某铁矿边坡岩体结构面三维网络模拟研究-路基工程
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４ － ８ ］ 提供更好的服务。 价连通性等等 ［
介绍了岩体结构面网络模拟的基本原理和
方法。测线法和统计窗法作为现在最普遍的方法， 仍然被广泛使用，但是，在测量工程中受工作环境 和天气以及裸露面的影响很大。在一些高大陡立边 坡等危险地方，人工无法接触也导致大量结构面信 息的无法获得。该方法低效、费力、耗时，已很难 满足现代快速、精确的施工要求。 摄影测量技术提供了更多的选择和发展。摄影 测量技术是 指 从 非 接 触 成 像 系 统，到 记 录、量 测、
０ ㊀引言 结构面作为岩体的基本组成单元之一，是岩体 结构的薄弱环节，对岩体的力学性质起着决定性的 作用，是决定岩体强度和变形的主要因素。随着计 算机技术的迅速发展，出现了各种岩体结构面网络 模拟技术，并尝试在实际工程中应用。结构面三维 ｏ ｎ ｔ ｅ Ｃ ａ ｒ ｌ ｏ 随机模 网络模拟是基于数学统计理论和 Ｍ 拟原理两个基本理论，将岩体露头面的大量结构面 几何特征数据进行有效统计分析，找出其基本规律， 建立合适的岩体模型，模拟结构面空间分布形态， 并以数字图像形式直观呈现。 为了更加真实地模拟岩体内部的结构面分布， 中外学者围绕岩体结构面分布性质、采样方法、概 率模型建立、误差估计等方面的问题展开了广泛而 深入的研究，并取得了一定的成果。许多专家教授 的著作
［ １ ， ２ ］
分析与表达等处理的摄影测量，以及能够获取地球 及其环境和其他物体的几何、属性等可靠信息的工 艺、科学与技术。 在摄影测量技术应用于岩体结构面方面，范留
３ ］ 对岩体裂隙信息的解译及地质判译做了探究， 明等 ［
取得一些探索性认识，但精度和真实性都不高。随 着科技的进步，摄影测量技术与计算机视觉结合诞 生了数字摄影测量。 数字摄影测量，是指通过在摄影测量中引入数 字图像处理、模式识别技术和计算机视觉等技术。 这样大大提高了摄影测量技术对于岩体结构面的识 别和读取。在对某铁矿边坡岩体结构面收集过程中， 采用 Ｓ ｈ ａ ｐ ｅ Ｍ ｅ ｔ ｒ ｉ Ｘ３ Ｄ岩体几何参数三维不接触测量 系统，弱化现场环境对测量结果的影响，能够更加 全面收集岩体结构面的信息。 ｕ ｔ ｏＬ Ｉ Ｓ Ｐ语言开发的程序，能对某铁 本文结合 Ａ 矿边坡的结构面分布进行更加真实的模拟，也能为 后续的计算岩体质量指标（ Ｒ Ｑ Ｄ ） 、搜索隔离体、评
图３ ㊀铁矿现场结构面岩体照片 图１ ㊀某铁矿边坡工程地质分区示意
Fra Baidu bibliotek
１ ２ ㊀现场测量与数据分析 Ｓ ｈ ａ ｐ ｅ Ｍ ｅ ｔ ｒ ｉ Ｘ３ Ｄ是一个全新的、代表着世界先 进水平的岩体几何参数三维不接触测量系统，解决 了传统测量方法劳动效率低、安全隐患、难以接近 实体和不能满足现代快速施工要求的弊端，真正做 到了现场岩体开挖揭露面的即时定格和精确定位， 使得现场的数据可靠性和精度满足进一步分析的要
某铁矿边坡岩体结构面三维网络模拟研究
李㊀宁，康宝伟，孙中华
（ 北京科技大学土木与环境工程学院，北京㊀１ ０ ０ ０ ８ ３ ）
