空间坐标系下地下岩体结构面数学描述方法初探

钻孔摄像技术能够采集到大量地下岩体内的结构面数据,分析其数据有助于进一步揭示结构面的空间分布规律和组合关系。针对钻孔内获得的结构面几何参数的特殊性,提出了综合倾角、倾向和位置深度等参数的特征点描述方法,在局部坐标系下对结构面特征点的描述方法及计算过程进行了阐述,推导出了结构面几何参数与特征点坐标之间的转换公式,在全局坐标系下对特征点坐标进行了归一化处理,最后对空间坐标系下特征点的分布规律进行了探索。研究结果表明,（1）空间坐标系下的结构面特征点是结构面几何参数和空间位置的综合反映;（2）特征点在空间的分布反映了结构面的空间组合关系。为结构面的统计分析提供新的思路和方法,有助于开展结构面的空间分布规律和交切关系研究,对钻孔摄像技术的发展和以结构面几何特征为基础的岩体稳定性评价起到积极的推动作用。     

基于无人机倾斜摄影的矿山边坡岩体结构编录方法与工程应用

岩体结构特征控制着岩体力学性质并影响岩体工程稳定性,因此岩体结构地质编录一直是岩体工程地质中的重要内容。针对露天矿山边坡,传统的岩体结构编录方法具有危险性大、效率低等缺点,需要引入新技术实现地质编录的安全、高效。随着近年来无人机的民用化,采用无人机倾斜摄影技术改进传统露天矿坡的地质编录工作将成为未来的发展趋势。本文以浙江某露天采石场矿坡为例,阐述了无人机摄影技术在地质编录中的应用方法和工作流程。基于无人机倾斜摄影技术,采用运动恢复结构法将点云数据转化为岩体三维数字模型,并利用点云的坐标信息实现对岩体结构面产状的解译。通过对比罗盘测量的产状和点云计算的产状验证了该技术应用的可靠性。在此基础上划分了结构面的优势产状,为分析矿山边坡稳定性提供了基础数据支持。     

应用激光扫描技术进行岩体结构面的半自动统计研究

以力丘河某边坡裸露岩体结构面的快速统计为例,提出了利用三维激光测量方法进行岩体结构面的半自动快速统计方法。详细介绍了三维激光扫描仪和高精度GPS的联合测量方法,激光点云数据的坐标转换和边坡表面三角网重构方法。在此基础上,研究了采用三维激光点云数据和三角网数据进行岩体结构面平面方程的半自动拟合方法、岩体结构面法向量和产状的关系等。利用得到的岩体结构面产状快速绘制岩体结构面密度图、玫瑰图、极点图和赤平投影图,得到了该边坡裂隙结构面分布规律和几何信息等。和传统方法相比,该方法具有快速测量和远距离测量的优点,且减少了攀爬高陡岩坡的危险。     

岩体结构面产状测量的钻孔摄像技术及其可靠性

针对钻孔摄像技术对结构面产状测量只限于垂直孔的现状,以钻孔孔口圆心为原点,建立空间左手直角坐标系,对倾斜孔中结构面产状的确定方法进行了详尽的阐述和推导,得出了精确的解析计算公式,并基于C#语言进行编程,开发了IDOIB软件,通过测试表明此方法及其程序的正确性.采用PVC管模拟钻孔孔壁,进行钻孔摄像技术用于结构面产状测量的可靠性试验研究,结果表明:(1)对于垂直孔,测量结果的倾向绝对误差为[-3°,4°]、倾角绝对误差为[-1.5°,1.0°],说明该技术用于垂直孔进行结构面产状测量是可靠的,能满足工程应用精度.(2)当PVC管的倾伏向为270°、倾伏角为25°时,结构面产状可靠度为0.10;倾伏向为176°、倾伏角为60°时,结构面产状可靠度为0.67.PVC管倾伏角的不同导致结构面产状可靠度的差异.(3)一般岩体工程的结构面产状测量结果应具有高等级可靠度(不小于0.8),即须在倾伏角不小于71°的钻孔内采用该技术进行测量.      

