基于块体理论的岩体隧道可视化实现及其工程应用

张靖杰,李云龙,郭 龙,刘 宇

(东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110004)

基于块体理论的岩体隧道可视化实现及其工程应用

张靖杰,李云龙,郭 龙,刘 宇

(东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110004)

隧道岩体结构面可视化实现,为研究岩体稳定提供了有效手段;根据块体理论,采用不连续面网络图模拟真实岩体的几何特征,在已有模拟方法的基础上将VC++6.0和OpenGL图形库相结合,对岩体结构面进行三维网络模拟。实现了岩体隧道的工程建模、显示、几何移动等功能,可进行关键块体计算机搜索和三维图像显示。大伙房水库输水工程中的应用效果进一步证明了该系统界面简洁,操作简便,结果可靠,并具备了工程实践中非常需要的三维显示功能。

块体理论;关键块体;GeoSMA3D;隧洞;可视化

0 前 言

0.1 块体理论

岩体被结构面切割成各种类型的空间镶嵌块体。在自然状态下,这些空间块体处于静力平衡状态。在隧道工程中,进行隧道开挖时,暴露在临空面上的某些块体失去原始的静力平衡状态,因而造成某些块体首先沿着结构面滑移、失稳,进而产生连锁反应,造成整个岩体工程的破坏。我们称这种首先失稳的块体为“关键块体”,为保证隧道工程结构稳定性,采取一定的方法研究和控制隧道岩体结构面的变形和破坏,预测并控制潜在”关键块体”的稳定性,就显示出相当的重要性。

随着国内外学者对此认识和研究的深入,逐渐形成了块体理论方法[1]。块体理论作为一种岩体稳定性的分析方法有着其它一些稳定性分析方法所无法比拟的优点,近年来已经越来越多的被应用到岩体的稳定性分析中[2～5],在隧道和地下支护、边坡加固、滑坡整治等方面,发挥了重要作用,显示了其巨大的发展潜力。

0.2 图像可视化技术在岩土工程中应用

近年来,随着可视化技术的迅速发展,可视化技术在岩土工程领域中已经得到了广泛的应用[6～9]。岩土工程相对于其它工程而言,由于地质条件的复杂多变性、岩土体情况的不确定性和工程的隐蔽性,使得工程设计在施工过程中需要不断变更,而依据则主要是从工程现场获得的各种信息。这些信息数量大、种类多,借助于计算机进行快速处理、结果分析,及时反馈到现场用以优化设计和指导施工已是势在必行。随着科技的进步,人们对岩土工程的研究将更加深入,对岩土工程可视化技术的要求也将更高,因此开发更加适合现场需要的数值分析工具将更加有必要性。

OpenGL是一个开放的针对于图形硬件的三维图形软件包,它具有超强的图形绘制能力,包括绘制物体、启动光照、管理位图、纹理映射、动画、图像增强以及交互技术等功能。

OpenGL首先将物体转化为可以描述物体几何性质的顶点(Vertex)与描述图像的像素(Pixel),在执行一系列操作后,最终将这些数据转化成像素数据。也就是说OpenGL是基于点的,在OpenGL中,无论何种情况,指令总是按顺序处理,由一组顶点定义的图元(Primitive)执行完绘制操作后,后继图元才能作用。简单的图形流水线如图1所示。

图1 简单的图形流水线[10]

1 可视化实现过程

GeoSMA(Geotechnical Structure and Model Analysis)是“岩土工程结构与模型分析系统”的简称,该系统由东北大学作者所在研究团队开发研制[3～6],此软件目前已经申请国家专利,正处在功能模块完善阶段。该软件实现了结构面和隧道参数的前台输入、后台处理功能;结合OpenGL技术,实现了隧道和工程岩体的三维建模、显示、缩放、旋转、移动等,它的主要功能包括:地下结构建模;结构面三维网络模拟;关键块体搜索;块体稳定性分析;三维结果显示等。图2显示了GeoSMA3D系统的初始界面。本文介绍了该软件的原理与应用。