摘㊀要：采用 Ｓ ｈ ａ ｐ ｅ Ｍ ｅ ｔ ｒ ｉ Ｘ３ Ｄ岩体几何参数三维不接触测量系统，对某铁矿各个水平高度的石 质边坡的岩体结构面几何特征进行了测量；对结构面测量数据进行分组、分析，并对得到的结构面 各种几何信息的数据进行数理统计计算，拟合出结构面各种几何信息的概率分布模型；应用 Ｍ ｏ ｎ ｔ ｅ －Ｃ ａ ｒ ｌ ｏ模拟原理，结合 Ａ ｕ ｔ ｏＬ Ｉ Ｓ Ｐ语言开发了使之能在 Ａ ｕ ｔ ｏ Ｃ Ａ Ｄ２ ０ ０ ７中直观显示出来的程序，得 到能够反映接近真实岩体内部结构面三维分布情况的图形。 关键词：岩体结构面；三维模拟；Ｓ ｈ ａ ｐ ｅ Ｍ ｅ ｔ ｒ ｉ Ｘ３ Ｄ ；数理统计；Ｍ ｏ ｎ ｔ ｅ Ｃ ａ ｒ ｌ ｏ 原理 中图分类号：Ｐ ２ ３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１ ０ ０ ３－ ８ ８ ２ ５ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ４－ ０ １ ２ ０－ ０ ５
李㊀宁，等：某铁矿边坡岩体结构面三维网络模拟研究
·１ ２ １ ·
形状。设计总体边坡角为 ４ ６ ʎ ，台阶坡面角为 ６ ５ ʎ ， ５ ３ｍ ，坑底最低标高为 － ３ ５ ０ｍ ， 边坡最高标高为 １ 边坡总高 ５ ０ ３ｍ 。代表性坡面有 Ⅱ１， Ⅱ２， Ⅱ３。 Ⅱ 区边坡岩体上部为松散层岩组，下部为火山碎屑岩 组、火山熔岩组和砾岩组。边坡中下部为各类变质 岩岩组，包括矽线黑云斜长片麻岩组、磁铁石英岩 组、紫苏黑云斜长片麻岩组等。本区上部边坡为散 体结构；其下为层状结构，层面倾向为 Ｎ Ｗ３ ３ ０ ʎ ３ ４ ０ ʎ ，倾向与坡面倾向相反，倾角为 １ ８ ʎ ２ ５ ʎ ；边 坡中部和下部为块状结构，部分为碎裂结构。
路 基 工 程 ·１ ２ ０ ·
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． １ ３ ３ ７ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ３ ８ ８ ２ ５ ． ２ ０ １ ４ ． ０ ４ ． ２ ６
Ｓ ｕ ｂ ｇ ｒ ａ ｄ ｅＥ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
㊀㊀ ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ ２ ０ １ ４年第 ４期 （ 总第 １ ７ ５期）
９ ］ 求［ 。该系统由一个高分辨率立体摄像的校准单反
图４ ㊀结构面分布
最后，系统自 动 完 成 对 结 构 面 的 分 级、分 组、 几何参数统计。软件系统对不同角度的图像进行一 系列的技术处理（ 基准标定、像素点匹配、图像变形 偏差纠正） ，实现实体表面真三维模型重构，便于在 计算机可视化屏幕上从任何方位观察。 运用 ３ Ｇ Ｓ Ｍ 系统软件识别的岩体出露结构面的 空间分布，根据主要结构面的产状信息，对其进行 分组。这里选择了扩帮区的一个测量点为例。 Ｄ １ ９ ３ 位于扩 帮 区，以 片 麻 岩 为 主，位 于 铁 矿 区 －８ ０ｍ 处。把 ３ Ｇ Ｓ Ｍ 系统软件收集的结构面通过结构面极 点投 影 的 原 理 进 行 分 组， 见 图 ５ 。 由 图 ５可 知， Ｄ １ ９ ３结构面分为 ３组，对第一组进行分析。
收稿日期：２ ０ １ ３－ ０ ９－ ２ ６ 作者简介：李 ㊀ 宁（ １ ９ ８ ６－） ，男，河北保定人。硕士研究生，主 要从事岩土工程 学习 与 科 研 工 作。 Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ：３ ３ ０ ４ ８ ５ ８ ０ ５ ＠ｑ ｑ ｃ ｏ ｍ 。
１ ㊀岩体结构面现场测试 １ １ ㊀工程背景 为了生产的需要，某铁矿的北帮要进 行 扩 帮， 需要对岩体的结构作出初步估计。在分析的过程中， 扩 帮 区） 进行分 主要选取具有代表性的坡面 Ⅱ 区 （ 析。Ⅱ区的工程地质情况，见图 １ 。Ⅱ区位于采场北 帮中部，边坡走向与采场长轴方向一致，总趋势为 Ｎ Ｅ向，中部稍有波动，坡面倾向 Ｓ Ｅ ，呈单面边坡
