復雜巖體結構精細描述及其工程應用

前言

　　大型土木工程建設通常將巖體作為建筑物的地基和建筑物的環(huán)境。由于不同建造的巖體在漫長的地質歷史時期曾經歷過多期的地質構造運動，以及淺表生地質作用的改造，巖體中廣泛存在規(guī)模不等、產狀不同、性質各異的各類不連續(xù)面，或稱之為結構面。正是由于這些結構面的存在，巖體具有顯著的結構特性，其主要特點是復雜性、非連續(xù)性、各向異性，以及力學響應的非線性特性，這些結構特性構成巖體中的薄弱部位，成為控制巖體穩(wěn)定性的重要因素之一?！　∽?0世紀50年代以來，各國學者通過許多大型工程實踐和一系列災害性的巖體失穩(wěn)事件逐步總結和認識到了巖體中的結構面對巖體變形及穩(wěn)定性所起到的重要作用，因此，幾十年來對巖體結構一直在進行研究。國際巖石力學學會也曾對巖體結構的實驗室試驗和野外試驗以及現(xiàn)場描述推薦過一些定量的指標體系。各國學者也曾在結構面的幾何特性、力學特性、結構面的網絡模擬方面做過大量的研究，取得了許多有意義的成果。但由于不同地區(qū)、不同建造和改造的巖體，其結構特征不同，因此，準確認識和描述巖體的結構和結構面仍然是一個難度很大的課題，也是工程地質和巖石力學領域的前沿和熱點課題。　　成都理工大學黃潤秋教授及其領導的課題組長期從事水電工程重大工程地質問題研究。他們在國家杰出青年科學基金資助的基礎上，結合長江三峽、金沙江溪洛渡、瀾滄江小灣、黃河拉西瓦、雅礱江錦屏等大型水電工程建設，選擇“復雜巖體結構精細描述及其工程應用”這一熱點問題作為攻關課題，歷經近十年，在大量扎實的野外工作基礎上，全面系統(tǒng)地總結了復雜巖體結構的精細描述與定量評價的方法，撰寫成這本系統(tǒng)專著?！　”緯到y(tǒng)地闡述了復雜巖體結構的形成機理、巖體結構面的分級調查技術與相應的指標體系，以及巖體中斷續(xù)結構面（基體裂隙）參數的調查測量與評價方法。特別是針對玄武巖體中發(fā)育的大型緩傾層間、層內錯動型結構面，提出了其結構面分類體系及工程應用的評價方法。在基體結構面參數的概率模型估計，尤其是跡長和連通率這兩個重要參數的估計方面取得了具有重要創(chuàng)新意義的成果。

內容概要

　　《復雜巖體結構精細描述及其工程應用》在充分掌握第一手資料的基礎上，結合現(xiàn)代數理分析手段，立足于復雜巖體結構的精細描述，提出適用于工程的復雜巖體結構面描述體系，并進一步討論其工程應用?！稄碗s巖體結構精細描述及其工程應用》共分12章。第1章至第6章主要論述巖體結構的形成機理分析，巖體結構面分級及調查技術，層間結構面分析，層內結構面工程特性研究，巖體結構的分析方法；第7章至第12章介紹了基體結構面調查與描述的普遍測網法，側裂面調查與描述，基體結構面二維、三維連通率研究，信息復雜巖體信息系統(tǒng)和三維可視化模型?！　　稄碗s巖體結構精細描述及其工程應用》可供土木工程、地質工程、巖石力學等專業(yè)的科技人員及高等院校相關專業(yè)師生參考。

