本發(fā)明涉及一種基于三維地質(zhì)建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)的地質(zhì)塊體，特別是復(fù)雜地質(zhì)塊體的三維建模方法，屬于巖體工程的非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)數(shù)值計(jì)算與分析技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

巖體介質(zhì)在其形成和演變的整個(gè)地質(zhì)歷史時(shí)期中，經(jīng)受各種復(fù)雜而不均衡的地質(zhì)作用后，形成一個(gè)復(fù)雜的地質(zhì)形體。從宏觀地質(zhì)結(jié)構(gòu)上講，巖體可以看成是由若干空間地質(zhì)結(jié)構(gòu)面切割而成的塊體系統(tǒng)。

目前，離散元法、不連續(xù)變形分析等非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法，均是以離散塊體系統(tǒng)為研究對(duì)象，將巖體視為若干空間結(jié)構(gòu)面所切割而成的復(fù)雜空間巖塊集合體。但是，由于自然界的地形地質(zhì)條件非常復(fù)雜，即使對(duì)巖體地形地質(zhì)條件進(jìn)行簡(jiǎn)化，也不可能像處理二維問(wèn)題那樣進(jìn)行手工的塊體剖分，因此有必要建立一種復(fù)雜地質(zhì)塊體的三維建模方法。

p.m.warburton于1983年提出了一種應(yīng)用無(wú)限大平面進(jìn)行塊體剖分的方法，但是這種方法不能表示巖體復(fù)雜的塊體形態(tài)，而且生成的塊體只能局限于凸體，這一點(diǎn)與實(shí)際工程中地質(zhì)塊體的具體情況不相符合。后來(lái)很多學(xué)者開(kāi)始假定裂隙面為有限尺寸的空間多邊形(或圓形)來(lái)研究復(fù)雜地質(zhì)塊體的三維建模問(wèn)題，分別從代數(shù)拓?fù)渫{(diào)論、矢體以及有向圖理論三個(gè)方面出發(fā)，雖然出發(fā)角度不同，但基本上實(shí)現(xiàn)的是一般性質(zhì)的地質(zhì)塊體的三維建模問(wèn)題。

從實(shí)際實(shí)施中可以發(fā)現(xiàn)，上述眾多方法，要么僅給出了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)理論而未給出可編程實(shí)現(xiàn)的具體算法，要么引入若干人工干預(yù)項(xiàng)或缺乏必要的正則化處理，進(jìn)而導(dǎo)致復(fù)雜塊體建模過(guò)程不完備，要么就是未提出完備、且具有可操作性的判定準(zhǔn)則來(lái)驗(yàn)證復(fù)雜地質(zhì)塊體三維建模的完備性和準(zhǔn)確性。

由此可見(jiàn)，研究出一種可解決地質(zhì)塊體，特別是復(fù)雜地質(zhì)塊體在三維建模方面所出現(xiàn)的上述諸多不足，是目前亟需解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種地質(zhì)塊體的三維建模方法，其可快速、準(zhǔn)確地針對(duì)地質(zhì)塊體，尤其是復(fù)雜地質(zhì)塊體進(jìn)行三維建模，構(gòu)建出的三維模型可真實(shí)反映地質(zhì)塊體的實(shí)際構(gòu)造。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：

一種地質(zhì)塊體的三維建模方法，其特征在于，它包括步驟：

1)給定待建模的地質(zhì)塊體模型和空間裂隙面的幾何描述；

2)對(duì)于待建模的地質(zhì)塊體模型，求取其上邊界面與邊界面之間、裂隙面與裂隙面之間以及邊界面與裂隙面之間形成的跡線，進(jìn)而獲得邊界面和裂隙面上形成的棱邊；

3)棱邊經(jīng)正則化處理后，利用邊界算子并根據(jù)環(huán)路搜索準(zhǔn)則進(jìn)行搜索后形成有向環(huán)，基于對(duì)有向環(huán)的屬性判斷以及有向環(huán)間的包含關(guān)系判斷形成有向面；

4)有向面經(jīng)正則化處理后，利用邊界算子并根據(jù)空間殼搜索準(zhǔn)則進(jìn)行搜索后形成有向殼，基于對(duì)有向殼的屬性判斷以及有向殼間的包含關(guān)系判斷形成有向體；

