岩体节理几何特征研究及三维网络模拟

摘要

岩体中广泛发育的结构面，破坏了岩体的连续性、完整性，在很大程度上影响、控制着岩体的力学性质、渗流特性、地下水分布及岩体稳定性，给高放废物处置库工程带来重大安全隐患，成为处置库能否安全、可靠运行的关键。对岩体结构面几何特征进行大量的现场调查，并进行准确、有效的描述及定性和定量分析，是最基础、最重要的工作，将为处置库设计的渗流特性、核素迁移规律等研究提供重要的数据支持。本文以中国高放废物处置库甘肃北山预选区新场地段和新疆预选区天湖地段岩体场址筛选和场址适宜性评价为背景，以节理、断层、岩脉和蚀变带等岩体结构面为主要研究对象，基于岩体结构面几何特征特征、岩体质量评价、岩体节理三维网络模拟技术等研究内容的成果和现状，采用现场调查、概率统计和图表分析、室内试验及数值模拟等方法，按照：节理现场调查→岩体节理几何特征分析→断层影响带发育规律研究→岩体质量评价→岩体节理三维网络模拟→裂隙岩体渗透张量计算的研究思路，展开对岩体节理几何特征及三维网络模拟的研究。
　　通过对中国高放废物处置库甘肃北山预选区新场地段 BS17、BS18和BS19钻孔周边露头和断层以及新疆预选区天湖地段岩体露头、岩脉和蚀变带等地表结构面的现场调查，获得了大量的岩体结构面原始数据。
　　对现场调查的节理数据，采用玫瑰花图进行节理优势组划分，统计分析各优势组产状、平均间距及概率密度函数分布形式，利用圆形窗口法计算各露头的节理平均迹长和迹线中点面密度，得出研究区节理几何特征的定量参数。
　　根据断层两侧露头节理特征，研究不同规模、类型的断层两盘断层影响带宽度和发育规律以及断层影响带宽度与断层长度之间的数量关系。并以此分析各序级地质构造间的成生关系及其地质力学成因。
　　鉴于节理裂隙和断层等岩体结构面是地下水的主要储集场所、运移通道，提出岩体结构面综合评价指标SCE，对预选区内的岩体质量和岩体完整性进行评价，并以此作为岩体工程质量分区的主要依据。
　　根据平面上节理迹长与空间节理圆盘的对应关系，建立节理面密度和体密度之间的联系。在获得节理几何特征的基础上，基于节理产生的力学机制，考虑各节理优势组间的成生关系，采用蒙特卡罗法进行岩体节理的三维网络模拟，可以更加直观地反映节理的空间分布和各节理组间的位置关系。
　　在岩体节理几何特征分析和三维网络模拟的基础上，研究裂隙岩体渗透张量的算法及相应的渗透张量计算程序，可以快捷地计算裂隙岩体的渗透张量及其主值、主方向。

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1 绪论

1.1选题背景

1.2国内外研究现状

1.3论文思路

1.4主要研究内容及意义

2地质背景及野外调查

2.1研究区地质概况

2.2现场节理调查的主要参数

2.3测量方法

2.4现场调查

3岩体节理几何特征分析

3.1节理优势组划分

3.2优势产状概率统计分析

3.3节理间距

3.4平均迹长和中点面密度

4节理与断层的成生关系

4.1节理的尺度划分

4.2节理形成的力学机制及类型

4.3断层影响带发育规律

4.4断层影响带发育规律的地质力学成因

5岩体质量评价及工程质量分区

5.1岩体质量评价的必要性

5.2岩体结构面工程地质分级

5.3天湖地段岩体结构面发育特征

5.4基于结构面综合指标的岩体质量评价

5.5天湖地段岩体工程质量分区

6岩体节理三维网络模拟

6.1节理产状及其概率模型

6.2节理迹长及大小分布研究

6.3节理密度及模拟

6.4岩体节理三维网络模拟

6.5岩体节理三维网络模拟检验

7裂隙岩体的渗透张量分析

7.1引言

7.2岩体渗透系数张量计算

7.3张量主值与主渗透方向

7.4渗透系数张量程序

8结论与展望

8.1主要结论

8.2展望

致谢

参考文献

附录

A作者简介

B作者学习期间发表论文

C作者学习期间参加的科研项目