結(jié)構(gòu)面三維模擬技術(shù)在跨江特大橋梁邊坡巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查中的應(yīng)用

陸三福，蔡文靜

（1.中國地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉教育部長江三峽地質(zhì)災(zāi)害研究中心，湖北武漢430074；2.中國地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉自動化學(xué)院，湖北武漢430074）

結(jié)構(gòu)面三維模擬技術(shù)在跨江特大橋梁邊坡巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查中的應(yīng)用

陸三福*1，蔡文靜2

（1.中國地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉教育部長江三峽地質(zhì)災(zāi)害研究中心，湖北武漢430074；2.中國地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉自動化學(xué)院，湖北武漢430074）

巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查是跨江特大橋梁工程地質(zhì)勘察的重要內(nèi)容，橋位區(qū)邊坡巖體結(jié)構(gòu)影響到橋梁的勘察、設(shè)計、施工?；贛onte-Carlo隨機(jī)模擬原理的結(jié)構(gòu)面三維模擬技術(shù)，是傳統(tǒng)而有效的結(jié)構(gòu)面調(diào)查方法，能方便地獲取邊坡巖體結(jié)構(gòu)的信息，在邊坡巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查中發(fā)揮重要作用，可以給跨江橋梁等工民建在選址上提供技術(shù)支持，以清江水布埡擬建跨江大橋兩邊邊坡巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查為例，分析其在工程中應(yīng)用。

巖體；結(jié)構(gòu)面模擬技術(shù)；工程應(yīng)用

1 概述

進(jìn)入21世紀(jì)，“巖體”這一術(shù)語已在工程地質(zhì)學(xué)中廣泛出現(xiàn)、并成為一個重要的科研課題。研究范圍涵蓋了巖體的賦存環(huán)境、巖體結(jié)構(gòu)特征、巖體力學(xué)屬性、巖體的變形破壞機(jī)制與過程、巖體穩(wěn)定性評價等領(lǐng)域[1]。巖體中結(jié)構(gòu)面的存在使得巖體具有非連續(xù)性、各向異性，非線性等復(fù)雜特征，由于巖體中存在結(jié)構(gòu)面，使得巖體的力學(xué)參數(shù)變小，其是巖體中的薄弱環(huán)節(jié)。目前針對巖體結(jié)構(gòu)特征的測試與試驗技術(shù)研究，巖層面和巖體節(jié)理裂隙測試手段，常常采用在地表露頭進(jìn)行局部測量、或通過鉆探取巖芯，測其RQD值、或通過聲波探測，測其完整性系數(shù)等[2]。在進(jìn)行跨江大橋選址問題上必須要求對橋址區(qū)的巖體結(jié)構(gòu)特征的有較全面了解，野外結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計和室內(nèi)對結(jié)構(gòu)面模擬的方法是邊坡巖土體結(jié)構(gòu)面調(diào)查的重要而有效的方法。

2 結(jié)構(gòu)面三維模擬技術(shù)

結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬是應(yīng)用Monte-Carlo隨機(jī)模擬原理對巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、跡長、間距、密度等隨機(jī)形態(tài)參數(shù)進(jìn)行隨機(jī)抽樣、隨機(jī)變換、歸一化處理等,獲得這些參數(shù)的統(tǒng)計規(guī)律,預(yù)測區(qū)域內(nèi)巖體的結(jié)構(gòu)特征,可對巖體結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行估算、對巖體結(jié)構(gòu)特征、完整性進(jìn)行分析。本文討論其基本原理并對其工程應(yīng)用進(jìn)行研究[3]。

Monte Carlo方法，又名隨機(jī)模擬法（stochastic simulation）。它是以概率統(tǒng)計理論為基礎(chǔ)，依據(jù)大數(shù)定律，利用電子計算機(jī)數(shù)字模擬技術(shù)，解決一些很難直接用數(shù)學(xué)運(yùn)算求解或用其他方法不能解決的復(fù)雜問題的一種近似計算法[4]。目前，節(jié)理地質(zhì)參數(shù)通常采用以下3種方法獲?。海?）巖體露頭面節(jié)理測線法和統(tǒng)計窗法；（2）鉆孔巖芯節(jié)理統(tǒng)計法；（3）巖體攝影節(jié)理統(tǒng)計法。其中，測線法的主要特點(diǎn)是在巖體露頭表面布置一條測線，逐一測量與測線相交切節(jié)理的地質(zhì)幾何特征參數(shù)（包括節(jié)理在測線上的位置、產(chǎn)狀、跡長、隙寬等）。因其成本低、耗時短、易于操作等優(yōu)勢，在節(jié)理采樣過程中被廣泛運(yùn)用。

