一种基于实测结构面参数的裂隙岩体渗透张量的计算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于实测结构面参数的裂隙岩体渗透张量的计算优化方法，在岩石露头面上标记控制点，同时从不同角度拍摄岩石露头面照片；根据标记控制点坐标定位照片上结构面迹线控制点的三维空间坐标，根据结构面迹线上控制点的聚类程度对测区进行均质区划分；根据结构面迹线的控制点坐标，建立待测均质区结构面迹线的三维模型；根据结构面迹线的三维模型，提取结构面迹长、产状和间距信息；对结构面迹长、产状和间距数据进行统计分析，确定各自服从的随机分布类型及参数；根据随机分布的类型和参数，计算待测均质区的渗透张量。本发明专利技术提高了结构面信息处理的精确性与效率，同时提升了计算模块中渗透张量与最优路径识别的计算效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于实测结构面参数的裂隙岩体渗透张量的计算方法
本专利技术涉及岩土勘测及水文地质学领域，具体涉及一种基于实测结构面参数的裂隙岩体渗透张量的计算方法。
技术介绍
渗透张量是评价岩体渗透性的一个重要参数，主要分为结构面参数获取和渗透张量计算两个部分。结构面参数的测量方法主要有人工现场接触测量法、钻孔法、三维激光扫描技术、摄影测量法以及GPS-RTK技术，其中GPS-RTK(GlobalPositioningSystem-RealTimeKinematic)技术是以载波相位观测量为测量依据，并将数据传输技术和GPS测量技术有效结合的实时差分GPS测量技术，具有定位精度高、综合测绘能力强、操作简便等优点。但是在结构面参数提取过程中人为干预过多，易出错。裂隙岩体内某一区域的渗透张量的计算方法主要有基于等效连续体模型(EPM)的计算方法和基于离散裂隙网络模型(DFN)的计算方法。相比而言，如果能得到足够多和精确的测量数据，DFN模型更能刻画裂隙岩体渗流的基本规律。应用DFN模型的裂隙岩体渗透张量的计算方法中，混合数值解析法将单裂隙的渗流用解析解求得，而整个裂隙网络的渗流关系使用数值方法计算(迭代法)，具有理论公式易理解，计算精度也能够满足工程需要等优点。但是当加上一组结构面的胶结定义时，由于该组迭代的节点权值要远小于其他组节点权值，迭代效率会非常低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于实测结构面参数的裂隙岩体渗透张量的计算方法，提高了结构面参数获取的自动化程度和渗透张量计算的效率。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于实测结构面参数的裂隙岩体渗透张量的计算方法，包括如下步骤：步骤1、采用GPS-RTK方法在岩石露头面上标记控制点，同时采用近景数字摄影测量技术从不同角度拍摄岩石露头面照片；步骤2、根据标记控制点坐标定位照片上结构面迹线控制点的三维空间坐标，根据结构面迹线上控制点的聚类程度对测区进行均质区划分；步骤3、根据结构面迹线的控制点坐标，建立待测均质区结构面迹线的三维模型；步骤4、根据结构面迹线的三维模型，提取结构面迹长、产状和间距信息；步骤5、对结构面迹长、产状和间距数据进行统计分析，确定各自服从的随机分布类型及参数；步骤6、根据随机分布的类型和参数，计算待测均质区的渗透张量；步骤7、评估渗透张量可靠性，若可靠，则输出，否则转至步骤1重新计算渗透张量。本专利技术与现有技术相比，其显著优点是：1)本专利技术通过实测结构面数据，应用GPS-RTK技术及近景数字摄影测量建立迹线三维模型(相当于真实露头迹线数字化样本)，获取结构面迹长、产状、间距参数，应用该方法处理研究区调查数据，极大的提高了结构面信息处理的效率、准确性与数据可重复使用的特性，同时也减少了人工统计误差，2)本专利技术利用基于简化模型的自编MATLAB程序来处理上文得到的数字化结构面数据，将裂隙圆盘渗流网络简化为了渗流管网模型(由变截面圆管单元组成)，保证计算精度的同时由于减少了计算节点而显著提高了计算速度，还可输出考虑任一组结构面为胶结情况时的研究域岩体渗透张量信息、最优路径信息以及各式计算结果云图；3)程序主要针对计算最关键部分(水头计算的迭代数值法)以及最优渗流路径识别这两方面进行了优化，相比普通方法显著提高了计算效率。