专利技术所提方法的有效性和实用性。图1给出两个采用本建模方法识别的三维岩石块体系统实例，图1(a)的边坡工程中被识别的块体数为142个，总体积为650000m3，块体体积最大值与最小值分别为540799.912、0.049m3；图1(b)的隧道工程中被识别的块体总数为2401个，总体积为768000m3，隧道内部块体数为468个、体积为66697.383m3；由此可见，本建模方法能为边坡与地下工程的岩石块体系统稳定性分析提供有效的数值模型。附图说明图1为一种采用本建模方法识别的三维岩石块体系统实例示意图。其中：图a一个边坡工程的三维岩石块体系统实例图b一个隧道工程的三维岩石块体系统实例图2为一种基于递归算法的空间中线段共面识别流程图。图3为一种基于回路搜索的多边形面识别流程图。图4为一种多边形面包含关系分析示意图。其中：a为两个多边形面相离的情形示意图b为两个多边形面相邻的情形示意图c为两个多边形面包含的情形示意图图5为一个表示空间面、线、点拓扑关系的实例。图6为一种基于几何拓扑分析的三维岩石块体识别流程图。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术加以详细说明，需要指出的是，所描述的实施例子仅旨在便于对专利技术的理解，而对其不起任何限定作用。本专利技术的技术构思是：通过现场地质调查与数学统计分析获得确定性结构面与随机结构面的几何参数，再通过结构面网络的几何拓扑分析识别所有岩石块体。实施例1：一种三维岩石块体系统建模方法，其步骤是：1、输入表征岩体工程模型边界、确定与随机结构面几何参数的三角形，建立空间内每个面的拓扑访问关系。以三角形ABC为例，它是由边AB、BC、CA组成，而边AB则是以点A与点B作为端点、边BC则是以点B与点C作为端点、边CA则是以点C与点A作为端点，点A、B、C由三维坐标(xi，yi，zi)表示，其中i＝A、B、C。对三角形ABC。2、计算空间内所有面的交线。取空间内的任意两个三角形，设为三角形ABC(面编号为1)与的三角形DEF(面编号为2)，若二者存在相交线段GH；存储相交线段GH，同时记录线段GH的端点G、H的三维坐标，以及形成交线的两个三角形编号(1与2)3、基于递归算法，完成空间中线段共面识别本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维岩石块体系统建模方法，其步骤是：A、输入表征岩体工程模型边界、确定与随机结构面几何参数的三角形，对空间中所有三角形面、边、点进行编号，并建立它们之间的拓扑访问关系；计算每个三角形所在面的法向向量以及局部坐标转换矩阵；B、取任意两个三角形，判断二者的相交，存在相交线段，记录其交点坐标与相交的三角形编号；C、针对空间中三角形边与相交线段，采用计算机科学中的递归算法进行共面识别，得到线段的组成点与所属面编号；D、取空间中任意两条线段，存在交点，记录通过该交点的每条交线段编号与对应分割比例；E、针对空间中的每一个面，通过面上的线段、交点的回路搜索，得到闭合回路，记录每个回路所在面编号、组成线段；F、分析回路之间的包含关系，针对包含其它回路的回路，修正组成它的线段；G、将每个回路视为一个多边形面，更新空间中面、边、点的拓扑访问关系，即组成每个多边形面的线段编号、每条线段所属多边形面编号、每条线段的两个点编号、每个点的三维坐标；H、删除空间中所有孤立的多边形面：对每个保留下来的多边形面，生成它的双胞多边形面，将原多边形面的线段逆序存储，再次更新面、边、点的拓扑访问关系；J、对空间中多边形面进行几何拓扑分析，识别岩石块体，判断任意两个岩石块体的包含关系；获得空间中岩石块体，形成以多边面编号、线段编号、顶点编号与三维坐标访问的拓扑结构，同时获得岩石块体之间的包含关系。...

【技术特征摘要】
1.一种三维岩石块体系统建模方法，其步骤是：A、输入表征岩体工程模型边界、确定与随机结构面几何参数的三角形，对空间中所有三角形面、边、点进行编号，并建立它们之间的拓扑访问关系；计算每个三角形所在面的法向向量以及局部坐标转换矩阵；B、取任意两个三角形，判断二者的相交，存在相交线段，记录其交点坐标与相交的三角形编号；C、针对空间中三角形边与相交线段，采用计算机科学中的递归算法进行共面识别，得到线段的组成点与所属面编号；D、取空间中任意两条线段，存在交点，记录通过该交点的每条交线段编号与对应分割比例；E、针对空间中的每一个面，通过面上的线段、交点的回路搜索，得到闭合回路，记录每个回路所在面编号、组成线段；F、分析回路之间的包含关系，针对包含其它回路的回路，修正组成它的线段；G、将每个回路视为一个多边形面，更新空间中面、边、点的拓扑访问关系，即组成每个多边形面的线段编号、每条线段所属多边形面编号、每条线段的两个点编号、每个点的三维坐标；H、删除空间中所有孤立的多边形面：对每个保留下来的多边形面，生成它的双胞多边形面，将原多边形面的线段逆序存储，再次更新面、边、点的拓扑访问关系；J、对空间中多边形面进行几何拓扑分析，识别岩石块体，判断任意两个岩石块体的包含关系；获得空间中岩石块体，形成以多边面编号、线段编号、顶点编号与三维坐标访问的拓扑结构，同时获得岩石块体之间的包含关系。2.根据权利要求1所述的一种三维岩石块体系统建模方法，其特征在于：所述的步骤(C)中的基于递归算法，完成空间中线段共面识别，其步骤如下：步骤1：输入空间内所有三角形的边和所有面的交线，包括这些线段的端点以及其所属面编号，将它们都标记为有效线段；步骤2：开始共面识别，设置判断参数k＝0；步骤3：选取空间内的任意两条有效线段，遍历结束，进入步骤8，设两条线段分别为P0P3、P1P2，其中线段端点Pi：i＝0,1,2,3的三维坐标为xi，yi，zi；步骤4：判断两条线段是否共线，不共线，进入步骤3；步骤5：计算两条线段的交点分割P0P3的比例，计算如下：其中：t0是P0Pt与P0P3的矢量比值；t3是PtP3与P0P3的矢量比值；步骤6：两条线段不重合，即t0≤0且t3≤0，或者t0≥1且t3≥1，进入步骤3；步骤7：根据P0P3、P1P2的重合，判断并修正原始线段P0P3、P1P2有效性与所属面编号，在空间中用端点增加新的有效线段并存储其所属面编号，同时修改判断参数k＝1；步骤8：结束共面识别，输出更新后的有效线段的组成端点与所属面编号。3.根据权利要求1所述的一种三维岩石块体系统建模方法，其特征在于：所述的步骤(F)中的闭合回路之间的包含关系分析方法，其步骤是：步骤1：将每一个闭合回路为一个多边形面，计算其形心坐标x0，y0，z0、外接圆半径r0、多边形边上任意一...

【专利技术属性】
技术研发人员：付晓东，盛谦，张善凯，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：湖北,42