陳劍平

(吉林大學，建設工程學院，長春 130026，中國)

0 引 言

完整、均質而又堅硬的巖體是重大基礎工程設施的首選，但巖體作為自然地質體的一部分，通常經(jīng)歷了漫長自然地質歷史的進程，近兩億年來板塊構造運動的內動力地質持續(xù)作用造就了巖體中復雜的地應力條件，伴隨著地表外動力地質的夷平面化作用，淺表層的巖體遭受了廣泛的卸荷回彈，使得原本就不均勻的地質材料內部產(chǎn)生了不同尺度的結構面，即對應于內動力作用的原生結構面和伴隨外動力作用的次生結構面，造就了自然界形態(tài)各異的巖體結構類型，圖1展示了工程地質工作者所熟悉的幾種巖體結構類型。

圖1 巖體結構類型

巖體結構類型劃分對巖體變形與破壞成因機制的認知具有十分重要的意義，而最早重視地質結構面對巖體性質影響的可追溯到距今100年前的Josef Stini。前國際巖石力學與工程學會主席(Muller et al.，1979)這樣評價巖石力學先驅Josef Stini，“1920年Josef Stini在奧地利維也納技術大學講授‘技術地質(TechnicalGeology)’并且創(chuàng)立了地質與工程雜志(JournalGeologieundBauwesen)，該雜志是20世紀70年代巖石力學雜志(JournalRockMechanics)的前身，同時指出Stini是最早強調地質結構面對巖體工程性質影響的科學家”。

20世紀60年代以來相繼產(chǎn)生了瓦依昂大壩與馬爾帕斯大壩失事的事件，研究表明大壩的失事與近壩庫岸以及壩肩巖體內發(fā)育的地質結構面有著密切的關系。在這一時期，涌現(xiàn)出了一些代表性的成果，如Deere(1964)提出RQD概念以來，在巖石工程中應用廣泛，被稱之為傳統(tǒng)的RQD。Bieniawski(1976，1989)提出了工程巖體地質力學分類又叫巖體質量級別(RMR)分類系統(tǒng)，該分類中引用的6個指標分別是單軸抗壓強度、巖石質量指標(RQD)、結構面間距、結構面狀態(tài)、結構面產(chǎn)狀和地下水條件，可知RMR巖體分類系統(tǒng)中除了單軸抗壓強度之外，地下水條件也能間接地反映了結構面的特征，其余4個指標都是結構面的參數(shù)。挪威學者Barton et al.(1974，1980)提出的隧道圍巖質量指標Q分類系統(tǒng)，也采用了6個指標，分別是巖石質量指標(RQD)、結構面組數(shù)(Jn)、節(jié)理粗糙度系數(shù)(Jr)、節(jié)理蝕變系數(shù)(Ja)、節(jié)理水折減系數(shù)(Jw)、應力折減系數(shù)(SRF)，在這個分類系統(tǒng)中除了應力折減系數(shù)(SRF)之外，其余5個指標都直接采用了結構面參數(shù)。Barton et al.(1974)還就他的Q分類系統(tǒng)公式的參數(shù)項進行了分析，指出RQD/Jn反映了巖體的結構特性；Jr/Ja反映了節(jié)理壁的強度或節(jié)理壁的粗糙度和摩擦特性，也反映了裂隙巖體結構塊體之間的抗剪強度；Jw/SRF則反映了巖體中地應力影響。這兩個巖體分類系統(tǒng)很好地總結了結構面對工程巖體物理力學性質的影響，并且在國際上得到了廣泛的認同。20世紀80年代以來國內的一些關于巖體質量評價的規(guī)范、標準中也將結構面的發(fā)育程度作為巖體質量評價的標準，如GSI、BQ等指標的應用(韓振華等，2019)，也說明了國內巖體工作者對結構面的重視。

自20世紀70年代以來科學家對巖體結構面的研究進入了一個重要的節(jié)點，英國帝國理工大學Priest et al.(1983b)在早期關于巖體結構面幾何特性大量研究的基礎上，提出了結構面二維網(wǎng)絡模擬技術，標志著國際上巖體結構面網(wǎng)絡模擬技術的開始。在同一時期的中國，留英學者井蘭如(1986)在第一屆全國巖石力學數(shù)值計算及模擬試驗討論會上發(fā)表了巖體結構面隨機網(wǎng)絡及其在離散單元法、滲流計算以及塊體分析理論中的應用；潘別桐等(1989)在巖石力學新進展中提出了巖體結構概率模型和應用，標志著基于概率統(tǒng)計理論的結構面二維網(wǎng)絡模擬技術在巖石力學中應用的開始。Kulatilake et al.(1993)提出了巖體結構面三維網(wǎng)絡數(shù)值模擬及其有效性驗證，標志著基于概率統(tǒng)計的結構面三維網(wǎng)絡模擬技術在巖體力學中應用的開始。伍法權(1993)出版了統(tǒng)計巖體力學原理專著。陳劍平等(1995，2001a，2006)論述了隨機不連續(xù)面三維網(wǎng)絡數(shù)值模擬的原理、基本技術以及基于少量數(shù)據(jù)的非擾動巖體三維裂隙網(wǎng)絡模擬技術，表明基于概率統(tǒng)計理論的巖體結構面三維網(wǎng)絡模擬技術一直在不斷地進步，為三維網(wǎng)絡結構巖體力學的形成奠定了基礎。三維網(wǎng)絡結構巖體力學是在巖體結構控制論的基礎上發(fā)展起來的，不僅重視單個結構面對巖體力學行為的影響，也注重三維空間結構面網(wǎng)絡整體對巖體力學行為的綜合影響，正在不斷完善的結構面三維網(wǎng)絡模擬技術，使得三維網(wǎng)絡結構巖體力學成為可能，本文僅提出基本框架。

1 地質結構面及其不連續(xù)面特征

1.1 地質結構面的多尺度特征

地質結構面的特征包括結構面產(chǎn)出狀態(tài)、優(yōu)勢分組、尺度、間距、起伏度、粗糙度、張開度、充填物、含水性以及結構面的風化程度等。本文無意介紹上述各項特征，僅是簡要說明地質結構面的多尺度特征。

地質結構面是存在于巖體中有限規(guī)模的面狀結構，可以在地表及地下工程的人工露頭或天然露頭上觀察與統(tǒng)計它們。地質結構面既可是地球內動力地質作用的產(chǎn)物(原生結構面)，如不整合面、整合面、層面、層理、斷層、節(jié)理、劈理、片理、面理、片麻理等，也可是地球表生地質(包括人類地質營力)作用的產(chǎn)物(表生結構面)，如自然與人工作用產(chǎn)生的卸荷裂隙，爆破震動等產(chǎn)生的震動裂隙等。

