一种基于距离控制算法构建与柱状节理变异系数一致节理模型的方法与流程

1.本发明是涉及一种柱状节理模型的构建方法，具体地说是涉及一种基于距离控制算法构建与柱状节理变异系数一致的节理模型的方法。


背景技术：

2.柱状节理是玄武熔岩中一种广泛发育的呈规则排列的多边形棱柱体形态的原生张性破裂构造，系由地壳浅部的玄武岩熔浆沿活动断层，大规模喷发溢流至地表后冷凝收缩而形成。柱状节理岩体在我国西南水电开发区域广泛分布。诸多大型水电站，如：金安桥、白鹤滩、溪洛渡等都遇到了大量的柱状节理岩体。柱的直径从几米到几厘米不等，其长度可高达30米。单个柱面的边数从3到8不等，其中六边形最为常见。
3.voronoi图是计算几何上的一个重要的概念，最初是由数学家dirichlet于1850年提出的，之后经由俄罗斯的数学家voronoi在1907年改进，并扩展为高维，故二维的voronoi图又称为dirichlet镶嵌，属于一种空间分割方法，在图像处理、计算机图形学、生命科学、岩土工程等领域都有广泛的应用。对于一个给定数目的种子点集，可生成一组voronoi单元。voronoi单元的特点是每个voronoi区域内部只对应一个种子点，并且该区域内部任意点到该区域所对应种子点的距离比到其他种子点的距离要短。
4.为了更准确地模拟柱状节理岩体天然形成的柱面形态，用voronoi图来模拟柱状节理是常用而又合理的方法。但由于生成voronoi图的种子点集是随机生成的，这使得voronoi区域划分的大小不一，不符合柱状节理的典型形态。由于在不同的地区柱状节理voronoi图呈现不同的形态特征，因此如何建立与现场情况相一致的voronoi图是一个关键问题。本发明要求生成的voronoi图与反映柱状节理特性的主要参数多边形离散程度的变异系数一致。
5.本发明正是针对如何建立与柱状节理变异系数一致的节理模型而提出的一种基于距离控制算法构建与柱状节理变异系数一致节理模型的方法。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种基于距离控制算法构建与柱状节理变异系数一致节理模型的方法。本发明采用的技术方案为：
7.一种基于距离控制算法构建与柱状节理变异系数一致节理模型的方法，包括如下步骤：
8.(1)根据现场情况画出典型柱状节理的柱体断面素描图，并测量柱体的倾向、倾角与长度；
9.(2)根据柱体断面素描图计算实测变异系数值；
10.(3)基于距离控制方法生成与实测变异系数相同的voronoi图；
11.(4)根据实测柱体倾向，沿柱体轴向方向拉伸voronoi图；
12.(5)在柱体上生成随机横向节理，即可得到三维的柱状节理模型。
13.其中，步骤(2)的具体步骤包括：
14.(2.1)通过统计计算柱体断面素描图内每个多边形的面积，可计算得到实测变异系数值cvr。计算公式为：cv＝sd/m，其中，cv是变异系数，sd是多边形面积的标准差，m是多边形面积的均值。
15.(2.2)计算确定表征体元尺寸rev(representative elementary volume)，从而得到数值模型的柱体断面尺寸与柱体长度方向尺寸。
16.步骤(3)所述距离控制方法的具体步骤包括：
17.(3.1)在第i次迭代中，设置距离控制参数l(i)；
18.(3.2)生成一组随机种子点集其中第n个随机种子点需要满足的条件是与之前所生成的(n-1)个随机种子点之间的欧式距离不小于距离控制参数l(i)。
19.(3.3)根据步骤(3.2)所得种子点集p(i)生成voronoi图f(i)；
20.(3.4)计算voronoi图f(i)的变异系数值cv(i)，和其实测变异系数值cvr的相对误差。
21.(3.5)如果相对误差满足预设要求，那么迭代停止。否则，重复步骤(3.1)至(3.4)直至相对误差满足要求时停止。那么，所得结果即为具有与实测变异系数相同的voronoi图。
22.与现有技术相比，本发明引入了距离控制算法，克服了现有随机生成的种子点集过密或不均匀的现象，极大地减少了对种子点集进行二次判断的次数，显著提高计算效率和所得voronoi图的质量。本发明方法效率高，成本低，较为先进，通过该方法可以建立与实地情况较为一致的柱状节理模型。
附图说明
23.图1是本发明实施例的总体流程图；
24.图2是柱状节理岩体示意图；
25.图3是本发明实施例的典型柱体断面节理素描图；
26.图4是模型柱体断面的重心voronoi图；
27.图5是拉伸重心voronoi图得到的柱状节理模型；
28.图6是添加横向随机节理后的柱状节理模型
具体实施方式
29.下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
30.如图1所示，本发明公开了一种基于距离控制算法构建与柱状节理变异系数一致节理模型的方法，以某工程的典型柱状节理情况(如图3)为例，说明本发明实施例方法的实施过程。包括以下步骤：
31.1、根据现场情况画出典型柱状节理的柱体断面素描图，并测量柱体的倾向、倾角与长度。
32.该地区典型柱状节理的柱体断面素描图如图2所示，并且实地测得柱体倾角18
°
，倾向dd＝145
°
，柱体长度约为1.5m。
33.2、根据柱体断面素描图计算出实测变异系数值。
34.根据典型柱状节理的柱体断面素描图计算得综合10幅典型柱状节理的柱体横断面素描图，变异系数的统计平均值为44.18％。
35.考虑不均匀材料的尺寸效应，相关研究表明，柱状节理的rev尺寸采用为5m为宜，故模型柱体断面尺寸为5m
×
5m。
36.3、根据所生成的随机种子点集，根据距离控制算法生成变异系数与实测变异系数的统计平均值相同的voronori图，如图4所示。
37.4、根据实测柱体的倾向与倾角，沿柱体轴向方向拉伸voronoi图(图5)，并在柱体上生成随机横向节理，即可得到如图6所示的与实测柱状节理岩体变异系数相同的三维柱状节理模数值计算模型。
38.以上所述仅为发明的具体实施案例，本发明的技术特征并不局限于此，任何相关领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的保护范围之中。


