基于塊體理論的巖體隧道可視化實現(xiàn)及其工程應(yīng)用

張靖杰,李云龍,郭 龍,劉 宇

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110004)

基于塊體理論的巖體隧道可視化實現(xiàn)及其工程應(yīng)用

張靖杰,李云龍,郭 龍,劉 宇

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110004)

隧道巖體結(jié)構(gòu)面可視化實現(xiàn),為研究巖體穩(wěn)定提供了有效手段;根據(jù)塊體理論,采用不連續(xù)面網(wǎng)絡(luò)圖模擬真實巖體的幾何特征,在已有模擬方法的基礎(chǔ)上將VC++6.0和OpenGL圖形庫相結(jié)合,對巖體結(jié)構(gòu)面進(jìn)行三維網(wǎng)絡(luò)模擬。實現(xiàn)了巖體隧道的工程建模、顯示、幾何移動等功能,可進(jìn)行關(guān)鍵塊體計算機(jī)搜索和三維圖像顯示。大伙房水庫輸水工程中的應(yīng)用效果進(jìn)一步證明了該系統(tǒng)界面簡潔,操作簡便,結(jié)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(guān)鍵塊體;GeoSMA3D;隧洞;可視化

0 前 言

0.1 塊體理論

巖體被結(jié)構(gòu)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(jìn)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(jié)構(gòu)面滑移、失穩(wěn),進(jìn)而產(chǎn)生連鎖反應(yīng),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(guān)鍵塊體”,為保證隧道工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,采取一定的方法研究和控制隧道巖體結(jié)構(gòu)面的變形和破壞,預(yù)測并控制潛在”關(guān)鍵塊體”的穩(wěn)定性,就顯示出相當(dāng)?shù)闹匾浴?/p>

隨著國內(nèi)外學(xué)者對此認(rèn)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(jīng)越來越多的被應(yīng)用到巖體的穩(wěn)定性分析中[2～5],在隧道和地下支護(hù)、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(shù)在巖土工程中應(yīng)用

近年來,隨著可視化技術(shù)的迅速發(fā)展,可視化技術(shù)在巖土工程領(lǐng)域中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[6～9]。巖土工程相對于其它工程而言,由于地質(zhì)條件的復(fù)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(shè)計在施工過程中需要不斷變更,而依據(jù)則主要是從工程現(xiàn)場獲得的各種信息。這些信息數(shù)量大、種類多,借助于計算機(jī)進(jìn)行快速處理、結(jié)果分析,及時反饋到現(xiàn)場用以優(yōu)化設(shè)計和指導(dǎo)施工已是勢在必行。隨著科技的進(jìn)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(shù)的要求也將更高,因此開發(fā)更加適合現(xiàn)場需要的數(shù)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(qiáng)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(qiáng)以及交互技術(shù)等功能。

OpenGL首先將物體轉(zhuǎn)化為可以描述物體幾何性質(zhì)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成像素數(shù)據(jù)。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(xiàn)過程

GeoSMA(Geotechnical Structure and Model Analysis)是“巖土工程結(jié)構(gòu)與模型分析系統(tǒng)”的簡稱,該系統(tǒng)由東北大學(xué)作者所在研究團(tuán)隊開發(fā)研制[3～6],此軟件目前已經(jīng)申請國家專利,正處在功能模塊完善階段。該軟件實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)面和隧道參數(shù)的前臺輸入、后臺處理功能;結(jié)合OpenGL技術(shù),實現(xiàn)了隧道和工程巖體的三維建模、顯示、縮放、旋轉(zhuǎn)、移動等,它的主要功能包括:地下結(jié)構(gòu)建模;結(jié)構(gòu)面三維網(wǎng)絡(luò)模擬;關(guān)鍵塊體搜索;塊體穩(wěn)定性分析;三維結(jié)果顯示等。圖2顯示了GeoSMA3D系統(tǒng)的初始界面。本文介紹了該軟件的原理與應(yīng)用。

圖2 GeoSMA3D系統(tǒng)的初始界面

1.1 模型建立及巖體結(jié)構(gòu)面模擬

通過對隧道工程的資料調(diào)查,查出隧道的基本幾何參數(shù),例如隧道直徑、長度等,當(dāng)把這些參數(shù)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(biāo)實現(xiàn)隧道的伸縮、旋轉(zhuǎn)、移動等操作。

對野外地質(zhì)勘察資料進(jìn)行分析,對于確定裂隙可以直接把產(chǎn)狀、長度等參數(shù)輸入到程序中生成結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行模擬,在結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬中,結(jié)構(gòu)面幾何要素包括:結(jié)構(gòu)面形態(tài)、產(chǎn)狀、空間位置、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面參數(shù)(裂隙幾何形態(tài))在不同平面假設(shè)為圓盤,厚度方向忽略不計的三維空間結(jié)構(gòu)體,結(jié)構(gòu)面中心點服從均勻分布,結(jié)構(gòu)面的傾向、傾角服從正態(tài)分布。在圓盤假設(shè)下,結(jié)構(gòu)面跡線長與半徑之間具有確定的關(guān)系式:

式中:ri為某一組結(jié)構(gòu)面的半徑;li為統(tǒng)計跡線長度。

(2)結(jié)構(gòu)面的三維(d3)密度是一個非常難以確定的參數(shù),比較常用的方法就是利用一維(d1)、二維(d2)密度進(jìn)行推測。如果有一組平行的結(jié)構(gòu)面,每個結(jié)構(gòu)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(shù)Ci為一個通過逆運算獲得的校正參數(shù)。對每一組結(jié)構(gòu)面,其三維密度可通過幾條不同方向的測線用上式進(jìn)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(nèi)結(jié)構(gòu)面的總數(shù)目。

在此基礎(chǔ)上確定均值、方差等統(tǒng)計特征值,在已知結(jié)構(gòu)面各要素概率分布形式及統(tǒng)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(nèi)的結(jié)構(gòu)面形態(tài)。圖3顯示了在研究的區(qū)域內(nèi),通過蒙特卡洛方法模擬出的巖體結(jié)構(gòu)面跡線。

圖3 生成結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)跡線圖

1.2 可動塊體搜索及顯示

結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬完成后即可進(jìn)行關(guān)鍵塊體搜索和顯示,關(guān)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(gòu)成塊體的某一個結(jié)構(gòu)面去切割這個大塊體,然后再用下一個結(jié)構(gòu)面切割上一步所得的塊體,直到所有有效結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)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(fù)為圓盤,進(jìn)行必要的單元塊體合并,從而得到最后復(fù)雜的關(guān)鍵塊體。在進(jìn)行單元塊體合并時,兩個塊體必須擁有同一個結(jié)構(gòu)面,它們分別位于結(jié)構(gòu)面的兩側(cè),而且處于結(jié)構(gòu)面上的兩個多邊形有交集,且這個交集不屬于結(jié)構(gòu)面圓盤。如圖5所示:(a)可以合并,(b)、(c)不可以合并。最后將構(gòu)成關(guān)鍵塊體的各個表面進(jìn)行三三組合,進(jìn)而求出關(guān)鍵塊體的頂點坐標(biāo)、頂點數(shù)和交線方程,運用OpenGL的相關(guān)函數(shù)進(jìn)行關(guān)鍵塊體的繪制。

圖5 塊體切割完以后進(jìn)行簡單塊體的合并,得到復(fù)雜的關(guān)鍵塊體

圖6顯示了GeoSMA軟件圖像顯示的實現(xiàn)過程。

2 工程應(yīng)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(jīng)過8 a建設(shè)完成,已經(jīng)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(gòu)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(zhì)。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(jù)對現(xiàn)場地址調(diào)查資料的分析,將該區(qū)段斷裂構(gòu)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(xiàn)過程

表1 大伙房隧道斷裂構(gòu)造分組及主要參數(shù)

首先根據(jù)調(diào)查資料在軟件中輸入大伙房水庫輸水隧道的相關(guān)參數(shù),形成隧道的三維模型。根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查資料,在程序中輸入確定結(jié)構(gòu)面的參數(shù);對于不確定結(jié)構(gòu)面,根據(jù)本文前述方法進(jìn)行模擬,首先得出各組結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、跡長、密度等參數(shù),再確定各參數(shù)的概率分布函數(shù)類型,依次輸入程序中(見圖7)。當(dāng)確定和不確定結(jié)構(gòu)面所有相關(guān)參數(shù)都輸入完畢后,通過程序運行即可自動生成結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)跡線圖(在本程序中確定的結(jié)構(gòu)面和不確定的結(jié)構(gòu)面是放在一起顯示的),如前面圖3所示,然后搜索得到關(guān)鍵塊體并顯示關(guān)鍵塊體的相關(guān)信息,如圖8。

圖7 結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬相關(guān)參數(shù)的輸入界面

圖8 GeoSMA3D實現(xiàn)過程

3 結(jié) 論

本文對基于塊體理論的巖體隧道可視化進(jìn)行了研究,研究了巖體結(jié)構(gòu)面三維網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù),應(yīng)用VC++6.0和OpenGL圖形庫相結(jié)合,在幾何分析和數(shù)據(jù)后臺處理的基礎(chǔ)上,分析了結(jié)果的圖像顯示和處理工作,并取得了一定效果。巖土工程結(jié)構(gòu)模型穩(wěn)定性分析軟件GeoSMA3D實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)面三維網(wǎng)絡(luò)模擬和隧道參數(shù)的前臺輸入、后臺處理功能;結(jié)合OpenGL技術(shù),實現(xiàn)了隧道工程的三維建模、顯示、幾何移動等功能,并初步實現(xiàn)了關(guān)鍵塊體計算機(jī)搜索和三維圖像顯示。經(jīng)過工程應(yīng)用證明該系統(tǒng)界面簡潔,操作簡便,結(jié)果可靠,并具備了實際工程中非常需要的三維顯示功能。

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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(xué)基金(20092011);國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(2007AA06Z108);國家973基礎(chǔ)研究計劃(973計劃)項目子課題(2007CB209405);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項資金(N090401008;N090101001);教育部留學(xué)回國科學(xué)研究基金(20071108-3);國家自然科學(xué)基金(10872046);高等學(xué)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(jié)構(gòu)方面的學(xué)習(xí)和研究工作。