基于摄影测量获取岩体结构面参数的概率分布拟合检验

岩体不连续面迹长、产状、空间组合形态等的不确定性和复杂性,使结构面整体几何形态研究存在困难。利用岩体内大量随机展布的不连续面所具有的统计相似性,结合具有统计意义的数学方法进行结构面参数描述,是岩体随机不连续面三维网络模拟的基础,也为岩体稳定性评价提供可靠依据。本文基于数字近景摄影测量技术对长春市净月开发区东升采石场坡面进行调查研究,获取高精度的大量岩体结构面迹长、产状、间距、张开度等几何参数。利用Matlab编制Kolmogorov-Smirnov（K-S）检验程序,实现结构面参数的K-S法概率分布检验,分析了结构面参数所服从的概率分布类型;同时用SPSS软件检验程序正确性,并引入最优拟合度,选取符合多种概率分布参数的最优拟合概率模型。结果表明：研究区内结构面迹长、间距服从对数正态分布规律,产状服从伽马分布规律。     

基于超声波钻孔电视的深部岩体结构面特征研究

深部岩体结构面特征是岩体质量评价的基础数据之一.利用超声波钻孔电视对甘肃北山芨芨槽花岗岩体的BS15^#、BS16^#钻孔进行测量,获得了深部岩体结构面的数量、密度、产状、优势方向组和结构面宽度等数据,并与岩心编录结果进行对比分析.分析结果表明超声波钻孔电视在深部岩体结构面研究中具有良好效果,但也存在一些不足,需要结合其他资料综合分析才能更好地发挥作用.     

节理岩体结构面产状的动态聚类分析

节理岩体结构面的优势产状是进行Mnote-carlo模拟和岩体稳定性分析的基础。玫瑰花图、等密度图等传统的图形分析方法比较粗糙,其结果只是相对的优势组数划分,无法准确地给出结构面的优势产状,使得分组结果在实际中应用不便。为弥补上述不足,采用改进的动态聚类分析方法,构造空间直角坐标系,以结构面的单位法向量表示其产状,并根据球面上两点之间的球面距离对结构面产状进行分类判定。将该方法应用于三峡库区巴东新县城铜盆溪桥东头高切坡结构面优势产状分析中。结果表明,采用改进动态聚类分析方法结果可靠,分类合理,可以较准确地确定结构面的优势产状。     

基于活动控制的岩体结构面几何信息快速获取

在应用数字近景摄影测量进行岩体结构面几何信息快速获取时,需要在岩体上布设一定数量的控制点,但特殊区域岩体（隧道、硐室、采石场）的结构面相对破碎、特征点极不明显,并且受施工进度的影响,无法在岩体上布设控制点。针对这一问题,本文应用自行设计的活动控制架,在控制架上布设28个控制点,将控制架和岩体结构面一起摄影,然后在VZ（VirtuoZo）工作站上进行内业解译,获取岩体结构面上特征点的空间坐标,再依据所给产状公式获取结构面信息。以净月二采石场岩体边坡为研究对象,进行了活动控制架安装与检验、外业数据采集与内业数据处理等工作;同时基于误差理论点位精度评定方法,对解译的控制点坐标与岩体结构面产状（倾向、倾角）同实测值对比并进行精度分析。结果表明,该方法测量的岩体结构面产状中误差：m_倾向=±4°,m_倾角=±3°,满足岩体结构面精度测量要求。     

钻孔图像中岩石结构面三维形貌特征及优势抗滑方向研究

岩石结构面形貌特征及其力学性质一直是国内外岩石力学及工程地质领域的重要科学问题。用钻孔图像准确地记录钻孔孔壁信息和原位岩体结构面形貌特征,提出一种钻孔图像结构面轮廓线分析提取方法,开展岩石结构面三维形貌特征及其力学性质的研究。针对钻孔图像中岩石结构面轮廓线的独特性,经过轮廓线信息提取、坐标转换、环状信息分析和采样方式处理等步骤,准确地还原孔内原位岩石结构面形貌特征,再利用各段轮廓线的分形维数描述岩石结构面的粗糙度和各向异性特征,判定岩石结构面的优势抗滑方向和对评估结构面的抗剪强度进行补充说明。结果表明,在钻孔图像中通过分析变换后的结构面轮廓线,能够很好地反映出孔内岩石结构面的三维形貌特征,可以用来解决实际工程应用中岩石结构面优势抗滑方向的判定问题和结构面抗剪强度的估算问题。     

花岗岩体钻孔中结构面的分布规律——以深圳大亚湾花岗岩体为例

结构面对工程岩体的强度及其稳定性起着关键作用。在工程选址时常会首先考虑花岗岩作为其地基或围岩,而钻孔揭露的是目标深度岩体最直接的数据。以广东深圳的大亚湾花岗岩体为例,结合地质背景,研究钻孔方向上结构面的分布规律。钻孔方向上花岗岩结构面主要为构造结构面和表生结构面。首先,对比沿钻孔方向花岗岩体中结构面与地表结构面的倾向与倾角,在同一场址区,受到同一构造作用影响,钻孔中与地表节理的产状分布类似。其次,研究沿钻孔方向结构面的间距（直接影响岩体的RQD值）,通过间距分组和回归分析,发现结构面间距与其频数具有明显的幂函数关系,且该关系式与RQD值相关。     

