張靖杰,李云龍,郭 龍,劉 宇

(東北大學資源與土木工程學院,遼寧 沈陽 110004)

基于塊體理論的巖體隧道可視化實現及其工程應用

張靖杰,李云龍,郭 龍,劉 宇

(東北大學資源與土木工程學院,遼寧 沈陽 110004)

隧道巖體結構面可視化實現,為研究巖體穩(wěn)定提供了有效手段;根據塊體理論,采用不連續(xù)面網絡圖模擬真實巖體的幾何特征,在已有模擬方法的基礎上將VC++6.0和OpenGL圖形庫相結合,對巖體結構面進行三維網絡模擬。實現了巖體隧道的工程建模、顯示、幾何移動等功能,可進行關鍵塊體計算機搜索和三維圖像顯示。大伙房水庫輸水工程中的應用效果進一步證明了該系統界面簡潔,操作簡便,結果可靠,并具備了工程實踐中非常需要的三維顯示功能。

塊體理論;關鍵塊體;GeoSMA3D;隧洞;可視化

0 前 言

0.1 塊體理論

巖體被結構面切割成各種類型的空間鑲嵌塊體。在自然狀態(tài)下,這些空間塊體處于靜力平衡狀態(tài)。在隧道工程中,進行隧道開挖時,暴露在臨空面上的某些塊體失去原始的靜力平衡狀態(tài),因而造成某些塊體首先沿著結構面滑移、失穩(wěn),進而產生連鎖反應,造成整個巖體工程的破壞。我們稱這種首先失穩(wěn)的塊體為“關鍵塊體”,為保證隧道工程結構穩(wěn)定性,采取一定的方法研究和控制隧道巖體結構面的變形和破壞,預測并控制潛在”關鍵塊體”的穩(wěn)定性,就顯示出相當的重要性。

隨著國內外學者對此認識和研究的深入,逐漸形成了塊體理論方法[1]。塊體理論作為一種巖體穩(wěn)定性的分析方法有著其它一些穩(wěn)定性分析方法所無法比擬的優(yōu)點,近年來已經越來越多的被應用到巖體的穩(wěn)定性分析中[2～5],在隧道和地下支護、邊坡加固、滑坡整治等方面,發(fā)揮了重要作用,顯示了其巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

0.2 圖像可視化技術在巖土工程中應用

近年來,隨著可視化技術的迅速發(fā)展,可視化技術在巖土工程領域中已經得到了廣泛的應用[6～9]。巖土工程相對于其它工程而言,由于地質條件的復雜多變性、巖土體情況的不確定性和工程的隱蔽性,使得工程設計在施工過程中需要不斷變更,而依據則主要是從工程現場獲得的各種信息。這些信息數量大、種類多,借助于計算機進行快速處理、結果分析,及時反饋到現場用以優(yōu)化設計和指導施工已是勢在必行。隨著科技的進步,人們對巖土工程的研究將更加深入,對巖土工程可視化技術的要求也將更高,因此開發(fā)更加適合現場需要的數值分析工具將更加有必要性。

OpenGL是一個開放的針對于圖形硬件的三維圖形軟件包,它具有超強的圖形繪制能力,包括繪制物體、啟動光照、管理位圖、紋理映射、動畫、圖像增強以及交互技術等功能。

OpenGL首先將物體轉化為可以描述物體幾何性質的頂點(Vertex)與描述圖像的像素(Pixel),在執(zhí)行一系列操作后,最終將這些數據轉化成像素數據。也就是說OpenGL是基于點的,在OpenGL中,無論何種情況,指令總是按順序處理,由一組頂點定義的圖元(Primitive)執(zhí)行完繪制操作后,后繼圖元才能作用。簡單的圖形流水線如圖1所示。

圖1 簡單的圖形流水線[10]

1 可視化實現過程

GeoSMA(Geotechnical Structure and Model Analysis)是“巖土工程結構與模型分析系統”的簡稱,該系統由東北大學作者所在研究團隊開發(fā)研制[3～6],此軟件目前已經申請國家專利,正處在功能模塊完善階段。該軟件實現了結構面和隧道參數的前臺輸入、后臺處理功能;結合OpenGL技術,實現了隧道和工程巖體的三維建模、顯示、縮放、旋轉、移動等,它的主要功能包括:地下結構建模;結構面三維網絡模擬;關鍵塊體搜索;塊體穩(wěn)定性分析;三維結果顯示等。圖2顯示了GeoSMA3D系統的初始界面。本文介紹了該軟件的原理與應用。

圖2 GeoSMA3D系統的初始界面

1.1 模型建立及巖體結構面模擬

通過對隧道工程的資料調查,查出隧道的基本幾何參數,例如隧道直徑、長度等,當把這些參數輸入程序中時,可以直接得出此隧道簡單、直觀的三維模型,并可以通過鼠標實現隧道的伸縮、旋轉、移動等操作。

