第 6 卷 第 1 期 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 Vol.6 No.1 7 年 1 月 Chiese Joural of Rock Mechaics ad Egieerig Dec.,7 岩 体 随 机 结 构 面 三 维 网 络 的 生 成 和 可 视 化 技 术 李 新 强 1, 杨 松 青, 汪 小 刚 (1. 中 国 水 利 水 电 科 学 研 究 院 岩 土 工 程 研 究 所, 北 京 144;. 新 疆 水 利 水 电 勘 测 设 计 研 究 院 地 质 勘 察 研 究 所, 新 疆 乌 鲁 木 齐 8391) 1 摘 要 : 在 总 结 随 机 结 构 面 网 络 模 拟 研 究 关 于 结 构 面 三 维 网 络 生 成 和 可 视 化 成 果 的 基 础 上, 假 定 结 构 面 为 Baecher 圆 盘 形, 考 虑 结 构 面 大 小 位 置 产 状 隙 宽 等 要 素, 采 用 泊 松 随 机 过 程 生 成 随 机 结 构 面 网 络 的 样 本 单 元 其 中 较 为 详 细 地 介 绍 了 利 用 结 构 面 的 空 间 几 何 关 系 获 得 结 构 面 网 络 的 交 会 信 息 方 法, 利 用 FORTRAN9 编 程 语 言 编 制 生 成 三 维 结 构 面 ( 渗 流 ) 网 络 的 专 用 程 序 FRCGEN-3D, 该 程 序 也 适 用 于 三 维 结 构 面 网 络 模 拟 研 究 岩 体 楔 形 体 稳 定 和 连 通 率 求 解 问 题 为 使 复 杂 的 三 维 结 构 面 空 间 几 何 关 系 得 到 展 示, 进 一 步 借 用 OPEN GL 强 大 的 图 形 处 理 编 程 功 能, 在 此 基 础 上 完 善 了 一 套 完 整 的 三 维 结 构 面 网 络 模 拟 专 用 的 可 视 化 系 统 V-FNW 该 可 视 化 系 统 具 有 交 互 界 面 和 三 维 图 形 渲 染 旋 转 交 切 等 功 能, 为 结 构 面 网 络 模 拟 研 究 岩 石 力 学 和 裂 隙 网 络 水 力 学 提 供 了 一 个 可 视 化 平 台, 具 有 相 对 广 泛 的 应 用 价 值 和 研 究 价 值 关 键 词 : 岩 石 力 学 ; 结 构 面 ; 三 维 网 络 ; 计 算 机 模 拟 ; 可 视 化 中 图 分 类 号 :TU 45 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :1 6915(7)1 564 6 GENERATION AND VISUALIZATION TECHNOLOGIES OF THREE-DIMENSIONAL NETWORK OF ROCKMASS STOCHASTIC STRUCTURAL PLANE LI Xiqiag 1,YANG Sogqig,WANG Xiaogag 1 (1. Departmet of Geotechical Egieerig,Chia Istitute of Water Resources ad Hydropower Research,Beijig 144,Chia;. Departmet of Geological Exploratio,Xijiag Istitute of Recoaissace Ssurvey ad Desig of Water Resources ad Hydropower,Urumqi,Xijiag 8391,Chia) Abstract:Based o the research work o geeratio ad visualizatio of three-dimesioal stochastic fracture etwork simulatio,a ew three-dimesioal stochastic fracture etwork model is established. It is assumed that the fracture shape of the model is a Baecher disc,the distributio is stochastic,ad the correlativity of dimesio, locatio,orietatio ad aperture of all fractures is idepedet. Based o these,a sample elemet of a three-dimesioal structural plae etwork is geerated separately by Poisso stochastic process. The spatial geometrical itersectio iformatio of the fractures ad the boudary sides is discussed