5)對(duì)形成的各有向體經(jīng)塊體拓?fù)湫詸z查和塊體體積總和檢查，判斷形成的各有向體是否可構(gòu)成待建模的地質(zhì)塊體模型：若可構(gòu)成，則三維建模成功并結(jié)束。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：

本發(fā)明將地質(zhì)塊體視為有向復(fù)合形，基于閉曲面的拓?fù)湫再|(zhì)，經(jīng)正則化處理，利用邊界算子并結(jié)合相應(yīng)搜索準(zhǔn)則后進(jìn)行相關(guān)包含判斷實(shí)現(xiàn)了三維塊體建模，建模效率高，所建模型的準(zhǔn)確性與完備性高，建模成功率高。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明三維建模方法的實(shí)施流程圖。

圖2是裂隙面的初始形態(tài)圖。

圖3是環(huán)路搜索最大右轉(zhuǎn)角準(zhǔn)則的說(shuō)明示意圖。

圖4a、圖4b分別是內(nèi)環(huán)、外環(huán)示意圖。

圖5是空間殼搜索最大右轉(zhuǎn)角準(zhǔn)則的說(shuō)明示意圖。

圖6a、圖6b分別是外殼、內(nèi)殼示意圖。

圖7是有限元模型實(shí)例圖。

圖8、圖9、圖10是裂隙面修正得到的多邊形(粗實(shí)線所示)示意圖。

圖11是棱邊正則化處理后的結(jié)果示意圖。

圖12a是形成有向環(huán)1(內(nèi)環(huán))的環(huán)路搜索說(shuō)明圖。

圖12b是形成有向環(huán)2(內(nèi)環(huán))的環(huán)路搜索說(shuō)明圖。

圖12c是形成有向環(huán)3(外環(huán))的環(huán)路搜索說(shuō)明圖。

圖12d是形成有向環(huán)4(內(nèi)環(huán))的環(huán)路搜索說(shuō)明圖。

圖13a是形成有向殼1(粗實(shí)線所示內(nèi)殼)的空間殼搜索說(shuō)明圖。

圖13b是形成有向殼2(粗實(shí)線所示內(nèi)殼)的空間殼搜索說(shuō)明圖。

圖13c是形成有向殼3(粗實(shí)線所示內(nèi)殼)的空間殼搜索說(shuō)明圖。

具體實(shí)施方式

作為三維塊體，可從拓?fù)湫畔⒑蛶缀涡畔?lái)進(jìn)行表征，其中：幾何信息是指三維塊體的空間位置，由其角點(diǎn)空間坐標(biāo)來(lái)表示；拓?fù)湫畔⑹侵父鹘M成元素之間的相互關(guān)系，組成元素為有向體、有向殼、有向面、有向環(huán)、有向邊和角點(diǎn)。

對(duì)于三維塊體，其可視為一有向體，該有向體是由一個(gè)內(nèi)殼和若干個(gè)外殼所組成，它是一個(gè)三維空間r³的非空、有界、連續(xù)、封閉的子集，其邊界是若干個(gè)有向殼的并集。有向殼則是由若干有向面圍成的有限空間，它是三維空間r³中非空、有界、連續(xù)、封閉的子集，其邊界是若干個(gè)有向面的并集。有向面是三維空間r³中由一個(gè)內(nèi)環(huán)和若干個(gè)外環(huán)組成的非空、有界、連續(xù)、封閉的子集，其邊界是若干個(gè)有向環(huán)的并集。有向環(huán)則是由若干個(gè)有序、有向邊組成的空間平面上的封閉邊界，環(huán)中各邊不能自交，相鄰兩條有向邊共用一個(gè)角點(diǎn)。有向邊具有兩個(gè)角點(diǎn)，并且具有方向性。角點(diǎn)為不共線的有向邊的交點(diǎn)或不共面的有向面的交點(diǎn)。

如圖1所示，本發(fā)明提出的地質(zhì)塊體的三維建模方法包括如下步驟：

1)給定待建模的地質(zhì)塊體模型和空間裂隙面的幾何描述；

2)對(duì)于待建模的地質(zhì)塊體模型，求取其上邊界面與邊界面之間、裂隙面與裂隙面之間以及邊界面與裂隙面之間形成的跡線，進(jìn)而獲得邊界面和裂隙面上形成的棱邊；