從地質范疇看，各不同尺度的地質體中都發(fā)育地質結構面，從全球的角度來看，發(fā)育于大洋深部的洋中脊就是具全球規(guī)模的斷裂帶，圖2顯示了發(fā)育在大西洋的洋中脊從南至北曲折地貫穿整個大西洋，其長度可達2×104km。一些板塊俯沖碰撞帶的構造縫合線長度也可達數(shù)千千米，一些區(qū)域的斷裂帶可達數(shù)百千米以上，長度數(shù)百至數(shù)千米的斷層已經(jīng)在很大程度上影響了工程巖體的外部邊界條件，數(shù)米至數(shù)百米乃至規(guī)模更小的結構面與工程巖體的穩(wěn)定性關系更為密切，且這些規(guī)模較小的結構面如節(jié)理、裂隙等通常具隨機分布的特征。

圖2 大西洋中貫穿大洋的洋中脊

圖3是吉林蛟河備選核電場址發(fā)育的角閃黑云花崗巖體，圖3a是發(fā)育隨機結構面的花崗巖體天然露頭，圖3b是天然露頭局部巖塊，可見礦物結晶顆粒粗大，晶粒直徑接近1cm，圖3c是該巖塊局部薄片巖礦鑒定的影像，表明主要由尺寸小于2mm的片狀黑云母、長柱狀角閃石、半自形粒狀石英、半自形板柱狀堿性長石和半自形板柱狀斜長石構成了角閃黑云花崗巖，其中片狀長柱狀礦物發(fā)育一至兩組尺度更小的解理，一些半自形晶體可見卡氏雙晶和聚片雙晶等，這表明在眼睛難以觀察的尺度上仍存在著解理這樣細觀尺度上的地質結構面。此外，礦物晶體是由原子或離子在空間按某種規(guī)則占據(jù)質點的晶格重復構成的。其內部還存在著晶面或晶格缺陷等微觀尺度的結構面，如從石鹽內部結構中取出來的Cl-離子和Na+離子堆積而成的立方小塊體，其中Cl-離子和Na+離子沿立方體小塊的棱方向僅以0.5628nm的間隔排列，這就構成了微觀層面納米級的結構面了。

圖3 吉林蛟河核電站備選場址角閃黑云花崗巖體

巖體的基本屬性由兩部分構成，即巖塊與地質結構面，巖體的定義雖然簡單，但隨著研究的深入，逐漸得出了巖塊尺度具有相對性的認識，即在較大尺度范疇上的巖塊，對于某個較小尺度范疇而言就具備了巖體的特征，這與力學領域里已成共識的巖石本身就是一種損傷材料的認識是一致的，對地質體造成的損傷既可是宏觀斷層、節(jié)理，細觀解理，也可在微觀晶面等各尺度空間。

1.2 結構面的不連續(xù)性特征

斷層、節(jié)理、裂隙等面狀結構地質上統(tǒng)稱之為結構面，但在力學的層面則稱為不連續(xù)面(Discontinuities)。圖4是在不考慮重力場的無重均勻連續(xù)介質條件下，同樣大小的3個長方體模型在3個相互垂直的方向上同時施加同量級的主壓應力。圖4a是不考慮結構面時，應力云圖是均一的，應力矢量圖表明每一個單元受到了與邊界加載的主應力相同的應力，取與長軸方向平行應力為最大主應力，其最大主應力呈水平展布并無偏轉，由此可知在不考慮結構面的情況下，模型內各單元的受力是相同的，即在連續(xù)介質模型中應力是處處連續(xù)的。圖4b是模型中增加了一個結構面，從模型的應力云圖可以看到在結構面附近云圖發(fā)生了變化，即在結構面附近應力發(fā)生了分異，有沿結構面應力集中的現(xiàn)象，從相應的應力矢量圖與最大主應力圖也可以看出不僅在結構面附近，且在一定范圍內應力均發(fā)生了偏轉，即模型受結構面的影響使其在結構面及其附近的應力與位移均出現(xiàn)了不連續(xù)的現(xiàn)象。圖4c是考慮了一組共軛結構面的影響，可見結構面及其附近，應力分異、集中以及偏轉的現(xiàn)象更為顯著，應力與位移不連續(xù)的現(xiàn)象更為突出。這一數(shù)值模擬的結果表明結構面的存在導致了原本連續(xù)分布的應力與位移出現(xiàn)了不連續(xù)。結構面是導致不連續(xù)的根本原因，因此將各類結構面統(tǒng)稱為不連續(xù)面是再恰當不過的了。

圖4 無重介質條件下考慮結構面與否的應力場規(guī)律對比

2 巖體結構控制的本質

巖體結構控制論在當今的工程地質界已耳熟能詳，這是中外科學家共同努力的結果，是由大量巖體工程實例總結出來的，最早的可以追溯到1884年始于法國主導并于1908年由美國接管的巴拿馬運河工程，從1910～1964年半個多世紀的歷程中運河兩岸發(fā)生了60個滑坡，后來美國工程師(Lutton et al.，1979)將這些滑坡的成因歸結為結構面影響。此外，國外還有前面提到的著名瓦昂大壩與馬爾帕斯大壩失事等事件。在國內20世紀50年代以來國家的重大工程如葛洲壩水電站、金川銅鎳礦、大亞灣核電站、二灘水電站、三峽工程等相繼開始勘察設計與建設，以中國科學院谷德振院士領銜的研究團隊倡導創(chuàng)立了巖體工程地質力學(谷德振，1979)，率先提出了巖體結構的全新概念，結構面和結構體是構成巖體結構的兩個基本單元，鮮明而深刻地提出了巖體結構制約巖體物理力學性狀、巖體變形破壞機制、控制巖體穩(wěn)定性的著名論斷，得到了廣泛的認同。隨后在中國科學院孫廣忠、王思敬、孫玉科、伍法權等人的相繼努力之下，巖體結構控制論得以傳承，相關認識也日益精深。

筆者將巖體結構控制論概括為如圖5所示的4個支撐要素，以下分別敘述。

圖5 巖體結構控制論基本構成

2.1 材料強度控制

材料強度控制是巖體結構控制論最樸素的認識，結構面之所以能成為巖體變形與破壞的控制因素，根本原因在于結構面的抗剪強度顯著低于巖塊的抗剪強度(趙海軍等，2019)，結構面的抗拉強度更低甚至為0。圖6是珠海橫琴花崗巖邊坡頂部，以卸荷作用為主，裂隙顯著張開，巖體應力松弛，質量顯著降低的現(xiàn)象，這種巖體亦被稱為應力松弛巖體，該類巖體無論是抗拉強度還是抵抗變形的能力都極低。另外結構面的強度由于受到起伏度、粗糙度、隙寬、充填物、含水狀況、結構面風化程度等因素的影響，總體上結構面的抗剪強度低于巖石的抗剪強度，但結構面的抗剪強度的取值，仍然是一個嚴峻的挑戰(zhàn)。