i detail. As a result,a program amed FRCGEN-3D for three-dimesioal stochastic fracture etwork of flow is developed by the FORTRAN9. To visualize the three-dimesioal etwork model ad check the data coveietly,a ew specialized visualizatio system called V-FNW is developed with OPEN GL tools i Visual C++,which is powerful ad famous for graph process. The system V-FNW shows iteractive iterface with three-dimesioal graph rederig,rotatio ad itersectio. Fially,a example of a stochastic model with a set of specific data is give;ad the result is reasoable. It provides a visual platform of fracture etwork simulatio for rock mechaics ad rock hydromechaics,which is very importat ad valuable i the further research. Key words:rock mechaics;structural plae;three-dimesioal etwork;computer simulatio;visualizatio 收 稿 日 期 :7 4 4; 修 回 日 期 :7 6 5 基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 重 点 项 目 (55391); 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 (5597) 作 者 简 介 : 李 新 强 (197 ), 男,5 年 于 中 国 水 利 水 电 科 学 研 究 院 岩 土 工 程 专 业 获 博 士 学 位, 现 任 高 级 工 程 师, 主 要 从 事 岩 土 工 程 渗 流 计 算 分 析 方 面 的 研 究 工 作 E-mail:lixq@iwhr.com
第 6 卷 第 1 期 李 新 强, 等. 岩 体 随 机 结 构 面 三 维 网 络 的 生 成 和 可 视 化 技 术 565 1 引 言 岩 体 工 程 如 地 基 边 坡 各 种 隧 洞 等 所 遇 到 的 岩 体 往 往 是 不 连 续 岩 体 人 们 已 认 识 到 岩 体 工 程 的 稳 定 变 形 和 渗 流 取 决 于 岩 体 的 完 整 程 度, 因 此, 节 理 的 产 状 间 距 连 通 性 等 岩 石 不 完 整 要 素 决 定 了 岩 石 的 稳 定 变 形 和 渗 流 状 态, 也 决 定 了 工 程 上 岩 体 的 分 类 由 于 岩 体 裂 隙 发 育 情 况 对 工 程 的 重 大 影 响, 随 着 岩 石 工 程 的 规 模 和 复 杂 性 越 来 越 大, 促 使 人 们 对 其 研 究 所 采 用 的 理 论, 从 过 去 的 连 续 介 质 理 论 发 展 到 裂 隙 岩 体 理 论 从 而 对 渗 流 结 构 面 网 络 和 抗 剪 强 度 指 标 分 析 开 辟 了 新 的 方 向 另 一 方 面, 随 着 人 们 认 识 问 题 的 逐 渐 深 入, 平 面 问 题 上 升 为 三 维 问 题 的 研 究 从 近 年 来 的 研 究 成 果 看, 三 维 结 构 面 网 络 模 拟 正 逐 渐 成 为 研 究 岩 石 力 学 问 题 的 关 键 岩 体 结 构 面 网 络 模 拟 技 术 的 研 究 及 软 件 开 发 在 工 程 应 用 方 面 具 有 很 大 的 发 展 前 景, 它 不 仅 可 用 于 岩 体 的 非 连 续 介 质 力 学 数 值 模 拟 研 究 方 面, 而 在 岩 体 渗 流 岩 体 爆 破 设 计 等 领 域, 也 可 作 为 岩 石 力 学 一 个 基 础 性 的 分 析 工 具 三 维 结 构 面 网 络 作 为 非 连 续 介 质 问 题, 目 前 尚 无 成 熟 的 可 视 化 工 具 可 用 同 时 利 用 三 维 图 形 的 可 视 化 技 术, 使 得 结 构 面 网 络 的 空 间 状 态 和 交 切 形 式 等 以 直 观 的 图 形 得 以 展 示, 为 检 验 几 何 数 据 提 供 了 便 利 条 件, 是 非 常 必 要 的 三 维 结 构 面 网 络 模 型 的 建 立 自 世 纪 6 