地下矿山裂隙岩体结构均质区三维划分方法研究

针对现有岩体结构均质区划分方法应用于地下矿山时存在细节辨识能力偏弱等问题,开展地下矿山岩体结构均质区三维精确划分方法研究。以广西铜坑矿锌多金属矿体3^#矿块为例,从岩体空间结构展布特性出发,构建由确定性与随机性结构面耦合的裂隙岩体三维模型;将岩体模型正交网格离散化,并选取模型网格子区的块体化程度值为均质区划分判据;利用K-means算法衡量不同数据源(网格)的相似性,结合误差平方和(SSE)度量聚类质量;最后重构三维岩体结构均质区,形成了一种地下矿山岩体结构均质区三维划分方法。研究成果表明:利用该方法能够从三维角度精确划分地下矿山岩体结构均质区,可为后续岩体质量评价及岩体离散元模拟的模型构建等工作提供有益参考。     

高放废物处置库北山预选区岩体筛选定量研究

以北山预选岩体的地学数据集成为基础、GIS技术为支撑,开展预选区众多岩体筛选特征分析,针对预选区岩体规模、形态与完整性开展定性及定量研究,为北山预选区岩体筛选和评价提供方法与依据。     

基于裂隙产状和迹长划分岩体统计均质区研究

岩体统计均质区的划分是岩体工程设计的首要步骤,因为不同的均质区内岩体的结构特性和力学特性都存在差异。大多研究考虑产状或者其他单一参数划分岩体统计均质区,却很少有人考虑多参数进行划分研究。考虑了裂隙产状、迹长两个参数,提出了一种划分裂隙岩体统计均质区的新方法,即基于秩和检验评价两个样本之间的相似性,从而实现对裂隙岩体统计均质区的划分。结合工程实例即云南省马吉水电站左岸坝肩某两高程4个平硐的岩体结构统计均质区划分,分析了多参数对裂隙岩体统计均质区划分的影响。研究结果表明：PD241和PD253、PD201和PD241分别划分为一个统计均质区,而PD201和PD251 以及PD251和PD253不具有统计相似性。考虑了产状和迹长因素对岩体统计均质区的影响,划分结果较Miller方法更加合理可靠。结合现场调查分析,新方法的结果更加吻合实际情况。     

甘肃北山岩体结构均质区划分方法的探讨

岩体结构均质区是针对实际工程特点而划定的成果,在实践过程中需要根据具体工程,抓住主要矛盾,选择最具影响性的要素作为划分依据。针对高放废物地质处置预选区两个重点问题--核素迁移和围岩稳定,合理确定了花岗岩体内结构均质区划分的依据以及与之相对应的划分方法。通过实际工程应用,认为得到的结果较为可靠,过程较易于实现,有一定的推广价值。     

甘肃北山花岗岩岩体结构面粗糙度系数（JRC）研究

岩体结构面表面形态研究对岩石工程结构体强度及变形特征研究评价具有重要的指导意义.文章评述了现有岩体结构面粗糙度系数(JRC)的各种测定方法及存在的问题,分析了在高放废物处置库预选场址甘肃北山花岗岩地区,用"简易纵剖面仪"进行地表岩体及钻孔岩心裂隙结构面JRC的测量结果.     

非均质共面断续节理岩体拉伸剪切破裂机制研究

工程开挖面附近卸荷扰动区的岩体,受结构面和拉应力共同影响作用,其变形和破坏具有拉剪复合特征。为研究节理岩体的拉剪力学特性,基于颗粒离散元法针对共面断续节理岩体开展了系列数值模拟研究。通过假设粒间接触的力学参数服从Weibull分布表征岩体的非均质性,探讨了非均质性、均质度、法向拉应力和节理连通率对节理岩体拉剪强度和破坏模式的影响。研究表明:拉剪应力条件下非均质性节理岩体主要沿阶梯型破裂面破坏,剪应力-水平位移曲线可以分为线性变形阶段、非线性变形阶段、峰值及峰后阶段;随均质度提高,节理岩体的剪切强度逐渐增加且提升幅度逐渐减弱,趋于均质岩体,岩体中微裂纹由弥散型分布向破裂面集中;节理岩体峰值剪切强度和法向拉应力的大小呈非线性负相关关系;岩体剪切强度随节理连通率增加而显著降低。     

高放废物处置北山预选区地表岩体结构与岩体质量相关性及其应用研究

岩体工程质量是影响高放废物地质处置（HLW）工程长期稳定性和安全性的关键因素,也是处置库场址比选的重要依据。在地表岩体节理调查统计的基础上,采用RMR(relative metabolic rate)分级方案,探讨北山高放废物处置预选区内以花岗岩为主体围岩的岩体质量与岩体结构的对应特征,建立结构面间距D与RMR岩体质量总评分值之间的定量关系,对北山预选区芨芨槽地表岩体质量分布进行研究。研究结果表明,RMR与D值的点群分布具有扇形发散的正相关特征,随D值的增大,RMR亦呈增长趋势,但低级序岩体结构与岩体质量比高级序岩体表现出更好的对应关系。研究认为,选用RMR与D的点群中心线对应的线性方程评价花岗岩候选区的岩体质量可达到快速评价岩体质量、查明各级岩体空间分布特征的目的,同时也便于对不同候选场区进行大范围岩体质量对比。分析结果显示,北山芨芨槽预选地段BS16钻孔周边3 km2范围内主要以Ⅰ、Ⅱ级岩体为主,岩体质量总体较好且分布相对较为均匀。     