图2 GeoSMA3D系统的初始界面

1.1 模型建立及岩体结构面模拟

通过对隧道工程的资料调查,查出隧道的基本几何参数,例如隧道直径、长度等,当把这些参数输入程序中时,可以直接得出此隧道简单、直观的三维模型,并可以通过鼠标实现隧道的伸缩、旋转、移动等操作。

对野外地质勘察资料进行分析,对于确定裂隙可以直接把产状、长度等参数输入到程序中生成结构面网络图;对于无法直接测得的不确定裂隙则需要通过蒙特卡洛方法进行模拟,在结构面网络模拟中,结构面几何要素包括:结构面形态、产状、空间位置、结构面密度等[11～14]。

用蒙特卡洛方法确定无法直接测得的不确定裂隙的方法为:

(1)结构面参数(裂隙几何形态)在不同平面假设为圆盘,厚度方向忽略不计的三维空间结构体,结构面中心点服从均匀分布,结构面的倾向、倾角服从正态分布。在圆盘假设下,结构面迹线长与半径之间具有确定的关系式:

式中:ri为某一组结构面的半径;li为统计迹线长度。

(2)结构面的三维(d3)密度是一个非常难以确定的参数,比较常用的方法就是利用一维(d1)、二维(d2)密度进行推测。如果有一组平行的结构面,每个结构面的大小是变化的,其直径的变量为D,直径平方的平均值为E(D2),可有[1]:

其中参数Ci为一个通过逆运算获得的校正参数。对每一组结构面,其三维密度可通过几条不同方向的测线用上式进行估计,然后取平均值作为最终的三维密度,从而确定某一区域内结构面的总数目。

在此基础上确定均值、方差等统计特征值,在已知结构面各要素概率分布形式及统计特征值的前提下,采用蒙特卡洛方法可反演研究区域岩体内的结构面形态。图3显示了在研究的区域内,通过蒙特卡洛方法模拟出的岩体结构面迹线。

图3 生成结构面网络迹线图

1.2 可动块体搜索及显示

结构面网络模拟完成后即可进行关键块体搜索和显示,关键块体搜索及显示的基本思路是在三维空间中确定一个研究区域,用能构成块体的某一个结构面去切割这个大块体,然后再用下一个结构面切割上一步所得的块体,直到所有有效结构面都完成剖切,就得到了一个单元块体。

图4显示的是一个大的块体被几个结构面切割成单元块体过程的三维示意图:

图4 块体被裂隙切割建模示意

在上述切割过程中,假设裂隙为无限大平面,但实际上并非如此,因此还需要把无限大的有效裂隙恢复为圆盘,进行必要的单元块体合并,从而得到最后复杂的关键块体。在进行单元块体合并时,两个块体必须拥有同一个结构面,它们分别位于结构面的两侧,而且处于结构面上的两个多边形有交集,且这个交集不属于结构面圆盘。如图5所示:(a)可以合并,(b)、(c)不可以合并。最后将构成关键块体的各个表面进行三三组合,进而求出关键块体的顶点坐标、顶点数和交线方程,运用OpenGL的相关函数进行关键块体的绘制。

图5 块体切割完以后进行简单块体的合并,得到复杂的关键块体

图6显示了GeoSMA软件图像显示的实现过程。

2 工程应用

大伙房水库输水工程一期输水隧道长85.3 km、直径8 m,输水隧道首尾高低相差36 m,它穿越了50余座山峰,50多条河谷,29条断层。地表到隧道顶端距离最大为630m,最小60m,它经过8 a建设完成,已经超过长53.86 km的日本青函隧道,成为世界最长隧道,并且贯通误差仅为3 cm。围岩主要为正长斑岩、煌斑岩及构造岩,肉红色～黑色,岩体节理裂隙发育,围岩多为节理密集带,多微张～张开,充填泥质。此段共发育了30多条规模大小不一的断层,其中有4条断层较大规模及同步发育的部分小断层。根据对现场地址调查资料的分析,将该区段断裂构造分为5组,各断裂层的主要特征如表1所示。