年 代 开 始, 国 外 就 有 学 者 提 出 结 构 面 网 络 渗 流 模 型 时 至 今 日, 真 正 能 用 于 结 构 面 渗 流 计 算 的 三 维 模 型 只 有 两 种 : 一 种 是 圆 盘 结 构 面 网 络 模 型, 另 一 种 是 Dershowitz 的 多 边 形 结 构 面 网 络 模 型 随 机 结 构 面 网 络 模 拟 以 中 小 型 结 构 面 为 研 究 对 象, 因 此 本 文 采 用 Baecher 圆 盘 形 模 型 [1~4] 国 外,H. H. Eistei 等 曾 把 该 模 型 应 用 于 [5~7] 岩 石 力 学 分 析 中, 国 内 贾 志 欣 等 曾 进 行 了 这 方 面 的 尝 试, 大 多 数 研 究 人 员 采 用 该 模 型 通 过 研 究 岩 体 结 构 面 网 络 的 连 通 率 求 解 岩 体 的 质 量 指 标 对 于 [8~1] 岩 体 渗 流 结 构 面 网 络,C. H. Lee 等 进 行 了 大 量 研 究 工 作, 并 取 得 了 卓 有 成 效 的 研 究 成 果 图 1 为 Baecher 结 构 面 几 何 模 型 [11], 图 为 圆 形 单 一 结 构 面 的 三 维 空 间 展 布.1 三 维 结 构 面 网 络 模 型 的 理 论 利 用 现 场 测 量 结 构 面 的 统 计 结 果, 采 用 Baecher 圆 盘 模 型, 按 照 每 个 随 机 变 量 的 统 计 规 律 去 生 成 一 [11] 图 1 Baecher 结 构 面 几 何 模 型 Fig.1 Geometrical model of Baecher structural plae [11] o 图 三 维 结 构 面 的 单 位 矢 量 Fig. Uit vectors of three-dimesioal structural plae 统 计 意 义 上 的 等 效 结 构 面 网 络, 称 为 结 构 面 网 络 的 样 本 化 过 程 由 此 可 以 看 出, 样 本 化 的 结 构 面 网 络 并 非 完 全 等 同 于 某 一 实 际 的 结 构 面 网 络, 而 只 具 有 统 计 意 义 上 的 几 何 等 效 渗 流 结 构 面 网 络 模 型 与 其 他 结 构 面 网 络 模 型 有 所 不 同, 需 另 外 考 虑 隙 宽 因 素 在 渗 流 结 构 面 网 络 模 型 中, 岩 石 基 质 被 认 为 是 不 透 水 的, 结 构 面 网 络 中 的 每 一 条 结 构 面 至 少 与 一 条 其 他 结 构 面 或 边 界 相 交 割, 且 结 构 面 必 须 通 过 相 互 交 割 最 终 能 沟 通 到 边 界 那 些 没 有 贯 通 的 结 构 面, 如 果 假 设 水 不 随 压 力 变 化 改 变 压 缩 性, 存 在 其 内 的 水 在 有 压 渗 流 中 不 会 发 生 流 动, 这 种 结 构 在 岩 体 水 力 学 中 称 为 独 立 裂 隙 或 死 裂 隙, 在 非 稳 定 渗 流 中 对 水 只 具 有 储 蓄 和 调 节 作 用 从 渗 透 网 络 模 拟 的 目 标 来 看, 在 模 型 中 去 掉 独 立 裂 隙, 对 有 压 渗 流 的 过 程 基 本 没 有 影 响, 同 时 结 构 面 网 络 中 只 保 留 贯 通 结 构 面 形 成 网 络 可 以 简 化 模 型 的 复 杂 程 度 由 于 结 构 面 相 互 切 割 形 成 的 空 间 组 合 非 常 复 杂, 对 于 样 本 化 过 程 形 成 的 随 机 结 构 面 网 络, 除 了 利 用 解 析 几 何 的 办 法 外, 对 于 切 割 形 成 的 小 的 破 碎 块 体 或 极 小 的 结 构 面, 仍 需 要 进 行 适 当 的 合 并 简 化 处 理, 才 能 形 成 可 供 解 析 计 算 的 渗 流 结 构
566 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 7 年 面 网 络 模 型 下 面, 利 用 空 间 解 析 几 何 研 究 三 维 结 构 面 的 交 切 关 系 (1) 圆 盘 形 结 构 面 结 构 面 网 络 可 以 看 成 是 点 线 面 三 个 基 本 数 学 元 素 组 成 的 结 构 体 两 个 有 限 大 小 的 结 构 面 在 空 间 的 位 置 要 么 相 交, 要 么 分 离 完 全 分 离 的 两 条 结 构 面 不 会 发 生 水 力 联 系, 在 此 不 作 讨 论 由 于 结 构 面 的 隙 宽 相 对 于 结 构 面 大 小 的 尺 寸 来 说 非 常 小, 可 以 把 结 构 面 设 为 薄 圆 盘 圆 盘 结 构 面 的 空 间 位 置 由 结 构 面 中 点 坐 标 半 径 和 产 状 确 定 结 构 面 方 程 为 siα si β ( x x ) + cosα si β ( y y ( x x ) cos β ( z z + ( y y ) ) = + ( z z ) R ) + (1) 式 中 : x, z 分 别 为 结 构 面 中 点 的 空 间 坐 标 ;α 为 结 构 面 倾 向 θ 与 y 轴 正 向 ( 方 位 角 θ ) 的 夹 角, α = θ ; β 为 结 构 面 倾 角 ;R 为 圆 盘 半 径 θ y 结 构 面 的 边 界 有 两 种 可 能 情 况 :1 与 研 究 域 边 界 面 相 交, 交 线 构 成 了 结 构 面 边 界, 交 线 以 外 部 分 是 无 效 的 这 时, 边 界 条 件 由 给 定 的 研 究 域 边 界 条 件 确 定, 通 常 为 给 定 水 头 边 界 终 止 于 研 究 域 内 部, 这 时 沿 圆 形 结 构 面 边 界 的 流 入 流 出 通 量 为 结 构 面 边 界 可 能 与 其 他 结 构 面 相 切, 按 渗 流 数 值 求 解 的 一 般 情 况 处 理 即 可 () 结 构 面 交 叉 点 和 交 叉 线 用 oxyz 表 示 结 构 面 网 络 研 究 域 的 整 体 坐 标 系, 用 o 表 示 某 结 构 面 所 在 的 局 部 平 面 坐 标 系 在 空 间 中, 个 互 不 平 行 的 结 构 面 可 能 相 交 形 成 一 条 交 线 ( 不 相 交 或 相 交 成 一 个 点 的 情 况 不 作 考 虑 ), 如 图 3 所 示, 交 线 的 每 个 端 点 的 位 置 通 过 联 立 求 解 结 构 面 方 程 ( 式 ) 获 得 其 中 一 个 端 点 记 作 P(x,y,z) 点 P 存 在 的 条 件 是 其 在 个 结 构 面 中 均 位 于 结 构 面 有 效 范 围 之 内 这 意 味 着 点 P 要 满 足 两 个 条 件 :1 点 P 到 个 结 构 面 中 点 的 距 离 均 要 不 大 于 结 构 面 的 半 径 ; 若 结 构 面 交 割 研 究 域 边 界, 则 点 P 要 在 未 被 边 界 切 割 掉 的 结 构 面 一 侧 已 知 交 叉 点 P 的 空 间 位 置, 通 过 坐 标 系 的 平 移 和 旋 转, 可 以 确 定 点 P 在 各 自 结 构 面 局 部 坐 标 系 中 的 坐 标 值 (,), 即 = ( x x ) ( z z ) = ( x x ) ( z z ), z, z + ( y y ) + ( y y ) y + () + 式 中 : i,j(i =,;j = x,y,z) 为 o 坐 标 系 中, (a) 部 分 嵌 入 (b) 完 全 嵌 入 (c) 相 互 切 割 图 3 三 维 空 间 个 结 构 面 相 交 位 置 示 意 Fig.3 Sketch of itersectio positio of two structural plaes i three-dimesioal space 轴 单 位 矢 量 在 oxyz 坐 标 系 中 的 方 向 余 弦 假 设 o 坐 标 系 的 原 点 为 圆 盘 中 心 点 ; 轴 为 结 构 面 倾 向 在 结 构 面 上 的 投 影, 且 方 向 向 下 ; 从 轴 正 向 开 始 按 逆 时 针 转 9 为 轴 方 向 结 构 面 水 平 时, 和 轴 方 向 与 x 和 y 轴 方 向 一 致 在 此 坐 标 系 下, 单 位 矢 量 的 方 向 余 弦 为, z = siα cos β = cosα cos β = si β = cosα = siα = (3) 类 似 地, 可 得 到 结 构 面 与 边 界 面 的 交 叉 点 由 于 以 3 个 结 构 面 为 基 础 求 交 叉 点, 当 3 个 以 上 结 构 面 ( 如 4 个 ) 在 空 间 上 交 于 一 点 时, 交 叉 点 出 现 重 复, 需 删 除 重 复 部 分 为 此, 要 逐 个 结 构 面 检 查 交 叉 点 当 个 点 位 置 重 复 时, 将 第 个 点 新 加 的 结 构 面 号 加 入 第 1 个 点 中, 去 掉 第 个 点 空 间 上 个 互 不 平 行 的 结 构 面 可 能 相 交 形 成 一 条 交 叉 线 类 似 于 交 叉 点 的 情 况, 已 知 交 叉 线 的 空 间 位 置, 可 以 通 过 坐 标 系 变 换 确 定 其 在 各 自 结 构 面 局 部 坐 标 系 中 的 位 置, 并 进 一 步 确 定 其 存 在 性 和 交 叉 点 的 位 置. 岩 体 三 维 结 构 面 网 络 的 计 算 机 模 拟..1 结 构 面 的 基 本 假 定 (1) 结 构 面 为 平 面 圆 盘 形 将 结 构 面 假 定 为 平 面, 目 的 是 减 少 描 述 结 构 面 的 几 何 参 数 虽 然 在 某 些 情 况 下, 结 构 面 呈 曲 面 或 波 浪 状, 但 实 际 建 模 中 经 常 忽 略 这 种 弯 曲 [3]
