岩体随机结构面三维网络的生成和可视化技术_李新强
岩体裂隙网络随机生成及连通性研究
岩体裂隙网络随机生成及连通性研究王晋丽;陈喜;黄远洋;张志才【摘要】Based on statistic parameters of random distribution of fractures, a fracture network is generated by application of the Monte Carlo simulation technology. In terms of undirected graph theory, the backbone (conducting part) of fractures is obtained. Probability of fracture connectivity about the orientations of the uniform distribution is compared to that of the normal distribution. The Monte Carlo Experiments based on a two-dimensional fracture network model are used to validate the critical number of fractures, as well as the critical fracture length derived from Balberg and others. The result shows that the backbone of fractures is drawn quickly and easily with the undirected graph method. Under the same conditions of the fracture features, the probability of fracture connectivity for orientation following a uniform distribution is 20% larger than that of a normal distribution. When fracture connectivity probability is greater than 90% , the estimated value from Balberg and others is in gaad agreement with the actual parameter value. The results in this work provide a valuable analysis method for groundwater seepage calculation.%基于裂隙几何参数分布的统计特性,应用Monte Carlo模拟技术生成二维裂隙网络.利用无向图方法实现裂隙网络连通图的绘制,并比较了走向服从均匀分布和正态分布的裂隙连通概率.在此基础上,对Balberg等人提出的渗流临界裂隙数(即主干裂隙数)和临界裂隙长度估算方法进行了验证.结果表明,无向图方法可以方便、快捷地实现裂隙网络连通图的绘制；同等条件下走向服从均匀分布比走向服从正态分布的裂隙连通概率大20％左右；当裂隙连通概率大于90％,Balberg等人提出的渗流的临界裂隙数和临界裂隙长度估计值与实际参数值吻合较好,研究成果为裂隙地下水渗流计算提供了分析方法.【期刊名称】《水文地质工程地质》【年(卷),期】2013(040)002【总页数】6页(P30-35)【关键词】岩体;Monte Carlo方法;裂隙网络;连通性;地下水渗流【作者】王晋丽;陈喜;黄远洋;张志才【作者单位】河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京210098;河海大学水文水资源学院,江苏南京210098【正文语种】中文【中图分类】P641;TU452岩体在其形成后的漫长地质年代里，由于构造运动、卸荷作用、风化作用等的影响，孕育了大量的断层、裂隙、节理。
三维岩体裂隙网络模拟研究及应用
裂隙统 计分析 的方法很 多 ， 有玫瑰花图法、 直
方 图法 、 点图法和等密度 图法等。本次研究中， 极
首先 由走 向玫瑰 图、倾 向和倾角分布的直方 图对 裂 隙的产状分布特征分别进行 了分析 ，然后结合
裂 隙等密度 图分析得出了结构面优势产状。
・
４ ・ ９
【 要】 摘 为合理评 价 某水库库岸岩体 结构特征 及工程 整治提供依 据 ，对 区内岩体进行 了裂 隙
调 查 及 三 维 网 络 模 拟 研 究 。 研 究基 于 Ｍｏ ｔ— ａ ｏ 拟 方 法 ， 走 向玫 瑰 图 、 向 和 倾 角分 布 ｎｅ Ｃ ｒ 模 ｌ 由 倾
