基于分形理论的岩体原生节理分布特征研究—以长河坝水电站为例

由于岩体内部结构面的分布规律具有随机性、复杂性的自相似的特征,可以运用分形理论对其进行研究。通过现场节理调查,描绘了待爆破区域原生节理的分布网络,并统计分析了节理迹长和倾角的概率分布模型;运用盒维数计算方法得出了结构面分布的分形维数D,讨论分形维数D与岩体的工程质量以及结构面分布之间的关系,实现了对岩体的工程性质以及不同尺度结构面的定量对比分析。结果表明:节理面的倾角和迹长分别服从正态和对数正态分布;江咀料场节理分布的分形维数D=1.315,响水沟料场节理分布的分形维数D=1.275,河口料场断层系的分维数D=1.164,可见分形维数D越大,结构面越发育,岩体的工程质量就越差;另外随着调查尺度范围的增大,分形维数D反而减小。研究结果可对分形理论在岩土工程质量评价及节理岩体的爆破块度预测等方面提供参考价值。     

基于与测线交切半迹长的岩体随机结构面平均直径估算

假定岩体随机结构面形状为薄圆盘,为能科学合理估算其平均直径,基于半迹长测线法,在未对分布形式作任何假设的条件下,通过理论推导获得与测线交切半迹长和岩体随机结构面直径之间的普适关系式.为便于工程应用,假设岩体随机结构面直径服从负指数分布,推导出其平均直径和与测线交切平均半迹长的关系式,基于该式提出一种岩体随机结构面平均直径的估算方法.采用岩体随机结构面三维网络模拟技术对此方法进行应用检验,结果表明,该方法具有较高的准确性与较强的工程适用性.     

岩体结构面网络模拟及工程应用研究

结构面网络模拟是应用Monte-Carlo随机模拟原理对岩体结构面产状、迹长、间距、密度等随机形态参数进行随机抽样、随机变换、归一化处理等,获得这些参数的统计规律,预测区域内岩体的结构特征,可对岩体结构参数进行估算、对岩体结构特征、完整性进行分析。本文讨论其基本原理并对其工程应用进行研究。     

锦屏电站坝区Ⅰ类结构面地质－力学特征研究

根据四川锦屏Ⅰ级水电站坝区岩体结构弱面（带）实地调查、测绘资料，对结构面类型，主要结构面分布特征、形态特征及结构面隙间物质结构和物理力学特征进行了分析，获得了许多重要成果。这些成果为坝区岩体分类、质量评价、各类岩体物理力学参数的确定、坝区高陡边坡变形破坏及稳定性评价提供了重要依据     

节理岩体不连续面广义H-H迹长估计

总结了目前国内外已有的节理迹长估计概率模型,分析和提出了各种模型的特点及局限性.在此基础上,从结构面与统计窗口交切关系出发,在更为严密的考虑结构面产状特性(倾角)的基础上,提出了一种新的结构面迹长估计模型,即广义的H-H迹长估计模型,并采用实际数据对该模型的可靠性进行了检验.     

岩体裂隙网络的分形特征

运用分形几何的方法研究了一个露天矿边坡上裂隙的以育情况,发现不同结构类型的岩体中裂隙分布均具有统计意义上的分形特征,分形研究采用了３个参数：裂隙网络分维Ｄｎ裂隙密度分维Ｄｆ和块体密度分维Ｄｂ,分别表征岩体中裂隙网络和复杂程度、裂隙发育的密集程度及裂隙之间的连通程度。３个参数的大小变化反映了岩体中裂隙发育的实际情况,可以作为岩体结构类型划分和工程岩体质量价的定量依据,裂隙网络分维Ｄｎ越大,裂隙密度分     

岩体硬性结构面精测及量化处理

介绍了现场硬性结构面精测方法以及在精测资料基础上通过计算机来实现结构面间距、条数、迹长等基本要素的量化及可视化显示 ,分析了结构面基本要素获取过程中有关切割单元长度和切线间距的确定、结构面分布较少及存在大量缓倾结构面时结构面间距的计算等问题。针对这些问题 ,给出了解决方案。结合具体工程实际应用 ,获得了良好的效果。     

节理迹长的概率统计分析

根据节理在岩体中的随机分布规律,基于概率统计理论,建立了节理迹长对应于任意分布规律的迹长估计公式计算公式不仅与迹线在统计窗中的分布函数无关,而且考虑了迹线倾角的随机性,因此,计算结果更符合工程实际     

裂隙与破断岩体力学的分形研究

工程岩体的稳定性主要取决于裂隙与破断岩体的力学行为,由于其复杂和无序性,因此一直是岩石力学研究领域的热点和难点之一．本文简要概述了运用分形几何理论研究裂隙与破断岩体力学行为的主要工作,包括：(a)岩石节理表面几何形态的分形描述和测量方法;(b)岩石节理力学行为的分形研究：(c)裂隙岩体离散强度的分形研究;(d)利用分形几何理论研究和解决采矿工程中问题,如断层分布和开采沉陷,放顶煤开采过程中裂隙演化及块度分布等.     