書籍目錄

序前言1 概論1.1 引言1.2 隨機結構面國內外研究現(xiàn)狀1.2.1 結構面幾何特性研究1.2.2 結構面力學特性的研究1.2.3 隨機結構面網絡模擬研究1.3 軟弱結構面國內外研究現(xiàn)狀1.3.1 軟弱結構面的定義1.3.2 軟弱結構面的分類1.3.3 軟弱結構面的物理力學性質1.3.4 軟弱結構面的強度參數取值1.4 本書的主要研究內容及成果2 巖體結構的形成機理分析2.1 巖體結構的原生建造2.1.1 侵入巖地區(qū)巖體結構的原生建造2.1.2 噴出巖地區(qū)巖體結構的原生建造2.1.3 沉積巖地區(qū)巖體結構的原生建造2.1.4 變質巖軟弱巖帶的巖相分析2.2 巖體結構的構造改造2.2.1 黃河龍一拉地區(qū)巖體結構構造成因分析2.2.2 金沙江溪洛渡地區(qū)巖體結構構造成因分析2.2.3 長江三峽工程地下廠房區(qū)巖體結構構造成因分析2.3 巖體結構的表生改造2.3.1 河谷應力場特征及其發(fā)育的基本規(guī)律2.3.2 邊坡卸荷帶的形成及其分布規(guī)律2.3.3 緩傾角結構面表生改造機制分析3 巖體結構面分級及調查3.1 巖體結構面工程地質分級3.1.1 巖體結構面的工程地質分級原則3.1.2 金沙江溪洛渡水電工程壩區(qū)巖體結構面的工程地質分級3.1.3 長江三峽水電工程地下廠房區(qū)結構面的工程地質分級3.1.4 瀾滄江小灣水電工程壩區(qū)巖體結構面的工程地質分級3.2 結構面描述體系3.2.1 Ⅰ、Ⅱ級結構面描述體系3.2.2 Ⅲ級結構面(基體裂隙)描述體系3.3 巖體結構面調查方法3.3.1 Ⅰ、Ⅱ級結構面調查3.3.2 Ⅲ級(基體裂隙)結構面調查3.4 結構面調查數據的管理與分析3.4.1 數據管理與分析的通用方法3.4.2 數據管理與分析的專用方法——“ROCKs”簡介4 層間結構面分析4.1 概述4.2 層間結構面發(fā)育的基本特征4.2.1 層間結構面產狀及其變化4.2.2 層間結構面發(fā)育的構造模式4.2.3 層間結構面的地貌顯現(xiàn)規(guī)律4.2.4 層間結構面起伏變化規(guī)律4.2.5 層間結構面錯動強度的宏觀變化規(guī)律4.3 各層間結構面特征分析4.3.1 層間結構面C14.3.2 層間結構面C24.3.3 層間結構面C34.3.4 層間結構面c44.3.5 層間結構面C54.3.6 層間結構面C64.3.7 層間結構面C74.3.8 層間結構面C84.3.9 層間結構面C94.3.10 層間結構面C104.3.11 層間結構面C114.4 層內結構面分類及性狀總結5 層內結構面分析5.1 概述5.2 層內結構面的發(fā)育模式5.3 層內結構面發(fā)育的基本規(guī)律5.4 層內結構面綜合分類5.4.1 分類體系5.4.2 各類層內結構面特征簡述5.4.3 壩區(qū)層內結構面總體發(fā)育統(tǒng)計分析5.5 壩區(qū)可能構成控制性底滑面的層內結構面提取5.5.1 壩區(qū)重要層內結構面的提取5.5.2 壩肩抗力體及拱間槽部位可能成為控制性底滑面的層內結構面提取5.6 壩區(qū)與層間、層內結構面有關的工程地質問題5.6.1 變形穩(wěn)定性5.6.2 滲透變形和滲漏問題5.6.3 壩肩巖體抗滑穩(wěn)定性6 基體結構面的分析方法6.1 概述6.2 巖體結構的統(tǒng)計模型6.2.1 統(tǒng)計模型的基本原理6.2.2 巖體結構特征的統(tǒng)計分析6.3 巖體結構的概率模型6.3.1 跡長估計6.3.2 基于測網的平均跡長估計6.3.3 節(jié)理直徑分布及其大小估計6.3.4 結構面的連通率估計6.4 巖體結構的網絡模擬6.4.1 結構面網絡模擬的基本原理6.4.2 二維結構面網絡模擬6.4.3 三維結構面網絡模擬6.5 巖體結構的分形描述6.5.1 節(jié)理巖體分維計算及其影響因素6.5.2 結構面幾何參數的分維7 基體結構面調查與描述的普遍測網法7.1 概述7.2 基體裂隙的普遍測網法研究7.2.1 普遍測網法的現(xiàn)場調查7.2.2 普遍測網法的數據管理及數據處理技術7.2.3 數據處理結果總覽7.2.4 基體裂隙參數分析8 作為高拱壩側裂面的基體結構面調查與分析8.1 工程勘探布置概況8.2 壩肩側裂面普遍調查8.2.1 側裂面普遍調查方法8.2.2 壩肩側裂面優(yōu)勢方位分析8.3 側裂面專題調查8.4 側裂面全跡長調查8.5 側裂面調查成果的二維可視化8.5.1 基本原理8.5.2 構圖方法8.5.3 可視化成圖過程8.5.4 側裂面可視化圖8.6 側裂面基本地質特征及密度分區(qū)8.7 側裂面發(fā)育的空間特征8.7.1 側裂面發(fā)育的分層特征8.7.2 側裂面發(fā)育的部位特征8.8 側裂面發(fā)育狀況分區(qū)8.8.1 概述8.8.2 側裂面高程密度分區(qū)的方法8.8.3 側裂面高程密度分區(qū)結果分析9基體結構面跡長研究9.1 基體結構面跡長研究9.1.1 基體結構面全跡長調查9.1.2 結構面跡長概率模型9.1.3 廣義H-H跡長估計模型的推廣算法及H-H2跡長估計公式9.1.4 跡長估計模型的適用性分析9.2 基體結構面跡長綜合取值及其成果分析9.2.1 基體結構面跡長估計的綜合取值9.2.2 跡長估計方法的可靠性檢驗9.2.3 跡長估計成果分析10 基體結構面二維連通率研究10.1 基體結構面二維連通率概率模型10.2 壩肩抗力體基體結構面連通率概率模型估計10.3 基體結構面連通率的二維網絡計算10.3.1 2一D結構面網絡模擬方法10.3.2 二維結構面網絡模擬過程10.4 基于2一D結構面網絡模擬的連通率計算10.5 基體結構面Monte-carlo網絡模擬及其連通率計算11 基體結構面三維連通率研究11.1 概述11.2 巖體結構面三維網絡模擬11.2.1 左岸壩肩抗力體基體結構面主要特征11.2.2 右岸壩肩抗力體基體結構面主要特征11.3 巖體結構面三維網絡數值模型的檢驗11.4 壩肩抗力體基體結構面三維連通率11.4.1 壩肩抗力體小模型基體結構面三維連通率11.4.2 壩肩抗力體大模型基體結構面三維連通率11.5 壩肩抗力體基體結構面三維連通率綜合分析11.5.1 壩肩抗力體基體結構面三維連通率概率分布特征11.5.2 壩肩抗力體基體結構面三維連通率綜合取值11.6 考慮節(jié)理為薄橢圓盤時基體結構面的三維連通率計算11.7 小結12 復雜巖體結構信息系統(tǒng)和三維可視化模型12.1 概述12.2 系統(tǒng)的一般特征12.2.1 軟件開發(fā)平臺12.2.2 軟件的基本結構12.3 巖體結構信息管理系統(tǒng)12.3.1 數據庫表的建造12.3.2 數據庫管理模塊的建造12.4 I、Ⅱ級結構面的三維可視化模型及其構圖系統(tǒng)12.4.1 可視化地質模型構圖系統(tǒng)類結構12.4.2 二維可視化地質模型構圖技術12.4.3 三維可視化地質模型構圖12.5 基體結構面可視化研究12.5.1 基體結構面的二維顯示12.5.2 結構面三維圖形顯示12.5.3 空間復雜塊體的搜索與顯示參考文獻