的 直方 图对裂 隙的产状 分布特征分 别进行 了分析 ，结合 裂隙等 密度 图分析 得 出了结构面优 势 产状 、用直接 法产生 随机 数并利 用计算机模 拟得 出符合 实际 的三 维裂 隙网络 图。 引入 广义计 算， 讨论 了值 的 变化 可能影 响库岸岩体在 不 同方向的稳 定性 。
２３ 裂 隙几 何 参 数分 析 统 计 ．
某 库 段 位 于 兴 山县 中部 偏 南 的 香 溪 河 谷 ， 为 兴 山县 原 县 城 所 在 地 。 区域 上 位 于大 巴 山 与秭 归
盆地过渡地带 ， 属于构造剥蚀 中低 山区， 山高坡陡 ，
相对高差 ８０ １ ０ ０～ ０ｍ。研究 区内地层出露齐全 ， ０ 从古元界至新生界均有 出露 ，该地 区分布地层有 三叠系 ， 罗系及第四系。区域地 质构造上高阳镇 侏 处于 ３ 个构造单元的交接部位 ，区内地质构造 复
之间和 １０～ ４ ￣ ９￣ ２０ 之间 ； 倾角 大多为 陡倾 ， 一般 在
４ ￣８ ￣ 间 。 ５～ ０之
矿床的三维可视化仿真技术与系统
27岁教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目(No.2002-0008006)和高等学校骨干教师资助计划项目可视化是近年发展起来的一种计算机应用技术图像处理计算机网络以及其他相关领域的技术提高信息的利用效率气象学矿化模型及有限元分析等众多领域也是目前有关研究的热点和难点气象预报工程等领域的三维数据可视化软件产品[1,2]ÇÒ¼Û¸ñ°º¹óÄÜÔÚ¹úÄڵؿóÁìÓòÖÐÍƹãÓ¦ÓõIJ»¶àÈýά¿ÉÊÓ»¯¼¼ÊõÔÚÌåÊý¾ÝµÄ±íʾƥÅä¼°ÎïÌå±íÃæÖؽ¨ºÍÖ±½ÓÌåÊӵȷ½Ã滹ÓдýÓÚ½øÒ»²½·¢Õ¹[3~6]•454•20045ÍâÍƺÍÄ£ÄâÊý¾Ý½á¹¹ÒªÄܹ»ÓÐЧµØ·´Ó³Ñо¿¶ÔÏóµÄ¿Õ¼äÍØÆ˹ØϵÕâÒ»µã·Ç³£ÖØҪĿǰ»¹Ã»ÓÐÒ»¸öÆÕ±éÊÊÓõÄÊý¾Ý½á¹¹Ä£ÐÍΪ±ãÓÚ¼¯³É本研究定义了以下体数据结构／／三维坐标double m_dGrade;//品位值CString m_sDrill_ID;//钻孔编号CString m_sEx_ID;//勘探线号CString m_sLithology;//岩性代号CString m_sSample_ID;//样品编号}DA TA;本研究建立了一个三维的空间地质数据库系统对原始数据进行处理之后所生成的各种中间数据和有关结果数据来源于不同矿体系统可以通过接口将不同格式的数据进行转换并将其纳入数据库的管理图2地质数据库管理模块代表性界面Fig.2Representative interface of geological database mangement block1.2矿床三维可视化矿体的三维可视化是以空间地质数据库为基础并将其在计算机屏幕上进行显示三维钻孔图矿体的任意剖面图以及这些图像的动态显示等对任意一个钻孔并根据各点的品位值赋予不同的颜色ColorLevelGL_LINE_STRIPSʵÏÖÈýά×ê¿×ͼ»æÖƵijÌÐò¶ÎÀýʾÈçÏÂglLineWidth(m_nWidth);//设置钻孔粗细for(int j=0;j<num;j++)//num 钻孔数目{glBegin(GL_LINE_STRIP);tp=db.GetAt(j);//第j 个钻孔glShadeModel(GL_FLAT);for(int i=0;i<number;i++)//number 为采样点总数{temp=GData.GetAt(i);//第i 个采样点if(temp.m_sDrill_ID==tp.m_sDrill_ID)//钻孔编号与样品编号一致{ColorLevel(temp.m_dGrade);//根据品位值赋予相应的颜色glV ertex3d(temp.m_,temp.m_dY ,temp.m_)}}glEnd();}glLineWidth(1.0);///恢复默认值图3和图4中不同的颜色体现了不同的矿石品位信息用户可以对指定范围内所有的钻孔及其体现的矿石品位信息进行显示还可以通过钻孔图像旋转进而使地矿工程技术人员能够直观地考察矿体品位分布的空间形态对任意一个剖面ｘ,y ,z这可以通过键盘输入剖面方程的系数而实现之后从数据库中查询满足剖面方程的点的三维坐标最后调用OpenGL 指令将剖面上的所有点进行体素化显V ol.26No.5僧德文等其中每一个体素代表一个10×1ËùµÃµ½µÄÆÊÃæÈçͼ5所示图3生产勘探钻孔的可视化Fig.3Visualization of productive explorationboreholes图4地质勘探钻孔的可视化Fig.4Visualization of geological exploration