图6 GeoSMA软件图像显示实现过程

表1 大伙房隧道断裂构造分组及主要参数

首先根据调查资料在软件中输入大伙房水库输水隧道的相关参数,形成隧道的三维模型。根据野外地质调查资料,在程序中输入确定结构面的参数;对于不确定结构面,根据本文前述方法进行模拟,首先得出各组结构面的产状、迹长、密度等参数,再确定各参数的概率分布函数类型,依次输入程序中(见图7)。当确定和不确定结构面所有相关参数都输入完毕后,通过程序运行即可自动生成结构面网络迹线图(在本程序中确定的结构面和不确定的结构面是放在一起显示的),如前面图3所示,然后搜索得到关键块体并显示关键块体的相关信息,如图8。

图7 结构面网络模拟相关参数的输入界面

图8 GeoSMA3D实现过程

3 结 论

本文对基于块体理论的岩体隧道可视化进行了研究,研究了岩体结构面三维网络模拟技术,应用VC++6.0和OpenGL图形库相结合,在几何分析和数据后台处理的基础上,分析了结果的图像显示和处理工作,并取得了一定效果。岩土工程结构模型稳定性分析软件GeoSMA3D实现了结构面三维网络模拟和隧道参数的前台输入、后台处理功能;结合OpenGL技术,实现了隧道工程的三维建模、显示、几何移动等功能,并初步实现了关键块体计算机搜索和三维图像显示。经过工程应用证明该系统界面简洁,操作简便,结果可靠,并具备了实际工程中非常需要的三维显示功能。

[1]于青春,薛果夫,陈德基.裂隙岩体一般块体理论[M].北京:中国水利水电出版社,2007.

[2]刘锦华,吕祖晰.块体理论在工程岩体稳定分析中的应用[M].北京:水利电力出版社,1988.

[3]王述红,杨勇,等.裂隙岩体隧道施工诱发块体识别三维数值方法[J].地下空间与工程学报,2009,5(5):976-979.

[4]王述红,杨勇,等.岩体隧道施工诱发的关键块三维模型及其验证[J].东北大学学报(自然科学版),2009,30(6):877-880.

[5]Yong Yang,Shuhong Wang,et al.Visual programm based on general block theory[C]//New Development in Rock Mechanics and Engineering&Sanya Forum for the Plan of City and City Construction,Sanya,2009:351-358.

[6]Shuhong Wang,Mudan Guo,Yong Yang,et al.Enhancing block rock failure understanding through GeoSMA-3D numerical analysis[C]//ISRM International Symposium on Rock Mechanics“Rock Characterisation,Modelling and Engineering Design Method”,SinoROCK,2009:158-64.

[7]陈俊智,庙延钢,侯克鹏,等.三维可视化技术在岩土工程中的应用研究[J].中国工程科学,2005,7(增刊):377-381.

[8]郝晋会,李仲学,李春民.基于OpenGL的地质体三维可视化设计[J].中国矿业,2007,16(3):108-110.

[9]吴旭东.基于块体理论的岩体稳定性可视化分析软件开发[D].南京:河海大学,2007.

[10]Eaward Angel著.OpenGL编程基础(第3版)[M].段菲译.北京:清华大学出版社,2008.

[11]张奇华,边智华,余美万.采用全空间块体搜索技术初步研究岩体完整性[J].岩石力学与工程学报,2009,28(3):507-515.

[12]邬爱清,张奇华.岩石块体理论中三维随机块体几何搜索[J].水利学报,2005,36(4):426-432.

[13]张亚兵.基于块体理论的岩体隧道三维程序开发及应用[D].沈阳:东北大学,2008.

[14]张奇华.块体理论的应用基础研究与软件开发[D].武汉:武汉大学,2004.

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

辽宁省自然科学基金(20092011);国家高技术研究发展计划(2007AA06Z108);国家973基础研究计划(973计划)项目子课题(2007CB209405);中央高校基本科研业务专项资金(N090401008;N090101001);教育部留学回国科学研究基金(20071108-3);国家自然科学基金(10872046);高等学校博士点科研基金(200801450003)

张靖杰(1987—),男(汉族),黑龙江省齐齐哈尔市人,硕士研究生,主要从事地下结构方面的学习和研究工作。