Advanced Geostructural Survey Methods Applied to Rock Mass Characterization

The location and orientation of rock discontinuities, which are traditionally obtained from geological surveys with obvious drawbacks (safety, rock face accessibility, etc.), may also be derived from a detailed and accurate photogrammetric or laser scanning survey. Selecting from the point cloud determined on the rock face a set of points distributed on a particular discontinuity, location, dip, and dip direction can be computed from the least-squares estimate of the plane interpolating the set of points. Likewise, the normal vector to the surface may be computed from an interpolation or approximation of the surface by appropriate functions. To become a real alternative (both in terms of productivity as well as accuracy) to a traditional survey, interactive or automated software tools are necessary, to allow the efficient selection of the point sets on the discontinuities or the interpretation of the normal vector pattern. After introducing the two best technologies available today for data acquisition and their performance, the paper presents an approach, based on the random sample consensus (RANSAC) procedure, to the segmentation of the point cloud into subsets, each made of points measured on a discontinuity plane of the rock face. For each subset, the plane’s equations coefficients are first determined by robust estimation and then refined by least-squares estimation after outlier removal. The segmentation algorithm has been implemented in RockScan, a software tool developed to facilitate the interaction with the point cloud in the identification of the discontinuities; rather than using the three-dimensional (3D) data, selection of regions of interest is performed on oriented images of the rock face. Finally, application of RockScan to four different test sites is discussed and results presented. The sites differ in size (from tens to hundreds of meters), rock surface characteristics, and the technology used to produce the point cloud (in three cases photogrammetry, in the fourth laser scanning), giving the opportunity to test the methodology in different contexts. In the first and in the fourth site an extensive traditional survey has been performed, providing reference data to validate the RockScan results.     

循环荷载作用下岩石劈裂结构面剪切力学特性演化与影响因素研究

基于现有结构面剪切力学特性研究中对简单几何形态结构面研究多,天然形态结构面研究少,力学性质演化研究多,几何形态演化研究少的研究现状,通过巴西劈裂试验制备近天然形态岩石结构面,并采用模拟材料批量复制劈裂结构面试样的方法,开展循环荷载作用下岩石劈裂结构面的剪切力学特性演化规律与影响因素研究,分析法向应力、循环剪切次数、岩壁强度以及结构面粗糙度对循环剪切作用下岩体结构面力学特性和形貌特征的影响。最终通过在黏着摩擦理论-Barton经验公式中引入与循环剪切次数Nd有关的负指数假定劣化参数,提出了岩体结构面循环剪切强度公式。研究结果表明：法向应力、岩壁强度、结构面粗糙度越大,结构面的最大剪应力越大;法向应力、循环剪切次数、结构面粗糙度越大,岩壁强度越小,则归一化粗糙度参数越小。提出的循环剪切强度公式较好地验证了试验结果,可为工程安全设计提供理论参考。     

Mapping subvertical discontinuities in rock cuts using a 400-MHz ground penetrating radar antenna

Hidden subvertical discontinuities oriented parallel to subparallel to the exposed faces of outcropping sandstone were effectively mapped at three different study sites in central Missouri using a ground-penetrating radar system (GPR) equipped with a 400-MHz monostatic antenna and a survey wheel. At each site, a suite of 2-D ground-penetrating radar profiles were acquired along multiple closely spaced traverses on relatively smooth exposed rock surfaces. Time-zero correction was applied to the raw GPR data which were then processed using band-pass filtering, range and display gain, color transformation, and deconvolution techniques. Pseudo 3D images of each identified discontinuity at each site were constructed based on the interpretation of the nonmigrated ground-penetrating radar profiles. These pseudo 3D images were hand-migrated and transformed into true 3D images which depict variable depths at “perpendicular horizontal distance” to each discontinuity relative to the exposed rock face. The results demonstrate that GPR can be used to detect and map hidden discontinuities. This information can then be used for rock slope stability analysis and rock engineering purposes.     