圖6 裂隙顯著張開的巖體

2.2 結構類型控制

巖體結構類型是分析與評價巖體變形-破壞的基礎，結構類型不僅控制了巖體最終的破壞模式，還控制了巖體變形過程的力學行為(楊強等，2020)。總體來看，可將巖體的變形與破壞分為局部和整體兩大類型，受結構類型的影響，圖7a是金沙江上游茂頂河段岸坡路塹受3組隨機結構面控制發(fā)育了大小不等的局部掉塊現(xiàn)象；圖7b是金沙江上游奔子欄河段右岸受兩組大型結構面控制的楔狀體破壞，由于斜坡高達400m以上，長大結構面貫穿了斜坡，導致了斜坡整體失穩(wěn)。

圖7 斜坡局部與整體破壞

結構類型的控制還可以體現(xiàn)在斜坡結構類型方面，由結構體與臨空面可組合形成順向結構斜坡、逆向結構斜坡、橫向結構斜坡以及斜向結構斜坡等。不同結構類型的斜坡是巖體變形-演化-致災的地質背景，只有搞清楚巖體結構類型，才能合理地構建工程地質力學概念模型，進行合理的成因機制分析，得到可信的地質定性認識，進而指導地質力學模型的構建，使巖體穩(wěn)定性的分析-評價-驗證在正確的軌道上運行。

2.3 滲流通道控制

圖8 花崗巖體中的裂隙水流

2.4 幾何邊界控制

模型分析是科學研究重要的方法之一，但模型模擬結果的合理性與可靠性至關重要，長期的模型分析經(jīng)驗積累有如下的基本共識?？煽啃愿叩哪Ｐ捅仨毦邆鋬蓚€基本要素：一是模型中各不同材料物理力學參數(shù)的可靠。由于地質材料是伴隨地球內外動力地質建造與改造而形成多尺度空間損傷材料，其強度具有顯著的不確定性，因此，材料物理力學參數(shù)的可靠性是模型高可靠性的關鍵要素之一。其次是模型邊界條件的合理，由于邊界條件涉及多方面的內容，以下分別闡述。

構建合理的地質力學模型并非易事，因為地質力學模型主要由應力邊界條件，地下水邊界條件以及幾何邊界條件3個方面構成，這3個方面也就是地質力學模型的初始(邊界)條件。建模經(jīng)驗表明，所謂合理就是使地質力學模型的初始(邊界)條件盡最大可能地反映研究對象的真實情況。若邊界條件不合理，則模型研究就成了沒有科學意義的數(shù)字兒戲了。

本節(jié)旨在討論幾何邊界條件，其他兩者僅簡要闡述，關于應力邊界條件：主要涉及內力與外力，內力主要指地應力場，即構造應力場與自重應力場，外力則主要指人工構筑物等對模型施加的外力。對于高地應力地區(qū)，如何將構造應力場與自重應力場正確地施加到模型上，并使模型整體處于力系平衡狀態(tài)，這是建成合理地質力學模型關鍵的一步，因為如果模型受力不平衡，就得不到可收斂的解；關于地下水邊界條件：正確的地下水邊界能夠反映常態(tài)以及各主要工況條件下地下水條件對模型的影響；模型的幾何邊界條件是本節(jié)討論的主體，論述如下：

對于均勻連續(xù)介質的模型而言，其幾何邊界主要就是模型的規(guī)模即邊界形態(tài)。但對于裂隙巖體而言，每一裂隙都具有不連續(xù)特性，屬于非連續(xù)介質范疇。因此，受裂隙控制巖體，在考慮幾何邊界條件時，除了模型的規(guī)模，材料的幾何邊界之外，還要考慮模型內部的幾何邊界條件，即模型中主要節(jié)理、裂隙的空間格局。為此，對于裂隙巖體而言，在三維網(wǎng)絡結構巖體力學中的幾何邊界條件要考慮3個方面的內容：①模型的規(guī)模及邊界形態(tài)，②模型中不同材料的邊界，③模型中不連續(xù)面的空間格架。對于幾何邊界條件①、②，在過往的地質力學模型中都已經(jīng)考慮到了。對于幾何邊界條件③可稱之為內部幾何邊界條件。

內部幾何邊界條件主要考慮巖體雙重介質中的裂隙介質，忽略了孔隙介質的影響，重視裂隙介質就是抓住了問題的本質。僅依據(jù)地質調查的方法只能獲得露頭表面的結構面特征，無法獲得巖體內部結構面的展布特征。目前能獲得巖體內部結構面展布規(guī)律的就是基于概率統(tǒng)計理論的隨機結構面三維網(wǎng)絡數(shù)值模擬技術，圖9所示的是巖體隨機不連續(xù)面三維網(wǎng)絡模型，圖9中顯示了3組優(yōu)勢不連續(xù)面，且每一組不連續(xù)面中的每一個不連續(xù)面的空間產(chǎn)出狀態(tài)、尺寸規(guī)模以及空間密度都是不同的，但又有自己的規(guī)律可循。特別需要說明的是每一個不連續(xù)面的尺寸都是有限的，這與傳統(tǒng)的將隨機不連續(xù)面認為無限延展面的假定是不同的。由于巖體隨機不連續(xù)面三維模擬技術涉及的內容較多，恕本文不介紹該技術。

圖9 巖體隨機不連續(xù)面三維網(wǎng)絡模型

巖體隨機不連續(xù)面三維網(wǎng)絡模型能夠很好地詮釋工程地質界關于巖體結構控制論的精髓，特別是關于巖體結構控制論中的內部幾何邊界控制起到重要的支撐。基于隨機理論的結構面三維網(wǎng)絡數(shù)值模擬技術，通過概率統(tǒng)計分析、糾偏、預測推斷、檢驗等過程與方法，根據(jù)二維露頭上有限的不連續(xù)面信息獲得三維空間的不連續(xù)面信息，從而可以更好的認識隨機不連續(xù)面在三維空間幾何特性及組合特征，為裂隙巖體在臨空面條件下的變形演化乃至災變過程預測提供了良好的途徑。巖體工程的不確定性是20世紀末科學家熱衷討論的問題，Glaser et al.(2000)總結了美國巖石力學與工程協(xié)會在加州召開的關于巖石力學現(xiàn)狀與未來走向的討論，其核心問題是巖石力學中的不確定性與尺度效應，并認為不確定性與尺度效應將成為巖石力學的新方向。在巖體結構控制論核心思想指導之下，自20世紀90年代以來筆者將隨機理論以及非確定(非線性)性理論應用于隨機不連續(xù)面三維網(wǎng)絡數(shù)值模擬技術。將其與實際巖體工程問題相結合，并將之總結為三維網(wǎng)絡結構巖體力學。

