结构面三维模拟技术在跨江特大桥梁边坡岩体结构调查中的应用

陆三福，蔡文静

（1.中国地质大学〈武汉〉教育部长江三峡地质灾害研究中心，湖北武汉430074；2.中国地质大学〈武汉〉自动化学院，湖北武汉430074）

结构面三维模拟技术在跨江特大桥梁边坡岩体结构调查中的应用

陆三福*1，蔡文静2

（1.中国地质大学〈武汉〉教育部长江三峡地质灾害研究中心，湖北武汉430074；2.中国地质大学〈武汉〉自动化学院，湖北武汉430074）

岩体结构调查是跨江特大桥梁工程地质勘察的重要内容，桥位区边坡岩体结构影响到桥梁的勘察、设计、施工。基于Monte-Carlo随机模拟原理的结构面三维模拟技术，是传统而有效的结构面调查方法，能方便地获取边坡岩体结构的信息，在边坡岩体结构调查中发挥重要作用，可以给跨江桥梁等工民建在选址上提供技术支持，以清江水布垭拟建跨江大桥两边边坡岩体结构调查为例，分析其在工程中应用。

岩体；结构面模拟技术；工程应用

1 概述

进入21世纪，“岩体”这一术语已在工程地质学中广泛出现、并成为一个重要的科研课题。研究范围涵盖了岩体的赋存环境、岩体结构特征、岩体力学属性、岩体的变形破坏机制与过程、岩体稳定性评价等领域[1]。岩体中结构面的存在使得岩体具有非连续性、各向异性，非线性等复杂特征，由于岩体中存在结构面，使得岩体的力学参数变小，其是岩体中的薄弱环节。目前针对岩体结构特征的测试与试验技术研究，岩层面和岩体节理裂隙测试手段，常常采用在地表露头进行局部测量、或通过钻探取岩芯，测其RQD值、或通过声波探测，测其完整性系数等[2]。在进行跨江大桥选址问题上必须要求对桥址区的岩体结构特征的有较全面了解，野外结构面统计和室内对结构面模拟的方法是边坡岩土体结构面调查的重要而有效的方法。

2 结构面三维模拟技术

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[3]。

Monte Carlo方法，又名随机模拟法（stochastic simulation）。它是以概率统计理论为基础，依据大数定律，利用电子计算机数字模拟技术，解决一些很难直接用数学运算求解或用其他方法不能解决的复杂问题的一种近似计算法[4]。目前，节理地质参数通常采用以下3种方法获取：（1）岩体露头面节理测线法和统计窗法；（2）钻孔岩芯节理统计法；（3）岩体摄影节理统计法。其中，测线法的主要特点是在岩体露头表面布置一条测线，逐一测量与测线相交切节理的地质几何特征参数（包括节理在测线上的位置、产状、迹长、隙宽等）。因其成本低、耗时短、易于操作等优势，在节理采样过程中被广泛运用。

3 工程应用

本文以清江水布垭某跨江特大桥桥址区两岸边坡为研究背景。拟建清江特大桥桥位位于水布垭水库库区内，处在水布垭清江电厂大坝上游3km，桥位处河谷深切，地形上构成了“V”字形峡谷，起点长岭岸坡度约为50°，终点泗淌岸上缓下陡，水面以上坡度约为40°。桥位区为二叠系茅口、栖霞组碳酸盐岩质岸坡。河口宽度360～400m（高程360～420m），河床宽度120～140m（高程192～210m）。边坡岩体节理较为发育。

为分析研究区内岩体质量状况，查明该区域内的结构面发育规律，在研究区域内水布垭水库北岸选择了4个剖面，南岸选择了1个剖面进行了详细的节理统计。

在采用测线法法野外统计的，对其进行网络模拟，具体模拟步骤为：

①依据产状、由走向玫瑰花图和极点图分组；

②由概率图法获取各组倾向、倾角、半迹长概率分布模型参数；

③由半迹长分布推算各组直径分布；

④由间距分布推算各组体密度；

⑤根据各组几何要素概率分布参数，得到结构面网络模拟参数；

⑥通过结构面三维网络模拟估算岩体RQD的概率分布。

测线5结构面网络模拟分析。测线5结构面统计基本信息：

地点：水布垭库区清江北岸白水溪；

露头类型：路堑边坡；

露头产状：130°∠90°；

岩性：中厚层状灰岩；

测线产状：130°∠-6°；

测线总长：12m。

（1）结构面分组：使用结构面分析软件DIPS生成测线5处结构面走向玫瑰花图及结构面极点图。在玫瑰花图，结构面极点图的基础上，结合该露头结构面地质成因分析，将该组要出露有2组优势结构面：Ⅰ组，节理，产状范围为85°～135°∠78°～89°；Ⅱ组，节理，产状范围为285°～315°∠3°～20°，测线5结构面走向玫瑰花图及结构面极点图如图1所示。