3)棱邊經(jīng)正則化處理后，利用邊界算子并根據(jù)環(huán)路搜索準(zhǔn)則進(jìn)行搜索后形成有向環(huán)，基于對(duì)有向環(huán)的屬性判斷以及有向環(huán)間的包含關(guān)系判斷形成有向面；

4)有向面經(jīng)正則化處理后，利用邊界算子并根據(jù)空間殼搜索準(zhǔn)則進(jìn)行搜索后形成有向殼，基于對(duì)有向殼的屬性判斷以及有向殼間的包含關(guān)系判斷形成有向體；

5)對(duì)形成的各有向體經(jīng)塊體拓?fù)湫詸z查和塊體體積總和檢查，判斷形成的各有向體是否可構(gòu)成待建模的地質(zhì)塊體模型：若可構(gòu)成，則三維建模成功并結(jié)束；若不可構(gòu)成，則三維建模失敗，重新開(kāi)始。

在步驟1)中：

待建模的地質(zhì)塊體模型為任意空間、呈凹或凸?fàn)畹膯芜B通多面體，待建模的地質(zhì)塊體模型的幾何描述可采用分段線性復(fù)合形來(lái)表達(dá)，其包括兩部分：一部分是幾何信息，以角點(diǎn)空間坐標(biāo)來(lái)表示；另一部分是拓?fù)湫畔?，以組成待建模的地質(zhì)塊體模型的各邊界面上的封閉環(huán)路(按逆時(shí)針走向)的點(diǎn)序列來(lái)表示；

在假設(shè)裂隙面的初始形態(tài)為內(nèi)接于圓形的正多邊形(如圖2)的基礎(chǔ)上，根據(jù)裂隙面的延伸是否受到其它裂隙面的約束來(lái)進(jìn)行修正：若受到約束，則根據(jù)與其它裂隙面的相交線段，將裂隙面的初始形態(tài)修正為相應(yīng)不規(guī)則多邊形；反之若不受約束，則裂隙面直接采用初始形態(tài)來(lái)表示。

在本發(fā)明中，對(duì)裂隙面初始形態(tài)的修正是本領(lǐng)域的熟知技術(shù)，在此不再詳述。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，步驟2)包括如下步驟：

2-1)對(duì)邊界面與邊界面之間、裂隙面與裂隙面之間、裂隙面與邊界面之間進(jìn)行求交運(yùn)算來(lái)獲取相交線段，記為跡線；

2-2)對(duì)跡線進(jìn)行兩兩相交運(yùn)算，獲取邊界面、裂隙面上形成的棱邊。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，步驟3)包括如下步驟：

3-1)對(duì)棱邊進(jìn)行正則化處理(公知技術(shù))，以刪除各裂隙面和各邊界面上的孤立棱邊和“懸空”棱邊；

3-2)將棱邊視為有向邊，對(duì)每個(gè)有向邊利用邊界算子(公知技術(shù))，并根據(jù)環(huán)路搜索最大右轉(zhuǎn)角準(zhǔn)則(還可采用其它形式的環(huán)路搜索準(zhǔn)則)進(jìn)行空間環(huán)路搜索，形成空間環(huán)路，記為有向環(huán)；

3-3)判斷3-2)產(chǎn)生的有向環(huán)的屬性：每個(gè)有向環(huán)為內(nèi)環(huán)還是外環(huán)，以形成內(nèi)環(huán)集合和外環(huán)集合，其中，內(nèi)環(huán)為有內(nèi)側(cè)域的有向環(huán)(如圖4a)，外環(huán)為有外側(cè)域的有向環(huán)(如圖4b)；

3-4)選取每個(gè)外環(huán)的外側(cè)域內(nèi)的任意一點(diǎn)作為其特征點(diǎn)；

3-5)對(duì)內(nèi)環(huán)集合中的所有內(nèi)環(huán)進(jìn)行如下遍歷，來(lái)獲得內(nèi)環(huán)與外環(huán)相互之間的包含關(guān)系：基于內(nèi)環(huán)集合中的一內(nèi)環(huán)，對(duì)外環(huán)集合中的所有外環(huán)進(jìn)行遍歷操作，通過(guò)各外環(huán)的特征點(diǎn)是否屬于此內(nèi)環(huán)來(lái)判斷此內(nèi)環(huán)與各外環(huán)之間的包含關(guān)系，此可視為點(diǎn)與多面邊形之間包含關(guān)系判斷；