3 三維網(wǎng)絡結構巖體力學基本架構

研究物質機械運動規(guī)律的科學即為力學，研究巖石(體)變形、破壞的科學稱之為巖石(體)力學，它是力學的一個分支。以巖體結構控制論為指導，以巖體隨機不連續(xù)面為基礎，服務于地質力學模型內外邊界條件的構建，研究受結構面控制(單體或塊體)系統(tǒng)的變形規(guī)律與災變機理，是工程地質領域重要的研究方向，本文稱之為三維網(wǎng)絡結構巖體力學，是巖體力學的分支。如前所述國內外有許多學者在這方面做出過卓越的貢獻。雖然，目前三維網(wǎng)絡結構巖體力學尚不夠成熟，但為了能夠更好地總結相關的研究成果，吸引更多的學者關注并參與該方向的研究，筆者嘗試著總結出了三維網(wǎng)絡結構巖體力學的基本架構。

圖10是三維網(wǎng)絡結構巖體力學的基本架構，可以看出這個架構主要由地質學、力學和隨機不連續(xù)面三維網(wǎng)絡模擬技術3個方面構成，其中：地質學是這個架構中最重要的基礎，以下分別敘述：

圖10 三維網(wǎng)絡結構巖體力學基本架構示意圖

3.1 地質范疇

在三維網(wǎng)絡結構巖體力學架構中地質學范疇主要是兩個方面的內容，第1個主要內容是巖質露頭上展露的原生結構面與次生結構面，原生結構面主要包含地層的整合面、不整合面、斷層、層面、層理、面理、片理、片麻理以及節(jié)理等，在細觀層面則可能涉及微細裂縫等，在微觀層面可能涉及礦物解理、晶面等；表生結構面主要指近地表巖體的自然卸荷裂隙、人工卸荷裂隙、爆破卸荷裂隙等。在地質范疇認識結構面基本特征十分重要，巖體的變形與破壞機理的答案可能就隱藏在結構面的基本特征之中。

地質范疇的第2個主要內容是結構面的現(xiàn)場采樣技術，在上述的各類結構面中最為復雜的就是隨機節(jié)理、裂隙信息的獲取。就工程巖體而言，斷層等大型結構面數(shù)量較少，采用鉆探、物探等技術就能有效地獲取必要的信息。但對于規(guī)模較小且呈隨機分布的結構面，只能采用傳統(tǒng)的測線法或測窗法來統(tǒng)計露頭上每一條結構面如下的信息：跡長、產(chǎn)狀、間距(密度)、張開寬度、充填物礦物成分、充填物粒度成分、裂隙壁風化程度、起伏度、粗糙度、構造蝕變性以及含水性等。人工現(xiàn)場統(tǒng)計的方法仍是最常用的方法，也是迄今為止可靠性最高的方法，也稱之為接觸式測量。Priest et al.(1981)提出了采用測線法估計不連續(xù)面的跡長與間距。Kulatilake et al.(1984a)提出了矩形取樣窗取樣估算隨機不連續(xù)面跡長的方法。Mauldon(1998)提出了采用凸多邊形取樣窗估算隨機不連續(xù)面跡長均值。但這種接觸式的測量對露頭較高大且陡峻的情況下就難奏效了。一種非接觸式的方法，即基于數(shù)字相機的近景數(shù)字攝影測量法(王鳳艷，2006)以及三維激光掃描儀方法，能夠獲得較大規(guī)模露頭上的結構面信息。但對于超高陡露頭上的結構面采用近景數(shù)字攝影測量法也難奏效，將在3.3節(jié)簡要說明無人機航攝的方法。

3.2 學力范疇

如前述的圖4，當連續(xù)介質中存在結構面時，在結構面附近的應力與位移都不連續(xù)，因此在力學范疇內把巖體中的各類結構面統(tǒng)稱為不連續(xù)面(Discontinuities)，由于巖體中含隨機不連續(xù)面，致使連續(xù)介質力學理論解析裂隙巖體的變形與破壞規(guī)律十分勉強。

破解裂隙巖體變形與失穩(wěn)致災機理是三維網(wǎng)絡結構巖體力學的核心，其指導思想是巖體結構控制論，即巖體的變形與破壞受控于相對較弱不連續(xù)面，其破壞模式如前述圖7的局部與整體破壞，或更復雜的組合式破壞。如圖11是金沙江上游支斯山河段于20世紀60年代發(fā)生的一次崩滑堵江殘余的后壁與滑面，現(xiàn)場可見后緣近直立的不規(guī)則拉裂面，滑動面呈不規(guī)則的波狀起伏，起伏高度可達2m±，總體上呈略向上凸起總體傾向金沙江的龜殼狀滑動面，每一個起伏的波狀體由至少3組不規(guī)則的結構面組合而成，這是一個受結構面控制的巨型復雜結構體變形失穩(wěn)致災的典型實例，尤其是略凸起的龜殼狀滑動面與常見的滑動面并不一致，這種非常規(guī)現(xiàn)象只有巖體結構控制論才能合理解釋。

圖11 受多組結構面控制的堵江滑坡殘余滑面特征

圖12是張晶(2014)關于馬吉水電站壩肩巖體的三維結構分析結果，在壩肩勘探平洞內隨機不連續(xù)面現(xiàn)場調查的基礎上，應用隨機不連續(xù)面三維網(wǎng)絡數(shù)值模擬技術生成結構面三維網(wǎng)絡模型之可視化塊體系統(tǒng)。由于隨機結構面尺寸的有限性，巖體內形成的結構體單體有簡單的四面體也有復雜的多面體，更有似斷非連(巖橋)的復雜結構體，由這些本就復雜的結構單體集合形成了結構塊體系統(tǒng)，這就大大地增加了結構塊體系統(tǒng)的復雜度。2.4節(jié)中關于幾何邊界控制的論述中，提及的內部幾何邊界復雜性正是由此而來，從這個意義上看復雜結構塊體系統(tǒng)的變形與致災機理探索，有必要尋求非連續(xù)介質理論的突破，三維網(wǎng)絡結構巖體力學的研究正是朝著這個方向探索的嘗試。

圖12 馬吉壩址巖體結構示意圖

3.3 技術層面

三維網(wǎng)絡結構巖體力學涉及技術層面的內容較多，除了3.1節(jié)中提及的地質結構面現(xiàn)場取樣技術(接觸式)與近景數(shù)字攝影測量或三維激光掃描取樣技術(非接觸式)能解決較大露頭的結構面信息采集之外，對于超高陡斜坡則必將面臨擬取樣露頭規(guī)模大且抵不近，看不見，摸不著，測不到的復雜且苛刻條件，圖13是正在建設中的某交通線路怒江特大橋超高陡斜坡，相對高差達1000m以上，且坡面凹凸顯著，涉及的范圍較大。即便近景數(shù)字攝影測量或三維激光掃描技術也不能奏效。無人機攝影測量就成了最好的選擇，但無人機攝影測量4D產(chǎn)品(數(shù)字線劃地圖DLG、數(shù)字柵格地圖DRG、數(shù)字調和地圖DEM、數(shù)字正射影像地圖DOM)的主要目的是地形地物的空間定位，其分辨率一般是15cm±。而巖體三維網(wǎng)絡結構巖體力學的主要研究對象是巖體結構面信息的取樣，包括結構面產(chǎn)狀、跡長、隙寬、起伏度、間距、充填物、粗糙度等信息，要求的分辨率是毫米級的。因此，航攝4D產(chǎn)品不能滿足要求，為此建議采用無人機貼近攝影測量技術，分辨率可達毫米級，貼近攝影測量技術雖然還在探索中，但已有實踐證明該技術是有效的，由于篇幅限制，這里不介紹貼近攝影測量技術。

