李明超，張?野，周四寶

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基于巖體三維裂隙網(wǎng)絡(luò)模型的隨機(jī)塊體穩(wěn)定分析

李明超1，張?野1，周四寶2

(1. 天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300354；2. 浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，杭州 310002)

利用蒙特卡洛模擬方法和三維地質(zhì)建模技術(shù)建立多邊形離散裂隙網(wǎng)絡(luò)與工程巖體的耦合模型，并對(duì)隨機(jī)塊體進(jìn)行了識(shí)別分析，提出了一種新的隨機(jī)巖石塊體支護(hù)分析方法．根據(jù)空間坐標(biāo)和地質(zhì)屬性對(duì)耦合模型進(jìn)行分區(qū)，統(tǒng)計(jì)各個(gè)區(qū)域內(nèi)塊體的埋深、體積和密集度，研究隨機(jī)塊體的空間分布規(guī)律；在自重和地震兩種情況下分別計(jì)算各區(qū)域的塊體失穩(wěn)概率和支護(hù)強(qiáng)度．通過(guò)以上參數(shù)的計(jì)算和分析，為錨桿間距、長(zhǎng)度和錨桿支護(hù)力提供參數(shù)化指導(dǎo)，同時(shí)也可對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行檢驗(yàn)．最后將該方法應(yīng)用于某取水隧洞巖體支護(hù)分析中．

巖體結(jié)構(gòu)；三維地質(zhì)模型；多邊形離散裂隙網(wǎng)絡(luò)；隨機(jī)塊體；穩(wěn)定性分析；塊體支護(hù)

巖體中的塊體分析與失穩(wěn)判別對(duì)于保證工程安全十分重要．由于地層應(yīng)力、地下水和溫度等復(fù)雜地質(zhì)過(guò)程，大規(guī)模的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面(如斷層、巖脈)和較小規(guī)模的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面(如裂隙)均存在于巖體中．這就使得巖體具有不連續(xù)、各向異性、非均勻性的特點(diǎn)．大規(guī)模的地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為明顯，通過(guò)地質(zhì)勘察可以比較準(zhǔn)確地估計(jì)其走向、傾向和傾角等地質(zhì)信息；而裂隙在淺埋深地質(zhì)條件下普遍存在，對(duì)于其幾何特性和力學(xué)特性，包括位置、間距、尺寸和黏聚力、內(nèi)摩擦角等，在野外地質(zhì)調(diào)查過(guò)程中很難得到．通常是用抽樣的方法對(duì)優(yōu)勢(shì)組數(shù)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到其分布規(guī)律，從而推求結(jié)構(gòu)面代數(shù)幾何信息和地質(zhì)信息的分布情況，建立離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型；通過(guò)耦合三維離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型和工程地質(zhì)模型，利用布爾運(yùn)算，使得大規(guī)模結(jié)構(gòu)面、較小規(guī)模結(jié)構(gòu)面及工程中的開(kāi)挖面互相切割，生成隨機(jī)塊體．由于塊體的位置信息、幾何信息和地質(zhì)信息是隨機(jī)的、不確定的，所以分析較小規(guī)模的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的穩(wěn)定性十分困難．