對野外地質勘察資料進行分析,對于確定裂隙可以直接把產狀、長度等參數輸入到程序中生成結構面網絡圖;對于無法直接測得的不確定裂隙則需要通過蒙特卡洛方法進行模擬,在結構面網絡模擬中,結構面幾何要素包括:結構面形態(tài)、產狀、空間位置、結構面密度等[11～14]。

用蒙特卡洛方法確定無法直接測得的不確定裂隙的方法為:

(1)結構面參數(裂隙幾何形態(tài))在不同平面假設為圓盤,厚度方向忽略不計的三維空間結構體,結構面中心點服從均勻分布,結構面的傾向、傾角服從正態(tài)分布。在圓盤假設下,結構面跡線長與半徑之間具有確定的關系式:

式中:ri為某一組結構面的半徑;li為統計跡線長度。

(2)結構面的三維(d3)密度是一個非常難以確定的參數,比較常用的方法就是利用一維(d1)、二維(d2)密度進行推測。如果有一組平行的結構面,每個結構面的大小是變化的,其直徑的變量為D,直徑平方的平均值為E(D2),可有[1]:

其中參數Ci為一個通過逆運算獲得的校正參數。對每一組結構面,其三維密度可通過幾條不同方向的測線用上式進行估計,然后取平均值作為最終的三維密度,從而確定某一區(qū)域內結構面的總數目。

在此基礎上確定均值、方差等統計特征值,在已知結構面各要素概率分布形式及統計特征值的前提下,采用蒙特卡洛方法可反演研究區(qū)域巖體內的結構面形態(tài)。圖3顯示了在研究的區(qū)域內,通過蒙特卡洛方法模擬出的巖體結構面跡線。

圖3 生成結構面網絡跡線圖

1.2 可動塊體搜索及顯示

結構面網絡模擬完成后即可進行關鍵塊體搜索和顯示,關鍵塊體搜索及顯示的基本思路是在三維空間中確定一個研究區(qū)域,用能構成塊體的某一個結構面去切割這個大塊體,然后再用下一個結構面切割上一步所得的塊體,直到所有有效結構面都完成剖切,就得到了一個單元塊體。

圖4顯示的是一個大的塊體被幾個結構面切割成單元塊體過程的三維示意圖:

圖4 塊體被裂隙切割建模示意

在上述切割過程中,假設裂隙為無限大平面,但實際上并非如此,因此還需要把無限大的有效裂隙恢復為圓盤,進行必要的單元塊體合并,從而得到最后復雜的關鍵塊體。在進行單元塊體合并時,兩個塊體必須擁有同一個結構面,它們分別位于結構面的兩側,而且處于結構面上的兩個多邊形有交集,且這個交集不屬于結構面圓盤。如圖5所示:(a)可以合并,(b)、(c)不可以合并。最后將構成關鍵塊體的各個表面進行三三組合,進而求出關鍵塊體的頂點坐標、頂點數和交線方程,運用OpenGL的相關函數進行關鍵塊體的繪制。

圖5 塊體切割完以后進行簡單塊體的合并,得到復雜的關鍵塊體

圖6顯示了GeoSMA軟件圖像顯示的實現過程。

2 工程應用

大伙房水庫輸水工程一期輸水隧道長85.3 km、直徑8 m,輸水隧道首尾高低相差36 m,它穿越了50余座山峰,50多條河谷,29條斷層。地表到隧道頂端距離最大為630m,最小60m,它經過8 a建設完成,已經超過長53.86 km的日本青函隧道,成為世界最長隧道,并且貫通誤差僅為3 cm。圍巖主要為正長斑巖、煌斑巖及構造巖,肉紅色～黑色,巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,圍巖多為節(jié)理密集帶,多微張～張開,充填泥質。此段共發(fā)育了30多條規(guī)模大小不一的斷層,其中有4條斷層較大規(guī)模及同步發(fā)育的部分小斷層。根據對現場地址調查資料的分析,將該區(qū)段斷裂構造分為5組,各斷裂層的主要特征如表1所示。

圖6 GeoSMA軟件圖像顯示實現過程

表1 大伙房隧道斷裂構造分組及主要參數

首先根據調查資料在軟件中輸入大伙房水庫輸水隧道的相關參數,形成隧道的三維模型。根據野外地質調查資料,在程序中輸入確定結構面的參數;對于不確定結構面,根據本文前述方法進行模擬,首先得出各組結構面的產狀、跡長、密度等參數,再確定各參數的概率分布函數類型,依次輸入程序中(見圖7)。當確定和不確定結構面所有相關參數都輸入完畢后,通過程序運行即可自動生成結構面網絡跡線圖(在本程序中確定的結構面和不確定的結構面是放在一起顯示的),如前面圖3所示,然后搜索得到關鍵塊體并顯示關鍵塊體的相關信息,如圖8。