圖13 某交通線路怒江特大橋超高陡復雜斜坡

不連續(xù)面取樣技術是三維網(wǎng)絡結構巖體力學的基礎，將此基礎打牢了才有以下各技術的施展空間，諸如隨機不連續(xù)面三維網(wǎng)絡數(shù)值模擬技術、三維RQD估算技術，巖體表征單元估算技術、結構塊體搜索技術、定向投影巖體結構面三維連通率估算技術，巖體三維滲徑搜索技術等，由于篇幅有限以下簡要介紹各技術。

(1)隨機不連續(xù)面三維網(wǎng)絡模擬技術：該方法的特點是在扎實足量的地質結構面現(xiàn)場采樣的基礎上，以概率統(tǒng)計理論為基礎，進行以下7個方面的數(shù)值模擬。

①巖體結構統(tǒng)計均質區(qū)劃分：最早將概率統(tǒng)計方法進行巖體結構統(tǒng)計均質區(qū)劃分的是Miller(1983)采用了列聯(lián)表與下半球施密特投影產(chǎn)狀極點相結合的方法進行了單參量的巖體結構統(tǒng)計均質區(qū)劃分，Kulatilake(1990)對Miller(1983)的方法進行改進與應用，Song et al.(2015)綜合考慮了多參數(shù)巖體結構統(tǒng)計均質區(qū)的劃分。巖體結構統(tǒng)計均質區(qū)劃分雖然取得了成果，但仍值得深入探索。

②結構面優(yōu)勢組劃分：最早采用概率統(tǒng)計方法進行隨機結構面的優(yōu)勢分組的是Shanley et al.(1975，1976)，筆者將此方法簡稱為球徑尋優(yōu)法，經(jīng)驗表明該法可滿足工程的要求。基于非線性系統(tǒng)理論的現(xiàn)代算法如Xu et al.(2013)應用基于多尺度優(yōu)化算法的模糊C均值分組，取得了良好的效果，結構面優(yōu)勢組數(shù)劃分之后，各優(yōu)勢組特征的表達通常采用產(chǎn)狀極點圖，陳劍平等(2005b)建議采用滿足右手法則的結構面走向玫瑰與極點同時表達的方式。

③結構面跡長均值估算：結構面跡長均值是反映結構面優(yōu)勢組尺寸分布的最重要參數(shù)，由于取樣窗口獲得的跡長存在取樣偏差，稱之為觀測跡長需要進行校正以獲得理論跡長均值。Prest et al.(1981)推薦采用測線法來估算不連續(xù)面的跡長概率均值；Kulatilake et al.(1984a)建議采用矩形取樣窗口法估算不連續(xù)面跡長概率均值; Mauldon(1998)分別就凸多邊形取樣窗口估算不連續(xù)面跡長概率均值給出了具體方法; Zhang et al.(2016)在矩形窗口上布置多測法估算結構面的跡長取得了更為穩(wěn)定而可靠的解。

④結構面圓盤直徑均值估算：結構面空間形態(tài)與尺寸是一個至今尚未得到確切認識的課題，通過大量現(xiàn)場調查一般認為結構面形態(tài)在其走向與傾向方向的尺寸相當，數(shù)學上將其簡化為圓盤、菱形、橢圓形或矩形等。由于通過窗口觀察的二維跡長獲取三維空間圓盤的直徑是一個推斷的過程，目前這方面的研究還很不成熟。相關的研究有Kulatilake et al.(1986)建議數(shù)值積分法來推斷二維跡線到三維空間中的直徑均值估值; 張奇(2015)就矩形窗口測線法直接估算不連續(xù)面三維圓盤直徑均值取得了良好的效果。

⑤結構面間距估算：結構面間距雖然可以實測，但至今還沒有統(tǒng)一規(guī)則，這里的結構面間距是特指各優(yōu)勢組的結構面間距，可采用陳劍平(2001a)在窗口內布置放射性沿線的方法來處理。但由此得到的間距還僅僅是觀測值，Terzaghi(1965)，Priest et al.(1976，1983a)分別就結構面間距測量誤差以及間距測量方法進了研究。

⑥結構面密度估算：各組結構面在單位體積內發(fā)育的數(shù)量，即為結構面密度，由于結構面間距的采樣是在露頭上進行的，存在取樣偏差，只有當結構面優(yōu)勢組的法向方向與測線方向一致時，獲得的間距才是真實的，為了完成間距測量偏差的校正，Karzulovic et al.(1985)用法線方向的測線頻率校正法來解決此問題；Massanobu(1982)則用張量法來表達結構面的體積密度；Kulatilake et al.(1984a)明確地給出了窗口取樣偏差及改進的方法。結構面密度的表達目前還是一個值得深入探索的內容。

⑦蒙特卡洛模擬：通過上述各步驟的糾偏模擬之后，可以獲得各優(yōu)勢組結構面直徑的概率密度函數(shù)，空間概率密度，以及產(chǎn)狀分布特征的各項基本參數(shù)，最后運用蒙特卡洛模擬技術來生成經(jīng)得起檢驗的三維網(wǎng)絡數(shù)值模型。

上述的隨機不連續(xù)面三維網(wǎng)絡模擬技術起到了地質范疇與三維網(wǎng)絡結構巖體力學之間橋梁的作用，即在隨機不連續(xù)面三維網(wǎng)絡模擬技術的基礎上，應用下述各技術，獲取相關的巖體結構參數(shù)。

(2)三維RQD估算：自Deere D.U.提出RQD概念并被廣泛應用于巖石工程以來，逐漸認識到由鉆孔獲取的傳統(tǒng)RQD存在取樣偏差，原因就在于鉆孔一般都是鉛直獲取巖芯的，當結構面與鉆孔方向呈不同角度相交時，在同一巖體中可獲得不同的RQD值。此外，傳統(tǒng)的RQD還規(guī)定了閾值為10cm，而這與Heok et al.(1980)建議的圖14關于巖體結構相對性的概念是相悖的。從這個角度考慮，在隨機不連續(xù)面三維網(wǎng)絡數(shù)值模型里布置不同方向的測線(打鉆孔)既無需大量花費又容易實現(xiàn)，并且還可改變閾值來獲取不同閾值條件下的RQD值，王國欣等(2002)，Zhang et al.(2012)就是在三維網(wǎng)絡數(shù)值模型的基礎上進行了相關的研究。