岩体结构统计均质区的划分

本文介绍由Ｍｉｌｌｅｒ提出的基本概率统计理论的关联表分析，结合施密特投影图研究岩体统计均质区的划分方法。对该法进行了适当的修改，编写了相应的计算机程序。并对三峡永久船闸地区的岩体结构，进行了岩体结构统计均质区的划分，获得了良好的效果。     

高频电磁法在探测预选区岩体构造中的应用研究

地质处置库是处理高放废物的有效途径,而预选区内的岩体构造则是影响地质处置库稳定性的关键因素之一.为了探明预选区内花岗岩岩体的断裂构造、空间形态,以甘肃北山新场-向阳山预选区岩体为例,简述了EH4系统的工作原理、野外数据采集以及数据处理与解释的全过程.结果表明,应用该方法查明了研究区内断裂的发育情况、岩体的空间形态以及岩体中的不良地质体的分布,为高放废物地质处置库场地的稳定性和完整性评价提供了参考.     

地球物理勘探技术在地质处置库选址中的应用

简要介绍了我国高放废物地质处置库选址的发展趋势,说明深部断裂构造、岩体的空间形态以及局部不良地质体是当前处置库选址的主要地质问题,综合论述了高放废物处置库选址中采用的地球物理勘探技术,介绍了重磁勘探、地震勘探、电磁法勘探及地面γ能谱测量等地球物理勘探技术,并且以甘肃北山新场预选区岩体为例,说明地球物理勘探技术解决的主要地质问题以及存在的不足。结果表明,该技术在探测处置库预选区花岗岩深部地质构造特征方面具有明显的优势,为处置库场址的稳定性和完整性评价提供参考。     

Rock Mass Characteristics in Beishan, A Preselected Area for China’s High-Level Radioactive Waste Disposal

Geological and hydrological characteristics, joint geometric features, rock physical and mechanical properties and rock mass quality are studied in the Beishan area, preselected for China’s high-level radioactive waste (HLW) disposal engineering. A comprehensive survey method is developed to study joint geometric features in the outcrop and samples from borehole BS06 into the Xinchang rock mass were tested. The optimal joint sets are determined by rose diagrams and equal-area lower hemisphere plots of joint poles. Results show that: 1) the distribution of joint occurrence obeys a normal distribution, while the distribution of joint spacing obeys a negative exponential distribution; 2) concentric circular and tangent circular sampling windows are applied to study the trace length and the trace midpoint density. Results indicate that tangent circular sampling window is more stable and reasonable; 3) Beishan granite shows high density, low porosity and high strength based on many laboratory tests and the physical properties and mechanical properties are closely related; and 4) a synthesis index, Joint Structure Rating (JSR), is applied to evaluate the quality of rock mass. Through the research results of rock mass characteristics, the Xinchang rock mass in the Beishan preselected area has the favorable conditions for China’s HLW disposal repository site.     

基于岩体不连续面三维分形维岩体质量评价研究

岩体内部不连续面分布具有随机性、不规则性,但又具有统计自相似性。基于三维随机不连续面网络模拟技术,对岩体结构统计均质区内的不连续面进行计算机模拟,并应用分形理论计算岩体不连续面分布的分形维数。岩体不连续面分布分维数具有尺寸效应,随着岩体尺寸增大分维数减小,到一定程度趋于稳定。这一稳定的分维值称之为表征分维数,用此值描述不连续面分布特征。将岩体不连续面分布的表征分维数与按传统岩体分类标准所得岩体质量等级进行对比,提出以岩体不连续面分布表征分维数为指标的岩体质量分类方法。在岩体分类基础上,提出基于表征分维数的岩体等效抗剪强度指标的折减计算。     

基于卡方检验法对长白山龙门峰裂隙岩体统计均质区划分

岩体统计均质区是裂隙岩体研究的一个重要内容,是三维裂隙网络等的基础研究范围。在列联表卡方检验基础上建立起考虑裂隙岩体迹长的方法用来划分岩体的统计均质区,即在统计均质区划分过程中考虑裂隙迹长的因素,通过列联表卡方检验建立两对比样本,计算对比样本各属性之间的实际频率,计算卡方值与临界卡方值。在判断样本之间是否具有统计相似性的基础上,建立了确定统计均质区的划分方法,使得裂隙岩体统计均质区划分更为全面与客观。     

Distribution characteristics of tritium in the soil in Beishan area of Gansu Province

Beishan region in Gansu was the preselected area for China’s high-level radioactive waste (HLW) repository. In selecting and evaluating a new dump site, the tritium study is of great significance. The Xinchang-Xiangyangshan preselected area in the Beishan area was taken as an example. This paper selects typical unit and tries to use the distribution characteristics of tritium in the soil to study the atmospheric precipitation infiltration recharge in this area. The results show: In this region, the spatial variability of the tritium content in surface soil is large; it is feasible to use bound tritium tracer method to study the theory of atmospheric precipitation infiltration recharge; the atmospheric precipitation infiltration has close relationship with the soil particle composition, salt content, mineral composition, water content and organic matter content. These results can provide important basis for developing the atmospheric precipitation infiltration recharge, groundwater numerical simulation, nuclide migration study and so on.     