第 6 卷 第 1 期 李 新 强, 等. 岩 体 随 机 结 构 面 三 维 网 络 的 生 成 和 可 视 化 技 术 567 () 结 构 面 在 三 维 岩 体 空 间 呈 随 机 均 匀 分 布 结 构 面 在 岩 体 空 间 随 机 分 布 的 假 定 便 于 使 用, 因 而 被 普 遍 采 用 在 该 假 定 下, 结 构 面 出 露 迹 线 的 间 距 沿 一 条 测 线 ( 直 线 ) 呈 负 指 数 分 布 这 一 点 与 许 [] 多 现 场 观 测 研 究 结 果 相 一 致 结 构 面 的 其 他 参 数 分 布 根 据 结 构 面 统 计 分 析 的 结 果 确 定 (3) 结 构 面 大 小 位 置 产 状 隙 宽 相 互 独 立 这 一 假 定 同 样 是 为 了 简 化 问 题 而 提 出 的 虽 然 该 假 定 的 合 理 性 得 到 质 疑, 并 有 待 进 一 步 证 实, 但 绝 大 多 数 岩 石 力 学 分 析 暗 含 了 这 一 假 定 [1].. 结 构 面 网 络 模 拟 的 步 骤 假 定 结 构 面 的 形 状 为 圆 盘 形 平 面, 在 三 维 空 间 内, 每 一 结 构 面 由 7 个 参 数 定 义 : 中 心 位 置 坐 标 ( x c, y c, z c ), 圆 盘 直 径 D 及 产 状 ( 倾 向 倾 角 ) 以 及 结 构 面 宽 度 因 此, 在 获 得 有 关 结 构 面 三 维 几 何 特 征 分 布 参 数 后, 可 采 用 如 下 步 骤 在 计 算 机 中 生 成 岩 体 结 构 面 的 三 维 模 拟 网 络 (1) 确 定 模 拟 空 间 大 小 首 先 根 据 工 程 实 际 需 要 确 定 一 个 具 有 一 定 大 小 的 矩 形 盒 子 ( 与 样 本 单 元 体 REV 有 关, 可 作 修 改 ), 作 为 生 成 结 构 面 三 维 网 络 的 空 间 x 轴 方 向 为 地 理 北 向,y 轴 方 向 为 地 理 东 向,z 轴 垂 直 向 下, 符 合 坐 标 的 右 手 法 则, 便 于 寻 找 连 通 结 构 面 网 络, 建 立 渗 透 的 结 构 面 空 间 为 消 除 边 缘 效 应 的 影 响, 还 需 在 此 盒 内 另 外 定 义 一 个 较 小 的 盒 子, 统 计 计 算 考 虑 完 全 位 于 此 盒 内 的 结 构 面 和 被 此 盒 边 界 截 断 后 位 于 此 盒 内 的 结 构 面 部 分 () 确 定 各 组 结 构 面 的 数 目 确 定 通 过 单 位 体 积 内 的 各 组 结 构 面 数 目 λ v, 也 称 为 该 组 结 构 面 的 体 积 密 度 位 于 模 拟 空 间 内 的 结 构 面 数 目 等 于 λ v 与 模 拟 空 间 体 积 的 乘 积 (3) 产 生 结 构 面 位 置 大 小 产 状 和 隙 宽 根 据 Poisso 分 布 的 假 定, 结 构 面 中 心 点 位 置 服 从 均 匀 分 布 的 规 则, 可 采 用 Mote-Carlo 模 拟 方 法, 随 机 产 生 各 结 构 面 的 中 心 坐 标 ( x c c, z c ) 结 构 面 的 大 小 产 状 和 隙 宽, 可 根 据 相 应 的 统 计 分 布 形 式 和 前 述 确 定 的 几 何 特 征 参 数, 采 用 Mote- Carlo 法 来 模 拟 生 成 (4) 形 成 样 本 单 元 体 处 于 模 拟 空 间 的 结 构 面, 有 些 完 全 处 于 该 空 间 内, 有 些 处 于 该 空 间 的 边 缘, 结 构 面 被 切 割 成 两 部 分, 舍 弃 空 间 外 侧 的 部 分, 构 成 结 构 面 空 间 的 样 本 单 元 体 (5) 产 生 结 构 面 网 络 信 息 在 样 本 单 元 体 空 间 中, 设 边 界 面 为 一 大 的 方 形 结 构 面, 通 过 判 定 与 任 一 其 他 结 构 面 相 交 情 况 得 到 交 切 信 息 ; 任 意 条 结 构 面 的 交 切 情 况 也 通 过 相 应 的 解 析 方 法 得 到 如 果 两 条 结 构 面 相 交, 就 在 两 结 构 面 的 网 络 信 息 中 记 录 相 交 结 构 面 编 号 和 相 交 点 的 位 置 信 息 由 此 生 成 的 结 构 面 网 络 中, 每 个 结 构 面 ( 包 括 单 元 边 界 面 ) 需 要 包 含 如 下 信 息 : 结 构 面 的 位 置 ( 中 心 点 的 坐 标 ) 大 小 ( 半 径 或 直 径 ) 产 状 ( 走 向 倾 向 和 倾 角 ) 隙 宽, 以 及 与 之 相 交 结 构 面 的 编 号 和 交 点 位 置 结 构 面 的 这 些 信 息, 将 被 用 来 作 为 结 构 面 网 络 模 拟 确 定 岩 体 质 量 指 标 和 渗 透 性 评 价 的 基 本 参 数 信 息 如 在 渗 透 型 网 络 模 拟 中, 被 单 