基于三维激光扫描技术的复杂三维地质体建模方法

FLAC3D平台下前处理阶段复杂地质体三维数值计算模型的建立一直是岩土工程数值模拟工作者面临的难题,而三维激光扫描技术在获取复杂物体的精细空间数据的方面具有独特的优势。因此,本文提出以逆向工程为过渡平台实现复杂三维地质体FLAC3D数值模型的构建。利用三维激光扫描技术精细几何数据的获取功能,对复杂三维地质体空间形状几何信息进行提取;利用Geomagic Studio良好的点云数据处理及曲面建模功能,准确地重构了复杂地质体的CAD曲面模型;利用Hypermesh强大的几何处理能力及网格划分能力,将复杂地质体的CAD曲面模型进行实体化和网格化;最后由FLAC3D软件内嵌的Fish语言编制的文件转换为FLAC3D能够识别的文件格式,从而实现了该软件前处理过程中复杂三维地质模型的高效、精准的建立。结合工程实例,对该方法的可行性与仿真效果进行了检验。结果表明该方法具有方便、快捷、合理且实用性强的优点。     

无人机影像在高陡边坡危岩体调查中的应用

在高陡边坡危岩体的调查中,复杂的地形条件经常限制工作的正常开展,如何快速准确地获取地质灾害信息一直是地质灾害调查研究中的难点之一。以往的研究中对无人机遥感技术在黄土、高原等地区应用有所报道,但对西南地区高陡边坡危岩体灾害调查的研究尚无报道。文章以锦屏二级水电站出线场边坡落石灾害所在区域为例,将无人机摄影测量技术应用于高陡边坡危岩体调查中,通过无人机倾斜摄影获取高分辨率遥感影像,开展遥感影像三维建模,进行地质灾害遥感解译,总结了无人机遥感系统在高陡边坡危岩体调查的技术流程。通过三维实景模型,精确地分析了落石灾害的空间分布、失稳模式及演化过程,查明了区域内危岩隐患点的分布特征;基于三维点云模型,提取出地质灾害体的属性信息,测得落石方量为11.7 m3,采用最小二乘法进行平面拟合,得到落石两组主控结构面产状为275.4°∠31.2°、103.5°∠63.3°。实践表明,无人机遥感技术在高陡边坡地区落石灾害调查中具有明显的可行性和优越性,可以较好地应用于高陡边坡危岩体调查中。     

基于无人机摄影测量的露天矿边坡数值模拟

数值模拟是露天矿山边坡稳定性分析的常用方法,边坡模型构建是数值模拟的基础,地形测量的准确性对于边坡稳定性分析精度具有十分重要的影响。近年来,低空低速小型无人机(UAV)被广泛应用于地质调查中,为复杂条件下地形快速测量提供了一种可行的方法。针对露天矿山边坡坡形更新快、地形复杂、人工测量困难的情况,采用搭载单镜头小型无人机,对露天矿山边坡进行低空摄影测量,并通过飞行试验,对比研究了无人机搭载镜头旋转角度对边坡测量精度的影响,最终得到高精度边坡数字高程模型(DEM),并通过Surfer、Rhino等软件转化为三维FLAC模型,实现从无人机测量到三维数值模型的快速建立。得到以下可供参考的研究结论:在目标边坡坡度小于45°时,无人机搭载镜头旋转角度不同对边坡测量精度有较大影响,当镜头旋转角度介于70°~90°时,获得的测量精度较高;与人工测量相比,无人机摄影测量获得的边坡坡形更符合真实边坡实际坡型;无人机航拍照片经过PhotoScan、Surfer、Rhino等软件的转化,能够快速建立三维数值模型,并获得更好的数值模拟计算结果,满足边坡稳定性分析需要。     

基于逆向工程建模方法的危岩体稳定性数值模拟分析

高陡岩质边坡危岩体失稳机理与稳定性评价一直是学者们关注的重点问题。相比于以定性分析为主的传统稳定性评价方法, 数值模拟分析方法在危岩体稳定性评价工作中得到越来越广泛的应用。而如何快速准确地建立复杂三维精细化地质模型, 尽可能还原岩体结构特征信息, 并与数值模拟软件进行无损对接, 进而定量评价危岩体稳定性仍是目前急需解决的问题。在野外现场调查结果的基础上, 对浙江神仙居景区神龙瀑景点处的地质灾害隐患点进行高精度三维激光扫描, 基于逆向工程建模软件Geomagic Studio, 对扫描获取的点云数据进行模型重建, 借助有限元网格划分软件Hypermesh对曲面模型进行三维实体化和网格划分处理, 再导入数值模拟软件FLAC3D中进行计算。结果表明, 神龙瀑边坡受拉破坏危岩体后缘裂隙最大拉应力接近抗拉强度, 且存在明显位移, 极有可能发生滑移-坠落。然后通过FLAC3D内置FISH语言进行二次开发, 计算结构面塑性破坏单元数目在总单元数目中的占比, 得出危岩体失稳概率为20%以上。该结果与现场灾害调查、数值分析结果相互印证, 预测了危岩体的潜在破坏范围, 提出了相应的防治措施建议。上述分析结果可为当地旅游管理部门的灾害防治工作提供理论依据和指导。     