塊體理論最早由Goodman和Shi[1]提出，從塊體的代數(shù)幾何表示、塊體運(yùn)動(dòng)、節(jié)理塊體分析等多個(gè)方面系統(tǒng)論述了塊體理論在地面工程、地下工程和隧道工程中的應(yīng)用；而國(guó)內(nèi)外學(xué)者更關(guān)注裂隙結(jié)構(gòu)面的幾何信息模型的構(gòu)建．Zheng等[2]采用Baecher圓盤(pán)模型，驗(yàn)證跡線服從的分布規(guī)律；Elmouttie和Poropat[3]基于蒙特卡洛模擬方法建立了更接近實(shí)際形狀的裂隙模型；Sturzenegger等[4]利用陸地遙感技術(shù)對(duì)平均跡長(zhǎng)、平均跡線密度和塊體大小進(jìn)行了分析，并通過(guò)參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化；在Hekmatnejad?等[5]建立的模型中，不需對(duì)跡線長(zhǎng)度和直徑長(zhǎng)度的分布進(jìn)行選取即可建立模型；Han等[6]針對(duì)小樣本數(shù)據(jù)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析建立了準(zhǔn)確度較高的離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型．準(zhǔn)確模擬離散裂隙網(wǎng)絡(luò)可有效提高目標(biāo)塊體的識(shí)別，對(duì)于塊體的穩(wěn)定性分析有積極意義．如何使離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型更接近實(shí)際成為學(xué)者們研究的重點(diǎn)．岳攀等[7]應(yīng)用拉丁超立方抽樣方法，使得最終模型的空間填充性更好，模擬效果更接近真實(shí)值；張奇等[8]基于凝聚層次聚類分析法，對(duì)裂隙長(zhǎng)度進(jìn)行自動(dòng)聚類，不需提前設(shè)置聚類中心，減小主觀影響；Zhan等[9]用逐步分析的方法建立了適用于力學(xué)連通率分析的離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型，這種方法對(duì)于裂隙相交和連通分析十分有效；Guo等[10]提出數(shù)字技術(shù)在數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用可以克服傳統(tǒng)方法中樣本的尺寸效應(yīng)，建立更有效的模型．在隨機(jī)塊體生成的建模過(guò)程中，學(xué)者們總結(jié)了建模的一般方法和主要流程，使得建模過(guò)程更加智能化，通過(guò)關(guān)鍵參數(shù)即可控制模型的生成．dfnWorks用于研究離散裂隙網(wǎng)絡(luò)建模，并對(duì)水在裂隙中的流動(dòng)進(jìn)行了模擬[11]；FracSim3D基于蒙特卡洛模擬自動(dòng)生成結(jié)構(gòu)面位置，并設(shè)計(jì)了統(tǒng)計(jì)工具對(duì)生成的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行分析[12]；dfnWorks多應(yīng)用于滲流的研究[13-14]，而FracSim3D則用于巖體穩(wěn)定分析的研究中[15]．無(wú)論在模型參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析方面[16]，還是在三維建模方面[17-18]，學(xué)者們對(duì)于塊體對(duì)于巖體穩(wěn)定影響的研究都已日趨成熟，但準(zhǔn)確識(shí)別失穩(wěn)塊體和關(guān)鍵塊體對(duì)科研人員依然是一個(gè)挑戰(zhàn)，相應(yīng)地也無(wú)法為隧洞支護(hù)提供參數(shù)設(shè)計(jì)指導(dǎo)．目前，對(duì)于隨機(jī)塊體地支護(hù)參數(shù)選擇主要依靠經(jīng)驗(yàn)，受主觀影響因素大；同時(shí)塊體穩(wěn)定的分析只是利用統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行計(jì)算，在具體工程中，關(guān)鍵塊體的識(shí)別效率并不高．

本文建立了多邊形三維離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型，通過(guò)對(duì)三維裂隙網(wǎng)絡(luò)模型和工程地質(zhì)模型進(jìn)行耦合，可以得到施工區(qū)域的結(jié)構(gòu)面分布狀況，同時(shí)在不同的區(qū)域?qū)K體分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，包括塊體的體積、埋深和密集度等，并在不同的條件下分析塊體的穩(wěn)定狀況，為不同區(qū)域的塊體支護(hù)提供參數(shù)指導(dǎo)．