holes(3)矿体真三维显示对指定范围内的矿床实施插值后的体数据进行显示如图6也能够以离散点的形式进行超现实显示图5三个相互垂直的剖面图Fig.5Three orthogonal sectiondrawings6矿体的真实感图像Fig.6Realistic images of orebody图7矿体的超现实图像Fig.7Super-reality images of ore lody的空间分布把原本不透明的矿体显示成半透明状态1.3图像操作图像操作是指对生成的矿床地质图像的不完备性进行调整和补充可以修改和调整图像中各图像元素的形态与位置旋转可以对用户感兴趣的目标区进行深入的分析和观察缩小更为重要的是修改和操作进行光学属性透明度并且能够根据用户的选择显示器打印机和文件等图5~7左边的Tab 工具栏表现了主要的图像交互操作颜色属性设置2实例验证与结论本文给出了一种独立开发•456•20045²¢ÀûÓÃijÌú¿ó18条勘探线得到了三维钻孔图实验结果能够反映实际情况在矿体的真三维可视化过程中裁剪旋转及缩放等图像处理技术有效地表现或者仿真采矿工程计算机辅助设计系统得到的设计与计划方案提供了新的手段参考文献1余盛明,李华,唐卫清,等软件世界科学计算可视化算法与系统[M]¿Æѧ³ö°æÉçºú¶«ºê,杨可明,等东北测绘三维数据场可视化[M]Ç廪´óѧ³ö°æÉçÃæÏòµØ¿ó¹¤³ÌµÄÌåÊÓ»¯¼¼Êõ¼°ÆäÓ¦ÓÃ[D]20026李翠平胡乃联黄文骞海洋测绘基于OpenGL的飞行过程再现与仿真[J]2002,14(9):11973D Visual Modeling System for Mineral DepositsSENG Dewen,LI Zhongxue,LI Chunmin,LI CuipingCivil and Environmental Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing100083,ChinaABSTRACT A3D visualization system for mineral deposits is an important means to understand the spatial dis-tribution of mineral grades,and a fundamental tool for computer-aided design and planning of mines.Some3D vis-ualization techniques for modeling mineral deposits were presented and a framework for building a3D visual mod-eling system of mineral deposits was proposed.Based on Windows,VC++IDE and OpenGL,a prototype3D visual-ization system for modeling mineral deposits was developed.Real data from a Chinese underground iron mine were used to verify the system prototype and the resulting3D images of boreholes and orebodies are satisfactory,depic-ting a simulated true picture of the mineral deposit,which demonstrates the effective and efficiency of the visual-ization system.KEY WORDS mining;3D visualization;simulation;OpenGL。
《岩石裂隙网络多尺度三维模拟理论与方法》项目信息
《岩石裂隙网络多尺度三维模拟理论与方法》项目信息一、项目基本情况成果名称：岩石裂隙网络多尺度三维模拟理论与方法拟提名情况：单位提名，提名者：云南财经大学；提名等级：2020年度自然科学三等奖主要完成人：刘春学、倪春中、吕磊、谭喨、陆荣宇、芦磊、李建武、燕永锋、李春雪、邓明翔、贾玉伟、季正伟、崔翔、雷荣林、李悦、翟羽佳、金欢、尹宏完成单位：云南财经大学、昆明理工大学、云南锡业股份有限公司大屯锡矿、北京理工大学二、项目简介 1.主要工作内容该成果在国家自然科学基金项目（）的资助下，针对岩石裂隙网络三维模拟中的难点问题，构建了新的理论方法体系，进行了如下工作：1）构建了岩石裂隙网络高精度建模的理论方法体系，解决了属性分解、密度估计、位置生成、主量分析、反向分布估值、属性综合、网络联结及几何和统计关系等科学问题。