3 工程應(yīng)用

本文以清江水布埡某跨江特大橋橋址區(qū)兩岸邊坡為研究背景。擬建清江特大橋橋位位于水布埡水庫庫區(qū)內(nèi)，處在水布埡清江電廠大壩上游3km，橋位處河谷深切，地形上構(gòu)成了“V”字形峽谷，起點(diǎn)長嶺岸坡度約為50°，終點(diǎn)泗淌岸上緩下陡，水面以上坡度約為40°。橋位區(qū)為二疊系茅口、棲霞組碳酸鹽巖質(zhì)岸坡。河口寬度360～400m（高程360～420m），河床寬度120～140m（高程192～210m）。邊坡巖體節(jié)理較為發(fā)育。

為分析研究區(qū)內(nèi)巖體質(zhì)量狀況，查明該區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)面發(fā)育規(guī)律，在研究區(qū)域內(nèi)水布埡水庫北岸選擇了4個剖面，南岸選擇了1個剖面進(jìn)行了詳細(xì)的節(jié)理統(tǒng)計。

在采用測線法法野外統(tǒng)計的，對其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模擬，具體模擬步驟為：

①依據(jù)產(chǎn)狀、由走向玫瑰花圖和極點(diǎn)圖分組；

②由概率圖法獲取各組傾向、傾角、半跡長概率分布模型參數(shù)；

③由半跡長分布推算各組直徑分布；

④由間距分布推算各組體密度；

⑤根據(jù)各組幾何要素概率分布參數(shù)，得到結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬參數(shù)；

⑥通過結(jié)構(gòu)面三維網(wǎng)絡(luò)模擬估算巖體RQD的概率分布。

測線5結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬分析。測線5結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計基本信息：

地點(diǎn)：水布埡庫區(qū)清江北岸白水溪；

露頭類型：路塹邊坡；

露頭產(chǎn)狀：130°∠90°；

巖性：中厚層狀灰?guī)r；

測線產(chǎn)狀：130°∠-6°；

測線總長：12m。

（1）結(jié)構(gòu)面分組：使用結(jié)構(gòu)面分析軟件DIPS生成測線5處結(jié)構(gòu)面走向玫瑰花圖及結(jié)構(gòu)面極點(diǎn)圖。在玫瑰花圖，結(jié)構(gòu)面極點(diǎn)圖的基礎(chǔ)上，結(jié)合該露頭結(jié)構(gòu)面地質(zhì)成因分析，將該組要出露有2組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面：Ⅰ組，節(jié)理，產(chǎn)狀范圍為85°～135°∠78°～89°；Ⅱ組，節(jié)理，產(chǎn)狀范圍為285°～315°∠3°～20°，測線5結(jié)構(gòu)面走向玫瑰花圖及結(jié)構(gòu)面極點(diǎn)圖如圖1所示。

圖1 測線5結(jié)構(gòu)面走向玫瑰花圖及結(jié)構(gòu)面極點(diǎn)圖

（2）結(jié)構(gòu)面分組：在數(shù)據(jù)分組的基礎(chǔ)上，借助SPSS軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能，對數(shù)據(jù)按組進(jìn)行概率統(tǒng)計分析，得到結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬所需要的必要統(tǒng)計參數(shù)。根據(jù)已有資料對節(jié)理概統(tǒng)計模型的研究，此處傾向、傾角選擇了正態(tài)分布模型，半跡長選擇了均勻分布模型或是負(fù)指數(shù)分布模型，具體的模型可進(jìn)一步通過相關(guān)模型檢驗得到。

①傾向概率分布：通過統(tǒng)計分析，得到Ⅰ組節(jié)理傾向均值為122.12°，標(biāo)準(zhǔn)差為11.324°；Ⅱ組節(jié)理傾向均值為138.71°，標(biāo)準(zhǔn)差為119.64°。如圖2所示。

②傾角概率分布：通過統(tǒng)計分析，得到Ⅰ組節(jié)理傾角均值為71.71°，標(biāo)準(zhǔn)差為9.52°；Ⅱ組節(jié)理傾角均值為11.57°，標(biāo)準(zhǔn)差為6.34°，如圖3所示。

用同樣方法可得到半跡長概率分布，得到2組結(jié)構(gòu)面概率分布特征參數(shù)如表1測線5節(jié)理統(tǒng)計概率分布模型參數(shù)表所示：