3-6)鑒于有向面是由一個(gè)內(nèi)環(huán)且僅有一個(gè)內(nèi)環(huán)以及若干個(gè)外環(huán)組成的特點(diǎn)，根據(jù)內(nèi)環(huán)與外環(huán)互相之間的包含關(guān)系，在各裂隙面、各邊界面上生成有向面。

在本發(fā)明中，步驟3-2)中的環(huán)路搜索最大右轉(zhuǎn)角準(zhǔn)則是指：

a)以任一邊界面或裂隙面上的任一有向邊及此有向邊上任一角點(diǎn)分別作為當(dāng)前有向邊、當(dāng)前角點(diǎn)，然后沿右手握拳，大拇指朝向當(dāng)前搜索的有向面(邊界面或裂隙面)的法向矢量所指方向時(shí)其余四指所指方向，以當(dāng)前角點(diǎn)為中心旋轉(zhuǎn)(視為反時(shí)針旋轉(zhuǎn)，如圖3所示)當(dāng)前有向邊，來(lái)找到與當(dāng)前有向邊構(gòu)成最大角度的有向邊，從而把找到的此有向邊作為新的當(dāng)前有向邊以及把找到的此有向邊上異于前一環(huán)路搜索所使用角點(diǎn)的角點(diǎn)作為新的當(dāng)前角點(diǎn)，以進(jìn)行下一環(huán)路搜索，如此繼續(xù)進(jìn)行環(huán)路搜索，直至找不到構(gòu)成最大角度的有向邊，從而形成有向環(huán)；

b)重復(fù)執(zhí)行步驟a)，直至當(dāng)前搜索的邊界面或裂隙面上的所有有向邊被全部遍歷(換句話說(shuō)，若當(dāng)前搜索的是邊界面，那么則通過(guò)重復(fù)執(zhí)行步驟a)來(lái)對(duì)此邊界面上的所有有向邊全部遍歷搜索完，若當(dāng)前搜索的是裂隙面，那么則通過(guò)重復(fù)執(zhí)行步驟a)來(lái)對(duì)此裂隙面上的所有有向邊全部遍歷搜索完)；

c)重復(fù)執(zhí)行步驟b)、c)，直至所有邊界面和所有裂隙面全部被執(zhí)行過(guò)環(huán)路搜索，整個(gè)環(huán)路搜索結(jié)束。

在本發(fā)明中，在環(huán)路搜索過(guò)程中遵循的最大右轉(zhuǎn)角準(zhǔn)則進(jìn)一步說(shuō)明如下：

如圖3，設(shè)定有向邊所在空間環(huán)路的下一條有向邊可能為n為大于1的正整數(shù)，設(shè)定與之間形成的右轉(zhuǎn)夾角為θi：

若

若

上式中：

為所有有向邊所在有向面(當(dāng)前搜索的有向面)的法向矢量。

按照上式1)和2)求出各個(gè)可能的有向邊與之間形成的右轉(zhuǎn)夾角(沿右手握拳，大拇指朝向法向矢量所指方向時(shí)其余四指所指方向，以角點(diǎn)o為中心旋轉(zhuǎn)所構(gòu)成的夾角)θi，從而確定最大右轉(zhuǎn)角θmax＝max(θ1，θ2，…，θn)＝θk，則將θk，即θmax所對(duì)應(yīng)的有向邊作為下一環(huán)路搜索的當(dāng)前有向邊。

如圖3，圖中示出的有向邊與之間構(gòu)成了最大右轉(zhuǎn)角，從而有向邊為下一環(huán)路搜索的當(dāng)前有向邊，而將有向邊上異于角點(diǎn)o的另一角點(diǎn)作為下一環(huán)路搜索的當(dāng)前角點(diǎn)。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，有向環(huán)屬性的判定準(zhǔn)則為：

