一、結構面網路模擬的簡介
1、結構面概念
結構面作為組成岩體基本單元之一，它是岩體結構的薄弱環節。結構面相互之間的組合、交切和圍限情況則控制著岩塊的形態和規模。因此，在岩體的兩大基本組成單元之中，結構面在岩體的力學性質中起著決定性的控制作用，是影響岩體強度和變形的主要因素。
從而，對結構面的研究在岩體結構研究領域顯得非常重要且十分有意義。
在漫長的地質歷史演變過程中，岩體受到了多期構造應力場的長期作用，使得結構面的分布具有隨機性、形態具有多樣性、空間組合具有複雜性。而目前的地質勘察手段僅僅只能採取到岩體天然或人工露頭面出露的有限結構面樣本資料。如何利用有限的樣本資料，實現岩體內部結構的顯示是當前岩體力學研究的熱點。
隨著計算機技術的迅速發展，各種模擬岩體結構面網路的技術逐步發展起來，並開始**其在實際工程中的應用。
通過對岩體結構面三維網路的計算機模擬技術的學習。了解到通過對岩體露頭進行勘測，採取有效的樣本資料，進而分析推求岩體的內部結構，「由表及裡」，實現岩體結構的**模擬影象化。並將其應用到岩質邊坡工程中，進行了初步的應用**。
結構面三維網路模擬是基於數學統計理論和monte carlo隨機模擬原理兩個基本理論，將岩體露頭面的大量結構面幾何特徵資料進行有效統計分析找出其基本規律，建立合適的岩體模型，將結構面的空間分布形態合理地進行模擬，並以數字影象形式直觀呈現。在岩質邊坡工程中的應用，則是基於岩體結構面的三維網路，實現岩質邊坡潛在滑動面的搜尋以及邊坡臨空面危岩塊體的搜尋，進而對邊坡整體的穩定性和臨空危岩楔體的穩定性進行分析和評價，用以指導邊坡防護設計及其措施優化的依據。
2、結構面網路模擬原理及其研究現狀
自然界中的岩體，通常都包含有大量不連續分布的結構面，其分布狀況對岩體的巨集觀力學特性起著重要的控制作用。在工程實際中，岩體結構面的分布情況是極為複雜的，但從統計意義上講，反映岩體結構面分布特徵的幾何引數（傾向、傾角、跡長、間距等）都是服從一定的統計規律的。因此我們可以通過在現場一定範圍內對結構面做野外實測，通過分析整理得出結構面各幾何引數的分布函式形式及其相應的平均值、標準差，再通過電腦程式對結構面進行網路模擬。
總體說來，計算機結構面網路模擬就是根據現場量測到的結構面的各種幾何引數的概率分布函式，來推求服從這些分布規律的結構面網路幾何圖形。實現計算機網路模擬過程所採用的方法為蒙特·卡洛方法。自上世紀50年代開始，就有人致力於結構面網路模擬的研究，並得出了各種模型及方法。
國內的汪小剛、陳祖煜教授在岩石結構面網路模擬方面做了大量的工作，陳劍平教授在三維網路模擬方面取得了一定的成果。利用這些方法均可以獲得岩體的連通率，進而根據岩石、結構面的強度得到岩體的強度引數。現今，結構面網路模擬己被廣泛應用於多項生產實際之中。
二、結構面網路模擬的主要方法
這裡的模擬過程主要是指結構面網路圖、連通圖、線密度圖、rqd圖的實現。大體做法及應用存在於以下幾個方面：
基於概率統計理論的現場結構面樣本資料的系統化量測和統計分析方法；（2）應用隨機模擬理論（蒙特卡羅模擬法）的計算機再現模擬。
隨機模擬，也稱蒙特卡羅模擬法，它是一種通過對隨機變數的模擬和統計試驗來求工程技術問題近似解的方法。應用隨機模擬法的第一步是建立與所要解決問題有相似性的概率模型（ 隨機事件、隨機變數）；然後對這種相似概率模型進行隨機抽樣模擬，使隨機過程得以實現；最後對模擬結果進行統計處理，以給出所求問題的解和解的精度的估計。其理論基礎是「大數定律」。
結構面網路的隨機模擬就是在結構面分組的基礎上，通過對結構面各幾何引數進行統計，得到其分布模型，並借助這些模型，模擬產生與這個概率模型相似或平行的隨機數，在計算機上再現結構面在三維工程岩體中的分布。在本文採用的模擬中，假定結構面的形狀為薄圓盤，其實現過程如下所述：採用測線法進行野外結構面測量，獲取大量結構面調查資料。
