本發(fā)明涉及巖石力學(xué)和地質(zhì)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種巖石裂隙網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)狀三維統(tǒng)計(jì)分布的預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

巖石裂隙包括節(jié)理面、層理面和其它可忽略拉伸強(qiáng)度的顯著破裂面，它是地殼中普遍存在的一類(lèi)介質(zhì)分界面，由各個(gè)裂隙單元構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，特別是其網(wǎng)絡(luò)的幾何性狀，控制著巖石介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、力學(xué)和水力等行為，裂隙網(wǎng)絡(luò)的幾何性狀可用大小、位置和產(chǎn)狀等一組三維物理量的統(tǒng)計(jì)分布來(lái)定量描述。

測(cè)線技術(shù)是一種常用的幾何性狀野外觀測(cè)技術(shù)，這種技術(shù)只收集與測(cè)線相交的裂隙，它的觀測(cè)樣本反映的是一維裂隙幾何信息，并不能代表三維統(tǒng)計(jì)量。前人開(kāi)發(fā)了多種由這種觀測(cè)技術(shù)獲得的一維觀測(cè)量來(lái)預(yù)測(cè)三維統(tǒng)計(jì)分布的方法，包括fisher方法，tokhmchi方法，williams-stroud方法，zazoun方法，follin方法，berrone方法，zaree方法，terzaghi公式和terzaghi改進(jìn)方法，這些預(yù)測(cè)方法存在如下不足：

(1)這些預(yù)測(cè)方法需要其它調(diào)查信息如滲透系數(shù)的測(cè)量，增加了實(shí)測(cè)工作量，并且預(yù)測(cè)過(guò)程中需要設(shè)置一些參數(shù)，預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)這些外加的調(diào)查信息和設(shè)置可能敏感，從而引起預(yù)測(cè)結(jié)果的不確定性與不準(zhǔn)確性。

(2)一個(gè)或多個(gè)理論產(chǎn)狀分布類(lèi)型必須被定義，而它們未必符合真實(shí)的三維分布，同時(shí)，現(xiàn)在并沒(méi)有實(shí)用的方法可用來(lái)鑒定最優(yōu)的分布類(lèi)型。

(3)一些樣本在本質(zhì)上并不符合理論分布，所以，強(qiáng)加性地定義理論分布類(lèi)型顯得并不合理。

最近發(fā)展的fouché方法是較為先進(jìn)的方法，fouché方法對(duì)投影網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)格化，將投影網(wǎng)劃分成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格后計(jì)數(shù)落入各個(gè)網(wǎng)格的頻率，通過(guò)相應(yīng)的偏差補(bǔ)償公式進(jìn)行加權(quán)，fouché方法考慮了樣本容量效應(yīng)，使得預(yù)測(cè)精度得到提高。但同時(shí)它具有一些不足，比如并沒(méi)有完全消除觀測(cè)誤差，對(duì)于近似平行的裂隙如層理面，預(yù)測(cè)結(jié)果與三維真實(shí)分布差距較小，能夠反映三維統(tǒng)計(jì)分布，但對(duì)于非平行的情況如節(jié)理面，預(yù)測(cè)后的殘余誤差還比較明顯，并引起預(yù)測(cè)結(jié)果離三維真實(shí)分布還有一定差距，不能有效代表三維統(tǒng)計(jì)分布。因此，要獲取精確的預(yù)測(cè)結(jié)果，有必要對(duì)fouché方法進(jìn)行改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)裂隙產(chǎn)狀三維統(tǒng)計(jì)分布的巖石裂隙網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)狀三維統(tǒng)計(jì)分布的預(yù)測(cè)方法。

本發(fā)明提供一種巖石裂隙網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)狀三維統(tǒng)計(jì)分布的預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：

布置野外觀測(cè)巖石的測(cè)線，采集與所述測(cè)線相交的裂隙，利用地質(zhì)羅盤(pán)測(cè)量這些裂隙的傾向和傾角，利用皮尺測(cè)量這些裂隙的大小，并計(jì)算出所述裂隙的大小的平均值，然后統(tǒng)計(jì)所述傾向和傾角的樣本數(shù)量；

利用地質(zhì)羅盤(pán)測(cè)量所述測(cè)線的傾伏向和傾伏角，采用卡尺測(cè)量所述測(cè)線的寬度；

判斷所述裂隙的傾向和傾角是否在概率空間內(nèi)隨機(jī)分布；

判斷所述測(cè)線的寬度的數(shù)量級(jí)是否小于裂隙的大小的平均值的數(shù)量級(jí)；

若所述裂隙的傾向和傾角在概率空間內(nèi)隨機(jī)分布且測(cè)線的寬度的數(shù)量級(jí)小于裂隙的大小的平均值的數(shù)量級(jí)，則將所述裂隙的傾向和傾角通過(guò)極射投影轉(zhuǎn)換成極點(diǎn)，獲取投影于各個(gè)極點(diǎn)的觀測(cè)頻率；