图1 测线5结构面走向玫瑰花图及结构面极点图

（2）结构面分组：在数据分组的基础上，借助SPSS软件强大的数据分析功能，对数据按组进行概率统计分析，得到结构面网络模拟所需要的必要统计参数。根据已有资料对节理概统计模型的研究，此处倾向、倾角选择了正态分布模型，半迹长选择了均匀分布模型或是负指数分布模型，具体的模型可进一步通过相关模型检验得到。

①倾向概率分布：通过统计分析，得到Ⅰ组节理倾向均值为122.12°，标准差为11.324°；Ⅱ组节理倾向均值为138.71°，标准差为119.64°。如图2所示。

②倾角概率分布：通过统计分析，得到Ⅰ组节理倾角均值为71.71°，标准差为9.52°；Ⅱ组节理倾角均值为11.57°，标准差为6.34°，如图3所示。

用同样方法可得到半迹长概率分布，得到2组结构面概率分布特征参数如表1测线5节理统计概率分布模型参数表所示：

（3）间距分布推算体密度大小：

线密度和体密度的求解公式：结构面法线n的方向向量{l,m,n}为：

其中α〈β为结构面平均产状。

测线方向向量{l′,m′,n′}为：

其中ξ为测线的倾伏向，ξ为测线的倾角。

则结构面法线n和测线夹角θ的余弦为：

测线结构面的线密度：

图2 结构面倾向概率分布图

多测线结构面线密度：

式中：n——测线数；

Li——第i条测线长度；

θi——结构面法线n与测线夹角。

进一步求得结构面体密度为：

式中：d——结构面直径期望。

当发育m组结构面，总体体密度：

图3 结构面倾角概率分布图

式中：λVi——第i组结构面的体密度。

（4）岩体质量评价：由模拟参数，采用EXCEL生成伪随机数，导入AUTOCAD建立三维网络实体模型，其中结构面模型区尺寸为15m×10m×10m，在AUTOCAD中共生成371个结构面三维实体（见图4），应用区尺寸包含于模型区内。实体模型、各个平面的网络图为从被模拟的整个节理岩体中截取的一小部分，在网络图中模拟钻探岩芯，如图4所示。

RQD和裂隙因子常被用于描述结构面的发育程度和岩体的完整性[5]，通过结构面模拟得到测线5岩体的综合RQD值为0.98，过上述步骤，由三维结构面网络模拟得到北岸4条测线处的RQD值分别为0.997、0.99、0.996、0.98。均属于完整岩体。由此认为北岸桥位处为完整岩体，因露头关系，南岸仅选择了1个剖面进行了详细的节理统计，得到岩体的综合RQD值为0.98，属于完整岩体。

表1 测线5节理统计概率分布模型参数表

表2 结构面体密度

图4 测线5结构面网络实体模型平面钻孔布置网络图

通过现场节理统计及室内结构面网络模拟结果可知，在库岸北侧桥址区主要发育有3组结构面：其中一组为层理，倾向近东向（80°～110°），倾角30°～50°，由西向东临近桥址区，倾角逐渐变缓；另一组节理为近南北向中倾节理（282°～293°∠43°～47°）；此外，还有一组近东西向陡倾节理（164°～170°∠46°～89°）。南岸桥址区主要发育有3组结构面：其中一组为层理20°∠10°，另一组与层理近成共轭节理285°～315°∠3～20°，还有一组垂直陡倾裂隙85°～135°∠78°～88°。从三维网络模拟的结果上看，该区域的岩体均比较完整。

从清江水布垭桥址区两岸现场地质调查与钻探、物探资料分析表明三维激光扫描和结构面三维模拟结果显示，桥位区无影响桥梁场地及岸坡稳定的重大不良地质现象发育。

4 结论

（1）采用蒙特卡洛（Monte-Carlo）随机模拟概率统计的方法，能在统计意义上了解在一般情况下难以观察、测量到的岩体内部结构面的发育情况,从模拟结果和现场钻探岩芯来看，网络模拟比较成功，由它模拟得到的各项结果与实际较吻合。

（2）清江水布垭两岸岩体调查得出：在库岸北侧桥址区主要发育有3组结构面，南岸桥址区主要发育有3组结构面，桥位区岩体完整。

[1] 王思敬，杨志法，傅冰骏.中国岩石力学与岩石工程的世纪成就与展望[C]//第八次全国岩石力学与工程学术大会. 2004.

[2] 刘宏，等.用三维激光成像技术调查高陡边坡岩体结构[J].中国地质灾害与防治学报,2006(04)：38-41，45.

[3] 李达仕.岩体结构面网络模拟及工程应用研究[J].科技资讯，2009(02)：1-6.

[4] 陈祖煜，汪小刚，杨建，等.岩质边坡稳定性分析——原理·方法·程序[M].北京：中国水利水电出版社，2005.

P23

B

1004-5716(2015)10-0007-04

2014-04-18

2014-10-10

陆三福（1988-），男（壮族），广西南宁人，中国地质大学（武汉）教育部长江三峡地质灾害研究中心在读硕士研究生，研究方向：工程地质勘查、滑坡及地质灾害治理。