介绍了岩体结构面网络模拟的基本原理和
方法。测线法和统计窗法作为现在最普遍的方法， 仍然被广泛使用，但是，在测量工程中受工作环境 和天气以及裸露面的影响很大。在一些高大陡立边 坡等危险地方，人工无法接触也导致大量结构面信 息的无法获得。该方法低效、费力、耗时，已很难 满足现代快速、精确的施工要求。 摄影测量技术提供了更多的选择和发展。摄影 测量技术是 指 从 非 接 触 成 像 系 统，到 记 录、量 测、
０ ㊀引言 结构面作为岩体的基本组成单元之一，是岩体 结构的薄弱环节，对岩体的力学性质起着决定性的 作用，是决定岩体强度和变形的主要因素。随着计 算机技术的迅速发展，出现了各种岩体结构面网络 模拟技术，并尝试在实际工程中应用。结构面三维 ｏ ｎ ｔ ｅ Ｃ ａ ｒ ｌ ｏ 随机模 网络模拟是基于数学统计理论和 Ｍ 拟原理两个基本理论，将岩体露头面的大量结构面 几何特征数据进行有效统计分析，找出其基本规律， 建立合适的岩体模型，模拟结构面空间分布形态， 并以数字图像形式直观呈现。 为了更加真实地模拟岩体内部的结构面分布， 中外学者围绕岩体结构面分布性质、采样方法、概 率模型建立、误差估计等方面的问题展开了广泛而 深入的研究，并取得了一定的成果。许多专家教授 的著作
［ １ ， ２ ］
分析与表达等处理的摄影测量，以及能够获取地球 及其环境和其他物体的几何、属性等可靠信息的工 艺、科学与技术。 在摄影测量技术应用于岩体结构面方面，范留
３ ］ 对岩体裂隙信息的解译及地质判译做了探究， 明等 ［
取得一些探索性认识，但精度和真实性都不高。随 着科技的进步，摄影测量技术与计算机视觉结合诞 生了数字摄影测量。 数字摄影测量，是指通过在摄影测量中引入数 字图像处理、模式识别技术和计算机视觉等技术。 这样大大提高了摄影测量技术对于岩体结构面的识 别和读取。在对某铁矿边坡岩体结构面收集过程中， 采用 Ｓ ｈ ａ ｐ ｅ Ｍ ｅ ｔ ｒ ｉ Ｘ３ Ｄ岩体几何参数三维不接触测量 系统，弱化现场环境对测量结果的影响，能够更加 全面收集岩体结构面的信息。 ｕ ｔ ｏＬ Ｉ Ｓ Ｐ语言开发的程序，能对某铁 本文结合 Ａ 矿边坡的结构面分布进行更加真实的模拟，也能为 后续的计算岩体质量指标（ Ｒ Ｑ Ｄ ） 、搜索隔离体、评
图３ ㊀铁矿现场结构面岩体照片 图１ ㊀某铁矿边坡工程地质分区示意
Fra Baidu bibliotek
１ ２ ㊀现场测量与数据分析 Ｓ ｈ ａ ｐ ｅ Ｍ ｅ ｔ ｒ ｉ Ｘ３ Ｄ是一个全新的、代表着世界先 进水平的岩体几何参数三维不接触测量系统，解决 了传统测量方法劳动效率低、安全隐患、难以接近 实体和不能满足现代快速施工要求的弊端，真正做 到了现场岩体开挖揭露面的即时定格和精确定位， 使得现场的数据可靠性和精度满足进一步分析的要
某铁矿边坡岩体结构面三维网络模拟研究
李㊀宁，康宝伟，孙中华
（ 北京科技大学土木与环境工程学院，北京㊀１ ０ ０ ０ ８ ３ ）
摘㊀要：采用 Ｓ ｈ ａ ｐ ｅ Ｍ ｅ ｔ ｒ ｉ Ｘ３ Ｄ岩体几何参数三维不接触测量系统，对某铁矿各个水平高度的石 质边坡的岩体结构面几何特征进行了测量；对结构面测量数据进行分组、分析，并对得到的结构面 各种几何信息的数据进行数理统计计算，拟合出结构面各种几何信息的概率分布模型；应用 Ｍ ｏ ｎ ｔ ｅ －Ｃ ａ ｒ ｌ ｏ模拟原理，结合 Ａ ｕ ｔ ｏＬ Ｉ Ｓ Ｐ语言开发了使之能在 Ａ ｕ ｔ ｏ Ｃ Ａ Ｄ２ ０ ０ ７中直观显示出来的程序，得 到能够反映接近真实岩体内部结构面三维分布情况的图形。 关键词：岩体结构面；三维模拟；Ｓ ｈ ａ ｐ ｅ Ｍ ｅ ｔ ｒ ｉ Ｘ３ Ｄ ；数理统计；Ｍ ｏ ｎ ｔ ｅ Ｃ ａ ｒ ｌ ｏ 原理 中图分类号：Ｐ ２ ３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１ ０ ０ ３－ ８ ８ ２ ５ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ４－ ０ １ ２ ０－ ０ ５