根據(jù)有向環(huán)的有向面積的正負(fù)來(lái)判斷：

當(dāng)時(shí)，有向環(huán)為內(nèi)環(huán)；

當(dāng)時(shí)，有向環(huán)為外環(huán)；

其中：有向環(huán)的有向面積采用下式3)求出：

上式3)中：

為有向環(huán)的有向面積；

n為組成有向環(huán)的角點(diǎn)個(gè)數(shù)，n為大于1的正整數(shù)；

xk、yk分別為組成有向環(huán)的第k個(gè)角點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，步驟4)包括如下步驟：

4-1)對(duì)有向面進(jìn)行正則化處理(公知技術(shù))，以刪除孤立有向面和“懸空”有向面；

4-2)對(duì)每個(gè)有向面利用邊界算子(公知技術(shù))，并根據(jù)空間殼搜索最大右轉(zhuǎn)角準(zhǔn)則(還可采用其它形式的空間殼搜索準(zhǔn)則)進(jìn)行空間殼搜索，形成有向殼；

4-3)判斷4-2)產(chǎn)生的有向殼的屬性：每個(gè)有向殼是內(nèi)殼還是外殼，以形成內(nèi)殼集合和外殼集合，其中，內(nèi)殼為有內(nèi)側(cè)域的有向殼(如圖6b)，外殼為有外側(cè)域的有向殼(如圖6a)；

4-4)選取每個(gè)外殼的外側(cè)域內(nèi)的任意一點(diǎn)作為其特征點(diǎn)；

4-5)對(duì)內(nèi)殼集合中的所有內(nèi)殼進(jìn)行如下遍歷，來(lái)獲得內(nèi)殼與外殼相互之間的包含關(guān)系：基于內(nèi)殼集合中的一內(nèi)殼，對(duì)外殼集合中的所有外殼進(jìn)行遍歷操作，通過(guò)各外殼的特征點(diǎn)是否屬于此內(nèi)殼來(lái)判斷此內(nèi)殼與各外殼之間的包含關(guān)系，此可視為點(diǎn)與多面邊體之間包含關(guān)系判斷；

4-6)鑒于有向體是由一個(gè)內(nèi)殼且僅有一個(gè)內(nèi)殼以及若干個(gè)外殼組成的特點(diǎn)，根據(jù)內(nèi)殼與外殼相互之間的包含關(guān)系，生成有向體。

在本發(fā)明中，步驟4-2)中的空間殼搜索最大右轉(zhuǎn)角準(zhǔn)則是指：

a)以任一有向面及其上任一有向邊分別作為當(dāng)前有向面、當(dāng)前有向邊，然后沿右手握住當(dāng)前有向邊，大拇指朝向當(dāng)前有向邊所指方向時(shí)其余四指所指方向旋轉(zhuǎn)(視為反時(shí)針旋轉(zhuǎn))，來(lái)找到與當(dāng)前有向面擁有公共的當(dāng)前有向邊且構(gòu)成最大角度的有向面，從而把找到的此有向面作為新的當(dāng)前有向面以及把找到的此有向面上異于前一空間殼搜索所使用有向邊的有向邊作為新的當(dāng)前有向邊，以進(jìn)行下一空間殼搜索，如此繼續(xù)進(jìn)行空間殼搜索，直至被空間殼搜索過(guò)的有向面上的所有有向邊被全部遍歷以及找不到構(gòu)成最大角度的有向面，從而形成有向殼；

b)重復(fù)執(zhí)行步驟a)，直至所有有向面及各有向面上的所有有向邊被全部遍歷，整個(gè)空間殼搜索結(jié)束。

在本發(fā)明中，在空間殼搜索過(guò)程中遵循的最大右轉(zhuǎn)角準(zhǔn)則進(jìn)一步說(shuō)明如下：

如圖5，設(shè)定空間已搜索到有向面以的某有向邊作為當(dāng)前有向邊，與擁有公共邊的下一個(gè)有向面可能為n為大于1的正整數(shù)，設(shè)定與之間形成的右轉(zhuǎn)夾角(沿右手握住公共邊大拇指朝向公共邊所指方向時(shí)其余四指所指方向旋轉(zhuǎn)所構(gòu)成的夾角)為θi：