圖14 從完整至強裂隙化巖體的過度(引自Heok et al.(1980))

(3)巖體表征單元估算技術：Hill(1963)首次提出了巖體表征單元(RVE)的概念，指出樣本RVE尺寸的分布與分散性是由特定結構特征的平均值綜合反映的，樣本應當包含足夠數(shù)量結構特征的模量之整體的表觀特征并與摩擦、位移相互獨立，宏觀上該值是均質的。此后，不同領域內的學者廣泛開展了相關的研究，Pinto et al.(1993)通過現(xiàn)場測試獲取RVE尺寸，但這種試驗十分困難而且費用昂貴。采用數(shù)值模擬的方法就可避免現(xiàn)場試驗所帶來的困難與費用，通過三維網(wǎng)絡數(shù)值模型來獲取RVE是一種有效的辦法，譚春等(2012)，Zhang et al.(2013)在三維網(wǎng)絡模型基礎上分別采用灰色系統(tǒng)，隨機數(shù)學方法成功地獲取RVE。

(4)結構塊體搜索技術：裂隙巖體局部穩(wěn)定性評價最具代表性的研究是始于20世紀70年代由石根華(1977)提出的全空間赤平極射投影法，后來發(fā)展成為塊體理論?；趲r體隨機不連續(xù)面三維網(wǎng)絡模擬技術的巖體局部穩(wěn)定性評價，并不排除塊體理論的應用。三維網(wǎng)絡結構巖體力學評價塊體穩(wěn)定性與塊體理論之區(qū)別主要表現(xiàn)在以下幾個方面：三維網(wǎng)絡模擬技術獲得的結構面三維網(wǎng)絡模型與實際巖體具有概率意義上的統(tǒng)計相似性；其次模型中每一個結構面尺寸都是有限的，與塊體理論以及赤平極射投影中結構面無限延展的假定不同；再者，塊體理論通常是將優(yōu)勢分組結構面的產(chǎn)狀平均矢量進行投影分析，或者是對現(xiàn)場獲取的有限結構面進行分析，這種方法通常應用于工程的施工階段最有效，而基于三維網(wǎng)絡模擬技術的巖體局部穩(wěn)定性評價，既從工程的勘察到施工各階段均可使用。且基于三維網(wǎng)絡結構巖體力學的結構塊體搜索技術要求在各統(tǒng)計均質區(qū)內進行，由此可見結構塊體搜索技術要求的基本條件相對苛刻一些。盧波等(2002，2004)在三維網(wǎng)絡模擬的基礎上對復雜結構巖體的局部塊體穩(wěn)定性搜索與評價的相關研究是將塊體理論應用于三維網(wǎng)絡結構巖體力學的實例。

(5)定向投影巖體結構面三維連通率估算技術：裂隙巖體整體穩(wěn)定性是諸如大型水利水電工程、某交通線路等重大工程備受關注的問題，對于具有貫通性滑面的巖質斜坡，滑面就是巖質斜坡整體穩(wěn)定性的控制面。而在發(fā)育隨機結構面的巖體中，并無確定的貫通性滑面，但裂隙巖體可能沿多組結構面組合成相對較弱的斷續(xù)面，并最終沿此較弱的斷續(xù)弱面貫穿巖橋形成統(tǒng)一的不規(guī)則的滑面，如前述圖11所示龜殼狀滑面而產(chǎn)生破壞，這就涉及定向投影巖體結構面三維連通率估算的問題。需要說明的是，這里的三維連通率與水文地質學中導水連通率的概念不同，水文地質學主要考慮水量與水質，并不考慮巖體穩(wěn)定的問題。巖體力學最為關注巖體穩(wěn)定性問題，而結構型巖體的失穩(wěn)受控于結構面，結構面是有優(yōu)勢方向的，因此三維連通率強調定向性，以期獲得結構面連通性最高、巖橋最短、最易失穩(wěn)的方向，這可通過定向投影巖體結構面三維連通率這個參數(shù)來表達，這個參數(shù)在三維網(wǎng)絡數(shù)值模擬的基礎上是容易實現(xiàn)的。陳劍平等(2003，2005a，2006)就此作了探索性的研究，盡管這一研究難度大，但這是一個值得進一步探索的課題。

(6)巖體三維滲徑搜索技術：巖體力學中一個重要方向是巖體水力學，在基巖裂隙中傳導的水會引起裂隙壁壓力變化，在特定條件下隙壁壓力的變化可能成為影響巖體穩(wěn)定的要素之一。查明基巖裂隙水滲流途徑是解決水文地質學與巖體水力學相關問題的基礎。由于三維滲徑搜索涉及隨機分布的結構面，因此采用現(xiàn)場勘探的手段往往無效。但在三維網(wǎng)絡結構面數(shù)值模型的基礎上應用現(xiàn)代數(shù)學的方法來搜索裂隙巖體三維滲徑是可實現(xiàn)的。趙紅亮等(2005)就是根據(jù)三維網(wǎng)絡模型中有限尺寸圓盤在空間的相交與連通情況進行滲徑搜索的探索。筆者相信這僅是此方面研究的開始，如果能在裂隙滲徑搜索的基礎上進一步探索滲徑各部位的水壓力，進而探索滲徑上裂隙的變形與破裂擴展機制等相關研究，將對巖體水力學的研究起到有力的推動作用。

3.4 理論層面

三維網(wǎng)絡結構巖體力學的指導思想是巖體結構控制論，考慮到隨機結構面及其空間組合的復雜性，在理論層面上除了傳統(tǒng)的地質、力學、數(shù)學之外，三維網(wǎng)絡結構巖體力學在理論上涉及的理論知識體系較為復雜，主要涉及如下幾個方面的理論應用與探索：

(1)球面投影理論：結構面空間產(chǎn)出狀態(tài)及其由結構面組合成結構塊體特征的表達需用球面投影理論，如施密特投影和赤平極射投影理論，孫玉科等(1980)出版的赤平極射投影在巖體工程地質力學中的應用是國內首次將赤平極射投影理論較為系統(tǒng)地引入到工程地質巖體穩(wěn)定性評價之中，赤平極射投影采用的是等角度投影理論，而施密特投影則是等面積投影理論，這兩種球面投影理論對三維網(wǎng)絡結構巖體力學都是有意義的。

