結構面三維模擬技術在跨江特大橋梁邊坡巖體結構調查中的應用

陸三福，蔡文靜

（1.中國地質大學〈武漢〉教育部長江三峽地質災害研究中心，湖北武漢430074；2.中國地質大學〈武漢〉自動化學院，湖北武漢430074）

結構面三維模擬技術在跨江特大橋梁邊坡巖體結構調查中的應用

陸三福*1，蔡文靜2

（1.中國地質大學〈武漢〉教育部長江三峽地質災害研究中心，湖北武漢430074；2.中國地質大學〈武漢〉自動化學院，湖北武漢430074）

巖體結構調查是跨江特大橋梁工程地質勘察的重要內容，橋位區邊坡巖體結構影響到橋梁的勘察、設計、施工。基于Monte-Carlo隨機模擬原理的結構面三維模擬技術，是傳統而有效的結構面調查方法，能方便地獲取邊坡巖體結構的信息，在邊坡巖體結構調查中發揮重要作用，可以給跨江橋梁等工民建在選址上提供技術支持，以清江水布埡擬建跨江大橋兩邊邊坡巖體結構調查為例，分析其在工程中應用。

巖體；結構面模擬技術；工程應用

1 概述

進入21世紀，“巖體”這一術語已在工程地質學中廣泛出現、并成為一個重要的科研課題。研究范圍涵蓋了巖體的賦存環境、巖體結構特征、巖體力學屬性、巖體的變形破壞機制與過程、巖體穩定性評價等領域[1]。巖體中結構面的存在使得巖體具有非連續性、各向異性，非線性等復雜特征，由于巖體中存在結構面，使得巖體的力學參數變小，其是巖體中的薄弱環節。目前針對巖體結構特征的測試與試驗技術研究，巖層面和巖體節理裂隙測試手段，常常采用在地表露頭進行局部測量、或通過鉆探取巖芯，測其RQD值、或通過聲波探測，測其完整性系數等[2]。在進行跨江大橋選址問題上必須要求對橋址區的巖體結構特征的有較全面了解，野外結構面統計和室內對結構面模擬的方法是邊坡巖土體結構面調查的重要而有效的方法。

2 結構面三維模擬技術

結構面網絡模擬是應用Monte-Carlo隨機模擬原理對巖體結構面產狀、跡長、間距、密度等隨機形態參數進行隨機抽樣、隨機變換、歸一化處理等,獲得這些參數的統計規律,預測區域內巖體的結構特征,可對巖體結構參數進行估算、對巖體結構特征、完整性進行分析。本文討論其基本原理并對其工程應用進行研究[3]。

Monte Carlo方法，又名隨機模擬法（stochastic simulation）。它是以概率統計理論為基礎，依據大數定律，利用電子計算機數字模擬技術，解決一些很難直接用數學運算求解或用其他方法不能解決的復雜問題的一種近似計算法[4]。目前，節理地質參數通常采用以下3種方法獲取：（1）巖體露頭面節理測線法和統計窗法；（2）鉆孔巖芯節理統計法；（3）巖體攝影節理統計法。其中，測線法的主要特點是在巖體露頭表面布置一條測線，逐一測量與測線相交切節理的地質幾何特征參數（包括節理在測線上的位置、產狀、跡長、隙寬等）。因其成本低、耗時短、易于操作等優勢，在節理采樣過程中被廣泛運用。

3 工程應用

本文以清江水布埡某跨江特大橋橋址區兩岸邊坡為研究背景。擬建清江特大橋橋位位于水布埡水庫庫區內，處在水布埡清江電廠大壩上游3km，橋位處河谷深切，地形上構成了“V”字形峽谷，起點長嶺岸坡度約為50°，終點泗淌岸上緩下陡，水面以上坡度約為40°。橋位區為二疊系茅口、棲霞組碳酸鹽巖質岸坡。河口寬度360～400m（高程360～420m），河床寬度120～140m（高程192～210m）。邊坡巖體節理較為發育。

為分析研究區內巖體質量狀況，查明該區域內的結構面發育規律，在研究區域內水布埡水庫北岸選擇了4個剖面，南岸選擇了1個剖面進行了詳細的節理統計。

在采用測線法法野外統計的，對其進行網絡模擬，具體模擬步驟為：

①依據產狀、由走向玫瑰花圖和極點圖分組；

②由概率圖法獲取各組傾向、傾角、半跡長概率分布模型參數；

③由半跡長分布推算各組直徑分布；

④由間距分布推算各組體密度；

⑤根據各組幾何要素概率分布參數，得到結構面網絡模擬參數；

⑥通過結構面三維網絡模擬估算巖體RQD的概率分布。

測線5結構面網絡模擬分析。測線5結構面統計基本信息：

地點：水布埡庫區清江北岸白水溪；

露頭類型：路塹邊坡；

露頭產狀：130°∠90°；

巖性：中厚層狀灰巖；

測線產狀：130°∠-6°；

測線總長：12m。

（1）結構面分組：使用結構面分析軟件DIPS生成測線5處結構面走向玫瑰花圖及結構面極點圖。在玫瑰花圖，結構面極點圖的基礎上，結合該露頭結構面地質成因分析，將該組要出露有2組優勢結構面：Ⅰ組，節理，產狀范圍為85°～135°∠78°～89°；Ⅱ組，節理，產狀范圍為285°～315°∠3°～20°，測線5結構面走向玫瑰花圖及結構面極點圖如圖1所示。

