[01510889]边坡岩体结构三维表征与块体滑落分析方法

本项目研究以复杂边坡岩体工程扰动诱发块体滑落问题为工程应用背景,建立基于岩体体表非接触岩体节理数字扫描技术和体内现场（钻孔、声发射、微震）监测信息反演的边坡岩体内部损伤演化模型,实现边坡岩体结构的数字表征;在此基础上利用现代计算方法（非连续计算力学和流形元方法）,建立非连续岩体稳定性的块体滑落分析模型,自主研发出相关数值模拟软件,进行了岩块滑落过程分析和演化过程模拟,以微震前兆信息和边坡岩体强度储备系数为失稳判据,实现了边坡稳定性动态分析预测。本项目主要内容包括： （1）建立了岩体边坡结构空间模型及其三维表征：利用三维岩体不接触测量数字图像扫描技术（3GSM）精确测量典型开挖工作面和岩体体表的结构面,根据有限的岩体体表结构面几何参数来推求体内或更大范围的结构面参数分布,基于拓扑学有关原理,建立岩体开挖扰动区形态及整个空间可视化几何模型;该方面研究工作已发表相关学术论文3篇、发明专利1项。 （2）岩块滑落分析力学模型参数确定：块体搜索通常对随机块体进行几何搜索,而且开挖面一般是简单平面,这与实际工程的开挖临空面可能是曲面有所出入。为此提出一种基于虚拟结构面网络划分的块体识别新方法。该方法针对块体单元进行分析处理,不仅可以生成有限结构面块体,而且具有模拟开挖过程中动态添加的结构面,建立动态的岩体结构模型、自动识别出的工程中数量众多的块体（包括凹形体）,识别可移动有限块体。在此基础上,可以计算块体体积与岩体区域体积比、直观地对岩体结构类型、地质结构面连通率与块体发育程度进行定量分析。实现了与非连续计算模块计算,为复杂岩体开挖及其力学行为研究提供一个数值工具,并通过与实验室实验结果的对比验证本系统和程序的正确性。该创新点授权发明专利1项、发表SCI论文2篇。 （3）提出了岩体内部非贯通结构面扩展贯通判别准则,真实表征岩体结构面的空间分布形态。利用以往的优势组划分方法对岩体结构面进行分组,建立结构面的三维网络模型,未考虑到岩体结构面特征以及分组指标权重对分组结果的影响,而且也缺少一个量化指标来评价岩体结构面的特征。为此本课题实现了：1)基于层次分析法的原理,对影响岩体结构面特征的8个因素进行权重分配和综合测评,引入岩体结构面特征量化指标值,建立岩体结构面特征评价系统,很好的划分了岩体结构面的级别以及相应的岩体结构面力学参数。2)将贯通强度作为判断含非贯通结构面岩体岩桥贯通与否的衡量指标,引入贯通系数定量描述贯通强度与峰值强度的比值变化,研究了岩桥倾角、结构面摩擦系数、围压、连通率和结构面倾角对贯通系数的影响,定量分析了贯通强度与这五个影响因素及峰值强度之间的函数关系,给出了含非贯通结构面岩体的岩桥贯通准则。编程实现了岩体结构面特征的等级划分、岩体结构面力学参数的预测、岩体非贯通结构面的识别、岩体非贯通结构面的判定和基于岩体结构面特征的优势组划分5个功能。该创新点获发明专利1项、发表SCI论文1篇。 （4）基于边坡岩体结构“动态”稳定性分析方法：利用本项目研制出的研究成果,建立边坡岩块模型,分析了外荷载作用下的响应特征,据此分析结果提出采取适当的工程处置方案。与此同时,随着工程扰动,通过监测的实时数据获取边坡岩体中次生结构面的分布,不断修正计算模型和稳定性分析,为采矿工程的设计方案优化和边坡加固设计提供新的技术手段,指导生产实际。该创新点发表相关SCI论文3篇。 本项目自主研发相关岩体边坡监测和表征系统,能够很好模拟节理岩体边坡的空间特性,自动搜索出关键块体,并有针对性地提供设计和加固方案,在露天矿开采、高边坡水利水电工程20多项目中得到推广应用,截至目前,该技术已直接创造经济效益11400万元。