附图说明图1为本专利技术基于实测结构面参数的裂隙岩体渗透张量的计算方法流程图。图2为本专利技术实施实例C测区露头迹线三维模型图。图3为本专利技术实施实例中所有均质区的分布图。图4为本专利技术C区第2组结构面间距的计算参考图。图5为本专利技术渗透张量的流程图；图6为本专利技术的结构面裂隙的管网模型示意图。图7为本专利技术超前迭代法的流程图。图8为本专利技术在最优路径识别方面的改进Dijkstra算法流程图。图9为本专利技术实施实例的C测区结构面示意图。图10为本专利技术实施实例C测区共计102个方向的等效渗透系数计算结果示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式进一步说明本专利技术方案。如图1所示，一种基于实测结构面参数的裂隙岩体渗透张量的计算方法，包括如下步骤：步骤1、采用GPS-RTK方法在岩石露头面上标记控制点，同时采用近景数字摄影测量技术从不同角度拍摄岩石露头面照片。作为一种具体实施方式，通过GPS-RTK方法在岩石露头面上标记5～12个控制点，以便后续精确定位结构面迹线的坐标；采用近景数字摄影测量从在6个及以上的不同方向上拍摄岩石露头面照片。步骤2、根据标记控制点坐标定位照片上结构面迹线控制点的三维空间坐标，根据结构面迹线上控制点的聚类程度对测区进行均质区划分。作为一种具体实施方式，从每条结构面迹线取3个及以上不在同一直线上的控制点，一般短小迹线以首尾端点及中间点作为控制点，较长大迹线视情况在迹线中部增加控制点。通过控制点坐标与高清照片精确定位结构面迹线控制点的坐标。导入ArcGIS，通过迹线点坐标的聚类程度对所有测区进行均质区划分。作为一种具体实施方式，在每个均质区中，还需删除少量测量值异常结构面(即倾角倾向测量值明显不靠近于其他结构面倾向倾角的部分结构面迹线)及缓倾角(小于35°)的结构面迹线。步骤3、根据结构面迹线的控制点坐标，建立待测均质区结构面迹线的三维模型。作为一种具体实施方式，具体建模过程为：步骤3.1、在数字地面模型DTM(DigitalTerrainModel)中选择基于Delaunay三角化算法的更灵活精度更高的不规则三角网TIN模型(TriangulatedIrregularNetwork)模拟待测均质区的岩石露头面；步骤3.2、获得露头面TIN模型后，结合步骤2得到的迹线三维空间坐标，以矩形网格在TIN模型基础上进行插值，得到矩形网格地形曲面；步骤3.3、将矩形网格地形曲面与迹线三维空间坐标叠加建立的模型称为“迹线三维模型”，相当于真实露头的数字化样本，可借助自编MATLAB程序提取该模型数据信息，并通过计算完成步骤5的计算工作。步骤4、根据结构面迹线的三维模型，提取结构面迹长、产状和间距信息。(1)结构面迹长：叠加迹线上相邻控制点的线段长度，即得结构面每条迹线的长度；(2)结构面产状：根据迹线控制点，利用最小二乘法拟合平面，计算平面法向量，并转化为球坐标系的倾向和倾角，以表征结构面产状，所有结构面以产状特征进行分组；(3)结构面间距：根据每组任意结构面产状及迹线控制点坐标，确定通过此点且以该组产状的倾向加90°及90°为对应法向量的平面P，该平面与数字地面相交即得一条测线，确定迹线与测线的交点，将相邻两交点之间距离向结构面法向投影，得到结构面视间距。迹线与测线平面交点计算方法见下。迹线两端点，记为H(x1,y1,z1)，E(x2,y2,z2)，其参数方程为：测线平面P法向量记为n1(Nx,Ny,Nz)，平面位置控制点O(x0,y0,z0)，则平面方程为：(x-x0)Nx+(y-y0)Ny+(z-z0)Nz＝0(2)将式2代入式1，可求得k值：求出k后，代入式1，求得交点。