一种岩质边坡结构精细化建模及块体识别方法技术

本发明专利技术提供了一种岩质边坡结构精细化建模及块体识别方法，涉及地质建模技术领域，包括如下步骤：(1)利用激光扫描技术获取边坡临空面的三角单元网格及结构面几何参数；(2)采用投影法将三角面单元转化为体单元；(3)利用三维网络模拟技术实现结构面的空间展布；(4)利用结构面所在平面将与其相交的体单元完全切割；(5)将岩体内部柱状体单元侧面消隐，融合被切割后的体单元，导致结构面之间的块体合并，实现块体的识别。本发明专利技术将现场测量的数据与块体识别相结合，精度高，速度快，识别出的块体形态及数量不受限制。

【技术实现步骤摘要】
一种岩质边坡结构精细化建模及块体识别方法
本专利技术涉及地质建模
，特别涉及一种岩质边坡结构精细化建模及块体识别方法。
技术介绍
岩质边坡是由许多不同构造、产状和规模的结构面(断层面、节理面、裂隙面等)切割而形成的复杂结构体系，它的复杂性表现在岩体具有非连续性、非均质性、各向异性、非弹性等特征。结构面与临空面间相互切割，在岩体内部形成大小不等、形态各异的块体，在一定程度上控制着边坡的稳定性。具体表现在两个方面，其一，大尺寸结构面与临空面间形成的确定性块体在重力及外界扰动情况下发生滑动失稳；其二，数量众多、尺寸较小的结构面表现出随机性，相互切割形成的块体也具有随机性，其数量、尺寸及分布是影响岩体力学性质的重要因素。块体稳定性的准确度由地质模型的精细程度决定，但由于块体识别方法的限制，二者的结合仍是制约块体理论发展的瓶颈。因此，对边坡岩体地表形态及其内部地质结构的准确把握，实现岩体结构的精细化表征，在此基础上实现任意结构面间的块体识别，是块体理论所面临的主要问题。此问题的解决可为块体理论提供发展空间，为岩质边坡工程提供直观准确的稳定性分析方法，同时也是非连续岩体力学的基础性研究。几何建模是各数值分析方法不可回避的问题，也是一项最基本的研究。不同的数值分析方法有着适用于各自分析特点的建模方式。然而，由于存在地质建模、网格划分等前期处理工作复杂，工作量大甚至无法实现等问题，目前国内外的各种数值计算分析中，往往迫不得已采用简化的方式建立岩体地质模型，而对于岩体工程临空面复杂形态和内部结构面情况反映较少，这必定对数值计算效果产生一定影响，简化数值计算前处理的做法是一个值得研究的重要问题。岩体建模方法未完全与数值模拟很好的结合起来，尤其在块体理论分析中，急需一种快速精细的建模方法及与其相适应的块体识别方法，将现场测量与块体识别相结合，进而将块体理论这一数值分析方法的价值发挥出来。
技术实现思路
本专利技术实施例提供了一种岩质边坡结构精细化建模及块体识别方法，用以解决现有技术中存在的问题。一种岩质边坡结构精细化建模及块体识别方法，该方法包括：利用激光扫描技术获取岩质边坡临空面的三角单元网格以及结构面的空间展布信息；采用投影法将所述三角单元网格转换为体单元；利用三维网络模拟技术实现所述结构面的空间展布；采用结构面将与其相交的体单元完全切割；将岩体内部柱状体单元侧面消隐，融合被切割后的体单元，导致块体间合并，实现块体的识别。优选地，步骤利用激光扫描技术获取岩质边坡临空面的三角单元网格以及结构面的空间展布信息具体包括：利用激光扫描技术对岩质边坡扫描后获得临空面的点云数据，通过I-SiteStudio软件将所述点云数据转换为所述三角单元网格，并以dxf文件输出；同时从所述点云数据中提取每个结构面上三个特征点的坐标信息，通过三点确定平面方程，从而获得结构面的展布信息，并以txt文件输出。