本成果集成了普通克里格、序贯高斯模拟、主成分分析等方法构成了裂隙网络三维空间分布模拟的方法，可以反映裂隙的多属性、通过同一位置、尺度不变性等特点，并可以充分利用不同维数和尺度上的样本裂隙数据。
2）以体视学和分形理论为基础，提出了岩石裂隙属性的跨尺度和跨维数的转换方法，解决了样本数据转换的难题。
本成果探讨了不同维数和尺度上的裂隙属性（密度、长度、方向）之间的几何和统计关系，建立了裂隙属性跨维数和跨尺度转换的实现方法和计算机算法。
3）成果在著名的个旧锡矿进行了实际应用，建立了岩石裂隙属性之间的关系，查明了矿区内矿体空间分布与裂隙系统的对应关系，获得很好的效果。
2.成果与国内外同类技术比较关于岩石裂隙的模拟方法主要局限在一维和二维空间中，因为所能使用的数据多都是通过钻孔或岩墙等获取的一维或二维样品资料，关于岩石裂隙网络在不同维数和尺度之间联系的研究目前还处于探索阶段，许多研究仅提出了初步的构想和理想化的模型，停留在单个裂隙面的性质和机理探讨，且对裂隙网络的模拟限于针对其某个特征的近似，而对跨维、跨尺度研究不够。
岩石结构面多向自由剪切-渗流可视化实验系统与方法
岩石结构面多向自由剪切-渗流可视化实验系统与方法在地球科学领域中，岩石结构面多向自由剪切-渗流可视化实验系统与方法具有非常重要的意义。
岩石结构面是指在地质构造中形成的、具有一定规模和方向性的断裂面，对岩石的力学性质和渗流特性有着重要的影响。
岩石结构面多向自由剪切-渗流可视化实验系统与方法在石油、地质和建筑等领域有着广泛的应用，对其进行深入的研究可以为相关领域的科研和工程实践提供重要的支撑。
我们需要了解什么是岩石结构面多向自由剪切-渗流可视化实验系统与方法。
岩石结构面多向自由剪切-渗流可视化实验系统主要包括岩石力学试验机、渗流可视化实验系统和相关测试设备。
通过对岩石结构面进行多向自由剪切实验，可以研究岩石在不同方向上的力学性质，揭示岩石结构面对力学参数的影响。
利用渗流可视化实验系统可以模拟岩石内部的渗流情况，研究岩石结构面对渗流特性的影响。
岩石结构面多向自由剪切-渗流可视化实验方法则是通过具体的实验操作步骤和数据分析方法，对岩石结构面多向自由剪切-渗流实验进行系统的研究和实施。
岩石结构面多向自由剪切-渗流可视化实验系统与方法的重要性体现在以下几个方面：1. 揭示岩石结构面对力学性质的影响。
岩石结构面作为岩石中的断裂面，具有一定的方向性和规模，对岩石的力学性质有着重要的影响。
通过多向自由剪切实验，可以研究岩石在不同方向上的力学特性，为岩石力学性质的研究提供重要的数据支撑。
2. 研究岩石结构面对渗流特性的影响。
岩石结构面不仅影响岩石的力学性质，同时也对岩石的渗流特性产生重要影响。
利用渗流可视化实验系统，可以模拟岩石内部的渗流情况，研究岩石结构面对渗流特性的影响，为地下水资源开发和岩石渗流力学特性的研究提供重要支撑。
3. 为石油、地质和建筑领域提供技术支持。
岩石结构面多向自由剪切-渗流可视化实验系统与方法在石油勘探开发、地质灾害评估和建筑工程等领域有着广泛的应用。
通过对岩石结构面的研究，可以为相关领域的科研和工程实践提供重要的技术支持。
基于MATLAB的岩体结构面三维模拟与表征单元体研究
基于MATLAB的岩体结构面三维模拟与表征单元体研究作者：李钰洁来源：《科技资讯》2015年第19期摘要：岩体中的结构面对岩体等效物理力学参数有重要影响，当岩体体积大于表征单元体体积（REV）时，岩体等效参数趋于稳定。
以新疆提依尔金矿为工程背景，使用Matlab软件，采用蒙特卡洛方法进行岩体结构面网络三维模拟，建立了与实际岩体具有相同统计特征的结构面三维模型；通过定义REV指标，综合确定岩体表征单元体为13m×13m×13m，约为最大节理迹长的3.7倍，为后续研究提供了基础数据。
关键词：Matlab 蒙特卡洛方法结构面三维模拟表征单元体中图分类号：TU452 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（a）-0093-02研究岩体工程问题前需要合理确定岩体的等效力学参数，然而由于岩体存在复杂的结构面（断层、节理、裂隙等），其物理力学性质表现出不均匀、不连续性。
分析大尺度岩体的力学行为时，应当注意一般情况下岩体的物理力学性质随岩体体积增大逐渐趋于稳定，即岩体存在表征单元体积（REV）。
目前通常可采用数值分析的方法确定岩体的等效力学参数，国内外不少学者对此进行了深入研究[1-2]。
使用数值分析方法确定岩体等效参数时，需要先明确岩体的REV尺度，只有当岩体模型体积大于岩体的REV时，才能保证数值分析法得到的力学参数与岩体实际的力学参数具有等效性。
岩体内结构面分布具有随机性，可用概率分布描述[3]。
该文以新疆提依尔金矿露天采场岩质边坡为工程背景，根据现场结构面测量数据统计分析所得的结构面产状概率分布及特征参数，利用Matlab软件，运用蒙特卡洛方法建立了与边坡岩体具有相同分布特征的结构面三维模型，然后以此为基础，研究了边坡岩体的REV大小，为后续边坡稳定性研究提供了依据。