岩质边坡复合型破坏机制的改进运动单元法研究

目前运动单元法的研究主要集中于土质边坡，未涉及到岩质边坡稳定性分析问题；而岩体中孕育有不同特性的结构面，控制着岩质边坡的力学行为。为求解结构面控制作用下岩质边坡“结构面滑移-岩桥剪断”复合型破坏问题，研究了塑性滑移区节点在岩桥内和结构面上的运动约束条件，推导了含结构面的运动单元计算公式，提出了改进运动单元法。通过经典算例的对比分析，验证了改进运动单元法计算结果的准确性。研究结果表明:岩桥位置、结构面贯通度和结构面倾角是控制岩质边坡力学行为的3个主要影响因素。岩桥越接近坡顶，改进运动单元法所得安全系数越大，而Jennings法无法反映岩桥位置的影响效应。高贯通度的结构面导致岩质边坡发生“结构面滑移-岩桥剪断”复合型破坏模式，安全系数较小；而低贯通度的结构面导致完整岩石发生破坏，安全系数较大。水平或陡倾角结构面导致滑裂面穿切结构面，安全系数较大；而对于其它倾角情况下的结构面，岩质边坡发生“结构面滑移-岩桥剪断”复合型破坏模式，安全系数较小。实例应用结果说明该方法可以有效评价岩质边坡的稳定状态，可在类似工程中应用推广。     

基于数字近景摄影测量的岩体结构面几何信息解算模型

为了快速、全面地获取岩体随机结构面信息而提高稳定性评价工作,在数字近景摄影测量测取结构面空间坐标的基础上,应用立体几何、方位概念和投影变换理论,提出并建立了基于空间坐标的结构面迹线三维模型、任一投影展示面的迹线二维模型和详细判据的产状解算模型。迹线三维模型数据更加详实展示迹线分布状况,迹线二维模型数据又能获得任一重要投影面的迹线信息并突显迹线物理意义;应用误差理论,探讨了基于数字近景摄影测量的产状解算模型获取产状的精度。实验表明,在数字近景摄影测量建立边坡三维模型点位测量精度≤2 cm时,能够解决近似线状结构面的产状获取问题。因此,岩体结构面几何信息解算模型与数字近景摄影测量相结合,可采集到更为全面的结构面几何信息并用于岩体稳定性评价。     

基于钻孔图像的岩体结构面几何信息智能测量

针对钻孔图像中岩体结构面形态特征,提出了一种基于Canny检测的岩体结构面几何信息智能测量方法。该方法首先采用灰度共生矩阵特征参数,在长幅钻孔图像中定位结构面区域;然后,对识别的结构面区域,采用Canny检测算法识别出结构面边缘,并通过边缘连接和合适的阈值筛选边缘,提取出结构面上下边缘;最后,对结构面边缘进行三角函数拟合,得到结构面上下边缘的正弦曲线,结合立体空间几何理论,从而计算出岩体结构面的倾向、倾角、隙宽等参数。以如美水电站坝址区两钻孔为例,基于本算法提取结构面几何信息,并与已有成功算法进行对比得到了较为一致的结果,证明了算法的可行性。     

Verification of a 3-D LiDAR Viewer for Discontinuity Orientations

Light detection and ranging (LiDAR) scanners are increasingly being used to measure discontinuity orientations on rock cuts to eliminate the bias and hazards of manual measurements which are also time consuming and somewhat subjective. Typically LiDAR data sets (point clouds) are analyzed by sophisticated algorithms that break down when conditions are not ideal, for example when some of the discontinuities are obscured by vegetation, or when significant portions of the rock face are composed of fractured facets, weathering generated surfaces, or anything that should not be identified as a discontinuity for the purposes of slope stability analysis. This paper presents a simple LiDAR point cloud viewer that allows the user to view the point cloud, identify discontinuities, pick three points on the surface (plane) of each discontinuity, and generate discontinuity orientations using the three-point method. Additionally, a test of our 3-D LiDAR viewer for discontinuity orientations on rock cuts in the United States of America and Canada is presented.     

用三维激光成像技术调查高陡边坡岩体结构

论文针对“罗盘 皮尺”传统模式调查高陡边坡岩体结构中的缺点,提出了三维激光成像技术调查高陡边坡岩体结构的新方法。利用三维激光成像技术可获得完全实景的数字模型,并在该数字模型上可直接量取点、线、面和三维实体空间坐标,从而进行结构面产状、迹长与连通率、间距等岩体结构特征参数计算和地质剖面切图。最后,以营盘山陡崖边坡为例,详细阐述了三维激光成像技术调查高陡边坡岩体结构特征参数方法及过程。结果表明,利用三维激光成像技术所得的结构面产状、间距等岩体结构特征参数要优于传统的“罗盘 皮尺”量测结果。因此,三维激光成像技术的引入,必将引发岩体结构特征参数测试技术革新性的发展。