第一章 绪论 1
1.1 多尺度的含义与尺度效应 1
1.2 多尺度地质结构三维计算机仿真的背景 3
1.3 多尺度地质结构建模技术现状 4
1.3.1 三维地质模型建模技术的研究现状 4
1.3.2 国外应用程序的开发现状 5
1.3.3 国内应用程序的开发现状 5
1.3.4 地质结构三维建模在水利水电工程中的应用现状 6
1.4 多尺度地质结构三维仿真的应用前景 9
参考文献 9
第二章 多尺度地质结构面信息获取方法 12
2.1 岩体结构的空间特征 12
2.2 区域尺度地质结构面信息获取方法 14
2.2.1 地质雷达测量技术 14
2.2.2 遥感测量技术 15
2.2.3 反射波法地震映像勘探 15
2.2.4 高密度电法勘探 16
2.2.5 磁法勘探 19
2.3 工程尺度结构面信息获取方法 19
2.3.1 野外地质露头调查方法 19
2.3.2 地质构造的调查 21
2.3.3 近景摄影测量法 23
2.3.4 工程地质钻探 24
2.4 统计尺度结构面信息获取方法 24
2.4.1 结构面调查统计均质区的确定 26
2.4.2 露头面的选择 26
2.4.3 结构面的野外测量方法及描述 27
参考文献 29
第三章 工程尺度结构面三维几何模拟理论与方法 30
3.1 概述 30
3.2 地质结构三维模拟模型 32
3.2.1 人工神经网络模型 32
3.2.2 地质体三维模拟方法 35
3.3 地形面与地质分界面拟合几何建模方法 37
3.3.1 三角B-B曲面的地形模拟 37
3.3.2 基于三维散乱数据地形面的构造 38
3.3.3 特殊地形的模拟 39
3.4 地层层面的模拟 40
3.4.1 层状结构面的建模 40
3.4.2 层面几何模拟的人工神经网络法 42
3.5 褶皱构造的模拟 46
3.5.1 褶皱构造建模的基本理论 46
3.5.2 褶皱构造建模的方法 47
3.6 单一断层的模拟 49
3.6.1 断层的空间表示方法 49
3.6.2 断层建模方法 50
3.6.3 基于钻孔数据的断层建模过程 51
参考文献 52
第四章 统计尺度地质结构面三维几何模拟 55
4.1 结构面自然特征的定量描述 55
4.1.1 结构面规模 55
4.1.2 结构面产状 56
4.1.3 结构面间距 56
4.1.4 结构面延展性 57
4.1.5 结构面粗糙度 57
4.1.6 结构面组数 57
4.1.7 结构面张开度和填充物 57
4.1.8 岩石块体大小 58
4.2 结构面发育规律的统计研究 58
4.2.1 结构面系统的特点 58
4.2.2 结构面分布的统计规律性 60
4.3 结构面实测数据的统计方法 61
4.3.1 结构面分组 61
4.3.2 结构面几何参数的统计 63
4.4 结构面几何参数误差的分类及来源 64
4.4.1 采样误差 64
4.4.2 统计误差 65
4.4.3 测量误差 66
4.4.4 结构面产状测量误差的纠正 66
4.4.5 结构面迹长的测量误差 67
4.4.6 结构面密度的取样误差及修正 68
4.5 裂隙岩体三维结构面网络模拟方法 69
4.5.1 结构面几何参数的概率分布统计特征 70
4.5.2 Monte-Carlo随机模拟方法 71
4.5.3 结构面几何参数的模拟理论 74
4.5.4 结构面密度的确定 75
4.5.5 结构面位置的确定 77
4.6 结构面三维网络模拟的计算机实现 78
4.7 结构面三维网络图像的可视化方法 80
4.7.1 结构面三维网络模拟可视化方法 80
4.7.2 3DNET程序简介 80
参考文献 87
第五章 复杂地质体三维几何模拟理论与算法 89
5.1 复杂地质体三维模拟的基本思路 89
5.2 断裂型地质体的三维建模技术 90
5.2.1 断层网络建模技术 90
5.2.2 断裂岩体的实体建模技术 91
5.2.3 长大结构面的模拟 92
5.3 褶皱型地质体的三维建模技术 94
5.3.1 常见的褶皱模型 94
5.3.2 褶皱实体建模技术 94
5.4 曲面与曲面求交算法 95
5.5 平面与曲面相交的算法 96
5.6 地质剖面切取算法 96
5.6.1 一般性剖面的切取算法 97
5.6.2 特殊剖面切取 98
5.6.3 统计尺度结构面在剖面上的求解 99
5.7 三维地质体可视化的开发环境简介 105