元 体 边 界 切 割 的 结 构 面 将 成 为 边 界 条 件 的 作 用 面 ; 模 拟 空 间 中 各 结 构 面 的 交 切 形 成 了 渗 流 作 用 的 通 道, 而 这 些 通 道 的 水 力 学 性 质 由 单 一 结 构 面 的 几 何 特 征 确 定..3 关 于 计 算 程 序 和 方 法 根 据 前 述 三 维 结 构 面 网 络 模 拟 的 原 理, 利 用 FORTRAN9 语 言 编 制 了 三 维 结 构 面 渗 流 网 络 程 序 FRCGEN-3D 该 程 序 可 根 据 结 构 面 调 查 统 计 的 结 果, 生 成 三 维 结 构 面 渗 流 结 构 面 网 络 主 要 特 点 有 : (1) 结 构 面 各 几 何 参 数 的 分 布 可 以 采 用 均 匀 分 布 正 态 分 布 负 指 数 分 布 对 数 正 态 分 布 等 多 种 分 布 形 式 () 直 接 输 入 结 构 面 迹 长 的 均 值 方 差 和 分 布 形 式, 就 可 以 生 成 结 构 面 的 大 小 (3) 可 以 选 择 结 构 面 隙 宽 的 统 计 结 果, 转 化 为 等 效 水 力 隙 宽, 或 直 接 利 用 压 水 试 验 结 果 计 算 等 效 水 力 隙 宽 程 序 FRCGEN-3D 的 主 要 工 作 流 程 见 图 4 3 三 维 结 构 面 网 络 的 可 视 化 对 于 前 述 的 结 构 面 网 络, 虽 然 可 以 通 过 几 何 学 的 方 法 得 到 结 构 面 的 形 态 细 节, 但 这 些 数 据 很 抽 象 利 用 三 维 图 形 的 可 视 化 技 术, 使 得 结 构 面 网 络 的 空 间 状 态 和 交 切 形 式 以 直 观 的 图 形 得 以 展 示, 为 检 验 几 何 数 据 提 供 了 便 利 条 件 为 此, 作 者 在 张 发 明 工 作 的 基 础 上, 利 用 OPEN GL 强 大 的 图 形 处 理 软 件 包 的 编 程 功 能, 修 改 了 程 序 中 存 在 的 错 误, 同 时 增 加 了 图 形 处 理 的 功 能, 形 成 了 结 构 面 网 络 显 示 的 专 用 程 序 V-FNW(fracture et work viewer), 以 适 应 结 构 面 网 络 渗 流 问 题 研 究 的 特 别 需 要 3.1 程 序 V-FNW 的 工 作 流 程 (1) 读 取 由 前 述 所 建 立 的 结 构 面 网 络 数 据 或 求 解 渗 流 网 络 的 单 元 节 点 数 据 ( 另 外 的 计 算 过 程 ), 包 括 结 构 面 的 几 何 形 态 和 取 样 边 界 数 据 ; () 确 定 显 示 区 域, 对 于 三 维 问 题, 定 出 空 间 [6]
568 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 7 年 (4) 对 结 构 面 图 元 ( 包 括 节 点 ) 进 行 坐 标 转 换, 包 括 将 结 构 面 中 心 点 移 到 真 实 坐 标 点 ( x, z ), 再 根 据 结 构 面 的 倾 向 和 倾 角 进 行 旋 转, 得 到 结 构 面 在 模 拟 空 间 中 的 真 实 位 置 ; (5) 对 结 构 面 图 元 进 行 着 色 光 照 等 图 形 处 理 ; (6) 对 图 形 进 行 任 意 角 度 的 旋 转 移 动 放 大 和 缩 小 都 由 软 件 包 自 动 完 成 3. 程 序 V-FNW 的 功 能 和 特 点 经 过 改 进 的 程 序 在 Widows 环 境 下 应 用 具 有 非 常 友 好 的 交 互 式 界 面, 操 作 简 单 具 体 来 说, 主 要 功 能 有 : (1) 显 示 三 维 结 构 面 网 络 的 立 体 图 和 透 视 图, 对 不 同 的 结 构 面 分 组 选 用 不 同 的 颜 色 表 示, 使 得 图 形 显 示 更 为 鲜 明 () 对 图 形 进 行 任 意 角 度 旋 转 移 动 放 大 和 缩 小, 便 于 查 看 (3) 所 得 到 的 三 维 结 构 面 网 络 图 形 的 保 存 (4) 对 三 维 结 构 面 网 络 任 意 切 面 和 六 面 体 切 割 体 的 显 示 (5) 可 以 显 示 三 维 结 构 面 网 络 中 各 结 构 面 的 节 点 这 一 点 很 重 要, 因 为 交 叉 结 构 面 本 身 很 复 杂, 其 单 元 和 节 点 的 剖 分 更 为 复 杂 这 一 功 能 对 三 维 结 构 面 网 络 渗 流 的 计 算 非 常 适 用 4 算 例 i i i 图 4 随 机 结 构 面 网 络 生 成 流 程 图 Fig.4 Flowchart of stochastic structural plae etwork geeratio 坐 标 系 中 心 点 的 坐 标 和 体 积 ; (3) 