室內將結構面產狀及其法向的極點投影至等面積的施密特圖上，得到結構麵等密度圖，由等密度圖可以進行結構面分組，獲得優勢結構面的組數；當然這只是數量優勢結構面，在實踐中還需結合工程判斷，區分出統計優勢結構面和地質優勢結構面，突出真正對工程意義重大的優勢結構面。獲得結構面分組後，可以對各組優勢結構面分別統計，同時對產狀和跡長進行偏差校正，確定各幾何特徵引數的概率分布型別、均值、方差。依據優勢結構麵組數，及各組優勢結構面的幾何特徵引數，進行蒙特卡羅網路模擬，得到岩體的結構面網路模型。
並可切割模型，繪製結構面在橫剖面、縱剖面及平面上的網路圖。橫剖面走向與測線走向一致，縱剖面走向與測線垂直，平面走向為正東方向。網路模型生成後，還不能直接用於工程運用與計算，還需要進行模型檢驗。
所謂模型檢驗，即在生成的模型中切取與實際取樣段同樣大小的檢驗窗，將檢驗窗中出露的跡長、產狀、出露的結構麵條數等資訊與野外實際取樣段內的資訊進行圖形和數值對比，如果各個引數的數值接近，則認為模型檢驗結果良好，可以參與工程計算；如果模型與實際情況差距較大，則必須重新模擬，使模型與實際情況盡量一致，降低尺寸效應的影響
1、岩體結構面幾何引數的概率統計模型
建立岩體結構面幾何引數的概率統計模型是進行結構面網路模擬的前提和基礎。岩體結構面的空間分布特徵主要由結構面的傾向、傾角、隙寬（開度）和跡長（延伸長度）等幾何引數所決定。這些引數的樣本資料可通過在現場露頭、平硐或鑽孔（測井）中測量獲得。
結構面每個幾何引數的概率統計模型，可以採用標準的統計分析方法建立，目前我們已提供了乙個十分便利的應用程式。該方法包括以下幾個步驟：（1）建立乙個樣本的直方圖；（2）根據概率圖，找到與樣本最適配的一種概率密度分布函式；（3）通過極大似然法或最小二乘擬合，求出與選定的概率分布函式相關聯的樣本的統計引數，如平均值和標準偏差。
2、岩體結構面網路計算機模擬岩體結構面網路計算機模擬過程實際上是結構面現場測量統計的逆過程。概括起來說，就是根據實測統計分析建立的關於結構面幾何引數的概率統計模型，應用蒙特卡洛法，按已知密度函式進行「取樣」，從而得出與實際分布函式相「平行」或相「對應」的人工隨機變數，這些變數包括了結構面的的傾向、傾角、結構面的長度以及位置等，然後在計算機中以圖象的形式再現出來。
3、節理岩體連通率的確定方法當岩體受剪破壞時，滑裂面一部分通過岩體中的結構面，一部分通過這些結構面之間的完整岩石（岩橋），確定由結構面和巖橋共同提供的岩體綜合抗剪強度，始終是工程界廣泛關注的問題。與這個問題密切相關的，就是確定節理岩體連通率的問題。與以往純幾何(投影法)的概念不同，在我們的研究工作中對連通率的定義作了擴充，將連通率定義為岩體沿某一剪下方向發生剪下破壞所形成的破壞路徑中結構面所佔的比例：
式中∑jl和∑rbr分別代表剪下路徑上結構面和巖橋的總長度。
4、考慮節理掩體連通率各異性的邊坡穩定分析方法
在現有的各種邊坡穩定極限平衡分析方法中，由於sarma法採用了斜分條的模式，可以很好的模擬包含在岩體內的各個不同方向的結構面，因此在岩質邊坡中得到了廣泛的應用。最近，我們將連通率的分析結果引入到邊坡穩定分析中，發展了一種在sarma法中可考慮節理岩體連通率各向異性的穩定分析的新方法[16]。在該方法中，底滑面和條間介面的抗剪強度指標根據與它們剪下方向相關的連通率來確定。
5、層狀岩體塊體離散及傾倒分析地質概化模型的建立。
傾倒破壞是反傾向層狀結構岩質邊坡常見的一種失穩破壞形式，當岩體中又同時存在有一組或幾組順坡向結構麵時，這種破壞形式就更為典型。目前對傾倒破壞的研究，主要採用的是hoek[20]的極限平衡分析、離散元分析以及模型試驗等方法。無論採用何種方法，地質模型的概化(即合理的塊體離散)是必須首先解決的問題。