章節(jié)摘錄

　　本書從巖體結構的地質成因出發(fā)，以對結構面的深入和精細描述為目標，結合大型工程實踐，較為系統(tǒng)地研究了復雜巖體結構的形成機理、結構面的工程地質分級以及描述指標體系；針對短跡長的基體結構面，系統(tǒng)地建立了其野外數據采集與分析評價方法，提出了從確定性模型到隨機模型多種結構面參數的估計途徑和模型；結合金沙江溪洛渡、長江三峽等大型水電工程實踐，進行了有針對性的應用研究，為解決工程所涉及的相關問題提供了豐富的資料和可靠的依據。　　在研究期間（1995～2002），我們共收集野外測量與觀測數據30余萬個，形成各種分析數據近百萬個，取得了以下主要的成果：　　1）結合大型工程實踐，較為系統(tǒng)地闡明了復雜巖體結構形成的原生建造、構造改造、時效變形三階段的演化與發(fā)展歷史；尤其是從河谷發(fā)育的動力學過程出發(fā)，深入揭示了巖體結構的表生改造機理和表生改造對結構面工程地質性狀的影響，總結了河谷邊坡表生改造卸荷帶的形成規(guī)律；通過室內卸荷巖石力學實驗，模擬再現(xiàn)了表生改造破裂機理及其與河谷下切卸荷過程的關系。　　2）從系統(tǒng)工程地質學的角度出發(fā)，提出了結構面的工程地質分級，針對不同級別的結構面，提出了其描述的指標體系；尤其是對花崗巖和玄武巖地區(qū)結構面的描述和非夾泥型結構面的描述，既充分考慮了結構面的地質屬性，同時又體現(xiàn)了其工程屬性?！　?）針對玄武巖地區(qū)層間和層內錯動帶的普遍性和特殊性，本書以結構面的地質成因為基礎，結合金沙江溪洛渡水電站工程的具體實踐，提出了這類結構面分類體系及工程應用的評價方法，較為系統(tǒng)地闡明了這兩類結構面的發(fā)育分布規(guī)律和結構面特征參數的變化規(guī)律，尤其是結合這兩類結構面的工程適宜性評價，提出了控制性結構面的提取途徑和與工程相關的結構面參數的提取與評價方法?！　?）從不同的適宜條件和目的出發(fā)，提出了基體結構面調查的普遍測網法、全跡長調查法、跡長估計法等。普遍測網法用來對壩區(qū)節(jié)理進行系統(tǒng)測量和全面的控制，建立研究區(qū)基體結構面各類參數系統(tǒng)的統(tǒng)計模型；全跡長調查法用來針對某一特定方向的基體裂隙進行全跡長測量，以確定該方向節(jié)理組跡長和連通率；跡長估計法是基于窗口法對節(jié)理跡長的估計能力，對基體裂隙的跡長和連通率進行概率模型估算。本書給出了以上各種方法的野外工作程序、數據采集與收集、數據處理與評價方法等，并針對普遍測網法，開發(fā)了結構面信息管理與數據處理的ROCKS系統(tǒng)。

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