獲得所述測(cè)線與投影于各個(gè)極點(diǎn)的裂隙的交切角，計(jì)算所述交切角的正弦值；

根據(jù)所述交切角的正弦值計(jì)算極點(diǎn)的觀測(cè)頻率的偏差補(bǔ)償系數(shù)；

根據(jù)所述極點(diǎn)的觀測(cè)頻率的偏差補(bǔ)償系數(shù)和觀測(cè)頻率計(jì)算極點(diǎn)的初始預(yù)測(cè)頻率，將所述初始預(yù)測(cè)頻率通過(guò)四舍五入取整的方法得到極點(diǎn)的預(yù)測(cè)頻率。

進(jìn)一步地，所述判斷裂隙的傾向和傾角是否在概率空間內(nèi)隨機(jī)分布的具體步驟為：通過(guò)地質(zhì)分析檢驗(yàn)，如果研究的裂隙處于均一的地質(zhì)環(huán)境并且經(jīng)受了相同的歷史地質(zhì)作用時(shí)，說(shuō)明裂隙的傾向和傾角在概率空間內(nèi)隨機(jī)分布；如果研究的裂隙處于不同的地質(zhì)環(huán)境或經(jīng)受了不同的歷史地質(zhì)作用，則將其視為統(tǒng)計(jì)非均質(zhì)區(qū)，裂隙的傾向和傾角在概率空間內(nèi)不滿足隨機(jī)分布。

進(jìn)一步地，所述獲取投影于各個(gè)極點(diǎn)的觀測(cè)頻率的具體步驟為：統(tǒng)計(jì)投影于各個(gè)極點(diǎn)的裂隙數(shù)量，這些裂隙數(shù)量為采用一維測(cè)線觀測(cè)法獲取的各個(gè)極點(diǎn)的觀測(cè)頻率。

進(jìn)一步地，所述交切角的正弦值的計(jì)算公式為：

sinθ＝|sinβcosζcos(α-ψ)-cosβsinζ|

式中，θ是測(cè)線與投影于各個(gè)極點(diǎn)的裂隙的交切角，α是裂隙的傾向，β是裂隙的傾角，ψ是測(cè)線的傾伏向，ζ是測(cè)線的傾伏角。

進(jìn)一步地，所述極點(diǎn)的觀測(cè)頻率的偏差補(bǔ)償系數(shù)的計(jì)算公式為：

式中，δ(θ,n)是極點(diǎn)的觀測(cè)頻率的偏差補(bǔ)償系數(shù)，n是傾向和傾角的樣本數(shù)量，是小于等于的最大整數(shù)。

進(jìn)一步地，所述極點(diǎn)的初始預(yù)測(cè)頻率的計(jì)算公式為：

pc＝po·δ(θ,n)

式中，pc是極點(diǎn)的初始預(yù)測(cè)頻率，po是極點(diǎn)的觀測(cè)頻率。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的技術(shù)方案帶來(lái)的有益效果是：

1.通過(guò)本發(fā)明的預(yù)測(cè)方法獲得的頻率數(shù)據(jù)不僅可直接轉(zhuǎn)化為傾向和傾角的直觀表達(dá)形式，例如極點(diǎn)圖和等密度圖，還可方便地用來(lái)計(jì)算傾向和傾角的分布參數(shù)，包括平均產(chǎn)狀和fisher常量，具有廣泛的工程應(yīng)用價(jià)值。

2.本發(fā)明的預(yù)測(cè)方法簡(jiǎn)易實(shí)用，能夠有效減小實(shí)測(cè)工作量，降低工程投入，本發(fā)明的預(yù)測(cè)方法所需參數(shù)較少，減少了參數(shù)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的影響，有效降低了預(yù)測(cè)結(jié)果的不確定性，增加了預(yù)測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定性，本發(fā)明的預(yù)測(cè)方法不考慮取樣工具尺寸效應(yīng)，并且能夠?qū)⒁虿豢紤]取樣工具尺寸效應(yīng)這種簡(jiǎn)化而引起的誤差約束在一個(gè)極其微小的水平，從而有效提高了預(yù)測(cè)結(jié)果的精度。

