一种由单节理迹线生成曲面节理圆盘的岩体结构重构方法技术

本发明专利技术公开了一种由单节理迹线生成曲面节理圆盘的岩体结构重构方法，包括以下步骤：基于三维点云技术提取岩体的节理信息并计算节理的产状；确定节理二维剖面线并计算粗糙度参数，包括R

【技术实现步骤摘要】
一种由单节理迹线生成曲面节理圆盘的岩体结构重构方法


[0001]本专利技术涉及岩体离散裂隙网络领域，尤其涉及一种由单节理迹线生成曲面节理圆盘的岩体结构重构方法。

技术介绍

[0002]岩体由节理和完整的岩块组成，节理是指在岩体内部发育的具有一定方向、规模和形态的物质分界面或不连续面，由于节理的存在，使岩体的力学和水力特性非常复杂。在自然界中，岩石材料具有遮光特性，岩体内部节理面的几何特征难以测得，只能通过岩体露头与节理面的交线，即迹线来推测。因此为了研究岩体的稳定以及渗流等特性，通过迹线信息构造岩体的三维离散裂隙网络模型(DFN)是最有效的方法。
[0003]圆盘节理模型因其简单的参数和良好的模拟结果而成为应用最广泛的DFN之一，此模型将岩体节理面假设为圆盘形状，由节理参数模拟生成一个节理圆盘，重复单个节理圆盘的生成过程而构成节理圆盘模型。然而节理圆盘的生成大多假设节理是完全平面，这与实际情况不符。自然形成的节理面往往是具有粗糙起伏的不规则几何面，其表面形态非常复杂，具有很强的随机性，综上所述，现有方法中构建的平面节理圆盘无法准确模拟真实的岩体结构，导致测量的岩体特性不准确。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种由单节理迹线生成曲面节理圆盘的岩体结构重构方法，以克服现有方法中构建的平面节理圆盘无法准确模拟真实的岩体结构，测量岩体特性不准确的问题。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是：
[0006]一种由单节理迹线生成曲面节理圆盘的岩体结构重构方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0007]S1、基于三维点云技术提取岩体的节理信息，计算节理的产状；
[0008]S2、根据所述节理信息确定节理的二维剖面线，将所述节理二维剖面线的中心线作为x轴，将所述中心线的垂线作为z轴，以所述节理二维剖面线的端点在所述x轴上的投影为原点，在垂直面上建立局部直角坐标系，并计算所述节理二维剖面线的粗糙度参数，所述粗糙度参数包括R
q
和Hurst指数；
[0009]S3、根据所述粗糙度参数，采用矩阵变换的方法，生成一个曲面节理圆盘；
[0010]S4、将所述曲面节理圆盘进行坐标转换，包括移动到节理面位置和旋转至与迹线拟合节理面产状相同的位置，使所述曲面节理圆盘的坐标与全局坐标系一致；
[0011]S5、根据坐标转换后的曲面节理圆盘，使用三维节理面网络模拟方法构建岩体的非平面节理圆盘模型，以研究岩体的稳定以及渗流特性，并对岩体结构进行评价。
[0012]进一步地，所述步骤S3包括：
[0013]S31、根据Hurst指数计算特征值l，并分别计算rho矩阵和phi矩阵，根据节理面的
精度常数N生成行矩阵X和行矩阵Y；
[0014]S32、生成一个与所述rho矩阵和phi矩阵大小相同的随机矩阵C，对所述随机矩阵C进行二维离散傅里叶变换得到矩阵G；
[0015]S33、将矩阵G做重新排列傅里叶变换得到矩阵G
′
，所述矩阵G
′
与所述phi矩阵做比值运算得到矩阵W，将所述矩阵W做重新排列傅里叶变换得到矩阵W
′
；
[0016]S34、对所述矩阵W
′
做二维离散傅里叶逆变换得到矩阵K；
[0017]S35、根据所述矩阵K中每个元素的实部得到矩阵T，根据所述矩阵T计算出分形维数矩阵；
[0018]S36、计算所述分形维数矩阵内元素的标准差μ，并根据所述标准差μ得到矩阵Z，根据所述行矩阵X、行矩阵Y和矩阵Z中的坐标点数据建立方形曲面，所述方形曲面的内切圆为曲面节理圆盘。
[0019]进一步地，所述步骤S1包括以下步骤：
[0020]S11、基于数字近景摄影测量技术建立岩体的纹理化三维点云模型；
[0021]S12、提取一条节理迹线作为节理三维轮廓线，采用最小二乘法将所述节理迹线的拐点坐标拟合得到拟合平面，将所述拟合平面作为节理面，并计算所述节理面的法向量；
[0022]S13、根据所述节理面的法向量计算该节理的产状。
[0023]进一步地，所述步骤S13中的产状包括倾向和倾角；
[0024]所述节理迹线的拐点所拟合的节理面的法向量为n，所述倾向为y轴与所述法向量n在水平投影之间的夹角，范围为0
‑
360
°
；所述倾角为水平面与所述节理面之间的二面角，范围为0
‑
90
°
；所述y轴为地球坐标系下的正北方向。
[0025]进一步地，所述步骤S2并计算所述节理二维剖面线的R
q
和Hurst指数中粗糙度参数R
q
是所述节理二维剖面线上点的高度z相对于x轴的均方根，R