优选地，步骤采用投影法将所述三角单元网格转换为体单元具体包括：(a)设计块体数据存储格式，两点组成的边被存储在多边形类的动态数组中，多边形被存储在块体类的动态数组中；(b)以所述dxf文件中的AcDbFace为关键词读取所述dxf文件中的点坐标信息，将其放入所设计的多边形类的动态数组中；(c)将三角单元网格转换为体单元，选取一水平面z＝z0，令三角单元网格向此水平面投影组成体单元，原三角单元网格中一个三角单元的三点坐标分别为A(xa，ya，za)，B(xb，yb，zb)，C(xc，yc，zc)，则投影点的坐标分别为A’(xa，ya，z0)，B’(xb，yb，z0)，C’(xc，yc，z0)，原三角单元、投影面及投影所产生的三个侧面组成体单元。优选地，步骤利用三维网络模拟技术实现所述结构面的空间展布具体包括：(a)对结构面采用圆盘形式，采用倾向β、α、半径r及圆心的坐标进行描述，其表达式如下：其中，P＝sinαcosβ，Q＝-sinαsinβ，T＝cosα，当半径设置为无穷大时结构面贯通；(b)采用可变模糊聚类迭代模型进行结构面的优势组划分，首先，确定岩体结构面优势组划分的模糊聚类循环迭代模型；其次，采用梯度下降法循环迭代求解最优模糊聚类矩阵与聚类中心特征规格化矩阵；最后，利用类别特征值运用可变模糊理论的判别准则判断每条岩体结构面的归属类别，实现对结构面的分组，基于此，判断每组结构面的分布规律，通过蒙特卡洛进行结构面三维网络模拟，从而生成随机结构面信息。优选地，采用结构面将与其相交的体单元完全切割具体包括：(a)结构面与块体的相交性判断1)设置两个长方体分别用以包裹块体和结构面，当两长方体不存在交集时，则结构面与块体不相交；2)结构面所在平面表达式为式：Px+Qy+Tz+S＝0(2)令块体顶点坐标为(xj，yj，zj)，其中j＝1，2，3……n，n为块体顶点数量，若j，k＝1，2，3……n，且j≠k时(3)式均成立，则两者不相交；(Pxj+Qyj+Tzj+S)·(Pxk+Qyk+Tzk+S)≥0(3)3)当上述1)和2)两方法均不能确定块体和结构面是否相交时，进一步精确判断：求解结构面所在平面与块体各边的交线，将交线组合即成为一个新的面，即结构面对块体切口，判断结构面圆盘与切口多边形关系，若两者相交则块体与结构面相交；(b)平面对块体的切割平面对块体的切割就是平面分别对组成块体的多边形集合进行切割，最后以面为单位重新组合为两个子块体，与结构面相交的块体其内部面与结构面位置关系存在三种情况：①多边形在平面以上，包括以边或点的方式与平面接触的情况；②多边形在平面以下，包括以边或点的方式与平面接触的情况；③多边形的顶点分布在平面两侧；在平面对多边形的切割计算中，①类多边形完整的放入集合W中；②类多边形完整的放入集合U中；③类多边形被切割为①、②类多边形后再分别放入W集合U中，平面对块体切割后会形成一个新的多边形，即切口，这个新多边形是两个集合共有的部分，应该分别放入两个集合中，切割结束后，根据多面体封闭性原则，分别对W、U两个集合内的多边形进行整合，得到的块体即被分割后的块体；(c)所有结构面对块体系统的切割流程结构面把与其接触的块体一分为二，而与其不接触的块体保持原来的状态，开始时并未对其进行网格划分时，块体数为1，依次加入结构面，每添加一个结构面，遍历一次现存的块体，判断块体是否与结构面相交，如果相交就进行切割，把新形成的块体放入块体数据链的尾端，删除母体，继续判断下一块体，不相交则直接进入下一块体的判断。优选地，步骤将岩体内部柱状体单元侧面消隐，融合被切割后的体单元，导致块体间合并，实现块体的识别具体包括：(a)体单元的合并方法块体是由面定义的，所以两个块体的合并就是把两个块体的所有面放到一起进行整合，基本原则是，属于不同块体，在同一平面且拥有交集的两个面之间进行合并，其他面保持不变，根据两个面的方向是否相同，可以分为同向面的合并和异向面的合并两种情况：1)异向两面的合并同一平面内两多边形相交，以每一个多边形的边为界，均会把另一个多边形分成内外两部分，且分割后边的方向该保持不变，两个面I和II相交，I的边被分成II内部分和II外部分，分别以集合IIIi和IIIo表示，同样II的两部分用集合IIIi和IIIo表示，令集合LI＝IIIo+II本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种岩质边坡结构精细化建模及块体识别方法，其特征在于，该方法包括：利用激光扫描技术获取岩质边坡临空面的三角单元网格以及结构面的空间展布信息；采用投影法将所述三角单元网格转换为体单元；利用三维网络模拟技术实现所述结构面的空间展布；采用结构面将与其相交的体单元完全切割；将岩体内部柱状体单元侧面消隐，融合被切割后的体单元，导致块体间合并，实现块体的识别。