3.對(duì)于三類(lèi)情況，包括：(a)相互平行或近似相互平行的裂隙，并且在測(cè)量過(guò)程中與測(cè)線呈大角度相交；(b)相互平行或近似相互平行的裂隙，并且在測(cè)量過(guò)程中與測(cè)線呈小角度相交；(c)相互非平行的裂隙，并且在測(cè)量過(guò)程中與測(cè)線呈大角度相交，本發(fā)明提供的預(yù)測(cè)方法獲得的結(jié)果更為精確。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一種巖石裂隙網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)狀三維統(tǒng)計(jì)分布的預(yù)測(cè)方法的流程示意圖。

圖2是本發(fā)明一實(shí)施例中巖石裂隙的示意圖。

圖3是本發(fā)明一實(shí)施例中巖石裂隙的傾向和傾角的示意圖。

圖4是本發(fā)明一實(shí)施例中巖石測(cè)線的傾伏向和傾伏角的示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地描述。

請(qǐng)參考圖1至圖4，本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種巖石裂隙網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)狀三維統(tǒng)計(jì)分布的預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：

步驟s101，布置野外觀測(cè)巖石的測(cè)線3，采集與測(cè)線3相交的裂隙2，利用地質(zhì)羅盤(pán)測(cè)量這些裂隙2的傾向α和傾角β，通常用巖石裂隙的產(chǎn)狀表示裂隙在空間的狀態(tài)和方位，其包括傾向和傾角，巖石裂隙的傾向是巖石裂隙平面的法線在水平面上投影的方位角，巖石裂隙的傾角是巖石裂隙平面的法線與水平面夾角的余角，利用皮尺測(cè)量這些裂隙2的大小，并計(jì)算出裂隙2的大小的平均值，然后統(tǒng)計(jì)傾向α和傾角β的樣本數(shù)量n。

步驟s102，利用地質(zhì)羅盤(pán)測(cè)量測(cè)線3的傾伏向ψ和傾伏角ζ，測(cè)線的傾伏向是測(cè)線指向地下方向在水平面上投影的方位角，傾伏角是測(cè)線在水平面上投影與該測(cè)線的夾角，即測(cè)線所在鉛直平面內(nèi)該測(cè)線與水平面的夾角，也等于測(cè)線所在鉛直平面內(nèi)該測(cè)線的法線與水平面的夾角的余角，采用卡尺測(cè)量測(cè)線3的寬度。

參考圖2至圖4，立方體1表示巖石，斜線表示測(cè)線3，立方體1表面的不同形狀的直線表示裂隙2，21表示某一裂隙2的法向向量，該裂隙2的傾向α為法向向量21在水平面上的投影22與法向向量21在南北方向上的投影23的夾角，該裂隙2的傾角β為法向向量21與法向向量21在豎直方向上的投影24的夾角；31表示測(cè)線3的方向向量，測(cè)線3的傾伏向ψ為方向向量31在水平面上的投影32與方向向量31在南北方向上的投影33的夾角，測(cè)線3的傾伏角ζ為方向向量31與方向向量31在水平面上的投影32的夾角。

步驟s103，判斷裂隙的傾向α和傾角β是否在概率空間內(nèi)隨機(jī)分布：

若裂隙的傾向α和傾角β在概率空間內(nèi)隨機(jī)分布，到步驟s104；

若裂隙的傾向α和傾角β在概率空間內(nèi)不滿足隨機(jī)分布，到步驟s109。

判斷裂隙的傾向α和傾角β是否在概率空間內(nèi)隨機(jī)分布的具體步驟為：

對(duì)于在均一的地質(zhì)環(huán)境和地質(zhì)進(jìn)程中形成的裂隙，其傾向和傾角近似服從隨機(jī)分布，定義具有隨機(jī)分布的傾向和傾角的地質(zhì)區(qū)域?yàn)榻y(tǒng)計(jì)均質(zhì)區(qū)，因此，當(dāng)裂隙處于均一的地質(zhì)環(huán)境和經(jīng)受相同的地質(zhì)作用時(shí)，可將其視為統(tǒng)計(jì)均質(zhì)區(qū)，通過(guò)地質(zhì)分析檢驗(yàn)，如果研究的裂隙處于均一的地質(zhì)環(huán)境并且經(jīng)受了相同的歷史地質(zhì)作用時(shí)，則將其視為統(tǒng)計(jì)均質(zhì)區(qū)，裂隙的傾向和傾角在概率空間內(nèi)隨機(jī)分布；如果研究的裂隙處于不同的地質(zhì)環(huán)境或經(jīng)受了不同的歷史地質(zhì)作用，則將其視為統(tǒng)計(jì)非均質(zhì)區(qū)，裂隙的傾向和傾角在概率空間內(nèi)不滿足隨機(jī)分布。

步驟s104，判斷測(cè)線的寬度的數(shù)量級(jí)是否小于裂隙的大小的平均值的數(shù)量級(jí)：若測(cè)線的寬度的數(shù)量級(jí)小于裂隙的大小的平均值的數(shù)量級(jí)，到步驟s105；