1 岩体结构面三维模拟该文的研究对象为新疆提依尔金矿露天采场南部边坡岩体。
该部分边坡以凝灰岩为主，结构面发育，主要表现为节理，属于Ⅳ级结构面。
煤矿地质三维可视化的研究与应用
曲 新 等岙
图 ６ 插入约束线段 ａ 和 ｂ ｂ ｃ后带约束条件 的
Ｌ ｗ ｏ Ｏ ａ ｓｎ Ｐ交换 的完成 Ｌ
２３狄洛尼三角网的生成算法 ． （）分而治之算法 １ 分而治之算法又称分 治算法是 由 Ｓ ａ ｓ Ｈｏｙ ｈ ｍｏ 和 ｅ
二人在 １７ ９ ９年提 出的一种利用平面点生成 Ｄ ｌ ｎｙ ｃ ｕ ａ ａ 三角网的方法 。
、
图 ３ Ｌ ｗｏ Ｏ ａ ｓｎＬ Ｐ交换 的完成
２２带约束条件 的狄洛尼三角网 ．
带约束条件的狄洛尼三角 网与考虑 了预先给定 的
约束条件 。图 ４所示是一个把两条断裂线 （ 图中虚线
表示 ）作为约束条件 的 １ ６个平面点的狄洛尼三角网。 图 １ １ 个平面 点集合 的狄洛尼三角网 ６
当有一个新点插入到三角形 时候 ，新插入 的点与
原来三角形的相对位置关系经过狄洛尼法则 ，一个新
点插入三 角形后形成新三 角形 的过程就如图 ２所示 。
＼ ＼
图 ４ 带约束条件 （ 两条断裂 线，以虚线表示 ）的狄
洛尼三角 网
－
一
个新 点插入后 ，约束 的狄洛尼三 角网中点、三
角形和约束线
（ ａ ）在三角形 内 （）在三角形外接 圆内 ｂ （）在三角形外接 圆上 （）在三角形外接圆外 ｃ ｄ
图 ２ 点与三角形之间可能的关系
当一个新点插入后 ，如何 能保证生成 的新三角形
最理想 （ 最接近等边 ） ａ ｓｎ提 出了局部最优方法 ，Ｌ ｗ ｏ （ Ｏ － Ｌ ｃｌ 砸 ｍ ｚｔ ｎ ｒｃｄｒ ） 交换 凸四边形 Ｌ Ｐ ｏ ａＯ ｉａ ｏ ｏ ｅｕｅ ： ｉ Ｐ 的对 角线 ，可获得等角性最好 的三角网 （ ３（ ） 。 图 ｂ） 图３ 所示反映一个新 点 Ｐ插入后 ，不带约束的三角 网 的 Ｌ Ｐ交换过程 。 Ｏ
三维可视化对矿物加工专业课程教学的融合与促进
三维可视化对矿物加工专业课程教学的融合与促进作者：李吉辉黄根黄波马力强来源：《教育教学论坛》2023年第32期［摘要］在新工科建设和多学科交叉融合教学的背景下，在专业内构建多个课程群，使相关课程的教学深度交叉融合具有重要意义。
通过矿物加工工程专业“三维设计”“过程流体机械”“选煤（矿）厂设计”等课程交叉融合教学的实践和总结，发现课程交叉和知识融合可以令相关课程中抽象、深奥、枯燥的知识变得形象、简单和有趣，使得教师和学生都得到更好的教与学的体验，提升了课程间深入融合产生的教与学相互促进和提升学生解决复杂问题能力的效果，为推动高校多课程交叉融合和课程群建设提供借鉴。
［关键词］三维设计；矿物加工；课程融合［基金项目］ 2020年度中国矿业大学（北京）本科教育教学改革与研究项目（J200405）［作者简介］李吉辉（1987—），男，河南荥阳人，博士，中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院副教授，主要从事矿物加工原理、工艺及设备研究。
［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）32-0005-04 ［收稿日期］ 2022-10-21引言在国家重大战略需求驱动下，多学科交叉汇聚与多技术跨界融合成为常态，并不断催生出新学科前沿、新科技领域和新创新形态［1］。
多学科交叉融合，是指跨学科、多学科的学科交叉融合的研究、教学、应用。
在新工科建设和多学科交叉融合教学的大背景下，在专业内构建多个课程群，使相关课程的教学深度交叉融合具有另一个维度的重要性［2-4］。
三维设计具有所见即所得，可以提高设计质量、减轻设计工作量等优势，在科学、技术、工程、人文艺术等方面具有辅助跨学科教学的巨大潜力，有助于教师和学生将一定的想法或创意快速付诸实践，并且可以贯穿教学的不同阶段［5］。
采用三维软件辅助设计来逐步代替二维设计是行业未来的必然趋势。
目前常用的三维计算机辅助设计软件有AutoCAD、SolidWorks、Bentley、3D Max、SketchUp等，可支持工程图自动关联、三维模型参数变化自动调整、协同工作、碰撞检查、模型预览与出图等功能。
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三维图形渲染、旋转、交切等功能，为结构面网络模拟研究岩石力学和裂隙网络水力学提供了一个可视化平台，
具有相对广泛的应用价值和研究价值。
关键词：岩石力学；结构面；三维网络；计算机模拟；可视化
中图分类号：TU 45
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2007)12–2564–06
