[发明专利]一种基于波数法的岩体粗糙离散裂隙网络生成方法

说明书

本发明公开了一种基于波数法的岩体粗糙离散裂隙网络生成方法，采用数字摄像方法获取自然岩体表面裂隙的正面图片；将裂隙按照中线统一旋转到水平方向，并对裂隙边界加窗平滑；选取定间距d对裂隙迹线重新插值采样，并补零到L长度；将裂隙迹线从空间域转换到波数域，在各波数上对所有裂隙的波数谱和相位谱进行拟合，得到粗糙裂隙的波数谱和相位谱分布；采用波数逆变换重构粗糙裂隙，以直线裂隙作为中心线并替换为粗糙裂隙，形成粗糙裂隙网络。本发明基于真实裂隙的波数谱分布规律，通过随机采样方法重构出与真实裂隙相似的粗糙离散裂隙网络模型，进而实现了裂隙网络建立，为岩体变形、强度及渗流规律等方面的研究工作提供了较为准确的依据。

技术领域

本发明涉及岩土力学领域，特别涉及一种基于波数法的岩体粗糙离散裂隙网络生成方法。

背景技术

岩体是非常复杂的地质体，在漫长的地质演化过程中，历经各种地质环境因素(地应力、温度等)影响和人类工程活动，除内在各种缺陷，还赋存了大量的结构面，成为了一种非均质、非连续、各向异性的地质体。由于岩体结构面在很大程度上控制着开挖工程岩体的变形、强度及破坏规律，正确地重构岩体离散裂隙网络，对于深入研究复杂裂隙岩体的力学特性，指导边坡及地下工程岩体稳定性具有重要的应用价值。

随着计算机技术和数值模拟方法的发展，裂隙网络模拟技术在岩体结构、岩体力学参数等研究中得到了广泛应用。近年来，应用蒙特卡洛技术进行节理网络模拟研究越来越受到重视。主要根据岩体结构面实测数据，通过分析结构面几何产状的分布概率模型，利用计算机图形模拟重现节理岩体的结构特征，并进行岩体变形、强度及渗流规律等方面的研究工作。

研究结果表明，建立离散裂隙网络模型DFN(Discrete Fractures Network)，对岩体的弹性模量、强度等的尺寸效应进行分析，是研究节理岩体的力学特性的有效手段，这种方法也越来越多的被学者们所接受，学者通过各种方法在裂隙网络生成及数值算法问题上取得了重大进展。

然而，目前不论三维DFN模型或者二维DFN模型，其几何形态往往假设是平面型或直线型，并在此基础上进行节理网络模拟和力学分析，而在实际岩体结构面分布中，结构面并非如假设的那样是平面型或直线型分布，而是具有一定的粗糙度特征。大量工程调查发现，大到地球尺度断层，小到坝面公路裂纹、电镜下的岩石细观裂纹等，结构面形态上均呈现出一定的粗糙起伏。因此，采用平面型或直线型节理(面)网络研究岩体力学特性仍不可避免地存在一定的误差。已有对于粗糙裂隙网络的研究中，往往将裂隙形态简单假设为三角函数型、方型、三角型等特殊形状，而缺少更具有普适性的描述，对于复杂形态裂隙的重构精度较差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于波数法的岩体粗糙离散裂隙网络生成方法，基于真实裂隙的波数谱分布规律，通过随机采样方法重构出与真实裂隙相似的粗糙离散裂隙网络模型，进而实现了裂隙网络建立，为岩体变形、强度及渗流规律等方面的研究工作提供了较为准确的依据。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于波数法的岩体粗糙离散裂隙网络生成方法，包括以下步骤：

S1.获取自然岩体表面裂隙的正面清晰图片，拟合图片中每一条裂隙迹线q，将裂隙迹线q 旋转为近水平的裂隙迹线q′，然后对裂隙迹线q′加sigmoid函数窗，选取统一固定间距d对裂隙迹线q′重新插值：

S101.获取自然岩体表面裂隙的正面清晰图片；获取自然岩体表面裂隙的正面清晰图片时采用数字摄像方法，且获取的图片分辨率高于5000×5000像素。

S102.利用直线方程和最小二乘法拟合图片中每一条裂隙迹线q，并将每一条迹线q向对应拟合线做正交投影，拾取投影起点和终点S和E；

S103.以照片水平向右和垂直向上为局部坐标系的x轴和y轴正方向，计算拟合线与x轴夹角θ，以投影中点C为中心，利用旋转矩阵Q将裂隙迹线q旋转为近水平的裂隙迹线q′：

q′＝Qq