5.7.1 OpenGL的基本功能 105
5.7.2 OpenGL的开发环境 106
5.7.3 IDL简介 107
5.8 复杂地质体三维可视化实现过程 108
5.8.1 基于钻孔数据的三维地质结构建模 108
5.8.2 建模基本原理 108
5.8.3 插密 110
5.8.4 钻孔数据的组织与管理 110
5.8.5 地质体模型的各种交互显示 111
5.8.6 地质体模型管理器 111
5.9 三维地质结构模拟可视化软件3DGEOLOGY简介 111
5.9.1 数据库建立过程 111
5.9.2 钻孔数据输入 112
5.9.3 程序部分原代码 113
参考文献 127
第六章 基于三维地质结构模拟的岩体质量评价 130
6.1 基于地质体三维模拟的RQD确定 130
6.1.1 RQD的概念 130
6.1.2 从地质体三维模拟图上测量RQD 131
6.2 岩体质量评价方法与标准 133
6.2.1 岩体质量分级方法的现状 133
6.2.2 岩体质量评价标准 136
6.3 基于三维地质结构图像的岩体质量综合评价 142
6.3.1 利用三维地质结构图像确定部分岩体质量评价因子的方法 142
6.3.2 坝基岩体的工程质量预测 144
6.3.3 工程岩体质量评价及分级程序ROCKCLASS编制 148
6.3.4 边坡岩体工程地质分类 150
6.4 三维地质结构模拟在坝基抗滑稳定分析中的应用 152
6.4.1 坝基滑动破坏的类型 152
6.4.2 坝基岩体抗滑稳定性评价的基本步骤 152
6.4.3 坝基抗滑稳定分析 153
6.4.4 工程实例——宜兴抽水蓄能电站上水库坝基抗滑稳定分析 154
6.5 基于结构面多尺度三维网络的岩体工程地质分类实例 166
6.5.1 围岩分类的基本依据和分类方法 166
6.5.2 围岩分类工程实例 166
参考文献 170
第七章 基于统计尺度结构面模拟的岩体强度确定 171
7.1 裂隙连通率的定义 171
7.1.1 传统工程地质学关于连通率的定义 171
7.1.2 考虑岩桥强度的连通率定义 172
7.1.3 结构面三维连通率的定义 172
7.2 基于岩体结构仿真图像的三维裂隙连通率确定方法 173
7.2.1 结构面三维网络图像的二维离散 173
7.2.2 根据岩桥破坏机理确定剪切面上的结构面 174
7.2.3 三维剪切面的曲面拟合方法 176
7.2.4 剪切面上三维连通率的计算 181
7.3 基于模拟退火算法的三维连通率计算 184
7.3.1 模拟退火算法简介 184
7.3.2 基于模拟退火算法确定连通率 185
7.4 裂隙岩体综合抗剪强度取值方法 186
7.5 工程应用实例 187
7.5.1 工程概况 187
7.5.2 心墙堆石坝方案溢洪道的工程地质条件 187
7.5.3 结构面现场调查及统计 190
7.5.4 糯扎渡工程边坡节理岩体的连通率 192
参考文献 194
第八章 基于地质结构模拟的边坡多尺度稳定分析 196
8.1 岩石高边坡多尺度稳定性评价方法 196
8.1.1 边坡变形破坏的模式及判别方法 196
8.1.2 岩质边坡稳定性分析的Sarma方法 203
8.1.3 裂隙边坡稳定性分析EMU方法 207
8.2 工程尺度边坡结构体稳定分析 208
8.3 基于三维地质结构模拟的随机楔体搜索方法 210
8.3.1 开挖面上结构面迹线的确定 210
8.3.2 随机楔体的搜索方法 211
8.4 随机楔体的稳定分析 212
8.4.1 随机楔体结构面力学指标的确定 212
8.4.2 随机楔体的稳定分析 213
8.4.3 基于统计尺度网络模拟的随机楔体稳定分析过程 217
8.4.4 边坡块体稳定分析程序SLOPE-3D简介 218
8.5 基于裂隙网络模拟的岩石高边坡潜在滑裂面的确定 219
8.5.1 模拟退火算法搜索滑裂面的过程 220
8.5.2 模拟退火算法搜索滑裂面通用程序SlopeCut 221
8.6 小湾电站地下厂房进水口高边坡随机楔体稳定分析 222
8.6.1 工程概况 222
8.6.2 工程地质概况 222
8.6.3 边坡岩体结构面几何参数的统计与分析 224
8.6.4 边坡岩体结构面网络的三维随机模拟 236
8.6.5 开挖边坡结构面三维连通率确定 237
8.6.6 进水口开挖边坡三维随机块体稳定性分析 239
