[发明专利]岩体边坡三维模型及块体滑落分析方法

权利要求书

1.一种岩体边坡三维模型及块体滑落分析方法，按如下步骤进行：

    步骤一、获取工程岩体现场结构原始数据，包括工程岩体结构参数；工程岩体结构状态断层参数和节理参数；

步骤二、工程岩体原始数据的处理与提取；

在现场采集的原始数据基础上，利用赤平投影和概率统计方法，对结构面进行分组，整理出：

1）岩体裂隙方位，以及每一条裂隙所在的方位、层位、工程部位、风化带信息，进行裂隙优势方位分析；

2）存储工程普遍测网法获得的每条裂隙的基本信息，包括每条裂隙对应的测点号、位置和产状，进行绘制裂隙平面展布图的坐标信息；

3）存储工程岩体测点的各条裂隙的产状及相对测网原点的局部几何坐标；

4）在对普遍测网法实测数据有效管理的基础上，根据现场实测数据对各测点的岩体结构参数通过蒙特卡罗模拟方法计算结构面随机变量，模拟结构面的密度、迹长、倾向、倾角参数；

步骤三、构建工程岩体模型；

1）、建立岩体模型

将岩体几何体分成凸体和凹体两类，分别对凸体结构的岩体几何体和凹体结构的岩体几何体进行建模；

凸体结构：首先，把岩体几何体分解为多边形，依次添加多边形，多边形的建立是按同一顺序即逆时针或顺时针顺序，依次按顺序输入顶点坐标到文本文件中，按照岩体被划分后，任何两个相邻的岩体公共面必须是重合的原则将划分实际工程岩体划分为凸体；

凹体结构：按照相邻两个岩体几何体公共面重合的原则，把凹体分成多个凸体，并把重合面赋上虚拟面的标记值，将被分成的凸体按照凸体的建模规则建模；

2）、建立数据结构

先确定块体棱线的两个端点，放入线段存储结构中，再把形成的线段放入多边形存储结构中，最后把多边形放入块体的数据结构中；采用编程语言中自带的动态类对数据进行管理；

3）、确定结构面信息的方法采用确定性结构面和非确定性结构面的方法：

确定性结构面方法：通过步骤一得到采集的结构面数据，作为确定性结构面数据，倾向、倾角和迹长；

非确定性结构面：通过现场调查得到的结构面样本的信息，以蒙特卡罗方法为基本理论，假设块体在岩体中的分布规律，采用计算机自动生成随机数，并进一步根据样本信息模拟结构面的空间分布及力学参数，然后调用系统确定性分析模块数据库，自动搜索所有的随机可动块体；

其特征在于：

步骤四、识别块体及稳定性分析

把岩体模型划分为有限个网格，然后在依次加入结构面，对现有的小块体进行切割，最后再去掉网格，合并小的块体，识别出结构面切割得到的所有块体；具体方法如下：

1）、网格划分：根据区域内结构面的密度，平均半径进行网格划分，首先确定区域的范围，然后设置三组相互垂直的虚拟结构面对岩体模型进行切割，最后记录下小单元的数据结构，网格的大小根据结构面的平均尺寸，密度而定，采用结构面的正交模型对岩体模型进行切割，虚拟结构面的间距即单元的边长，其半径大于模型尺寸；

具体切割过程如下： 

切割过程为裂隙面对块体切割分解为对块体表面多边形的切割，进而分解为裂隙面对直线的切割，实现裂隙与多边形的切割，裂隙切割多边形；

分有三种情况：

A如果多边形顶点全在裂隙面的上方，此时把这个多边形编号后放到上面的新块体中；

B如果多边形顶点全在裂隙面的下方，此时把这个多边形编号后放到下面的新块体中；

C如果多边形顶点分布在裂隙面的两侧，用裂隙平面把这个多边形切割成两个新多边形，编号后分别放入上下两个块体中；

采用裂隙切割其他块体，直到切割完与裂隙相关的所有块体，然后进入下一个裂隙的切割过程；无论是虚拟结构面还是真实的结构面，在切割的方法中是不区别对待的，结构面把与其接触的块体一分为二，而与其不接触的块体保持原来的状态，依次加入结构面即虚结构面或真实结构面，每添加一个结构面，遍历一次现存的块体，判断块体是否与结构面相交，如果相交就进行切割，把新形成的块体放入块体数据链的尾端，删除母体，继续判断下一块体，不相交则直接进入下一块体的判断；