由于迹线长度有限，实际上式1所表示的非无限长直线，因此需结合迹线端点坐标判断交点是否在迹线上，将不在迹线上的交点剔除。得到一条测线与一组迹线的交点后，计算相邻交点A(xa,ya,za)，B(xb,yb,zb)距离，将其向结构面法向投影，得到真间距dt。优势产状本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于实测结构面参数的裂隙岩体渗透张量的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、采用GPS‑RTK方法在岩石露头面上标记控制点，同时采用近景数字摄影测量技术从不同角度拍摄岩石露头面照片；步骤2、根据标记控制点坐标定位照片上结构面迹线控制点的三维空间坐标，根据结构面迹线上控制点的聚类程度对测区进行均质区划分；步骤3、根据结构面迹线的控制点坐标，建立待测均质区结构面迹线的三维模型；步骤4、根据结构面迹线的三维模型，提取结构面迹长、产状和间距信息；步骤5、对结构面迹长、产状和间距数据进行统计分析，确定各自服从的随机分布类型及参数；步骤6、根据随机分布的类型和参数，计算待测均质区的渗透张量；步骤7、评估渗透张量可靠性，若可靠，则输出，否则转至步骤1重新计算渗透张量。

【技术特征摘要】
1.一种基于实测结构面参数的裂隙岩体渗透张量的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、采用GPS-RTK方法在岩石露头面上标记控制点，同时采用近景数字摄影测量技术从不同角度拍摄岩石露头面照片；步骤2、根据标记控制点坐标定位照片上结构面迹线控制点的三维空间坐标，根据结构面迹线上控制点的聚类程度对测区进行均质区划分；步骤3、根据结构面迹线的控制点坐标，建立待测均质区结构面迹线的三维模型；步骤4、根据结构面迹线的三维模型，提取结构面迹长、产状和间距信息；步骤5、对结构面迹长、产状和间距数据进行统计分析，确定各自服从的随机分布类型及参数；步骤6、根据随机分布的类型和参数，计算待测均质区的渗透张量；步骤7、评估渗透张量可靠性，若可靠，则输出，否则转至步骤1重新计算渗透张量。2.根据权利要求1所述的基于实测结构面参数的裂隙岩体渗透张量的计算方法，其特征在于，步骤1通过GPS-RTK方法在岩石露头面上标记5～12个控制点，采用近景数字摄影测量从在6个及以上的不同方向上拍摄岩石露头面照片。3.根据权利要求1所述的基于实测结构面参数的裂隙岩体渗透张量的计算方法，其特征在于，步骤2中每条结构面迹线取3个及以上控制点，所述控制点不在同一直线上。4.根据权利要求1所述的基于实测结构面参数的裂隙岩体渗透张量的计算方法，其特征在于，步骤2还在每个均质区中删除测量值异常的结构面迹线及缓倾角结构面迹线，即倾角倾向测量值明显不靠近于其他结构面倾向倾角的结构面迹线及缓倾角小于35°的结构面迹线。5.根据权利要求1所述的基于实测结构面参数的裂隙岩体渗透张量的计算方法，其特征在于，步骤3建立当前均质区迹线三维模型的具体过程为：步骤3.1、选择基于Delaunay三角化算法的不规则三角网TIN模型模拟待测均质区的岩石露头面；步骤3.2、以矩形网格在TIN模型上进行插值，得到矩形网格地形曲面；步骤3.3、将矩形网格地形曲面与迹线三维空间坐标叠加，建立迹线三维模型。6.根据权利要求1所述的基于实测结构面参数的裂隙岩体渗透张量的计算方法，其特征在于，步骤4提取结构面迹长、产状和间距信息的具体方法为：(1)结构面迹长：叠加迹线上相邻控制点的线段长度，即得结构面每条迹线的长度；(2)结构面产状：根据迹线控制点，利用最小二乘法拟合平面，计算平面法向量，并转化为球坐标系的倾向和倾角，以表征结构面产状；(3)结构面间距：对所有结构面以产状特征进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：章杨松，王鑫永，李晓昭，许文涛，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32