1?巖體結(jié)構(gòu)三維地質(zhì)建模

1.1?耦合裂隙網(wǎng)絡(luò)的巖體結(jié)構(gòu)精細(xì)建模

Baecher圓盤(pán)模型[19-20]廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)面建模過(guò)程，但實(shí)際上由于巖體的各向異性使得結(jié)構(gòu)面形狀很難為圓盤(pán)狀[21]．所以用多邊形[22]代替圓盤(pán)表示結(jié)構(gòu)面的方法也同樣應(yīng)用于結(jié)構(gòu)面的構(gòu)建過(guò)程中，且?guī)r體具有明顯的非均勻性和各向異性時(shí)，其結(jié)構(gòu)面形狀應(yīng)為多邊形[23]．基于NURBS曲面技術(shù)、BREP模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和不規(guī)則三角網(wǎng)技術(shù)，本文通過(guò)對(duì)多邊形結(jié)構(gòu)面模型的尺寸和角度重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得結(jié)構(gòu)面模擬過(guò)程效率更高，結(jié)合蒙特卡洛模擬方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)裂隙結(jié)構(gòu)面的3維模擬，建立了多邊形離散裂隙網(wǎng)絡(luò)的3維模型．

用蒙特卡洛方法對(duì)單個(gè)結(jié)構(gòu)面的尺寸和角度進(jìn)行模擬，其多邊形結(jié)構(gòu)的尺寸和角度是相互獨(dú)立的，分別模擬多邊形中心點(diǎn)到頂點(diǎn)連線的長(zhǎng)度和此連線與水平方向夾角．首先對(duì)角度進(jìn)行模擬，直接使用蒙特卡洛方法，會(huì)造成多邊形邊數(shù)減少，甚至生成三角形，不僅降低模擬效率，而且與實(shí)際狀況不符．本文采用四邊形、五邊形和六邊形三種多邊形進(jìn)行模擬，生成三種多邊形的概率相等．

假設(shè)多邊形邊數(shù)為，將[0，2,π]的環(huán)形區(qū)域進(jìn)行等分，使多邊形的每個(gè)頂點(diǎn)分別落在等分區(qū)間中，避免出現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)多邊形，如圖1所示．

圖1?等分區(qū)間模擬

其次對(duì)多邊形結(jié)構(gòu)的尺寸進(jìn)行模擬，利用圓盤(pán)與多邊形結(jié)構(gòu)的面積關(guān)系推求結(jié)構(gòu)面尺寸的上、下界限．選取長(zhǎng)度為的跡線進(jìn)行模擬，圓盤(pán)直徑1與跡線長(zhǎng)度轉(zhuǎn)換關(guān)系[24]為

???(1)

圖3?單個(gè)結(jié)構(gòu)面尺寸和角度模擬

單個(gè)結(jié)構(gòu)面模擬完成后，還需對(duì)結(jié)構(gòu)面位置、傾向、傾角等地質(zhì)信息分別進(jìn)行模擬，并按照位置信息將單個(gè)結(jié)構(gòu)面輸入，建立離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型；之后根據(jù)坐標(biāo)位置，耦合三維裂隙網(wǎng)絡(luò)模型和工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型．

1.2?基于三維耦合模型的塊體識(shí)別

Li等[25]提出了單個(gè)隨機(jī)塊體建立的基本原則，首先刪除無(wú)效的點(diǎn)、線，將共點(diǎn)的線互相連接，形成封閉曲線；之后用有效點(diǎn)的坐標(biāo)位置推求封閉曲線信息，確定封閉曲線在曲面上的位置；接著用樣條插值法在封閉曲線中建立曲面，并將曲面通過(guò)位置坐標(biāo)進(jìn)行耦合，封閉空間即所要求的塊體；最后重復(fù)以上步驟直至識(shí)別所有塊體，如圖4所示．

圖4?隨機(jī)塊體識(shí)別流程

2?隨機(jī)塊體支護(hù)幾何參數(shù)計(jì)算

因空間位置和地質(zhì)屬性的影響，不同區(qū)域的塊體分布情況不同．因此根據(jù)坐標(biāo)信息和地質(zhì)屬性信息對(duì)工程地質(zhì)模型進(jìn)行劃分，將地質(zhì)屬性相似的研究對(duì)象劃分為相同的地質(zhì)區(qū)域．對(duì)不同區(qū)域的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可獲得塊體的不同分布情況．對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行劃分，有助于制定不同的支護(hù)方案，可以有針對(duì)性地解決隨機(jī)塊體對(duì)工程造成的不良影響．