无人机摄影测量在高陡边坡地质调查中的应用

在高陡边坡的地质调查中,测量岩体结构面的工作经常受到复杂地形的限制无法正常开展,急需一种全方位的精确测量技术。结合近年来低空低速小型无人机技术的快速发展,使用搭载单镜头的小型无人机,基于多视立体视觉算法（PMVS）和运动结构恢复算法（SfM）对目标物进行三维重建,通过现场试验和数据后处理,总结出了一套无人机摄影测量技术在高陡边坡地质调查中的应用方法,并得到了初步的研究结论：轻小型的单镜头多旋翼无人机能够采集到有效的地形数据,在三维点云中处理使用基于最小二乘法的平面拟合算法,可以提取出准确的结构面参数,进一步将这些结构面绘制在赤平极射投影图中,能实现高陡边坡的数字化岩体产状测量。     

基于无人机航测及Rhino-griddle平台的FLAC3D复杂三维地质体建模技术应用

FLAC3D作为ITASCA公司开发的经典岩土数值分析软件,对于复杂三维地质体模型的建立较为困难。本文以甘肃省某滑坡为例,提出以无人机航测影像为基础,采用DJI Terra或者ContextCapture制作可视化三维模型,通过EPS软件提取的等高线在Rhino-griddle平台进行地质体建模,最后将所建模型导入FLAC3D进行稳定性计算,结果表明：基于无人机影像获取的滑坡地形建模与实际地形、地质结构等吻合度极高,能够很好的解决FLAC3D前期建模困难的问题,基于FLAC3D的强度折减法稳定性分析计算结果与滑坡现场实际变形情况基本一致,即将无人机航测应用于复杂三维地质体建模及模型稳定性分析的方法实现了对滑坡发展趋势的快速评价,能够为滑坡等地质灾害的快速、精细化调查与应急分析提供参考。     

高陡边坡岩体结构信息无人机识别与离散元数值模拟

岩体结构特征的准确表征对边坡稳定性评价具有重要影响。由于高陡边坡岩体结构的人工编录工作开展困难,结构几何信息往往获取不全面,导致边坡数值模型构建往往不理想。以江西德兴银山铜矿露天边坡为工程背景,采用无人机与运动恢复结构法(SfM)获取边坡岩体点云模型。基于点云数据建立结构面识别和解译算法,自动获取结构面产状、迹长、间距等几何信息。对比人工测量结果,无人机测量与结构面识别能够获取更符合实际的坡面与岩体结构模型。采用非均匀有理B样条(NURBS)曲面重构和“Rhino-Griddle-3DEC”联合建模方法,结合岩体结构统计模型构建离散裂隙网络DFN能够快速建立三维离散元数值模型,从而获得更好的数值模拟计算结果,满足岩质高边坡稳定性评价的需要。     

CAD软件在工程地质三维建模中的应用

如何快速、准确地建立地质体的三维模型一直是众多岩土工程数值模拟工作者所面临的难题。虽然三维地学模拟软件具有很好的三维地质建模能力,但是由于数据结构的差异,采用他们现行三维地学模拟软件建立的地质模型难以导入数值模拟分析软件中,以为相应工程问题的数值模拟服务。目前,随着各种CAD、CAM软件行业的的飞速发展,涌现出了许多优秀的三维建模软件,而且这些软件大都与现行数值分析软件有着良好的数据接口功能。据此,本文提出了采用现行CAD软件来建立工程地质体的三维模型,使得建立的模型达到既可视又可算的目的。将其应用于云南某高速公路边坡的三维建模中,证明了该法具有方便、快捷和合理等优点。     