8.7 天荒坪“3.29滑坡”三维地质结构模拟与滑动面搜索实例 243
参考文献 259
第九章 基于地质结构模拟的围岩块体稳定分析 260
9.1 概述 260
9.2 地下工程岩体结构的工程尺度三维几何模拟 262
9.2.1 洞室形状的几何模拟 262
9.2.2 工程尺度地质结构面的模拟 262
9.3 基于工程尺度结构面控稳的围岩稳定块体分析 264
9.3.1 块体的定义和分类 264
9.3.2 块体的有限性和可动性 265
9.3.3 力的平衡和运动学判别 267
9.3.4 定位块体和半定位块体的稳定性分析 270
9.4 基于统计尺度结构面模拟的随机块体稳定性评价 273
9.4.1 洞室围岩随机块体稳定分析 273
9.4.2 稳定分析结果的数据处理 275
9.5 多尺度地下工程围岩稳定分析可视化程序3DBlock 276
9.5.1 程序开发的目的 276
9.5.2 3DBlock程序的基本功能 276
9.5.3 3DBlock程序介绍 276
9.6 西龙池抽水蓄能电站地下厂房围岩块体稳定分析实例 279
9.6.1 工程概况 279
9.6.2 厂房区工程地质概况 279
9.6.3 围岩块体稳定性分析资料的准备 283
9.6.4 围岩工程尺度块体稳定性分析结果 285
9.6.5 统计尺度随机块体稳定性分析 290
参考文献 304
第十章 锚固效应及基于地质结构模拟的锚固设计 306
10.1 概述 306
10.2 预应力锚固效应 309
10.2.1 预应力锚固的物理效应 309
10.2.2 岩质高边坡预应力群锚加固效应 316
10.3 工程尺度结构体预应力锚固优化设计理论 320
10.3.1 影响岩锚支护参数确定的因素分析 321
10.3.2 决策分析的概念和决策模型 323
10.3.3 风险损失的估算方法及锚固系统失效模式 325
10.3.4 岩锚支护参数的最优决策分析 327
10.3.5 预应力锚索加固决策系统 334
10.4 基于统计尺度结构面模拟的系统锚固设计 334
10.5 工程尺度块体锚固设计工程实例 336
10.5.1 工程尺度块体锚固设计的基本步骤 336
10.5.2 西龙池电站地下厂房围岩定位块体预应力锚索加固实例 338
10.6 统计尺度块体锚固设计工程实例 343
10.6.1 统计尺度随机块体锚固设计的基本过程 343
10.6.2 小湾水电站进水口高边坡随机楔体锚杆加固设计 343
10.6.3 西龙池抽水蓄能电站地下洞室群围岩随机块体锚固设计 345
参考文献 346
第十一章 基于岩体结构模拟的裂隙渗流与排水设计 349
11.1 裂隙岩体渗透张量计算的Snow方法 349
11.2 基于裂隙张量的渗透能量确定方法——Oda法 350
11.3 基于裂隙网络的神经追踪法确定裂隙岩体的渗透张量 356
11.3.1 单条裂隙渗透流的描述 356
11.3.2 基于裂隙网络神经追踪的渗透张量求解 357
11.3.3 实例验证 359
11.4 基于裂隙网络的最优排水系统设计方法 360
11.4.1 排水孔方案 361
11.4.2 辐射井排水方案 362
11.4.3 排水廊道方案 362
参考文献 364
第十二章 基于地质结构模拟的工程场地适宜性评价 366
12.1 概述 366
12.2 地质环境评价的数据采集 366
12.2.1 建模范围及数据源 366
12.2.2 地质环境评价数据采集 366
12.3 地质环境工程适宜性评价方法 368
12.3.1 基本原理 368
12.3.2 评价单元的划分 368
12.3.3 评价因子的确定 370
12.3.4 工程场地适宜性评价态势分析 370
12.3.5 工程场地适宜性评价模糊层次决策分析 371
12.4 地质环境工程适宜性评价AHP-R软件开发 372
12.5 长江江苏段岸线地质环境工程适宜性评价实例 374
12.5.1 沿江地区地质环境概况 374
12.5.2 长江岸线稳定性 381
12.5.3 长江江苏段岸线带三维地质结构模拟 385
12.5.4 工程场地适宜性评价单元及因子的确定 386
12.5.5 岸线开发工程场地适宜性评价态势分析 395
12.5.6 岸线开发工程场地适宜性评价的层次分析法 401
12.5.7 基本结论 418
参考文献 427