2.1?塊體密集度計(jì)算

塊體密集度是指每個(gè)區(qū)域單位體積內(nèi)塊體的個(gè)數(shù)，單位體積內(nèi)塊體密集度對(duì)支護(hù)設(shè)計(jì)影響很大，是制定支護(hù)措施的一個(gè)重要參考指標(biāo)．經(jīng)過(guò)多次模擬，比較各個(gè)區(qū)域塊體密集度的大小，可以得到統(tǒng)計(jì)意義上的塊體分布情況，對(duì)于制定針對(duì)性的支護(hù)措施有重要作用．塊體密集度的計(jì)算式為

???(2)

2.2?塊體的埋深與體積

塊體的埋深指的是塊體與開(kāi)挖面的距離，對(duì)于設(shè)計(jì)錨桿長(zhǎng)度有重要意義，而且在一定埋深下的塊體對(duì)出露塊體的安全系數(shù)有一定影響．由于塊體的形狀不規(guī)則，此處統(tǒng)一選擇塊體距離開(kāi)挖面的最遠(yuǎn)距離為塊體埋深．

在隨機(jī)塊體識(shí)別過(guò)程中，所有塊體的體積均可計(jì)算，并且把塊體體積大小作為評(píng)價(jià)巖體穩(wěn)定的一個(gè)重要指標(biāo)．利用塊體體積可以對(duì)洞室支護(hù)進(jìn)行參數(shù)化指導(dǎo)，針對(duì)不同情況采取相應(yīng)的支護(hù)措施．

塊體體積計(jì)算采用Gauss-Legendre求積公式計(jì)算，即

?????(3)

3?隨機(jī)塊體支護(hù)動(dòng)力參數(shù)計(jì)算

本文分別計(jì)算在自重和地震下塊體的穩(wěn)定系數(shù)，考慮主滑面的摩擦力及黏聚力和側(cè)滑面的黏聚力，其他作用力對(duì)塊體穩(wěn)定系數(shù)影響較小，不考慮其作用．

3.1?塊體運(yùn)動(dòng)方向及穩(wěn)定系數(shù)

塊體的運(yùn)動(dòng)模式主要有3種：塊體脫落、單面滑動(dòng)和雙面滑動(dòng)．

(1)塊體脫落時(shí)，運(yùn)動(dòng)方向與作用力方向相同，為垂直向下，穩(wěn)定系數(shù)等于0．

(2)當(dāng)塊體沿某個(gè)結(jié)構(gòu)面運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑動(dòng)方向?yàn)楹贤饬υ诖私Y(jié)構(gòu)面的投影，穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算式為

???(4)

式中：0為滑動(dòng)面的摩擦系數(shù)；0和c分別為主滑面和側(cè)滑面的黏聚力；N、T分別為合力法向和切向的分量．

滑動(dòng)方向計(jì)算式為

???(5)

式中：為塊體單面滑動(dòng)的滑動(dòng)方向；為垂直主滑面的單位法向量；為合外力．

(3)當(dāng)塊體沿雙面滑動(dòng)時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算式為

???(6)

式中：f為滑動(dòng)面的摩擦系數(shù)；c和c分別為主滑面和側(cè)滑面的黏聚力；N、T分別為合力法向和切向的分量．

滑動(dòng)方向計(jì)算如式(7)所示．

???(7)

式中：為塊體雙面滑動(dòng)的滑動(dòng)方向；底、為垂直兩個(gè)滑面的單位法向量；是合外力．

自重工況和地震工況下合外力分別如式(8)和式(9)所示．

???(8)

???(9)

3.2?塊體失穩(wěn)概率

對(duì)每個(gè)塊體的穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到所有塊體的安全系數(shù)值，并按照式(10)計(jì)算塊體的失穩(wěn)概率．

