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一种咬合节理岩体周期性结构模型的生成方法

阅读：885发布：2021-06-15

专利汇可以提供一种咬合节理岩体周期性结构模型的生成方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开一种咬合节理岩体周期性结构模型的生成方法，包括如下步骤：现场调查实际咬合节理岩体，确定其节理密度、模拟区域范围等；根据节理密度在模拟区域内生成N个随机种子，采用随机种子生成Voronoi结构，该结构即为随机节理岩体模型；调整节理种子位置，生成与工程现场节理形态相符的节理岩体模型；由节理岩体模型生成周期性的Voronoi图形；根据节理密度对周期性Voronoi图形的内部边界进行偏移，最终得到具有周期性结构的咬合节理岩体模型。生成的周期性结构模型可以用来研究不同咬合节理形态的工程岩体的力学特性、渗流特性等性质，可以很好地为相关岩体工程研究服务，可为工程安全研究提供技术保障和理论支撑。，下面是一种咬合节理岩体周期性结构模型的生成方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种咬合节理岩体周期性结构模型的生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对实际咬合节理岩体进行现场调查，确定其咬合节理分布形态、节理密度、节理宽度及其表征单元体积，并根据表征单元体积确定模拟区域范围R×R；
(2)根据节理分布形态和节理密度在模拟区域R×R内生成N个随机种子，其中，N的值为模拟区域范围内实际柱状节理岩体的数量；采用随机种子生成Voronoi结构，该Voronoi结构即为完全随机分布的节理岩体模型，然后基于Lloyd松弛算法调整节理种子的位置、生成中心Voronoi结构，该中心Voronoi结构为与工程现场节理形态相符的节理岩体模型；
(3)由上述中心Voronoi结构生成周期性的Voronoi图形：先从中心Voronoi结构中选取单元胞结构，该单元胞为自中心Voronoi结构形心位置向外扩散形成的面积为1/9(R×R)的正方形区域，所述单元胞中包含X个节理种子，将X个节理种子向周边8个区域内平移，在R×R区域内形成数量为9X的节理种子集合，将9X个节理种子在R×R的空间内进行Voronoi剖分，切割修剪形成周期性的Voronoi图形；所述切割修剪是指将9X个节理种子在R×R的空间内进行Voronoi剖分形成新的Voronoi图形后，截取出其中与单元胞结构对应位置处的Voronoi图形，即为周期性的Voronoi图形；
(4)根据节理宽度对周期性Voronoi图形的内部边界进行偏移，最终得到具有周期性结构的咬合节理岩体模型。
2.根据权利要求1所述的咬合节理岩体周期性结构模型的生成方法，其特征在于，步骤(1)中，所述对实际咬合节理岩体进行现场调查包括调查实际咬合节理岩体的分布、产状、密度、迹长和宽度。
3.根据权利要求1所述的咬合节理岩体周期性结构模型的生成方法，其特征在于，步骤(2)中，所述基于Lloyd松弛算法调整节理种子位置的方法包括下述步骤：
①根据现场节理分布特征，生成相应数量的随机点；
②根据随机点的分布，从各点相对中心位置处进行网格剖分；
③计算各网格中心点的位置，将随机点调整至该处；
④再根据随机点新的位置情况进行网格剖分，重复上述步骤，直至随机点位置改变值在允许范围内，即完成了节理种子位置的调整。
4.根据权利要求1所述的咬合节理岩体周期性结构模型的生成方法，其特征在于，步骤(4)中，对步骤(3)生成的周期性Voronoi图形中各个Voronoi多边形的线条进行偏移，使相邻Voronoi多边形的线条间的间隔与节理宽度相符，即形成与实际柱状节理岩体相同厚度的节理面，最终得到具有周期性结构的咬合节理岩体模型。

说明书全文

一种咬合节理岩体周期性结构模型的生成方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种岩体结构模型的生成方法，具体涉及一种咬合节理岩体周期性结构模型的生成方法，属于岩石力学工程、水利水电工程、石油工程、地下工程、采矿工程等工程领域。

背景技术

[0002] 岩体内在结构的特性是影响和控制岩体在工程作用下变形、破坏的首要因素。不同时期、不同性质和不同规模的地质构造作用，导致岩体内部节理表现出形态各异的构造特性。常见的节理岩体结构有完整、碎块、咬合(interlock)、扰动碎裂、散体、层状等。