岩体结构面渗流研究现状

岩体渗流实质上就是结构面及其网络的渗流.由于受节理张开度、表面粗糙度、接触面积、裂隙法向应力变化和填充物等影响,从而使岩体结构面的渗流特征变得非常复杂.本文从岩体结构面几何特征的数值分析和经验分析讨论了岩体结构面渗流研究状况.     

岩体结构面渗流研究现状

岩体渗流实质上就是结构面及其网络的渗流,由于受节理张开度、表面粗糙度、接触面积、裂隙法向应力变化和填充物等影响,从而使岩体结构面的渗流特征变得非常复杂、本从岩体结构面几何特征的数值分析和经验分析讨论了岩体结构面渗流研究状况。     

算井子地段地表岩体结构面发育程度评价

为了探讨结构面发育程度对高放废物地质处置库选址的影响,以甘肃北山算井子地段岩体为研究对象,通过调查地表岩体节理和断层几何特征,采用数理统计方法获得节理产状、密度、间距、迹长和断层产状、断裂带宽度和断层泥厚度等统计数据,提出多尺度结构面综合评价指标来评价岩体结构面发育程度。结果表明:BS22和BS23钻孔周围分别发育4个和5个节理优势组,节理产状服从正态分布;BS22和BS23钻孔周围岩体节理平均中点面密度分别为0.037 m^-2和0.035 m^-2,平均迹长分别为20.38 m和17.39 m;解译出断层F1产状为35°∠85°,延伸长度为4.49 km; BS22钻孔周围岩体结构面发育程度更低,更适合作为我国高放废物处置库建造场址。     

坝基工程岩体结构分类分数维研究

利用分数维理论对岩体结构进行定量描述提出并建立了坝基工程岩体结构定量划分的改进的连续亨明法以长江三峡坝基岩体结构定性定量划分为案例,得到各类岩体结构标准特征向量分维值及各类岩体结构亨明核,建立了一个岩体结构定量划分系统,使岩体结构的研究由定性向定量转化     

高边坡岩体结构面各向异性检测与稳定性分析

针对风化边坡岩体内存在对岩体强度有重要影响的定向排列裂隙结构软弱面及剪切带，从而导致边坡岩体的剪切波速度各向异性，分析了各向异性介质中弹性波的传播特征，论证了应用弹性波技术探测岩体结构面及其各向异性的可行性，提出了基于纵波震源、地震转换波技术的岩体结构面检测技术及动力学特性各向异性的测试方法，以西南某高速公路岩体边坡工程为例进行检测研究。研究结果表明：边坡结构面的反射波场具有各向异性特征，转换横波分量能量、频谱特征、测线交点处的闲合差是反映地层各向异性的重要指标参数；采用瞬态面波法可以反映岩体动力特性的各向异性特征。采用所提出的方法可以有效地反映边坡结构面度其各向异性，以确保边坡岩体的动力稳定。     

地下工程岩体节理迹长统计下限值的确定方法

以山东某金矿为工程依托,以实际获得的岩体节理信息为样本,借助聚类分析方法及其指标,采用全面实验法,开展地下工程岩体节理迹长统计下限值的确定方法研究.从节理迹长统计下限值的定义及特征入手,借助DBI指标(Davies-Bouldin index, DBI)实现优势节理组的划分与最佳优势节理分组方案的确定.取离散性系数k是否大于或等于20作为判别节理组能否作为优势节理组的条件,采用离散性系数k及其概率分布指标n综合分析确定岩体区域节理迹长统计下限值,构建在不同岩体条件下确定节理迹长统计下限值的方法,旨在剔除随机节理,优化节理样本数据,精确获取岩体节理空间分布特征.     