若測(cè)線的寬度的數(shù)量級(jí)大于或等于裂隙的大小的平均值的數(shù)量級(jí)，到步驟s109。

步驟s105，若裂隙的傾向α和傾角β在概率空間內(nèi)隨機(jī)分布且測(cè)線的寬度的數(shù)量級(jí)小于裂隙的大小的平均值的數(shù)量級(jí)，則將裂隙的傾向α和傾角β通過(guò)極射投影轉(zhuǎn)換成極點(diǎn)，獲取投影于各個(gè)極點(diǎn)的觀測(cè)頻率po。

獲取投影于各個(gè)極點(diǎn)的觀測(cè)頻率po的具體步驟為：統(tǒng)計(jì)投影于各個(gè)極點(diǎn)的裂隙數(shù)量，這些裂隙數(shù)量為采用一維測(cè)線觀測(cè)法獲取的各個(gè)極點(diǎn)的觀測(cè)頻率po。

步驟s106，獲得測(cè)線與投影于各個(gè)極點(diǎn)的裂隙的交切角θ，交切角為裂隙平面與測(cè)線的夾角，計(jì)算交切角θ的正弦值。

交切角θ的正弦值的計(jì)算公式為：

sinθ＝|sinβcosζcos(α-ψ)-cosβsinζ|

式中，θ是測(cè)線與投影于極點(diǎn)的裂隙的交切角，α是裂隙的傾向，β是裂隙的傾角，ψ是測(cè)線的傾伏向，ζ是測(cè)線的傾伏角。

步驟s107，根據(jù)交切角θ的正弦值計(jì)算極點(diǎn)的觀測(cè)頻率的偏差補(bǔ)償系數(shù)δ(θ,n)。

極點(diǎn)的觀測(cè)頻率的偏差補(bǔ)償系數(shù)δ(θ,n)的計(jì)算公式為：

式中，n是傾向和傾角的樣本數(shù)量，是小于等于的最大整數(shù)。

步驟s108，根據(jù)極點(diǎn)的觀測(cè)頻率的偏差補(bǔ)償系數(shù)δ(θ,n)和觀測(cè)頻率po計(jì)算極點(diǎn)的初始預(yù)測(cè)頻率pc，將初始預(yù)測(cè)頻率pc通過(guò)四舍五入取整的方法得到極點(diǎn)的預(yù)測(cè)頻率，極點(diǎn)的預(yù)測(cè)頻率能夠用以準(zhǔn)確表示在三維空間內(nèi)巖石內(nèi)所有裂隙的傾向α和傾角β的概率分布。

極點(diǎn)的初始預(yù)測(cè)頻率pc的計(jì)算公式為：

pc＝po·δ(θ,n)

式中，po是極點(diǎn)的觀測(cè)頻率。

步驟s109，結(jié)束計(jì)算。

通過(guò)本發(fā)明的預(yù)測(cè)方法獲得的預(yù)測(cè)頻率數(shù)據(jù)不僅可直接轉(zhuǎn)化為傾向α和傾角β的直觀表達(dá)形式，例如極點(diǎn)圖和等密度圖，還可方便地用來(lái)計(jì)算傾向α和傾角β的分布參數(shù)，包括平均產(chǎn)狀和fisher常量，具有廣泛的工程應(yīng)用價(jià)值；本發(fā)明的預(yù)測(cè)方法簡(jiǎn)易實(shí)用，能夠有效減小實(shí)測(cè)工作量，降低工程投入，本發(fā)明的預(yù)測(cè)方法所需參數(shù)較少，減少了參數(shù)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的影響，有效降低了預(yù)測(cè)結(jié)果的不確定性，增加了預(yù)測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定性，本發(fā)明的預(yù)測(cè)方法不考慮取樣工具尺寸效應(yīng)，并且能夠?qū)⒁虿豢紤]取樣工具尺寸效應(yīng)這種簡(jiǎn)化而引起的誤差約束在一個(gè)極其微小的水平，從而有效提高了預(yù)測(cè)結(jié)果的精度；對(duì)于三類(lèi)情況，包括：(a)相互平行或近似相互平行的裂隙，并且在測(cè)量過(guò)程中與測(cè)線呈大角度相交；(b)相互平行或近似相互平行的裂隙，并且在測(cè)量過(guò)程中與測(cè)線呈小角度相交；(c)相互非平行的裂隙，并且在測(cè)量過(guò)程中與測(cè)線呈大角度相交，本發(fā)明提供的預(yù)測(cè)方法獲得的結(jié)果更為精確。

在不沖突的情況下，本文中上述實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互結(jié)合。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。