若

若

上式中：

為的外法向矢量；

為的外法向矢量。

按照上式4)和5)求出各個(gè)可能的有向面與之間形成的右轉(zhuǎn)夾角θi，從而確定最大右轉(zhuǎn)角θmax＝max(θ1，θ2，…，θn)＝θk，則將θk，即θmax所對(duì)應(yīng)的有向面作為下一空間殼搜索的當(dāng)前有向面，而有向面上異于有向邊的任一有向邊作為下一空間殼搜索的當(dāng)前有向邊。

如圖5，圖中示出的有向面與之間構(gòu)成了最大右轉(zhuǎn)角，從而有向面作為下一空間殼搜索的當(dāng)前有向面，進(jìn)而選擇有向面上除有向邊之外的任一有向邊作為下一空間殼搜索的當(dāng)前有向邊。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，有向殼屬性的判定準(zhǔn)則為：

根據(jù)有向殼的有向體積的正負(fù)來(lái)判斷：

當(dāng)時(shí)，有向殼為內(nèi)殼；

當(dāng)時(shí)，有向殼為外殼；

其中：有向殼的有向體積采用下式6)求出：

上式6)中：

為有向殼的有向體積；

s為組成有向殼的有向面?zhèn)€數(shù)；

n(i)為組成第i個(gè)有向面的角點(diǎn)個(gè)數(shù)；

為第i個(gè)有向面上的第k個(gè)角點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，步驟5)包括如下步驟：

5-1)對(duì)每個(gè)有向體基于是否滿足下式7)來(lái)進(jìn)行塊體拓?fù)湫詸z查，以保證塊體搜索準(zhǔn)確性：

nv+nf-ne＝2·(nb-nh)7)

上式7)中：

nv為組成有向體的角點(diǎn)總數(shù)；

nf為組成有向體的有向面總數(shù)；

ne為組成有向體的棱邊(有向邊)總數(shù)；

nb為組成有向體的有向殼總數(shù)；

nh為組成有向體的孔洞總數(shù)。

在實(shí)際實(shí)施時(shí)，若有向體滿足式7)，則其建模成功，反之，建模失敗，重新開(kāi)始。

5-2)對(duì)所有有向體的總和基于是否滿足下式8)來(lái)進(jìn)行塊體體積總和檢查，以保證塊體搜索的完備性：

∑iv(bi)＝v(t)8)

上式中：

v(bi)為第i個(gè)有向體bi的體積，i為大于1的正整數(shù)；

v(t)為待建模的地質(zhì)塊體模型t的體積。

在實(shí)際實(shí)施時(shí)，若所有有向體總和滿足式8)，則三維建模成功并結(jié)束，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)地質(zhì)塊體模型的三維建模目的，反之，三維建模失敗，重新開(kāi)始。

下面將以圖7所示有限元模型為例，來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施過(guò)程：

圖7示出的有限元模型為規(guī)則形體的簡(jiǎn)單地質(zhì)塊體，目的在于闡述本發(fā)明實(shí)施過(guò)程，實(shí)際建模中所涉及到的地質(zhì)塊體通常為較復(fù)雜的地質(zhì)塊體。

第一步，假設(shè)待建模的地質(zhì)塊體模型為任意空間單連通多面體(凸或凹)，其幾何描述采用分段線性復(fù)合形來(lái)表達(dá)，具體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括兩部分：一部分是幾何信息，以角點(diǎn)空間坐標(biāo)來(lái)表示，如表1所示；另一部分是拓?fù)湫畔?，以組成模型的各邊界面上的封閉環(huán)路(按逆時(shí)針走向)的點(diǎn)序列來(lái)表示，如表2所示。

表1待建模的地質(zhì)塊體模型的幾何信息

表2待建模的地質(zhì)塊體模型的拓?fù)湫畔?/p>

裂隙面最終修正所采用的多邊形參見(jiàn)圖8～圖10所示。

第二步，通過(guò)邊界面與邊界面之間、裂隙面與裂隙面之間、邊界面與裂隙面之間求交來(lái)獲取相交線段，即跡線，然后通過(guò)跡線之間的求交來(lái)獲取棱邊。

第三步，對(duì)棱邊進(jìn)行完正則化處理后得到圖11所示結(jié)果。在圖11、圖12a至圖12d中，通過(guò)圓圈內(nèi)數(shù)字來(lái)表示角點(diǎn)編號(hào)。