[0003] 咬合节理岩体结构在工程中极为常见，其典型特征是具有周期性。与具备较好力学性能的完整岩体不同，咬合节理岩体在未扰动情况下力学性能较好，但在施工强卸荷、水库蓄水、震动作用等工况下，力学性能往往会大幅减弱，从而成为工程施工及运行安全的直接威胁。

[0004] 鉴于此，咬合节理岩体的力学参数历来都为研究人员所重视，毫无疑问，从节理岩体的周期性出发，生成具有周期性结构的咬合节理岩体结构模型，可以很好地研究此类问题。

发明内容

[0005] 发明目的：本发明针对现有技术中岩土工程领域咬合节理岩体周期性结构生成的问题，提供了一种咬合节理岩体周期性结构模型的生成方法，该方法基于Voronoi图形算法，考虑节理密度、形态等多因素生成具有周期性结构的咬合节理岩体结构模型。

[0006] 技术方案：本发明所述的一种咬合节理岩体周期性结构模型的生成方法，包括如下步骤：

[0007] (1)对实际咬合节理岩体进行现场调查，确定其咬合节理分布形态、节理密度、节理宽度及其表征单元体积，并根据表征单元体积确定模拟区域范围R×R；

[0008] (2)根据节理分布形态和节理密度在模拟区域R×R内生成N个随机种子，其中，N的值为模拟区域范围内实际柱状节理岩体的数量；采用随机种子生成Voronoi结构，该Voronoi结构即为完全随机分布的节理岩体模型，然后基于Lloyd松弛算法调整节理种子的位置、生成中心Voronoi结构，该中心Voronoi结构为与工程现场节理形态相符的节理岩体模型；

[0009] (3)由上述中心Voronoi结构生成周期性的Voronoi图形；

[0010] (4)根据节理宽度对周期性Voronoi图形的内部边界进行偏移，最终得到具有周期性结构的咬合节理岩体模型。

[0011] 上述步骤(1)中，对实际咬合节理岩体进行现场调查包括调查实际咬合节理岩体的分布、产状、密度、迹长和宽度。

[0012] 上述步骤(2)中，基于Lloyd松弛算法调整节理种子位置的方法包括下述步骤：

[0013] ①根据现场节理分布特征，生成相应数量的随机点；

[0014] ②根据随机点的分布，从各点相对中心位置处进行网格剖分；

[0015] ③计算各网格中心点的位置，将随机点调整至该处；

[0016] ④再根据随机点新的位置情况进行网格剖分，重复上述步骤，直至随机点位置改变值在允许范围内，即完成了节理种子位置的调整。

[0017] 上述步骤(3)中，由中心Voronoi结构生成周期性的Voronoi图形的方法包括下述步骤：先从中心Voronoi结构中选取单元胞结构，该单元胞为自中心Voronoi结构形心位置向外扩散形成的正方形区域，其面积为中心Voronoi结构的1/9；上述单元胞中包含X个节理种子，将X个节理种子向周边8个区域内平移，在R×R区域内形成数量为9X的节理种子集合，将9X个节理种子在R×R的空间内进行Voronoi剖分，切割修剪形成周期性的Voronoi图形。

[0018] 其中，切割修剪是指将9X个节理种子在R×R的空间内进行Voronoi剖分形成新的Voronoi图形后，截取出其中与单元胞结构对应位置处的Voronoi图形，即为周期性的Voronoi图形。

[0019] 上述步骤(4)中，对步骤(3)生成的周期性Voronoi图形中各个Voronoi多边形的线条进行偏移，使相邻Voronoi多边形的线条间的间隔与节理宽度相符，即形成与实际柱状节理岩体相同厚度的节理面，最终得到具有周期性结构的咬合节理岩体模型。

[0020] 有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的咬合节理岩体周期性结构模型的生成方法步骤简单、成本低廉、实用性强，通过本发明的方法生成的咬合节理岩体周期性结构模型填补了实际研究中生成不同周期性结构、不同节理厚度、不同咬合等情况的岩体结构模型的空白，这样能够制备不同咬合节理岩体周期性结构的数值试样，从而能够进行不同三维节理的剪切强度测试，得到剪切强度随着不同节理的变化规律；进而开展咬合节理岩体的力学特性、渗流特性，从而为工程安全研究提供技术保障和理论支撑。附图说明