（3）間距分布推算體密度大小：

線密度和體密度的求解公式：結(jié)構(gòu)面法線n的方向向量{l,m,n}為：

其中α〈β為結(jié)構(gòu)面平均產(chǎn)狀。

測線方向向量{l′,m′,n′}為：

其中ξ為測線的傾伏向，ξ為測線的傾角。

則結(jié)構(gòu)面法線n和測線夾角θ的余弦為：

測線結(jié)構(gòu)面的線密度：

圖2 結(jié)構(gòu)面傾向概率分布圖

多測線結(jié)構(gòu)面線密度：

式中：n——測線數(shù)；

Li——第i條測線長度；

θi——結(jié)構(gòu)面法線n與測線夾角。

進(jìn)一步求得結(jié)構(gòu)面體密度為：

式中：d——結(jié)構(gòu)面直徑期望。

當(dāng)發(fā)育m組結(jié)構(gòu)面，總體體密度：

圖3 結(jié)構(gòu)面傾角概率分布圖

式中：λVi——第i組結(jié)構(gòu)面的體密度。

（4）巖體質(zhì)量評價：由模擬參數(shù)，采用EXCEL生成偽隨機(jī)數(shù)，導(dǎo)入AUTOCAD建立三維網(wǎng)絡(luò)實(shí)體模型，其中結(jié)構(gòu)面模型區(qū)尺寸為15m×10m×10m，在AUTOCAD中共生成371個結(jié)構(gòu)面三維實(shí)體（見圖4），應(yīng)用區(qū)尺寸包含于模型區(qū)內(nèi)。實(shí)體模型、各個平面的網(wǎng)絡(luò)圖為從被模擬的整個節(jié)理巖體中截取的一小部分，在網(wǎng)絡(luò)圖中模擬鉆探巖芯，如圖4所示。

RQD和裂隙因子常被用于描述結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度和巖體的完整性[5]，通過結(jié)構(gòu)面模擬得到測線5巖體的綜合RQD值為0.98，過上述步驟，由三維結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬得到北岸4條測線處的RQD值分別為0.997、0.99、0.996、0.98。均屬于完整巖體。由此認(rèn)為北岸橋位處為完整巖體，因露頭關(guān)系，南岸僅選擇了1個剖面進(jìn)行了詳細(xì)的節(jié)理統(tǒng)計，得到巖體的綜合RQD值為0.98，屬于完整巖體。

表1 測線5節(jié)理統(tǒng)計概率分布模型參數(shù)表

表2 結(jié)構(gòu)面體密度

圖4 測線5結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)實(shí)體模型平面鉆孔布置網(wǎng)絡(luò)圖

通過現(xiàn)場節(jié)理統(tǒng)計及室內(nèi)結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬結(jié)果可知，在庫岸北側(cè)橋址區(qū)主要發(fā)育有3組結(jié)構(gòu)面：其中一組為層理，傾向近東向（80°～110°），傾角30°～50°，由西向東臨近橋址區(qū)，傾角逐漸變緩；另一組節(jié)理為近南北向中傾節(jié)理（282°～293°∠43°～47°）；此外，還有一組近東西向陡傾節(jié)理（164°～170°∠46°～89°）。南岸橋址區(qū)主要發(fā)育有3組結(jié)構(gòu)面：其中一組為層理20°∠10°，另一組與層理近成共軛節(jié)理285°～315°∠3～20°，還有一組垂直陡傾裂隙85°～135°∠78°～88°。從三維網(wǎng)絡(luò)模擬的結(jié)果上看，該區(qū)域的巖體均比較完整。

從清江水布埡橋址區(qū)兩岸現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查與鉆探、物探資料分析表明三維激光掃描和結(jié)構(gòu)面三維模擬結(jié)果顯示，橋位區(qū)無影響橋梁場地及岸坡穩(wěn)定的重大不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育。

4 結(jié)論

（1）采用蒙特卡洛（Monte-Carlo）隨機(jī)模擬概率統(tǒng)計的方法，能在統(tǒng)計意義上了解在一般情況下難以觀察、測量到的巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)面的發(fā)育情況,從模擬結(jié)果和現(xiàn)場鉆探巖芯來看，網(wǎng)絡(luò)模擬比較成功，由它模擬得到的各項結(jié)果與實(shí)際較吻合。

（2）清江水布埡兩岸巖體調(diào)查得出：在庫岸北側(cè)橋址區(qū)主要發(fā)育有3組結(jié)構(gòu)面，南岸橋址區(qū)主要發(fā)育有3組結(jié)構(gòu)面，橋位區(qū)巖體完整。

[1] 王思敬，楊志法，傅冰駿.中國巖石力學(xué)與巖石工程的世紀(jì)成就與展望[C]//第八次全國巖石力學(xué)與工程學(xué)術(shù)大會. 2004.

[2] 劉宏，等.用三維激光成像技術(shù)調(diào)查高陡邊坡巖體結(jié)構(gòu)[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報,2006(04)：38-41，45.

[3] 李達(dá)仕.巖體結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬及工程應(yīng)用研究[J].科技資訊，2009(02)：1-6.

[4] 陳祖煜，汪小剛，楊建，等.巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析——原理·方法·程序[M].北京：中國水利水電出版社，2005.

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1004-5716(2015)10-0007-04

2014-04-18

2014-10-10

陸三福（1988-），男（壯族），廣西南寧人，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）教育部長江三峽地質(zhì)災(zāi)害研究中心在讀碩士研究生，研究方向：工程地質(zhì)勘查、滑坡及地質(zhì)災(zāi)害治理。