2） 添加结构面：网格划分后，加入实测结构面和拟合出来的结构面，对现有的小块体进行再次切割；

3）、消除网格，生成块体；

首先判断相邻两个小单元面的交集是否与虚拟结构面有交集，如果有交集则合并两个小块，没有交集就不必合并，按照此方法，依次对存在的所有小块体进行处理，最后记录下合并后块体的数据； 

4）、确定块体的面积及体积

首先把多边形分解成三角形，然后对各三角形的面积求和，得到多边形的面积；而多面体首先被分解成四面体，然后对所有的四面体体积求和，最后得到多面体的体积；

如果多边形有n个边，可以分解为n-2个三角形，若三角形的三个顶点坐标分别为：                                               

三角形面积A为：

5）、判别块体的可移动性

首先判断裂隙锥是否非空，然后加上临空面形成块体，判断块体锥是否为空，进行稳定性系数计算方法计算时采用莫尔库仑强度理（Mohr-Coulomb）准则，主动力目前只考虑块体自重:

块体可移动同时满足三个条件：具有出露面，几何可移动，稳定系数小于规定值；

步骤五、结果显示

1）、图像显示

采用OpenGL库函数按照块体顺序进行搜索，得到每个块体的数据，进而对块体中面进行搜索，最后对组成面的线段进行数据查询，利用图像处理画出的线段，最后进行渲染；

整个流程操作的最后，图形片元都要进行一系列的逐个片元操作，这样最后的像素值送入帧缓冲器实现图形的显示； 

2）、颜色的处理

采用的是红、绿、蓝三原色（RGB）模型完成的颜色处理程序设计，采用红、绿、蓝三原色构成像素显示矩阵，红、绿、蓝三原色通过叠加调色形成不同的颜色，并完成像素显示； 

3）、图像保存

把屏幕上的东西变成一个bmp格式位图文件，再编码后存到Windows剪贴板里；

4）、数据输出

数据的输出采用的是txt文本方式，把搜索关键块体过程中产生的数据通过顺序进行导出；输出的关键块体数据包括关键块体的体积、构成块体的结构面数量和结构面编号、关键块体的滑动面面数和安全系数。

2.按权利要求1所述的岩体边坡三维模型及块体滑落分析方法，其特征在于，所述的判别块体的可移动性，按如下步骤进行：

(1) 几何可移动的判别

块体位移方向的矢量为s，块体有n个裂隙面构成表面，矢量s必须满足如下条件：

                         (1)

式中i为块体的面数，N 为自然数      

式中为由裂隙面构成的表面的单位法相矢量，指向块体内部，式(1)的物理含义是：矢量s与块体所有裂隙面构成的表面的单位法向矢量成锐角；

除了式(1)外，矢量s还必须与使块体运动的驱动力的合力方向一致，即：

                                                                (2)

式中w为驱动力，如果驱动力只包括重力，块体沿取最大值的方向移动，即：

                    w·s=max[满足式(1)、式(2)的任意方向]                  (3)

上述几个公式中，式(1)称为运动学约束，式(2)称为外力约束，式(3)称为唯一性约束；

(2) 稳定性的判别

稳定性系数计算方法计算时采用莫尔库仑强度理（Mohr-Coulomb）准则，主动力只考虑块体自重，分两种情况：

A．当块体沿单面i滑动时，按下式计算稳定系数：

                        （4）

式中：为块体重量，为滑动面倾角，为滑动面i的面积，和分别为滑动面上的内聚力和内摩擦角；

B．当块体沿双面i和j滑动时，按下式计算稳定系数：

                               (5)

式中：为块体重量，和分别为滑动面i上的内聚力及内摩擦角，、分别为滑动面j上的内聚力及内摩擦角，和分别为滑动面i和j的面积，为滑动面i和j交线棱的倾角，和为作用在二滑动面上的法向力； 

（3）运动形式的动态分析

首先按顺序记录下形成关键块体的顶点坐标，然后确定出块体滑动面交线的方向向量，设置定时器，让构成关键块体的顶点按照设定的速度和方向进行变化，最后把每一次变化后得到的新点按照步骤五中1）图像显示中的图像显示方法进行渲染。