岩体不连续面的几何特性与剪切强度的关系

利用新开发设计的三维非接触式激光表面形状测定仪,在精确测定岩体不连续面的表面形状的基础上,建立了新的岩体不连续面的分形几何模型,模型中的两个分形参数定量表述了岩体不连续表面形状的几何特性（一级倾斜度和高级次起伏度）,并进一步提出了由这两个分形参数组合出的代表岩体不连续面表面粗糙特性的平均粗糙角Ｕ的概念和计算方法。最后,结合岩体不连续的剪切强度实验,建立了剪切强度与分形参数有及平均粗糙角Ｕ间的定量关     

鄂尔多斯盆地城华地区长4+5段储层孔隙结构及分形特征研究

储层孔隙结构对油气勘探开发至关重要,但孔隙几何形状、尺寸分布以及孔隙空间展布等特征难以利用单一手段进行描述。通过岩心资料、铸体薄片资料、扫描电镜资料分析、高压压汞及分形理论等多种方法对鄂尔多斯盆地城华地区长4+5储层微观孔隙结构进行精细表征。结果表明：城华地区长4+5储层孔隙度平均为9.93%,渗透率为0.41 mD,表现出典型的特低孔超低渗特征,储层孔喉结构复杂,储层非均质性强。储层中孔隙类型主要为粒间孔、粒内溶孔以及晶间孔和微裂缝;储层孔喉半径主要分布在0.06～2μm;根据压汞曲线将研究区储层孔隙结构分为3类。汞饱和度法研究砂岩储层分形特征表明相对小孔呈现出较好的分形特征,分形维数平均值为2.31,相对大孔分形维数平均值为4.93,表明相对大孔不具分形特征,孔隙结构复杂,非均质性强;分析认为成岩作用、裂缝发育以及过度简化孔隙形态是导致研究区相对大孔分形维数偏大的主要原因。通过计算出的转折点半径与渗透率、中值半径有良好的相关性,表明转折点半径适用于表征孔隙结构非均质性。研究成果对科学勘探开发研究区油气资源具有借鉴意义。     

双煤层采动岩体裂隙分形特征实验研究

以离石—军渡高速公路师婆沟隧道下伏同德煤矿采空区为地质原型,利用相似材料模拟实验模拟双煤层采动岩体裂隙的发育过程,运用分形几何理论研究采空区冒落带、裂隙带的岩体裂隙分形特征。实验结果表明:在下层煤工作面推进距离相同情况下,采空区冒落带分形维数大于裂隙带分形维数;随着下层煤工作面推进距离的增大,双煤层采动岩体裂隙分形维数经历了从小到大再到小并稳定的变化过程;当下层煤开采结束且上覆岩层移动基本稳定之后,双煤层采空区冒落带、裂隙带的岩体裂隙分形维数分别为1.066 3,0.999 5,冒落带分形维数是裂隙带分形维数的1.067倍。研究成果为高速公路下伏双煤层采空区地基稳定性评价及采空区充填注浆设计提供科学依据。     

岩石单结构面剪切变形渗透性演化规律

为了研究剪切作用下单裂隙渗透性的演化规律,在Comsol中采用Weierstrass随机分形函数来生成单裂隙,调整2个裂隙面的相对位移来模拟剪切作用,通过分析不同剪切位移条件下裂隙隙宽的变化以及不同流量下的非线性效应发生的界定范围,并绘制散点图与函数曲线拟合确定剪切过程影响裂隙渗透率的因素,给出定量关系。结果表明：未发生剪切时,隙宽的概率密度分布满足标准的高斯分布,而随着剪切过程的发生,隙宽的高斯分布被破坏,仅体现标准高斯分布的部分特征;发生剪切时,渗透率先有一个减小的过程,然后在一定范围内波动;当Re>9.6时,流体开始从线性向非线性发展。对岩石单结构面剪切变形过程中裂隙孔径变化对流体渗流特性的影响进行模拟,可为分析地质体中结构面变形对地热变化的影响提供参考。     

基于实测结构面网络的岩体渗流特性分析

以甘肃北山核废料处置预选场址中的某均质区为研究对象,利用实测迹长与隙宽的关系确定隙宽并根据以往的压水试验资料对隙宽进行修正。基于数字化量测方法获得的结构面网络模型,考虑实际地应力的作用,采用离散元方法进行渗流—应力耦合分析,确定了均质区内各测区的等效渗透系数及主渗透方向。根据现场观测的结构面填充和胶结及以往压水试验的反演,将垂直于最大水平主应力方向的结构面隙宽替换为花岗岩等效隙宽进行渗流分析。此外,提出一种反映实际渗流快慢的等效路径渗透系数,该渗透系数是基于连通路径上不同渗流段渗透系数的综合值。在确定等效路径渗透系数计算方法的基础上,研究了各测区最大,最小等效路径渗透系数及其方向(最短渗流路径)。结果表明,该均质区岩体中真实渗流路径上的等效路径渗透系数明显大于渗流断面上的等效渗透系数,而且往往取决于渗透系数最小的渗流段。