如 果 有 单 元 节 点 的 数 据, 需 要 进 行 坐 标 转 换, 转 换 成 节 点 坐 标 所 在 的 整 体 空 间 坐 标 ; 设 研 究 域 为 边 长 1 m 的 正 六 面 体 分 布 有 组 结 构 面, 各 组 结 构 面 的 统 计 结 果 如 表 1 所 示 共 生 成 结 构 面 144 个, 其 中 1 组 11 个, 组 34 个 将 参 数 输 入 程 序 FRCGEN-3D 中, 生 成 的 结 构 面 网 络 见 图 5 在 表 1 的 基 础 上, 将 倾 向 和 倾 角 的 标 准 差 降 为, 就 形 成 了 完 全 正 交 分 布 的 结 构 面 网 络 生 成 的 结 构 面 网 络 见 图 6 对 比 图 5 和 6 可 见, 图 6 的 结 构 面 正 交 性 是 显 著 的 图 5 和 6 的 显 示 效 果 能 够 满 足 结 构 面 网 络 模 拟 研 究 的 需 要 表 1 初 始 输 入 数 据 Table 1 Iitially iput data 组 别 倾 向 倾 角 迹 长 间 距 隙 宽 均 值 /( ) 标 准 差 概 率 分 布 均 值 /( ) 标 准 差 概 率 分 布 均 值 /m 标 准 差 概 率 分 布 均 值 /m 标 准 差 概 率 分 布 均 值 /m 标 准 差 概 率 分 布 1. 1. 正 态 9. 1. 正 态 4. 4. 负 指 数.. 负 指 数. 1. 1 对 数 正 态 75. 15. 5. 15. 6. 6. 3. 3.. 1. 1
第 6 卷 第 1 期 李 新 强, 等. 岩 体 随 机 结 构 面 三 维 网 络 的 生 成 和 可 视 化 技 术 569 Joural of Rock Mechaics ad Miig Scieces ad Geomechaics Abstracts,1983,(5):7 36. [] EINSTEIN H H,BAECHER G B,VENEZIANO D,et al. Risk aalysis for rock slopes i ope pit mies fial techical report[r]. Cambridge,USA:Departmet of Civil Egieerig,Massachusetts Istitute of Techology,1984. [3] WARBURTON P M. Stereological iterpretatio of joit trace data: (a) 实 体 图 (b) 透 视 图 图 5 由 表 1 生 成 的 结 构 面 网 络 Fig.5 Geeralized structural plae etwork accordig to Table 1 ifluece of joit shape ad implicatios for geological surveys[j]. Iteratioal Joural of Rock Mechaics ad Miig Scieces ad Geomechaics Abstracts,198,17(6):35 316. [4] LONG J C S,BILLAUX D,HESTIR K,et al. Some geostatistical (a) 实 体 图 (b) 透 视 图 tools for icorporatig spatial structure i fracture etwork modelig[c]// Proceedigs of the 6th Iteratioal Cogress o Rock Mechaics. Motreal,Caada:[s..],1987:171 176. [5] 贾 志 欣, 陈 祖 煜. 小 湾 右 岸 边 坡 稳 定 性 支 护 研 究 [R]. 北 京 : 中 国 水 利 水 电 科 学 研 究 院,1998.(JIA Zhixi,CHEN Zuyu. Stability ad support research o Xiaowa right bak slope[r]. Beijig:Chia Istitute of Water Resources ad Hydropower Research,1998.