???(10)

式中：為塊體失穩(wěn)概率；表示失穩(wěn)塊體總數(shù)目，表示總的塊體數(shù)目．

3.3?塊體支護(hù)強(qiáng)度

目前在施工中直接通過(guò)計(jì)算支護(hù)強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行噴錨設(shè)計(jì)的方式較少，但支護(hù)強(qiáng)度是衡量支護(hù)設(shè)計(jì)的一個(gè)直接參考指標(biāo)，對(duì)于保證工程安全有重要的意義．針對(duì)上文提出的3種塊體運(yùn)動(dòng)模式，分別提出在塊體不同運(yùn)動(dòng)模式下的支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算方式，如式(11)～(13)所示．

(1)塊體脫落時(shí)塊體支護(hù)強(qiáng)度為

???(11)

(2)錨桿方向通常不與塊體滑動(dòng)方向平行，而是有一定的夾角，無(wú)論是單面滑動(dòng)還是雙面滑動(dòng)，一般認(rèn)為錨桿方向與出露面垂直，并將支護(hù)力方向與滑動(dòng)方向的夾角設(shè)為，因此單面滑動(dòng)時(shí)塊體支護(hù)強(qiáng)度為

???(12)

(3)雙面滑動(dòng)時(shí)，支護(hù)強(qiáng)度為

???(13)

式中：為單位面積的支護(hù)力，即支護(hù)強(qiáng)度；為塊體出露方向和滑動(dòng)方向的夾角；0為單個(gè)錨桿支護(hù)的面積．

圖5為隨機(jī)塊體支護(hù)動(dòng)力參數(shù)計(jì)算流程，、分別為滑動(dòng)面的摩擦力和黏聚力．

圖5?隨機(jī)塊體支護(hù)動(dòng)力參數(shù)計(jì)算流程

4?工程應(yīng)用

4.1?工程概述

某水電站工程取水隧洞穿過(guò)電站左岸山體，工程區(qū)地面高程為265～730,m，相對(duì)高差約100～370,m，最高點(diǎn)高程735.5,m；以最高點(diǎn)高程為界線，其北坡坡度較小且平緩，坡角均小于30°，陡崖僅在比較大的沖溝的局部位置發(fā)育．其南坡主要是反向坡，由陡坡和斜坡相間組成．

取水隧洞沿線分布有夾層和節(jié)理裂隙，此外還有斷層與洞線相交．巖層走向沿洞室方向由NW向NE偏轉(zhuǎn)，傾角逐漸減?。渲?，進(jìn)口段巖層產(chǎn)狀為340°～350°/NE∠21°～23°，隧洞中部巖層產(chǎn)狀為60°～70°/NW∠14°～18°；隧洞后段巖層產(chǎn)狀為45°～55°/NW∠15°～19°，洞室圍巖等級(jí)主要是IV級(jí)．

隧洞附近主要發(fā)育有3組優(yōu)勢(shì)節(jié)理裂隙，在隧洞進(jìn)口段各組節(jié)理裂隙的產(chǎn)狀分別是70°～85°/NW∠60°～75°、290°～300°/NE∠65°～80°和315°～330°/NE∠45°～60°，裂隙跡長(zhǎng)一般為0～4,m．

本文選取隧洞進(jìn)口段33,m內(nèi)裂隙為研究對(duì)象，對(duì)隧洞中隨機(jī)塊體的支護(hù)進(jìn)行了分析．

4.2?巖體結(jié)構(gòu)耦合建模

取水隧洞為城門(mén)洞形，高5,m，寬4,m，跡線分布統(tǒng)計(jì)參數(shù)如表1所示，由于隧洞以下巖體結(jié)構(gòu)對(duì)穩(wěn)定性分析無(wú)影響，建模過(guò)程中不再考慮．根據(jù)跡線統(tǒng)計(jì)參數(shù)建立隧洞巖體結(jié)構(gòu)和離散裂隙網(wǎng)絡(luò)耦合模型，如圖6所示．圖中斷層與隧洞相交．