圖1 測線5結構面走向玫瑰花圖及結構面極點圖

（2）結構面分組：在數據分組的基礎上，借助SPSS軟件強大的數據分析功能，對數據按組進行概率統計分析，得到結構面網絡模擬所需要的必要統計參數。根據已有資料對節理概統計模型的研究，此處傾向、傾角選擇了正態分布模型，半跡長選擇了均勻分布模型或是負指數分布模型，具體的模型可進一步通過相關模型檢驗得到。

①傾向概率分布：通過統計分析，得到Ⅰ組節理傾向均值為122.12°，標準差為11.324°；Ⅱ組節理傾向均值為138.71°，標準差為119.64°。如圖2所示。

②傾角概率分布：通過統計分析，得到Ⅰ組節理傾角均值為71.71°，標準差為9.52°；Ⅱ組節理傾角均值為11.57°，標準差為6.34°，如圖3所示。

用同樣方法可得到半跡長概率分布，得到2組結構面概率分布特征參數如表1測線5節理統計概率分布模型參數表所示：

（3）間距分布推算體密度大小：

線密度和體密度的求解公式：結構面法線n的方向向量{l,m,n}為：

其中α〈β為結構面平均產狀。

測線方向向量{l′,m′,n′}為：

其中ξ為測線的傾伏向，ξ為測線的傾角。

則結構面法線n和測線夾角θ的余弦為：

測線結構面的線密度：

圖2 結構面傾向概率分布圖

多測線結構面線密度：

式中：n——測線數；

Li——第i條測線長度；

θi——結構面法線n與測線夾角。

進一步求得結構面體密度為：

式中：d——結構面直徑期望。

當發育m組結構面，總體體密度：

圖3 結構面傾角概率分布圖

式中：λVi——第i組結構面的體密度。

（4）巖體質量評價：由模擬參數，采用EXCEL生成偽隨機數，導入AUTOCAD建立三維網絡實體模型，其中結構面模型區尺寸為15m×10m×10m，在AUTOCAD中共生成371個結構面三維實體（見圖4），應用區尺寸包含于模型區內。實體模型、各個平面的網絡圖為從被模擬的整個節理巖體中截取的一小部分，在網絡圖中模擬鉆探巖芯，如圖4所示。

RQD和裂隙因子常被用于描述結構面的發育程度和巖體的完整性[5]，通過結構面模擬得到測線5巖體的綜合RQD值為0.98，過上述步驟，由三維結構面網絡模擬得到北岸4條測線處的RQD值分別為0.997、0.99、0.996、0.98。均屬于完整巖體。由此認為北岸橋位處為完整巖體，因露頭關系，南岸僅選擇了1個剖面進行了詳細的節理統計，得到巖體的綜合RQD值為0.98，屬于完整巖體。

表1 測線5節理統計概率分布模型參數表

表2 結構面體密度

圖4 測線5結構面網絡實體模型平面鉆孔布置網絡圖

通過現場節理統計及室內結構面網絡模擬結果可知，在庫岸北側橋址區主要發育有3組結構面：其中一組為層理，傾向近東向（80°～110°），傾角30°～50°，由西向東臨近橋址區，傾角逐漸變緩；另一組節理為近南北向中傾節理（282°～293°∠43°～47°）；此外，還有一組近東西向陡傾節理（164°～170°∠46°～89°）。南岸橋址區主要發育有3組結構面：其中一組為層理20°∠10°，另一組與層理近成共軛節理285°～315°∠3～20°，還有一組垂直陡傾裂隙85°～135°∠78°～88°。從三維網絡模擬的結果上看，該區域的巖體均比較完整。

從清江水布埡橋址區兩岸現場地質調查與鉆探、物探資料分析表明三維激光掃描和結構面三維模擬結果顯示，橋位區無影響橋梁場地及岸坡穩定的重大不良地質現象發育。

4 結論

（1）采用蒙特卡洛（Monte-Carlo）隨機模擬概率統計的方法，能在統計意義上了解在一般情況下難以觀察、測量到的巖體內部結構面的發育情況,從模擬結果和現場鉆探巖芯來看，網絡模擬比較成功，由它模擬得到的各項結果與實際較吻合。

（2）清江水布埡兩岸巖體調查得出：在庫岸北側橋址區主要發育有3組結構面，南岸橋址區主要發育有3組結構面，橋位區巖體完整。

[1] 王思敬，楊志法，傅冰駿.中國巖石力學與巖石工程的世紀成就與展望[C]//第八次全國巖石力學與工程學術大會. 2004.

[2] 劉宏，等.用三維激光成像技術調查高陡邊坡巖體結構[J].中國地質災害與防治學報,2006(04)：38-41，45.

[3] 李達仕.巖體結構面網絡模擬及工程應用研究[J].科技資訊，2009(02)：1-6.

[4] 陳祖煜，汪小剛，楊建，等.巖質邊坡穩定性分析——原理·方法·程序[M].北京：中國水利水電出版社，2005.

P23

B

1004-5716(2015)10-0007-04

2014-04-18

2014-10-10

陸三福（1988-），男（壯族），廣西南寧人，中國地質大學（武漢）教育部長江三峽地質災害研究中心在讀碩士研究生，研究方向：工程地質勘查、滑坡及地質災害治理。