但是，實際工程中岩體結構面的分布情況是極為複雜的，要從如此複雜的網路圖中，抽取出計算分析和試驗所能採用的概化模式，並不是一件容易的事情。由於受結構面隨機分布的影響，在概化模型的建立過程中，重要是確定與塊體離散有關特徵參量的統計均值，或者按某一概率分位數選取的辦法，建立穩定分析和試驗所需的概化模式。當然如果採用可靠度的分析方法，將這些參量直接作為隨機變數來處理，則更為合理。
6、結構面模擬分析在岩體質量研究中的應用
在總結以往岩體質量分類經驗基礎上，突出岩體的結構特徵分析與研究，闡明了岩體質量評價的理論方法、指標體系，結合例項建立了一種簡潔、實用的岩體質量評價體系。在這一系統中，突出了岩體結構面網路模擬分析在評價中對確定rod 值的重要性，解決了rod 值的定量分析。通過工程實踐說明這一評價體系對工程建設具有重要指導意義。
7、利用岩石結構面網路模擬計算岩體頻寬連通率及岩體強度引數
利用路徑搜尋法計算岩體的連通率，所得到的破壞路徑是一條折線，計算強度引數時就要根據岩體的破壞機理進行分析計算。而利用頻寬投影法進行計算時，剪下方向為一條直線，計算得出的頻寬連通率即是此方向上的連通率。
三、結構面網路模擬的應用例項
擬建的金沙江白鶴灘電站位於金沙江下游攀枝花至宜賓河段。壩址區主要出露二疊系上統玄武岩和三疊系下統砂頁岩，玄武岩由於受噴發旋迴影響，可以劃分為斜斑玄武岩、隱晶-微晶玄武岩和柱狀節理玄武岩等幾類，其中隱晶-微晶玄武岩呈塊狀構造，主要發育3 組陡傾構造裂隙。在現場採用測窗法對隱晶-微晶玄武岩中的構造裂隙進行量測，並取典型岩塊和結構面樣進行室內試驗。
圖8 是依據結構麵量測結果繪製的產狀等密度圖，表1 中給出了各組結構面特徵引數的統計結果，同時還給出了各組結構面變形引數的室內試驗結果，圖9 是在計算機中生成的5 m 範圍內的隨機裂隙網路。圖10 和圖11 分別為在圖9 的基上生成的連通水力網路和有限元網格。給圖10 中的連通水力網
絡施加圖12 所示水頭邊界條件（左右兩側定水頭，頂、底面漸變水頭）、給圖11 中的有限元網格施加圖13 所示荷載邊界條件（頂、底面受均布荷載作用），分別進行裂隙網路滲流模擬和線彈性有限元計算，可以得到圖14 所示水頭等值線圖和圖15 所示y 方向位移等值線圖，圖中對應給出了節理網路形態。有限元計算時岩塊彈性模量取60 gpa，泊松比取0.23。
由計算結果不難看出，節理網路的存在對滲流場和變形場有較大影響，考慮節理網路的滲流場、位移場模擬結果較不考慮節理網路的均質體模擬結果更真實、更合理。
四、總結
在工程實際中，岩體結構面的分布情況是極為複雜的。但從統計意義上來說，反映岩體結構面的分布特徵的幾何引數則服從一定的概率分布規律。因此，我們可以通過現場實地調查和室內統計分析，建立結構面幾何引數的概率統計模型，進而應用隨機模擬的方法，在計算機上求得表徵結構面分布特徵的節理網路圖象。
岩體結構面網路模擬過程實際上是乙個現場測量統計的逆過程。概括而言，就是根據實測統計分析建立的關於結構面各幾何特徵引數的概率密度函式，通過蒙特卡羅方法，按已知密度函式進行「取樣」，從而得出與實際分布函式相「平行」或相「對應」的人工隨機變數。這些隨機變數包括了結構面的傾向、傾角、結構面的長度以及結構面位於模擬區域內的中點座標等，進而可以推算出每一條結構面的端點座標。
所有這些結構面組合起來即構成了岩體結構面的網路圖象。但是這個節理網路圖象並不是岩體節理面的真實圖象，它只是真實影象的乙個隨機抽樣。隨著這種隨機抽樣數目的增加，在模擬圖象上獲得的資訊的平均值將逐步逼近該資訊的真實值。
主要參閱文獻：
1、《結構面模擬分析在岩體質量研究中的應用》王環玲，餘巨集明，晏鄂川（中國地質大學（武漢）工程學院武漢市430074）
2、《岩體結構面網路計算機模擬及其工程應用研究》 汪小剛賈志欣 （中國水利水電科學研究院岩土工程研究所）
3、《岩體三維網路模擬技術及其在三峽工程中的應用》鄔愛清周火明任放（長江科學院岩基研究所 ）
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