建立耦合模型后，取左側(cè)洞壁跡線并向豎直方向投影，若模擬裂隙跡線圖與實(shí)際裂隙跡線圖二者結(jié)果一致，則認(rèn)為模擬的結(jié)果正確，若二者不一致，則重新模擬，本文采用了從樁號(hào)0＋000到0＋30范圍內(nèi)的裂隙跡線進(jìn)行驗(yàn)證，如圖7所示．

表1?跡線統(tǒng)計(jì)參數(shù)

Tab.1?Statisticparameters of trace length

4.3?隨機(jī)塊體區(qū)域劃分與分析

根據(jù)斷層位置、塊體位置和塊體的運(yùn)動(dòng)方式在開(kāi)挖面上分為Ⅰ～Ⅴ共5個(gè)區(qū)域，其中Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ區(qū)域可能有塊體出露，Ⅰ、Ⅲ區(qū)域的塊體運(yùn)動(dòng)方式以滑動(dòng)為主，Ⅴ區(qū)域塊體運(yùn)動(dòng)方式主要是脫落，Ⅱ、Ⅴ區(qū)域巖體雖不出露，但可能受到其他區(qū)域的影響，也需要對(duì)其參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖8所示，在洞室方向分為1、2、3、4共4段，主要是考慮洞長(zhǎng)及單元長(zhǎng)度應(yīng)為跡長(zhǎng)的2～3倍，能包含完整結(jié)構(gòu)面，洞室方向的區(qū)域劃分可以在多次模擬中尋找塊體聚集的區(qū)域．考慮位置信息的同時(shí)，應(yīng)該讓斷層穿過(guò)更多的區(qū)域，比較斷層在不同區(qū)域?qū)Ψ€(wěn)定性的影響．

圖7?模型驗(yàn)證

圖8?隧洞區(qū)域劃分(單位：m)

隧洞圍巖和裂隙的力學(xué)參數(shù)如表2所示，地震的加速度采用文獻(xiàn)[26]中的數(shù)值．

表2?聯(lián)邦圍巖及結(jié)構(gòu)面參數(shù)

Tab.2?Parametersof rock and fracture

共進(jìn)行塊體分布模擬150次，其中10次塊體模擬結(jié)果和穩(wěn)定分析如表3所示．從表3中可以看出塊體的平均體積較小，說(shuō)明較大塊體出現(xiàn)的情況不多；只受重力情況下塊體的失穩(wěn)概率較低，為15%,～25%,；在重力和地震力的雙重作用下，失穩(wěn)概率上升，為30%,～40%,，說(shuō)明地震作用非常不利于塊體的穩(wěn)定．

表3?隨機(jī)塊體的10次模擬結(jié)果

Tab.3?Tentimes of statistical results of simulated stochastic rock blocks

通過(guò)150個(gè)隨機(jī)塊體模擬，在表4中對(duì)不同分區(qū)的塊體埋深、塊體數(shù)目、塊體密集度和支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析．塊體埋深和支護(hù)強(qiáng)度取模擬中的最大值，塊體數(shù)目和塊體密集度取模擬中的平均值．隨機(jī)塊體的埋深一般在1.00～1.90,m，對(duì)于錨桿長(zhǎng)度設(shè)計(jì)有重要的參考意義；由于Ⅲ區(qū)的開(kāi)挖面為圓弧，表面積更大，更容易與斷層和裂隙互相切割形成塊體，所以Ⅲ區(qū)的塊體數(shù)目和塊體密集度總體來(lái)說(shuō)高于其他區(qū)域；其中Ⅲ-1區(qū)塊體密集度明顯高于其他區(qū)域，可能是由于有兩條斷層穿過(guò)，生成的隨機(jī)塊體更多；同時(shí)，斷層對(duì)于Ⅱ、Ⅳ區(qū)域也有影響．另外由于Ⅲ區(qū)塊體受重力影響最大，支護(hù)強(qiáng)度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Ⅰ、Ⅴ區(qū)域，而Ⅰ、Ⅲ區(qū)域支護(hù)力的差異主要來(lái)自裂隙產(chǎn)狀的不同，裂隙傾角越大，需要的支護(hù)力也越大．