q
的计算公式为：
[0026][0027]公式(1)中：z为节理二维剖面线与x轴之间的距离，L为节理二维剖面线在x轴方向上的最大投影长度；
[0028]所述步骤S2中Hurst指数采用盒子分形维数的方法计算，包括以下步骤：
[0029]S21、将节理二维剖面线置于采样窗口内，使用固定比率成几何级数的不同尺寸盒子将采样窗口离散成多个方形盒子，盒子的尺寸r分别为：L/128、L/64、L/32、L/16和L/8；
[0030]S22、通过计算完全覆盖采样窗口的节理二维剖面线的盒子的数量，得出盒子数量s与盒子尺寸倒数1/r在双对数坐标图中的关系曲线；
[0031]S23、采用最小二乘法对所述关系曲线进行拟合，得到拟合直线，确定拟合直线的斜率D；
[0032]S24、根据H＝2
‑
D确定Hurst指数，其中H为Hurst指数，D为拟合直线的斜率。
[0033]进一步地，所述步骤S4包括以下步骤：
[0034]S41、对所述曲面节理圆盘上的点进行平移，将圆心平移至迹线的中点，平移公式为：(x，y，z)＝(x+x0，y+y0，z+z0)，其中(x，y，z)为生成曲面节理圆盘的点坐标，(x0，y0，z0)为全局坐标系下该迹线上所有拐点的平均坐标值；
[0035]S42、建立如下坐标转换矩阵：
[0036][0037]公式(2)中：γ＝dipx
‑
α，dipx是全局坐标系x轴方向上的倾向，α是节理面的倾向，β是节理面的倾角；
[0038]所述坐标转换矩阵nto的逆矩阵otn为：
[0039][0040]将曲面节理圆盘上的点坐标乘以坐标转换矩阵的逆矩阵otn，将节理圆盘旋转至与迹线拟合节理面产状相同的位置。有益效果：本专利技术基于近景摄影测量建立的现场岩体三维点云模型，通过提取迹线数据获取岩体的节理信息，用分形方法重建节理表面的粗糙度，提出了一种由单条节理迹线生成一个曲面节理圆盘的方法，相比于传统节理圆盘，构建曲面节理圆盘考虑了节理粗糙度的因素，增加了节理圆盘的真实性和适用性，可以更加准确的模拟真实的岩体结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种由单节理迹线生成曲面节理圆盘的岩体结构重构方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、基于三维点云技术提取岩体的节理信息，计算节理的产状；S2、根据所述节理信息确定节理的二维剖面线，将所述节理二维剖面线的中心线作为x轴，将所述中心线的垂线作为z轴，以所述节理二维剖面线的端点在所述x轴上的投影为原点，在垂直面上建立局部直角坐标系，并计算所述节理二维剖面线的粗糙度参数，所述粗糙度参数包括R
q
和Hurst指数；S3、根据所述粗糙度参数，采用矩阵变换的方法，生成一个曲面节理圆盘；S4、将所述曲面节理圆盘进行坐标转换，包括移动到节理面位置和旋转至与迹线拟合节理面产状相同的位置，使所述曲面节理圆盘的坐标与全局坐标系一致；S5、根据坐标转换后的曲面节理圆盘，使用三维节理面网络模拟方法构建岩体的非平面节理圆盘模型，以研究岩体的稳定以及渗流特性，并对岩体结构进行评价。2.根据权利要求1所述的一种由单节理迹线生成曲面节理圆盘的岩体结构重构方法，其特征在于，所述步骤S3包括：S31、根据Hurst指数计算特征值l，并分别计算rho矩阵和phi矩阵，根据节理面的精度常数N生成行矩阵X和行矩阵Y；S32、生成一个与所述rho矩阵和phi矩阵大小相同的随机矩阵C，对所述随机矩阵C进行二维离散傅里叶变换得到矩阵G；S33、将矩阵G做重新排列傅里叶变换得到矩阵G
′
，所述矩阵G
′
与所述phi矩阵做比值运算得到矩阵W，将所述矩阵W做重新排列傅里叶变换得到矩阵W
′
；S34、对所述矩阵W
′
做二维离散傅里叶逆变换得到矩阵K；S35、根据所述矩阵K中每个元素的实部得到矩阵T，根据所述矩阵T计算出分形维数矩阵；S36、计算所述分形维数矩阵内元素的标准差μ，并根据所述标准差μ得到矩阵Z，根据所述行矩阵X、行矩阵Y和矩阵Z中的坐标点数据建立方形曲面，所述方形曲面的内切圆为曲面节理圆盘。3.根据权利要求1所述的一种由单节理迹线生成曲面节理圆盘的岩体结构重构方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：S11、基于数字近景摄影测量技术建立岩体的纹理化三维点云模型；S12、提取一条节理迹线作为节理三维轮廓线，采用最小二乘法将所述节理迹线的拐点坐标拟合得到拟合平面，将所述拟合平面作为节理面，并计算所述节理面的法向量；S13、根据所述节理面的法向量计算该节理的产状。4.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘铁新，李嘉琪，姜谙男，张正虎，郑俊，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：