【技术特征摘要】
1.一种岩质边坡结构精细化建模及块体识别方法，其特征在于，该方法包括：利用激光扫描技术获取岩质边坡临空面的三角单元网格以及结构面的空间展布信息；采用投影法将所述三角单元网格转换为体单元；利用三维网络模拟技术实现所述结构面的空间展布；采用结构面将与其相交的体单元完全切割；将岩体内部柱状体单元侧面消隐，融合被切割后的体单元，导致块体间合并，实现块体的识别。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤利用激光扫描技术获取岩质边坡临空面的三角单元网格以及结构面的空间展布信息具体包括：利用激光扫描技术对岩质边坡扫描后获得临空面的点云数据，通过I-SiteStudio软件将所述点云数据转换为所述三角单元网格，并以dxf文件输出；同时从所述点云数据中提取每个结构面上三个特征点的坐标信息，通过三点确定平面方程，从而获得结构面的展布信息，并以txt文件输出。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤采用投影法将所述三角单元网格转换为体单元具体包括：(a)设计块体数据存储格式，两点组成的边被存储在多边形类的动态数组中，多边形被存储在块体类的动态数组中；(b)以所述dxf文件中的AcDbFace为关键词读取所述dxf文件中的点坐标信息，将其放入所设计的多边形类的动态数组中；(c)将三角单元网格转换为体单元，选取一水平面z＝z0，令三角单元网格向此水平面投影组成体单元，原三角单元网格中一个三角单元的三点坐标分别为A(xa，ya，za)，B(xb，yb，zb)，C(xc，yc，zc)，则投影点的坐标分别为A’(xa，ya，z0)，B’(xb，yb，z0)，C’(xc，yc，z0)，原三角单元、投影面及投影所产生的三个侧面组成体单元。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤利用三维网络模拟技术实现所述结构面的空间展布具体包括：(a)对结构面采用圆盘形式，采用倾向β、α、半径r及圆心的坐标进行描述，其表达式如下：其中，P＝sinαcosβ，Q＝-sinαsinβ，T＝cosα，当半径设置为无穷大时结构面贯通；(b)采用可变模糊聚类迭代模型进行结构面的优势组划分，首先，确定岩体结构面优势组划分的模糊聚类循环迭代模型；其次，采用梯度下降法循环迭代求解最优模糊聚类矩阵与聚类中心特征规格化矩阵；最后，利用类别特征值运用可变模糊理论的判别准则判断每条岩体结构面的归属类别，实现对结构面的分组，基于此，判断每组结构面的分布规律，通过蒙特卡洛进行结构面三维网络模拟，从而生成随机结构面信息。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用结构面将与其相交的体单元完全切割具体包括：(a)结构面与块体的相交性判断1)设置两个长方体分别用以包裹块体和结构面，当两长方体不存在交集时，则结构面与块体不相交；2)结构面所在平面表达式为式：Px+Qy+Tz+S＝0(2)令块体顶点坐标为(xj，yj，zj)，其中j＝1，2，3……n，n为块体顶点数量，若j，k＝1，2...

【专利技术属性】
技术研发人员：张敏思，杨勇，梁海安，
申请(专利权)人：东华理工大学，
类型：发明
国别省市：江西,36