根據(jù)表3中和表4中的結(jié)果，在每個(gè)分區(qū)可以有針對(duì)性地進(jìn)行支護(hù)，根據(jù)不同情況制定更靈活的支護(hù)措施；同時(shí)也可以通過(guò)計(jì)算對(duì)已支護(hù)的位置區(qū)域進(jìn)行檢驗(yàn)，可以較為精確地對(duì)支護(hù)措施進(jìn)行評(píng)價(jià)，保證工程順利地進(jìn)行．

表4?隨機(jī)塊體幾何參數(shù)分區(qū)統(tǒng)計(jì)

Tab.4 Partitioned statistical results of stochastic blocks geometric parameters

5?結(jié)?語(yǔ)

通過(guò)蒙特卡洛模擬方法建立多邊形離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型，同時(shí)耦合工程地質(zhì)模型，生成了隨機(jī)塊體；根據(jù)空間位置和地質(zhì)屬性信息，對(duì)耦合模型了進(jìn)行分區(qū)，然后在每個(gè)區(qū)域?qū)﹄S機(jī)塊體的埋深、體積和密集度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并對(duì)隨機(jī)塊體運(yùn)動(dòng)方向、穩(wěn)定系數(shù)和支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算；通過(guò)多次模擬，選擇模擬過(guò)程中的不同數(shù)值，并在每個(gè)區(qū)域分別計(jì)算影響支護(hù)措施的參數(shù)，為支護(hù)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持，同時(shí)也可以用于檢驗(yàn)已支護(hù)區(qū)域的穩(wěn)定性．本文提出的方法是從地質(zhì)結(jié)構(gòu)的幾何信息出發(fā)，利用統(tǒng)計(jì)規(guī)律對(duì)支護(hù)措施進(jìn)行分析，與直接進(jìn)行力學(xué)計(jì)算相比更加簡(jiǎn)便快捷，可以為支護(hù)設(shè)計(jì)、支護(hù)檢驗(yàn)提供新的方法．

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(責(zé)任編輯：王新英)

Stability Analysis of Stochastic Rock Blocks Based on Three-Dimensional Fracture Network Rock Mass Structure Model

Li Mingchao1，Zhang Ye1，Zhou Sibao2

(1．State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300354，China；2．Zhejiang Design Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Hangzhou 310002，China)

Based on Monte Carlo simulation method and 3D geological modeling technology，a rock mass structure model with polygonal discrete fracture network was reconstructed and the identification of stochastic rock blocks was conducted．Then，a new approach of stability and support analysis for stochastic rock blocks of tunnels was presented．The model was divided into several subareas according to positions and geological attributes．And the depths，the volume and tensity of blocks were calculated to study the rule of block distribution in each subarea．The instability probabilities and support intensities of stochastic rock blocks under self-weight and seismic condition were calculated as well．These parameters contribute to the determination of the bolt spacing，lengths and support force of single bolt and provide parametric guidance to design a support scheme of stochastic rock blocks in the tunnel．Meantime it can also be used in support scheme test．This method has been applied to the stability support of an intake tunnel.

rock mass structure；3D geological model；polygonal discrete fracture network；stochastic rock block；stability analysis；support intensity of rock blocks

10.11784/tdxbz201703059

TU457

A

0493-2137(2018)04-0331-08

2017-03-21；

2017-05-26.

李明超（1979—??），男，博士，教授.Email：m_bigm@tju.edu.cn

李明超，lmc@tju.edu.cn.

國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51622904)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51379006).

the National Natural Science Foundation for Excellent Young Scientists(No.,51622904)and the National Natural Science Foundation of China (No.,51379006).