[发明专利]一种块体稳定性的可视化判别方法

摘要

本发明公开了一种块体稳定性的可视化判别方法，包括步骤：一、获取岩质边坡图像并扫描岩质边坡；二、建立岩质边坡的三维可视化模型；三、确定目标块体的结构面方程；四、确定目标块体的临空面方程；五、确定出闭合块体；六、获取闭合块体的各结构面面积和闭合块体的体积；七、计算闭合块体的稳定系数。本发明利用无人机航拍的方式获取岩质边坡图像，并利用三维激光扫描仪获取块体可视化数据，构建岩质边坡的三维可视化模型，并利用结构面与临空面划分出块体的形状，根据块体滑动模式能在现场给出块体的稳定性分析，且适用于岩质边坡或地下洞室等有外露结构面的块体稳定性分析领域，快捷方便。

主权项

1.一种块体稳定性的可视化判别方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、获取岩质边坡图像并扫描岩质边坡：利用无人机航拍岩质边坡，获取岩质边坡图像，同时利用无人机上安装的三维激光扫描仪扫描岩质边坡，获取岩质边坡的点云数据；将岩质边坡图像和对应的岩质边坡的点云数据无线传输至计算机，计算机对三维激光扫描仪采集的极坐标数据进行数据转换，得到扫描点的三维直角坐标数据；步骤二、建立岩质边坡的三维可视化模型：计算机根据无人机获取的岩质边坡图像和扫描点的三维直角坐标数据对岩质边坡构建三维可视化模型；步骤三、确定目标块体的结构面方程，过程如下：步骤301、对离散的扫描点进行Delaunay三角化处理，得到岩质边坡对应的三角网格曲面，三角网格曲面中每个节点为岩质边坡对应的扫描点；步骤302、利用三维可视化模型确定岩质边坡中多个裂缝位置，在每个裂缝位置对应的三角网格曲面区域筛选目标块体的结构面，每个裂缝位置对应的三角网格曲面区域筛选目标块体的结构面的方法均相同；任一裂缝位置对应的三角网格曲面区域筛选目标块体的结构面的过程如下：步骤3021、在三角网格曲面区域中任选一个初始生长节点并确定初始三角形面元和相邻三角形面元；步骤3022、根据公式计算初始三角形面元的法向量和相邻三角形面元的法向量的余弦相似度similarity₁；步骤3023、判断初始三角形面元和相邻三角形面元是否位于同一结构面上：当similarity₁>s_α时，存储相邻三角形面元的法向量用线性回归方法计算已有三角形面元的平均向量并根据公式计算平均向量和相邻三角形面元的法向量的余弦相似度similarity₂，当similarity₂>s_β时，初始三角形面元和相邻三角形面元位于同一结构面上，执行步骤3024，当similarity₂≤s_β时，删除相邻三角形面元的法向量并执行步骤3024，其中，s_α为第一余弦相似度阈值，s_β为第二余弦相似度阈值；当similarity₁≤s_α时，初始三角形面元和相邻三角形面元不在同一结构面上，将相邻三角形面元视为新的初始三角形面元，将相邻三角形面元对应的生长节点视为初始生长节点，并根据广度优先遍历方式确定新的相邻三角形面元，循环步骤3022，筛选目标块体新的结构面，直至遍历三角网格曲面区域中所有的生长节点，获取三角网格曲面区域中目标块体的所有的结构面；步骤3024、根据广度优先遍历方式确定下一个生长节点，并形成下一个三角形面元，将下一个三角形面元视为相邻三角形面元，循环步骤3022；步骤303、采用最小二乘法线性回归的方法对任一结构面进行拟合，根据公式确定目标块体的第j个结构面线性回归方程其中，为第j个结构面上第i个扫描点的x轴坐标，为第j个结构面上第i个扫描点的y轴坐标，为第j个结构面上第i个扫描点的z轴坐标，为线性回归方程中常数项的偏回归系数，θ₁^j为线性回归方程中项的偏回归系数，为线性回归方程中项的偏回归系数，且I为第j个结构面上扫描点总数且I为不小于3的正整数；步骤304、根据目标块体的第j个结构面线性回归方程获取目标块体的第j个结构面的法向量为步骤305、根据公式计算第j个结构面的倾角β^j；然后根据第j个结构面的倾角β^j确定第j个结构面的倾向α^j，步骤四、确定目标块体的临空面方程：在目标块体的点云数据中阵列式的筛选数