李㊀宁，等：某铁矿边坡岩体结构面三维网络模拟研究
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形状。设计总体边坡角为 ４ ６ ʎ ，台阶坡面角为 ６ ５ ʎ ， ５ ３ｍ ，坑底最低标高为 － ３ ５ ０ｍ ， 边坡最高标高为 １ 边坡总高 ５ ０ ３ｍ 。代表性坡面有 Ⅱ１， Ⅱ２， Ⅱ３。 Ⅱ 区边坡岩体上部为松散层岩组，下部为火山碎屑岩 组、火山熔岩组和砾岩组。边坡中下部为各类变质 岩岩组，包括矽线黑云斜长片麻岩组、磁铁石英岩 组、紫苏黑云斜长片麻岩组等。本区上部边坡为散 体结构；其下为层状结构，层面倾向为 Ｎ Ｗ３ ３ ０ ʎ ３ ４ ０ ʎ ，倾向与坡面倾向相反，倾角为 １ ８ ʎ ２ ５ ʎ ；边 坡中部和下部为块状结构，部分为碎裂结构。
路 基 工 程 ·１ ２ ０ ·
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． １ ３ ３ ７ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ３ ８ ８ ２ ５ ． ２ ０ １ ４ ． ０ ４ ． ２ ６
Ｓ ｕ ｂ ｇ ｒ ａ ｄ ｅＥ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
㊀㊀ ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ ２ ０ １ ４年第 ４期 （ 总第 １ ７ ５期）
９ ］ 求［ 。该系统由一个高分辨率立体摄像的校准单反
图４ ㊀结构面分布
最后，系统自 动 完 成 对 结 构 面 的 分 级、分 组、 几何参数统计。软件系统对不同角度的图像进行一 系列的技术处理（ 基准标定、像素点匹配、图像变形 偏差纠正） ，实现实体表面真三维模型重构，便于在 计算机可视化屏幕上从任何方位观察。 运用 ３ Ｇ Ｓ Ｍ 系统软件识别的岩体出露结构面的 空间分布，根据主要结构面的产状信息，对其进行 分组。这里选择了扩帮区的一个测量点为例。 Ｄ １ ９ ３ 位于扩 帮 区，以 片 麻 岩 为 主，位 于 铁 矿 区 －８ ０ｍ 处。把 ３ Ｇ Ｓ Ｍ 系统软件收集的结构面通过结构面极 点投 影 的 原 理 进 行 分 组， 见 图 ５ 。 由 图 ５可 知， Ｄ １ ９ ３结构面分为 ３组，对第一组进行分析。
收稿日期：２ ０ １ ３－ ０ ９－ ２ ６ 作者简介：李 ㊀ 宁（ １ ９ ８ ６－） ，男，河北保定人。硕士研究生，主 要从事岩土工程 学习 与 科 研 工 作。 Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ：３ ３ ０ ４ ８ ５ ８ ０ ５ ＠ｑ ｑ ｃ ｏ ｍ 。
１ ㊀岩体结构面现场测试 １ １ ㊀工程背景 为了生产的需要，某铁矿的北帮要进 行 扩 帮， 需要对岩体的结构作出初步估计。在分析的过程中， 扩 帮 区） 进行分 主要选取具有代表性的坡面 Ⅱ 区 （ 析。Ⅱ区的工程地质情况，见图 １ 。Ⅱ区位于采场北 帮中部，边坡走向与采场长轴方向一致，总趋势为 Ｎ Ｅ向，中部稍有波动，坡面倾向 Ｓ Ｅ ，呈单面边坡