GENERATION AND VISUALIZATION TECHNOLOGIES OF THREE-DIMENSIONAL NETWORK OF ROCKMASS STOCHASTIC
从渗透网络模拟的目标来看，在模型中去掉独 立裂隙，对有压渗流的过程基本没有影响，同时结 构面网络中只保留贯通结构面形成网络可以简化模 型的复杂程度。由于结构面相互切割形成的空间组 合非常复杂，对于样本化过程形成的随机结构面网 络，除了利用解析几何的办法外，对于切割形成的 小的破碎块体或极小的结构面，仍需要进行适当的 合并简化处理，才能形成可供解析计算的渗流结构
2 三维结构面网络模型的建立
自 20 世纪 60 年代开始，国外就有学者提出结 构面网络渗流模型。时至今日，真正能用于结构面 渗流计算的三维模型只有两种：一种是圆盘结构面 网络模型，另一种是 Dershowitz 的多边形结构面网 络模型。随机结构面网络模拟以中小型结构面为研 究对象，因此本文采用 Baecher 圆盘形模型。
STRUCTURAL PLANE
LI Xinqiang1，YANG Songqing2，WANG Xiaogang1
(1. Department of Geotechnical Engineering，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100044，China； 2. Department of Geological Exploration，Xinjiang Institute of Reconnaissance Ssurvey and Design of Water Resources and Hydropower，Urumqi，Xinjiang 830091，China)
第 26 卷 第 12 期 2007 年 12 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.26 No.12 Dec.，2007
岩体随机结构面三维网络的生成和可视化技术
李新强 1，杨松青 2，汪小刚 1
(1. 中国水利水电科学研究院 岩土工程研究所，北京 100044；2. 新疆水利水电勘测设计研究院 地质勘察研究所，新疆 乌鲁木齐 830091)
利用现场测量结构面的统计结果，采用 Baecher 圆盘模型，按照每个随机变量的统计规律去生成一
图 1 Baecher 结构面几何模型[11] Fig.1 Geometrical model of Baecher structural plane[11]
o
图 2 三维结构面的单位矢量 Fig.2 Unit vectors of three-dimensional structural plane
Abstract：Based on the research work on generation and visualization of three-dimensional stochastic fracture network simulation，a new three-dimensional stochastic fracture network model is established. It is assumed that the fracture shape of the model is a Baecher disc，the distribution is stochastic，and the correlativity of dimension， location，orientation and aperture of all fractures is independent. Based on these，a sample element of a three-dimensional structural plane network is generated separately by Poisson stochastic process. The spatial geometrical intersection information of the fractures and the boundary sides is discussed in detail. As a result，a program named FRCGEN-3D for three-dimensional stochastic fracture network of flow is developed by the FORTRAN90. To visualize the three-dimensional network model and check the data conveniently，a