(i Chiese)) 图 6 正 交 结 构 面 网 络 的 输 出 图 形 Fig.6 Output graphs of orthogoal structural plae 5 结 论 本 文 在 总 结 现 有 结 构 面 网 络 模 拟 在 三 维 结 构 面 网 络 生 成 和 可 视 化 方 面 研 究 成 果 的 基 础 上, 采 用 Mote-Carlo 法 建 立 三 维 结 构 面 网 络 模 型 作 者 利 用 FORTRAN9 语 言 编 制 了 建 立 三 维 结 构 面 网 络 的 软 件 FRCGEN-3D 模 型 特 点 为 : 结 构 面 为 平 面 圆 盘 形 ; 结 构 面 在 三 维 岩 体 空 间 呈 随 机 均 匀 分 布 ; 结 构 面 大 小 位 置 产 状 隙 宽 相 互 独 立 ; 在 各 结 构 面 生 成 的 过 程 中, 结 构 面 与 结 构 面 结 构 面 与 边 界 的 交 切 关 系 作 为 结 构 面 的 信 息 存 储 在 数 组 中, 便 于 为 渗 流 结 构 面 网 络 模 型 计 算 和 结 构 面 连 通 率 计 算 所 应 用 为 适 应 渗 流 结 构 面 网 络 模 拟 研 究 的 需 要, 同 时 兼 顾 结 构 面 网 络 连 通 率 计 算 的 需 要, 作 者 利 用 [6] OPEN GL 强 大 的 图 形 处 理 编 程 功 能, 在 张 发 明 工 作 的 基 础 上, 对 程 序 作 了 重 大 改 进 : 修 改 了 程 序 中 存 在 的 错 误, 同 时 增 强 了 图 形 显 示 和 处 理 的 功 能, 形 成 了 结 构 面 网 络 显 示 的 专 用 软 件 V-FNW, 为 结 构 面 网 络 模 拟 的 更 深 入 研 究 打 下 良 好 基 础 参 考 文 献 (Refereces): [6] 张 发 明. 裂 隙 岩 体 三 维 结 构 面 网 络 模 拟 与 随 机 楔 体 稳 定 分 析 方 法 研 究 [R]. 北 京 : 中 国 水 利 水 电 科 学 研 究 院,.(ZHANG Famig. Three-dimesioal etwork simulatio o fissures ad the stability aalysis of radom wedge blocks[r]. Beijig:Chia Istitute of Water Resources ad Hydropower Research,.(i Chiese)) [7] 杜 景 灿. 基 于 结 构 面 三 维 网 络 模 拟 确 定 岩 体 综 合 抗 剪 强 度 和 连 通 率 [ 博 士 学 位 论 文 ][D]. 北 京 : 清 华 大 学,.(DU Jigca. The determiatio of sythetical shear itesity ad coectivity ratio of rock mass usig three-dimesioal etwork simulatio techology[ph. D. Thesis][D]. Beijig:Tsighua Uiversity,.(i Chiese)) [8] LEE C H. Flow i fractured rocks[ph. D. Thesis][D]. Tucso,USA: Uiversity of Arizoa,199. [9] 张 有 天, 刘 中. 降 雨 过 程 裂 隙 网 络 饱 和 / 非 饱 和 非 恒 定 渗 流 分 析 [J]. 岩 石 力 学 与 工 程 学 报,1997,16():14 111.(ZHANG Youtia, LIU Zhog. Saturated/usaturated,usteady seepage aalysis of rock fractured etworks due to the percolatio of raifall[j]. Chiese Joural of Rock Mechaics ad Egieerig,1997,16():14 111.(i Chiese)) [1] 田 开 铭, 万 力. 各 向 异 性 裂 隙 介 质 渗 透 性 的 研 究 与 评 价 [M]. 北 京 : 学 苑 出 版 社,1989.(TIAN Kaimig,WAN Li. Research ad evaluatio of the permeability of aisotropic fractured media[m]. Beijig:Academy Press,1989.(i Chiese)) [11] DERSHOWITZ W S,EINSTEIN H H. Characterizig rock joit geometry with joit system models[j]. Rock Mechaics ad Rock Egieerig,1988,1(1):1 51. [1] BAECHER G B,LANNEY N A,EINSTEIN H H. Statistical descriptio of rock properties ad samplig[c]// Proceedigs of the [1] EINSTEIN H H,VENEZIANO D,BAECHER G B,et al. The effect of discotiuity persistece o rock slope stability[j]. Iteratioal 18th U.S. Symposium o Rock Mechaics. [S.l.]:Johso Publishig Co.,1977:1 8.