基于GIS与数值模拟软件耦合的三维边坡建模方法及其稳定性研究

基于地理信息系统(GIS)和数值模拟软件,提出了一套适用性强,运行流畅的三维边坡建模和模拟计算技术方案。此方案能充分利用复杂边坡的勘察历史资料,真正实现了从勘察数据处理-建立三维边坡模型-稳定性分析-结果反馈的边坡模拟全过程。为建立满足精度要求的模型,深入探讨了地表和土层的建模理论和方法,借助GRASS完成边坡的三维建模,并对已建模型进行详尽的误差分析,为量化建模质量提出了相应方法。用Python语言实现GIS和数值模拟软件的耦合,通过多个自主编写的程序和数据接口,完成不同平台间的数据传递和格式转换,避免了传输过程中数据的丢失或失真,还可深度挖掘已建模型的数据。借助杭口岭隧道工程实例,对此方案进行验证。分析结果表明,利用此方案建立的三维边坡模型,建模速度快,精度高,能准确地反映真实边坡的情况,并搜索到边坡潜在的最危险区域。     

矿山三维地质建模研究进展

近年来,矿山三维地质建模作为数字矿山建设的重点核心内容之一,新的矿山建模软件也不断涌出。本文重点介绍了地质领域目前广泛应用的矿山三维建模软件及其研究进展,包括基于Auto CAD软件、Surpac软件、Micromine软件、3D mine软件、Flac 3D软件、Petrel和RMS软件、EVS(Earth Volumetric Studio)软件三维建模等的基本特点和在矿山上的主要应用。通过对近年来我国对三维建模软件的使用对比分析,我国三维地质建模仍处于初级阶段。Auto CAD软件主要用于采矿业与建筑领域。Surpac软件、Micromine软件主要用于在矿体三维矿山建设及资源/储量定量估算领域。Flac 3D软件主要用于矿山建设中产生的工程地质领域,常与ANSYS、PLAXIS软件对接进行数值模拟。Petrel和RMS软件、EVS(Earth Volumetric Studio)主要用于地质中产生的复杂构造建模及三维地质可视化数据综合分析等问题。     

基于GOCAD的复杂地质体FLAC^3D模型生成技术

鉴于FLAC3D难以建立复杂三维地质体的缺陷和GOCAD强大的地质建模能力,本文提出了基于GOCAD软件建模和划分网格,并通过GOCAD与FLAC3D的接口程序,将其导入FLAC3D的复杂三维地质体建模方法,从而实现了复杂地质体FLAC3D模型的直观、快速建模。该建模方法在郴宁高速公路某软土地基斜坡高填路堤建模中得到了实际应用,结果表明该方法是完全可行和有效的。     

面向东川复杂山地泥石流沟谷三维地形建模及特征分析的无人机遥感探测应用研究

以云南省东川区小江流域中游左岸大白泥河支流的泥石流沟谷为研究对象,利用无人机遥感技术采集该泥石流沟谷地表地貌数据,提出结合地面三维激光扫描建模数据进行同名地物控制点提取,实现无人机影像数据的绝对定向方法。通过Smart3D影像数据处理,构建研究区三维地形模型,得到数字正射影像（Digital Orthophoto Map,DOM）、数字表面模型（Digital Surface Model,DSM）和高密集匹配点云。利用PhotoScan软件中的不规则三角网渐进加密技术对点云数据进行处理,得到0.5 m分辨率的数字高程模型（Digital Elevation Model,DEM）。结合ArcGIS和Cloud Compare中的相关地形分析模块,实现对该段泥石流沟谷地区的地形特征分析。基于无人机遥感的泥石流沟谷地形建模及特征分析研究中采用的技术路线和方法,对于定性、定量探测高原复杂山区地质灾害及其监测、防治等具有重要实证案例参考价值与实践指导意义。     

GOCAD在岩体三维可视化模拟中的应用

GOCAD是主要用于地质领域的三维可视化建模软件,具有强大的三维建模、可视化、地质解译和分析功能。基于CAD技术和大量编程经验,借助CAD图形环境平台,进行多源地质资料分析和耦合,建立了贵州安顺坝陵河大桥西岸地质体的三维模型,并将GOCAD模型转化到CAD模型中,使CAD将属性信息附着于图形,进而从图形上获知整个区域的属性分布,并清楚地显现出来。     

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。     

雅砻江河谷下切三维数值模拟分析--解放沟模型应力场分析

拟建的锦屏水电站所在地区工程地质条件复杂，重力作用下的高陡边坡应力场变化问题是主要的工程地质问题之一。采用三维有限无数值模拟的方法对雅砻江七级河谷阶地形成过程中应力场的变化和现今河谷阶段的三维应力场进行研究，为近坝库岸稳定性研究提供依据。通过计算得出：随着河谷下切，地应力逐步释放，且每一阶段的河谷底部始终是σx应力集中区；主应力的分布具有分带性；拉应力的位置受断层、地形等因素的影响；岩体最大主应力值较高。     