圖7 結構面網絡模擬相關參數的輸入界面

圖8 GeoSMA3D實現過程

3 結 論

本文對基于塊體理論的巖體隧道可視化進行了研究,研究了巖體結構面三維網絡模擬技術,應用VC++6.0和OpenGL圖形庫相結合,在幾何分析和數據后臺處理的基礎上,分析了結果的圖像顯示和處理工作,并取得了一定效果。巖土工程結構模型穩(wěn)定性分析軟件GeoSMA3D實現了結構面三維網絡模擬和隧道參數的前臺輸入、后臺處理功能;結合OpenGL技術,實現了隧道工程的三維建模、顯示、幾何移動等功能,并初步實現了關鍵塊體計算機搜索和三維圖像顯示。經過工程應用證明該系統界面簡潔,操作簡便,結果可靠,并具備了實際工程中非常需要的三維顯示功能。

[1]于青春,薛果夫,陳德基.裂隙巖體一般塊體理論[M].北京:中國水利水電出版社,2007.

[2]劉錦華,呂祖晰.塊體理論在工程巖體穩(wěn)定分析中的應用[M].北京:水利電力出版社,1988.

[3]王述紅,楊勇,等.裂隙巖體隧道施工誘發(fā)塊體識別三維數值方法[J].地下空間與工程學報,2009,5(5):976-979.

[4]王述紅,楊勇,等.巖體隧道施工誘發(fā)的關鍵塊三維模型及其驗證[J].東北大學學報(自然科學版),2009,30(6):877-880.

[5]Yong Yang,Shuhong Wang,et al.Visual programm based on general block theory[C]//New Development in Rock Mechanics and Engineering&Sanya Forum for the Plan of City and City Construction,Sanya,2009:351-358.

[6]Shuhong Wang,Mudan Guo,Yong Yang,et al.Enhancing block rock failure understanding through GeoSMA-3D numerical analysis[C]//ISRM International Symposium on Rock Mechanics“Rock Characterisation,Modelling and Engineering Design Method”,SinoROCK,2009:158-64.

[7]陳俊智,廟延鋼,侯克鵬,等.三維可視化技術在巖土工程中的應用研究[J].中國工程科學,2005,7(增刊):377-381.

[8]郝晉會,李仲學,李春民.基于OpenGL的地質體三維可視化設計[J].中國礦業(yè),2007,16(3):108-110.

[9]吳旭東.基于塊體理論的巖體穩(wěn)定性可視化分析軟件開發(fā)[D].南京:河海大學,2007.

[10]Eaward Angel著.OpenGL編程基礎(第3版)[M].段菲譯.北京:清華大學出版社,2008.

[11]張奇華,邊智華,余美萬.采用全空間塊體搜索技術初步研究巖體完整性[J].巖石力學與工程學報,2009,28(3):507-515.

[12]鄔愛清,張奇華.巖石塊體理論中三維隨機塊體幾何搜索[J].水利學報,2005,36(4):426-432.

[13]張亞兵.基于塊體理論的巖體隧道三維程序開發(fā)及應用[D].沈陽:東北大學,2008.

[14]張奇華.塊體理論的應用基礎研究與軟件開發(fā)[D].武漢:武漢大學,2004.

Design and Application of Rock Tunnel Visualization Procedures Based on Key Block Theory

ZHANG Jing-jie,LI Yun-long,GUO Long,LIU Yu
(College of Resource and Civil Engineering,Northeast University,Shenyang,Liaoning110004,China)

The visualization for the structural planes of rock tunnels provides an effective measure to study the stability of the rock.Here,based on the block theory and combining VC++6.0 with OpenGL images on the basis of existing modeling methods,the three-dimensional network simulation is made for the structural planes of rocks by using discontinuity network diagram.Such functions as the modeling,display and geometrical move of the rock tunnel are realized,as well as the computer searching and image display of the key blocks.The application results show that the method is simple and reliable,and has the three-dimensional display function.

block theory;key block;GeoSMA3D;tunnel;visualization

U451.2

A

1672—1144(2010)02—0001—03

2009-12-18

2010-03-09

遼寧省自然科學基金(20092011);國家高技術研究發(fā)展計劃(2007AA06Z108);國家973基礎研究計劃(973計劃)項目子課題(2007CB209405);中央高?；究蒲袠I(yè)務專項資金(N090401008;N090101001);教育部留學回國科學研究基金(20071108-3);國家自然科學基金(10872046);高等學校博士點科研基金(200801450003)

張靖杰(1987—),男(漢族),黑龍江省齊齊哈爾市人,碩士研究生,主要從事地下結構方面的學習和研究工作。