大型水利水电工程岩体结构关键曲面块体分析理论与方法

Rock mass structures are key factors that control and influence the stability of foundation engineering, underground engineering and slope engineering in hydraulic projects. Based on the traditional plane block theory, a new approach of 3D surface block identification and analysis is put forward. Firstly, the refined 3D model of rock mass structures is built integrating with tectonic models and random structure surface network models, based on sufficient geological data of different regions and different scales in hydraulic engineering.Secondly, considering the complex relationships among geological structures, joint fissures and hydraulic structures, the mathematical definition of 3D surface blocks is given,and new principles of surface blocks identification are determined, such as closure, completeness, uniqueness and validity principles.The rapid searching, identifying and checking method of free blocks and constraint blocks will be proposed. Then,according to the identified key surface blocks,the corresponding 3D stability computing method and 3D dynamic visual analyzing method will be studied to complete the stability evaluation of key blocks. Finally, the above theories and methods will be applied to the actual hydraulic project. It will offer effective theoretical approaches and technical supports to the safety analysis of rock mass structures of hydraulic engineering.

水利水电工程中的岩体结构是控制基础工程、地下工程和边坡工程等稳定的关键因素。在传统的平面块体理论基础上，耦合地质构造模型和随机结构面网络模型建立精细的三维岩体结构模型，提出新的曲面块体理论。基于工程岩体结构不同区域大小、不同尺度地质数据的分析，综合考虑地质构造、随机裂隙结构面、水工建筑物和它们之间复杂的相互交错关系，建立三维曲面块体的数学模型，提出新的曲面块体识别原则，研究自由块体和约束块体的快速搜索识别与校核分析方法；研究关键曲面块体的三维稳定性计算分析方法，实现可能失稳块体的三维可视化动态分析，完成关键块体的稳定性分析与评价；结合拟建或在建的国家重点水利水电工程，开展工程应用研究，为水利水电工程的安全分析与支护方案提供有效的理论方法和技术支撑。

针对影响水利水电工程中的基础工程、地下工程和边坡工程等稳定的岩体结构安全分析问题，在传统的平面块体理论基础上，研究提出了曲面块体理论，包括基于三维多尺度岩体精细模型的曲面块体建模方法、岩体三维离散裂隙网络模型迹线图校核算法、关键曲面块体和复杂块体群识别分析方法、基于多面体离散裂隙网络的地下洞室随机块体稳定性分析和岩体三维力学连通率分析方法等理论方法与技术。基于工程岩体结构不同区域大小、不同尺度地质数据的分析，耦合地质构造模型和离散裂隙结构面网络模型建立了精细的三维岩体结构模型；综合考虑地质构造、随机裂隙结构面、水工建筑物和它们之间复杂的相互交错关系，建立了三维曲面块体的数学模型，提出了曲面块体识别准则，实现了关键块体和复杂块体群的快速搜索识别与校核分析；提出关键曲面块体的三维稳定性计算分析方法，实现了复杂关键块体的稳定性分析与评价。所研究开发的方法与技术成功应用于锦屏一级、向家坝、楞古、孟地沟、猴子岩、丰元等多项大中型水利水电工程基础稳定、边坡稳定和地下洞室稳定评价及重大工程地质问题方面分析中，为水利水电工程岩体结构安全分析与支护方案设计提供了科学的理论方法和先进的技术手段。研究成果获2017年中国岩石力学与工程学会科技进步一等奖；发表、录用学术论文13篇，其中SCI/EI 论文9篇；申请发明专利10项。在人才培养方面，协助培养2 名博士生取得博士学位，培养5 名硕士生取得硕士学位，2名硕士生转为硕博连读生；李明超教授2016年获得国家优秀青年科学基金资助，2017年获得天津市杰出青年科学基金资助。