[0021] 图1为本发明的咬合节理岩体周期性结构模型的生成方法的流程图；

[0022] 图2为实施例中采用随机节理种子生成的随机节理岩体模型；

[0023] 图3为实施例中基于Lloyd松弛算法调整节理种子位置的过程图，其中，图3(a)表示随机点生成及剖分，图3(b)表示调整随机点位置并重新剖分，图3(c)表示继续调整随机点位置并剖分，图3(d)表示Voronoi种子分布调整完成；

[0024] 图4为实施例中调整节理种子位置后生成的满足工程现场节理形态的柱状节理岩体模型；

[0025] 图5为实施例中单元胞中的节理种子向周边8个领域平移后，在R×R区域生成9X个随机节理种子；

[0026] 图6为实施例中在R×R区域进行Voronoi剖分，切割修剪形成周期性Voronoi图形；

[0027] 图7为实施例中最终形成的咬合节理岩体周期性结构模型。

具体实施方式

[0028] 下面以生成某水电站坝基处的柱状节理岩体的结构模型为例，结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

[0029] 如图1，本发明的一种咬合节理岩体周期性结构模型的生成方法，包括如下步骤：

[0030] (1)首先调查现场咬合节理岩体的形态，统计咬合节理分布、产状、迹长、密度、宽度等参数，确定咬合节理岩体为均匀节理岩体；根据统计成果，确定节理分布形态、节理密度、节理宽度和表征单元体积REV，并根据表征单元体积REV确定模拟区域范围为15m×15m，该区域范围内实际柱状节理岩体的数量为50个；

[0031] (2)生成节理种子：根据节理分布形态和节理密度在模拟区域(15m×15m)内生成50个随机种子，采用生成的随机种子生成Voronoi结构，不同Voronoi种子的分布可形成不同形态的节理，生成的Voronoi结构即为完全随机分布的节理岩体模型，如图3；

[0032] (3)在随机分布的节理岩体模型的基础上，基于Lloyd松弛算法调整节理种子的位置，如图3(a)～3(d)，调整方法具体如下：

[0033] ①根据现场节理分布特征，生成相应数量的随机点；

[0034] ②根据随机点的分布，从各点相对中心位置处进行网格剖分；

[0035] ③计算各网格中心点的位置，将随机点调整至该处；

[0036] ④再根据随机点新的位置情况进行网格剖分，重复上述步骤，直至收敛(即随机点位置改变值在允许范围内)，即完成了节理种子位置的调整。

[0037] 调整节理种子位置后生成的中心Voronoi结构如图4，可以看到，该节理岩体模型中节理种子均匀分布，为后续选取种子提供基础。

[0038] (4)生成周期性的Voronoi图形：在调整好的中心Voronoi图形的中间位置选取单元胞尺寸的结构5m×5m，其中包含5个节理种子。将5个节理种子向周边8个领域平移，在15m×15m区域内生成9×5个随机节理种子，如图5，图中左侧为单元胞结构的种子，5个Voronoi种子按照图中右侧箭头标示进行平移，得到新的Voronoi种子，将新的种子在15m×15m区域进行Voronoi剖分、生产新的Voronoi图形，如图6，其为周期性图形；截取新Voronoi图形中与单元胞位置对应的Voronoi多边形，即得周期性的Voronoi图形，如图6中中间位置方框区域内的图形；

[0039] (5)根据实际咬合节理岩体的节理宽度，对周期性Voronoi图的内部边界进行偏移，形成与实际节理岩体相同厚度的节理面，从而最终形成具有周期性结构的节理岩体模型，如图7。

[0040] 最终得到的节理岩体结构模型中，柱状节理的产状可以极大程度上模拟现场真实岩体结构，节理宽度、密度等特征与现场实测结果一致。利用该模型，通过数值模拟手段，可以得到某水电站坝基处柱状节理岩体的相关力学参数和渗流特征参数，从而研究该处柱状节理的工程性质。

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