随机与确定耦合的裂隙岩体结构面三维网络模拟

离散裂隙随机网络模型中结构面的分布特征仅代表其统计规律,并非地质成因、结构模式、构造形迹的客观反映,以致后续力学计算及渗流模拟结果可信度偏低。针对国家高放废物处置库甘肃北山预选区出露良好的花岗岩体,基于实测结构面统计规律、内在成生关系及水力联系,在前期纯随机模型关键部位修正特征参数,并融入人工辨识的确定结构模式而构建“随机-确定”耦合模型。图形和渗流模拟两种定量检验结果表明：耦合模型结构面数量更接近客观实际,模型准确度提升约48.8%;耦合模型渗流路径与流量较之前更显客观真实,模拟结果与试验数据的接近程度比随机模型大约1/3。另外,不同孔位渗流结果显示：相比于随机结构面,确定性结构面对区域渗流控制作用更加明显,在渗流模拟中扮演更为重要角色。此耦合模型有益于拓宽结构面网络模拟的发展方向。     

基于人工蜂群算法的岩体结构面多参数优势分组研究

岩体结构面优势分组是研究岩体力学性质与水力特性的基础,通常的分析方法是只根据产状进行划分。鉴于结构面其他特征对岩体力学性质的重要影响,考虑结构面倾向、倾角、迹长、张开度、表面形态5个特征参数,提出了基于人工蜂群算法的岩体结构面多参数优势分组方法。以样本总体离差平方和为目标函数,建立岩体结构面多参数优势分组的数学模型,应用人工蜂群优化算法求解,以目标函数值最小时的解作为聚类中心,并自动确定分组边界。对人工生成的结构面数据的计算结果验证了该方法的正确性,该方法的求解精度是令人满意的。最后,将该方法应用于怒江松塔水电站坝址区岩体结构面多参数优势组的划分,得到了较为合理的分组结果,进一步验证了此方法具有较高的运行效率与工程实用性。     

Extended Finite Element Method for the Analysis of Discontinuities in Rock Masses

The strength and deformability of rock mass primarily depend on the condition of joints and their spacing and partially on the engineering properties of rock matrix. Till today, numerical analysis of discontinuities e.g. joint, fault, shear plane and others is conducted placing an interface element in between two adjacent rock matrix elements. However, the applicability of interface elements is limited in rock mechanics problems having multiple discontinuities due to its inherent numerical difficulties often leading to non-convergent solution. Recent developments in extended finite element method (XFEM) having strong discontinuity imbedded within a regular element provide an opportunity to analyze discrete discontinuities in rock masses without any numerical difficulties. This concept is based on partition of unity principle and can be used for cohesive rock joints. This paper summarizes the mathematical frameworks for the implementation of strong discontinuities in 3 and 6 nodded triangular elements and also provides numerical examples of the application of XFEM in one and two dimensional problems with single and multiple discontinuities.     

岩体结构面的多参数优势分组方法研究

岩体中的结构面对岩体的水力和力学性质有很大影响,因此,弄清岩体中结构面的发育规律是岩体稳定性评价的基础。当结构面的产状一致,其他性质不一致时,结构面的水力学特性和力学性质是不同的。而传统的结构面优势分组方法仅根据产状数据分组,无法分辨产状相同、其他性质不同的结构面。因此,提出了一种基于量子粒子群优化算法的多参数结构面的优势分组方法。该方法通过结构面的相似性度量建立目标函数,运用量子粒子群优化算法通过搜索目标函数的全局最优解来确定聚类中心,可用于结构面多个参数的优势分组。通过对计算机模拟的多参数结构面数据的分组,验证了该方法的可靠性。最后,将该方法应用于怒江松塔水电站坝址区实测的多参数结构面数据的划分,得到了符合实际的分组结果。     

改进遗传算法和支持向量机的岩体结构面聚类分析

岩体结构面控制着岩质边坡和地下洞室等岩体工程的稳定性,在岩体力学及水力学分析中起到关键作用。为对岩体结构面进行合理分组,精确地模拟岩体结构面网络的分布,提出一种融合改进遗传算法和支持向量机的聚类方法。首先,根据岩体结构面产状信息建立结构面分组的数学模型,采用改进的遗传算法计算结构面样本的全局最优聚类中心,再以聚类中心为训练样本,利用支持向量机方法将结构面样本进行完全划分。通过随机产生的结构面数据以及实际工程的运用表明,遗传-支持向量机聚类算法对岩体结构面的分组合理,获得的优势结构面结果可靠。