技术特征：
1.一种基于距离控制算法构建与柱状节理变异系数一致节理模型的方法，其特征在于包括如下步骤：(1)根据现场情况画出典型柱状节理的柱体断面素描图，并测量柱体的倾向、倾角与长度；(2)根据柱体断面素描图计算实测变异系数值；(3)基于距离控制算法生成与实测变异系数相同的voronoi图；(4)根据实测柱体倾向，沿柱体轴向方向拉伸voronoi图；(5)在柱体上生成随机横向节理，即可得到三维的柱状节理模型。2.权利要求1所述的一种基于距离控制算法构建与柱状节理变异系数一致节理模型的方法，其特征在于，所述步骤(2)中根据柱体断面素描图计算出实测变异系数值的具体步骤包括：(2.1)通过统计计算柱体断面素描图内每个多边形的面积，可计算得到实测变异系数值cv
r
；计算公式为：cv＝sd/m，其中，cv是变异系数，sd是多边形面积的标准差，m是多边形面积的均值；(2.2)计算确定表征体元尺寸rev(representative elementary volume)，从而得到数值模型的柱体断面尺寸与柱体长度方向尺寸。3.根据权利要求1所述的一种基于距离控制算法构建与柱状节理变异系数一致节理模型的方法，其特征在于，所述步骤(3)中距离控制算法具体指的是预设距离控制参数l，每个投放进平面内的随机种子点p
n
，需满足该种子点与之前所生成的n-1个种子点{p1,p2,
…
,p
n-1
}之间的欧式距离不小于距离控制参数l。4.根据权利要求1所述的一种基于距离控制算法构建与柱状节理变异系数一致节理模型的方法，其特征在于，所述步骤(3)中基于距离控制算法生成与实测变异系数相同的voronoi图的具体步骤包括：(3.1)在第i次迭代中，设置距离控制参数l
(i)
；(3.2)利用距离控制算法，生成一组随机种子点集(3.2)利用距离控制算法，生成一组随机种子点集其中每个随机种子点与之前所生成的(n-1)个随机种子点之间的欧式距离不小于距离控制参数l
(i)
。(3.3)根据步骤(3.2)所得种子点集p
(i)
生成voronoi图f
(i)
；(3.4)计算voronoi图f
(i)
的变异系数值cv
(i)
，和其实测变异系数值cv
r
的相对误差。(3.5)如果相对误差满足预设要求，那么迭代停止。否则，重复步骤(3.1)至(3.4)直至相对误差满足要求时停止。那么，所得结果即为具有与实测变异系数相同的voronoi图。

技术总结
本发明公开了一种基于距离控制算法构建与柱状节理变异系数一致节理模型的方法，首先根据现场画出的柱状节理的柱体断面素描图计算出实测变异系数，然后采用距离控制算法生成与柱状节理具有一致变异系数的Voronoi图，根据现场实测柱体倾向沿柱体轴向拉伸得到三维柱体模型，最后在柱体上添加随机横向节理，即可得到三维柱状节理模型。与现有技术相比，本发明克服了现有随机生成的种子点集过密或不均匀的现象，极大地减少了对种子点集进行二次判断的次数，显著提高计算效率和所得Voronoi图的质量。本发明引入了距离控制算法，具有效率高、成本低、较先进等优点，可以建立与实地情况较为一致的柱状节理模型，从而更好地为相关岩石力学研究服务和为工程安全性评价提供技术支撑。术支撑。术支撑。


技术研发人员：徐建荣 何明杰 徐卫亚 孟庆祥 吴关叶 林豆 王环玲 闫龙
受保护的技术使用者：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司
技术研发日：2021.12.30
技术公布日：2022/5/25