(2)概率統(tǒng)計理論：正如前面提到的隨機不連續(xù)面三維網(wǎng)絡數(shù)值模擬技術是將地質的信息與力學連接起來的橋梁，由于地質結構面在尺寸、形態(tài)、產(chǎn)出狀態(tài)、表面特征，空間組合等各方面均呈隨機性，加之結構面與采樣露頭之間的關系，在現(xiàn)場結構面取樣過程中無論是跡長、產(chǎn)狀以及間距等都存在不同程度偏差。而糾正這些偏差較為恰當?shù)木褪歉怕式y(tǒng)計理論，在3.3節(jié)的隨機不連續(xù)面三維網(wǎng)絡模擬技術7個方面的內容均基于概率統(tǒng)計理論。

(3)隨機動力學：動力學是研究物體的運動變化與其所受力之間的關系(朱仁明等，2020)，是理論力學最重要的組成部分(靜力學、運動學、動力學)。工程動力地質學主要研究地殼淺表層地質體的變形、破壞與重力場之間的關系，對結構型巖體而言，仍然歸結到由隨機結構面構成的結構塊體在重力場作用下的變形與破壞規(guī)律。傳統(tǒng)巖體動力學主要基于空間幾何或赤平極射投影理論針對有限數(shù)量結構面的研究。隨機動力學則是研究巖質露頭上任意結構面與臨空面以及露頭上所有結構面的組合，可能形成單面或楔狀控制的結構塊體在重力場作用下的變形與破壞動力特征。當露頭結構面數(shù)量較多時導致赤平極射投影基圓上的投影大圓數(shù)量多、雜亂繁雜，讀圖十分困難，傳統(tǒng)的動力學分析無法實施。隨機動力學理論則是在現(xiàn)場大量結構面地質調查統(tǒng)計獲得巖質斜坡穩(wěn)定坡角的定性認識的基礎上，綜合空間幾何與赤平極射投影技術，通過計算機編程計算出巖質斜坡可能的安全坡角，進而采用貝葉斯理論最終評估得出巖質斜坡的安全坡角(Zhou et al.，2017；Li et al.，2021)，將隨機動力學理論運用于非貫通性結構面巖質邊坡的安全性評價研究，已有成功的工程實例。

(4)幾何拓撲理論：拓撲學是繼歐基里德幾何、解析幾何、微分幾何、射影幾何等之后的一種新的幾何，幾何拓撲學仍然是研究圖形(或形狀)的科學，是研究圖形在連續(xù)變形下的不變的整體性質(Prigogine et al.,1968)。由于隨機結構面與臨空面構成的幾何塊體，即可能有楔狀體(四面體)這樣簡單的多面體，也可形成復雜的多面體，采用幾何拓撲理論將更有助于對空間復雜多面體問題的表述與解答。

(5)塊體理論：自石根華(1977)發(fā)表了基于赤平投影的巖體穩(wěn)定分析方法和塊體理論導論以來，奠定了塊體理論的基礎，該理論對單結構塊體的穩(wěn)定性評價十分有效，尤其是塊體理論中引入了棱錐概念。塊體是有形有體的空間體，而棱錐拋棄塊體的體積概念，僅保存其形狀特性，將塊體轉換為棱錐更便于進行數(shù)學分析，從而建立了塊體理論的有限性定理和可動性定理，使得單結構塊體穩(wěn)定性分析簡便直觀。雖然，塊體理論是對結構面無限延伸條件下建立的，但對于已經(jīng)建立了結構面三維網(wǎng)絡模型情況下，塊體理論對三維網(wǎng)絡結構巖體力學仍然是一個重要的基本理論。

(6)非線性系統(tǒng)理論：對3.2節(jié)中圖12的結構塊體系統(tǒng)是由單結構塊體或含巖橋的復雜結構塊體復合而成的，由于系統(tǒng)內部含貫通以及非貫通的不連續(xù)面，根據(jù)1.2節(jié)圖4可知此類復雜系統(tǒng)的變形與破壞特征是非連續(xù)、非線性以及不確定的。對此類復雜系統(tǒng)需采用非線性系統(tǒng)理論才能有效。石根華(1997)提出的數(shù)值流形元法與非連續(xù)變形分析就是力圖采用非連續(xù)理論求解復雜系統(tǒng)變形與破壞特性的嘗試。陳劍平(2001b)就曾經(jīng)將巖土體視為開放的非線性復雜系統(tǒng)問題進行了專門討論，普里高高津于1968年創(chuàng)立的《耗散結構論》(Prigogine，1968)，德國物理學家赫爾曼·哈肯教授于1983年創(chuàng)立的《協(xié)同理論》(Haken，1983)，法國數(shù)學家雷內·托姆教授于1989年創(chuàng)立的《突變理論》(René，1989)并稱為科學新三論，非線性系統(tǒng)理論主要孕育于數(shù)學、物理化學關于系統(tǒng)相變的研究，將這些理論應用于巖體結構塊體系統(tǒng)的變形與破壞的理論探索是一個值得深入的課題。此外一些現(xiàn)代算法理論如粗糙集、可拓學、遺傳算法、支持向量機、深度學習、分形幾何以及圖論中的廣度優(yōu)先或深度優(yōu)先搜索算法等理論都將對非線性系統(tǒng)的描述與求解起著重要的作用。

(7)裂隙巖體多尺度等效結構模型：若將3DEC、DDA、DEM等方法用于裂隙巖體的變形特征與穩(wěn)定性評價，可將結構面三維網(wǎng)絡結構模型作為內部幾何邊界條件，構建合理的地質力學模型。由于三維網(wǎng)絡結構模型涉及大量的隨機結構面，如果將所有的隨機結構面都表達到地質力學模型中，就目前的理論與技術手段來看仍有困難。如前述圖12所示，復雜結構巖體中各單元頂點的求解與表達，特別是含巖橋的復雜結構塊體內部以及塊體之間幾何關系之判斷即便借助幾何拓撲學也仍是嚴峻的挑戰(zhàn)。為此，若能構建裂隙巖體多尺度等效結構模型，進而采用熟悉的商用軟件，如Ansys有限元，F(xiàn)LAC3D有限差分軟件，可能使復雜系統(tǒng)問題得到較好的近似解。將裂隙介質與連續(xù)介質融合的較好途徑就是考慮裂隙介質的尺度效應，這是因為裂隙介質的復雜性是因為其存在著尺度效應的問題，如果能夠使模型中各單元都消除尺度效應的影響，就可以建立幾何上的等效結構模型，這是一個在理論上十分有意義的研究方向。三維網(wǎng)絡模擬技術的擴展研究中已經(jīng)為此提供了良好的基礎，如譚春等(2012)，Zhang et al.(2013)提供的巖體表征單元RVE，就可以從幾何的角度解決尺度效應的問題，當然還可引入其他的輔助參數(shù)來完善表征單元RVE的評價與表達，使尺度效應問題得到合理的解決。此外要建立一個合理的等效結構模型，還需要對材料力學性質的等效性進行相應的研究，如RMR巖體分類就給出了等效巖體抗剪強度參數(shù)，這是一個很好的啟示，如果能夠較好地解決裂隙巖體的尺度效應與物理力學參數(shù)的等效性，就可以構建一個從非連續(xù)裂隙巖體到連續(xù)介質力學之間的橋梁，從而可以采用連續(xù)介質力學理論解決非連續(xù)介質力學的問題，顯然這是一個很有價值的新探索。