据点，利用NURBS建模方式对筛选的数据点进行建模，获取目标块体的临空面方程；步骤五、确定出闭合块体，过程如下：步骤501、将临空面上出露的结构面投影至XOY平面；步骤502、计算一个结构面与其他结构面的交点，删除交点数小于2的结构面，若所有的结构面的交点数均不小于2，则XOY平面上有闭合回路，执行步骤503；否则，XOY平面上无闭合回路，块体为稳定块体；步骤503、计算闭合回路处对应的任意两个结构面交点的交点坐标，并将该交点坐标的z轴坐标与x轴坐标和y轴坐标均相同的扫描点的z轴坐标进行比较，当该交点坐标的z轴坐标小于x轴坐标和y轴坐标均相同的扫描点的z轴坐标，则该交点位于块体上，闭合回路处对应的任意两个结构面的交线即为块体的棱；当该交点坐标的z轴坐标不小于x轴坐标和y轴坐标均相同的扫描点的z轴坐标，则该交点为无效交点；计算闭合回路处对应的任意三个结构面交点的交点坐标，解出的结果为块体的顶点；临空面的数量与结构面的数量之和为块体的面数；步骤504、将块体的面数、棱数和顶点数代入欧拉定理，若欧拉定理成立，则块体为闭合块体，执行步骤六；若欧拉定理不成立，则块体为非闭合块体；步骤六、获取闭合块体的各结构面面积和闭合块体的体积；步骤七、计算闭合块体的稳定系数，过程如下：步骤701、确定闭合块体的滑动模式，当闭合块体沿两个结构面的交叉棱线处滑动，且岩质边坡的倾角大于棱线的倾角，闭合块体的滑动力大于抗滑力，闭合块体出露在临空面上，则该闭合块体为楔形块体，所述楔形块体的滑动模式为楔形滑动模式，执行步骤702；当闭合块体沿下滑平面滑动，且岩质边坡的倾角大于闭合块体的结构面的倾角，岩质边坡的倾角和闭合块体的结构面的倾角之差为(0°，20°]，闭合块体的结构面出露于外，闭合块体的重力下滑力大于摩阻力，则该闭合块体为单面滑动块体，所述单面滑动块体的滑动模式为平面剪切滑动模式，执行步骤703；当闭合块体由三个及三个以上的结构面组合切割且出露在临空面上，则该闭合块体为综合滑动块体，所述综合滑动块体的滑动模式为复杂滑动模式，执行步骤704；步骤702、根据公式计算棱线的倾角β^L，为棱线一端点的坐标，为棱线另一端点的坐标；根据公式计算棱线的矢量余弦为(l，m，n)；根据公式计算楔形块体的重力在棱线上的法向量N的矢量余弦(l_N，m_N，n_N)；根据公式计算楔形块体一侧的结构面法向量与重力在棱线上的法向量N的夹角γ₁和楔形块体另一侧的结构面法向量与重力在棱线上的法向量N的夹角γ₂，其中，(l₁,m₁,n₁)为楔形块体一侧的结构面法向量，(l₂,m₂,n₂)为楔形块体另一侧的结构面法向量；根据公式计算楔形块体的重力G在楔形块体一侧的结构面的法向分力N₁和楔形块体的重力G在楔形块体另一侧的结构面的法向分力N₂；根据公式计算楔形块体在两侧结构面上的总抗滑力F，其中，S_Δ1为楔形块体一侧的结构面的面积，S_Δ2为楔形块体另一侧的结构面的面积，为楔形块体一侧的结构面的内摩擦角，为楔形块体另一侧的结构面的内摩擦角，C₁为楔形块体一侧的结构面的粘聚力，C₂为楔形块体另一侧的结构面的粘聚力；根据公式计算楔形块体的稳定系数η_q；步骤703、根据公式对单面滑动块体的重力G_D进行分解，其中，β^D为下滑平面的倾角，F_正为单面滑动块体的重力G_D对下滑平面的正压分力，F_滑为单面滑动块体的重力G_D对下滑平面的滑动力；根据公式计算下滑平面的抗滑力T，为下滑平面的内摩擦角，C_D为下滑平面的粘聚力，S_D为下滑平面的面积；根据公式计算单面滑动块体的稳定系数η_d；步骤704、通过有限元分析将每个结构面划分为多个有限元网格，并获取每个有限元网格上的正应力，根据公式计算第k个结构面上的抗滑力f_k，其中，H为结构面上有限元网格的数量，σ_Nkh为第k个结构面第h个有限元网格上的正应力，为第k个结构面第h个有限元网格的内摩擦角，C_kh为第k个结构面第h个有限元网格的粘聚力，S_kh为第k个结构面第h个有限元网格的面积；根据公式计算综合滑动块体的稳定系数η_Z，其中，K为结构面的数量，W为块体重力，ζ_k为第k个结构面与块体重力方向的夹角。