然后，利用邊界算子并根據(jù)環(huán)路搜索最大右轉(zhuǎn)角準(zhǔn)則來(lái)進(jìn)行空間環(huán)路搜索，得到若干有向環(huán)。圖12a至圖12d示出了搜索出來(lái)的其中四個(gè)有向環(huán)。

然后，判斷有向環(huán)的屬性，其中，圖12a、圖12b、圖12d示出的有向環(huán)被判斷為內(nèi)環(huán)，圖12c示出的有向環(huán)被判斷為外環(huán)。

然后，判斷內(nèi)環(huán)與外環(huán)相互之間的包含關(guān)系，從而形成有向面。

第四步，對(duì)有向面進(jìn)行正則化處理。正則化處理后得到的結(jié)果可參考圖13a來(lái)理解。在圖13a至圖13c中，通過(guò)圓圈內(nèi)數(shù)字來(lái)表示角點(diǎn)編號(hào)。

然后，利用邊界算子并根據(jù)空間殼搜索最大右轉(zhuǎn)角準(zhǔn)則來(lái)進(jìn)行空間殼搜索，得到若干有向殼。圖13a至圖13c示出了搜索出來(lái)的全部三個(gè)有向殼(粗實(shí)線示出)。

然后，判斷有向殼的屬性，圖13a至圖13c示出的有向殼全部被判斷為內(nèi)殼。從而內(nèi)殼與外殼相互之間的包含關(guān)系判斷省略，三個(gè)內(nèi)殼直接形成有向體。

第五步，對(duì)圖13a至圖13c示出的有向體進(jìn)行塊體拓?fù)湫詸z查和塊體體積總和檢查，從而判斷出最終搜索得到的三個(gè)有向體的準(zhǔn)確性和完備性，完成三維建模任務(wù)。

表3塊體拓?fù)湫詸z查和塊體體積總和檢查結(jié)果

從上表3可見(jiàn)，最終形成的各有向體通過(guò)了塊體拓?fù)湫詸z查和塊體體積總和檢查，這些有向體可以較好地組合構(gòu)成圖7所示的待建模的地質(zhì)塊體模型，三維建模成功。

本發(fā)明從地質(zhì)塊體的拓?fù)涮匦浴獑渭冃渭皢渭儚?fù)合形的概念出發(fā)，將地質(zhì)塊體視為有向復(fù)合形，基于閉曲面的拓?fù)湫再|(zhì)，引入必要的正則化處理，利用邊界算子并結(jié)合相應(yīng)搜索規(guī)則，實(shí)現(xiàn)了完全滿足完備性和準(zhǔn)確性要求的三維塊體建模方法，對(duì)巖體工程具有重要實(shí)踐價(jià)值，對(duì)非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)數(shù)值方法的發(fā)展具有積極的理論意義。

由于本發(fā)明具有堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)，因此形成的地質(zhì)塊體，特別是復(fù)雜地質(zhì)塊體能夠滿足準(zhǔn)確性與完備性要求，這為以離散塊體系統(tǒng)為研究對(duì)象的非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)數(shù)值分析方法提供了一種正確、便捷的前處理方法，對(duì)非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)數(shù)值分析方法的發(fā)展起到了促進(jìn)作用。另外，本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)還在于不需引入任何人為假設(shè)且完全根據(jù)實(shí)際地質(zhì)結(jié)構(gòu)面特點(diǎn)，形成空間任意復(fù)雜的地質(zhì)塊體，在工程實(shí)踐中具有重要的應(yīng)用價(jià)值，特別是在巖體工程中遇到復(fù)雜關(guān)鍵塊體情況下可以準(zhǔn)確產(chǎn)生復(fù)雜地質(zhì)塊體的三維模型，對(duì)巖體工程加固措施的制定和實(shí)施具有重要參考價(jià)值。

以上所述是本發(fā)明較佳實(shí)施例及其所運(yùn)用的技術(shù)原理，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，任何基于本發(fā)明技術(shù)方案基礎(chǔ)上的等效變換、簡(jiǎn)單替換等顯而易見(jiàn)的改變，均屬于本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。