4 三維網(wǎng)絡結構巖體力學主要內容及展望

巖體結構控制論是三維網(wǎng)絡結構巖體力學的靈魂，凡變形與破壞受控于巖體結構面的巖體穩(wěn)定性問題都是三維網(wǎng)絡結構巖體力學研究的對象。

4.1 主要內容

圖15簡略地展示了三維網(wǎng)絡結構巖體力學的主要研究內容，可以看出隨機不連續(xù)面三維網(wǎng)絡模擬技術是三維網(wǎng)絡結構巖體力學的核心技術，也是銜接地質學與力學的橋梁，作為一項專門的技術，隨機不連續(xù)面三維網(wǎng)絡模擬在其生成模型的過程中就自動提供了工程巖體評價所需要的各項結構面基本參數(shù)，如巖體結構統(tǒng)計均質區(qū)劃分；每個均質區(qū)內隨機結構面的優(yōu)勢分組，各優(yōu)勢分組結構面產(chǎn)狀的平均矢量；各優(yōu)勢分組結構面尺寸信息中概率平差后的二維跡長均值、三維圓盤直徑均值以及相應的概率密度函數(shù)；各組結構面的間距均值，以及相應的體積密度。這些參數(shù)都是巖體工程必要的裂隙參數(shù)，同時為3.3節(jié)技術層面涉及的各項參數(shù)估算提供了基礎。

圖15 三維網(wǎng)絡結構巖體力學研究內容

有了上述巖體結構的基本參數(shù)，根據(jù)圖15中隨機不連續(xù)面三維網(wǎng)絡模擬技術圖框下方的示意就可以進一步獲取不同閾值、任意方向的巖體質量指標RQD值，還可獲得估算評價巖體裂隙化程度的兩個重要參數(shù)，即P21和P32，它們分別表征了二維平面中裂隙總長度占單位面積的比值與三維空間中裂隙總面積占單位體積之比值。這個物理意義上十分簡潔的參數(shù)，但由于巖體中裂隙的隨機特征，實際獲取這兩個參數(shù)是很困難的，特別是P32在現(xiàn)場是無法獲得的，但通過三維網(wǎng)絡模型，由于在三維網(wǎng)絡模型中定義了每一個圓盤的尺寸，以及相應的空間定位，就使得P32計算變得輕松自如。進而可方便地估算巖體表征單元。綜合上述各參數(shù)，可以有效地表征巖體的裂隙化程度以及評價巖體的質量。

根據(jù)圖15的右側框圖的信息，可在隨機不連續(xù)面三維網(wǎng)絡模擬技術的基礎上進行巖體局部穩(wěn)定性評價的結構塊體搜索，也可進行巖體整體穩(wěn)定性評價的定向投影巖體結構面三維連通率估算，以及巖體水力學相關的巖體三維滲徑搜索。

根據(jù)圖15的左側框圖的信息，可以將隨機不連續(xù)面三維網(wǎng)絡模型作為商用軟件3DEC、DDA的內部邊界條件疊加到地質力學模型中，構建合理的非連續(xù)介質地質力學模型，使之更符合實際。

圖15右下角基于隨機動力學獲取安全坡角的內容，無需在隨機不連續(xù)面三維網(wǎng)絡模型的基礎上即可實施，考慮到安全坡角是受控于結構面的命題，所以將其列在這里。

4.2 建議拓展的內容

根據(jù)圖15左上角及中上部的信息，可看到三維網(wǎng)絡結構巖體力學未來的發(fā)展方向，即在隨機不連續(xù)面三維網(wǎng)絡模型的基礎上構建多尺度等效結構模型，并將其疊加到商用有限元或有限差分軟件中，構建合理的連續(xù)介質地質力學模型，從而得到非連續(xù)介質-裂隙巖體的近似解。另外，在框圖的左上角，可在細、微觀層面展開核素遷移以及頁巖氣相關的研究。

三維網(wǎng)絡結構巖體力學從技術層面到理論層面涉及內容繁雜，盡管筆者一直嘗試通過軟件平臺的方式使一些復雜技術的問題智能化，但由于隨機結構面空間展布的隨機性與復雜性，智能識別與智能測量的瓶頸仍然存在，希望有更多的研究者投入到三維網(wǎng)絡結構體力學的智能化研究之中。

上述闡述了三維網(wǎng)絡結構巖體力學主要研究內容，可看出三維網(wǎng)絡結構巖體力學的根本特點是兩個基點，第1基點是地質基礎，即以巖體中隨機展布的不連續(xù)面及其組合規(guī)律為基點；第2個基點是理論基礎，即采用概率統(tǒng)計與非線性系統(tǒng)理論作為基點。隨機不連續(xù)面三維網(wǎng)絡數(shù)值模擬技術在三維網(wǎng)絡結構巖體力學中起到了承上啟下的關鍵性作用。因此，三維網(wǎng)絡結構巖體力學的主要優(yōu)點是能夠全方位地評價巖體質量，并對巖體水力學以及巖體穩(wěn)定生評價方面有良好的預測功能。就目前情況來看，雖然有條件搭建三維網(wǎng)絡結構巖體力學的框架，但隨機不連續(xù)面三維網(wǎng)絡數(shù)值模擬技術還是一個值得持續(xù)改進與完善的關鍵核心技術。

5 結 論

自1999年筆者獲得國家自然科學基金面上項目“三維網(wǎng)絡結構巖體力學模型研究”資助以來的20余年間筆者帶領研究團隊一直致力于巖體隨機不連續(xù)面三維網(wǎng)絡數(shù)值模擬技術及其相關問題的探索研究，深感結構型裂隙巖體的物理力學性質及其變形破壞機理研究僅采用常規(guī)的理論與方法往往難以奏效，因為結構型裂隙巖體事實上是一個開放的非線性復雜巨系統(tǒng)，其復雜與非線性之本源就是巖體中發(fā)育的隨機不連續(xù)面，這與20世紀70年代谷德振先生提出的巖體結構控制論是吻合的，將巖體結構控制論作為三維網(wǎng)絡結構巖體力學的靈魂，體現(xiàn)了工程地質學的傳承與發(fā)展。

本文提出的三維網(wǎng)絡結構巖體力學是研究團隊20余年來一系列探索性研究的總結，建議了三維網(wǎng)絡結構巖體力學的基本架構與主要研究內容，簡述了三維網(wǎng)絡結構巖體力學相關的技術、方法與理論。本文旨在拋磚引玉，希望有更多的學者對巖體結構控制論感興趣。