复杂矿区三维地质可视化及数值模型构建

复杂三维地质可视化和数值模型的构建是采矿、岩土及水利水电工程中常常遇到的关键问题。针对数值模拟软件在复杂矿区地质体模型构建及单元网格划分等前处理问题上存在的不直观、工作量大等缺点,结合矿业软件在复杂三维地质体建模的强大优势,在研究线框模型和块体模型差异的基础上,提出了基于线框模型的复杂矿区三维地质可视化及数值模型构建技术。根据线框模型特点不同,以地表和采空区模型为型,分别阐述了基于Surpac的表面模型和实体模型无缝转换成MIDAS/GTS数值模型的有效方法,并将该技术成功应用于冬瓜山铜矿复杂采空区群围岩稳定性研究中。结果表明,该方法是可行、有效的,从而为矿山开采设计、安全分析及复杂地质体结构的岩土工程数值模拟分析提供了一种新的建模方法。     

水库设计的三维可视化研究

为了提高水库设计的自动化水平,实现模型的三维可视化,本文研究了三维地形的建模方法及其在水库设计中的应用。采用了地性特征点和地性线参与三维建模的方法,提高了数字高程模型DEM的地形逼真度。在此基础上通过一种综合了水平线和覆盖消隐算法的合成消隐算法实现了彻底的消隐以及图像的快速生成。通过三维水库模型,不仅可以得到水库的容量、库水的淹没边界和淹没面积,而且还可以生成地形剖面图。如果地形剖面图与地质图、水文图、构造图等进行叠加,可以形成综合剖面图。文章最后采用三维可视化方法模拟了某水库的部分设计工作,结果表明,通过水库的三维地形模型可以简单直观的完成坝址的选择、水库容量以及蓄水的水位线的确定等方面的工作。     

基于地质模型快速构建的边坡三维稳定性分析

目前边坡稳定性分析多以二维剖面为主,随着各种数值分析软件的应用,边坡的三维稳定性分析技术越来越成熟,但是对于三维边坡的地质模型快速构建的方法不多,且建模精度难以得到保证。本文借助Geobim软件建立工程区的三维地质模型,提出借助surfer、Ansys等软件快速建立flac3d能够识别的类型文件的方法,此方法能够大大简化建模过程,提高建模精度。根据工程区的主要工程地质问题,对工程区的三维地质模型进行概化,结合相关实例对其进行三维地质建模,并借助flac3d软件计算不同工况下边坡的稳定性情况。根据计算结果可知,在暴雨工况下,边坡的稳定性降低,填方工况下,边坡的侧向位移变大,但是其稳定性相对较好,边坡的主要破坏模式为沿着填筑体及边坡的浅表层全、强风化层发生剪切破坏。     

高陡岩质边坡稳定性三维离散元分析

某高陡岩质边坡地质条件复杂、软弱结构面发育、开挖高度大、坡度陡、临空面多,为边坡变形提供了有利的空间,边坡多处出现失稳破坏迹象。通过对边坡工程地质条件调查,岩体结构特征和边坡开挖等影响因素的分析,认为边坡变形主要发生在强风化强卸荷岩体内,受软弱结构面的控制比较明显,表现为结构面组合控制的块体变形失稳破坏模式。采用3DEC数值模拟软件,模拟了边坡开挖后坡体变形特征,数值模拟结果表明,边坡浅表层块体以及控制性块体稳定性差,可能导致边坡产生整体失稳。     

高陡岩质斜坡的结构面非接触式采集技术与三维裂隙网络模拟研究

本文分别以非接触式测量与三维裂隙网络模拟技术对汶川县绵虒镇大溪沟沟口高陡斜坡的结构面系统进行了深入研究。以无人机、数字近景摄影测量与三维激光扫描方法建立了现场斜坡的三维DEM模型并识别与解译了斜坡的结构面系统。尤其是采用无人机与近景摄影测量技术,识别并解译了整体斜坡的长大控制性结构面与坡面上的6663条随机构造结构面。基于以上数据,本文提出了一种适用于高陡斜坡分析的超大窗口三维裂隙网络模拟方法,采用概率统计与空间几何推导的方法,建立了岩体三维结构面的直径、产状与密度计算方法。这种方法更加简便且针对性强,现场验证也表明其具有较高的模拟精度。