new specialized visualization system called V-FNW is developed with OPEN GL tools in Visual C++，which is powerful and famous for graph process. The system V-FNW shows interactive interface with three-dimensional graph rendering，rotation and intersection. Finally，an example of a stochastic model with a set of specific data is given；and the result is reasonable. It provides a visual platform of fracture network simulation for rock mechanics and rock hydromechanics，which is very important and valuable in the further research. Key words：rock mechanics；structural plane；three-dimensional network；computer simulation；visualization
生成三维结构面(渗流)网络的专用程序 FRCGEN-3D，该程序也适用于三维结构面网络模拟研究岩体楔形体稳定和
连通率求解问题。为使复杂的三维结构面空间几何关系得到展示，进一步借用 OPEN GL 强大的图形处理编程功
能，在此基础上完善了一套完整的三维结构面网络模拟专用的可视化系统 V-FNW。该可视化系统具有交互界面和
摘要：在总结随机结构面网络模拟研究关于结构面三维网络生成和可视化成果的基础上，假定结构面为 Baecher
圆盘形，考虑结构面大小、位置、产状、隙宽等要素，采用泊松随机过程生成随机结构面网络的样本单元。其中
较为详细地介绍了利用结构面的空间几何关系获得结构面网络的交会信息方法，利用 FORTRAN90 编程语言编制
国外，H. H. Einstein 等[1～4]曾把该模型应用于 岩石力学分析中，国内贾志欣等[5～7]曾进行了这方 面的尝试，大多数研究人员采用该模型通过研究岩 体结构面网络的连通率求解岩体的质量指标。对于 岩体渗流结构面网络，C. H. Lee 等[8～10]进行了大量 研究工作，并取得了卓有成效的研究成果。图 1 为 Baecher 结构面几何模型[11]，图 2 为圆形单一结构 面的三维空间展布。 2.1 三维结构面网络模型的理论
岩体结构面网络模拟技术的研究及软件开发在 工程应用方面具有很大的发展前景，它不仅可用于 岩体的非连续介质力学数值模拟研究方面，而在岩 体渗流、岩体爆破设计等领域，也可作为岩石力学 一个基础性的分析工具。三维结构面网络作为非连 续介质问题，目前尚无成熟的可视化工具可用。同 时利用三维图形的可视化技术，使得结构面网络的 空间状态和交切形式等以直观的图形得以展示，为 检验几何数据提供了便利条件，是非常必要的。
件确定，通常为给定水头边界。② 终止于研究域内
部，这时沿圆形结构面边界的流入、流出通量为 0。 结构面边界可能与其他结构面相切，按渗流数值求
解的一般情况处理即可。
(2) 结构面交叉点和交叉线 用 oxyz 表示结构面网络研究域的整体坐标系， 用 o′x′y′表示某结构面所在的局部平面坐标系。在 空间中，2 个互不平行的结构面可能相交形成一条 交线(不相交或相交成一个点的情况不作考虑)，如 图 3 所示，交线的每个端点的位置通过联立求解结 构面方程(式)获得。其中一个端点记作 P(x，y，z)。 点 P 存在的条件是其在 2 个结构面中均位于结构面 有效范围之内。这意味着点 P 要满足两个条件：① 点 P 到 2 个结构面中点的距离均要不大于结构面的 半径；② 若结构面交割研究域边界，则点 P 要在 未被边界切割掉的结构面一侧。已知交叉点 P 的空 间位置，通过坐标系的平移和旋转，可以确定点 P 在各自结构面局部坐标系中的坐标值(x′，y′)，即
收稿日期：2007–04–04；修回日期：2007–06–05 基金项目：国家自然科学基金重点项目(50539100)；国家自然科学基金资助项目(50509027) 作者简介：李新强(1972–)，男，2005 年于中国水利水电科学研究院岩土工程专业获博士学位，现任高级工程师，主要从事岩土工程、渗流计 算分析方面的研究工作。E-mail：lixq@
式中： x0，y0，z0 分别为结构面中点的空间坐标；α 为结构面倾向θ 与 y 轴正向(方位角θ y )的夹角， α = θ −θ y ； β 为结构面倾角；R 为圆盘半径。