本發(fā)明屬于地質工程，尤其是涉及一種考慮塊石三維形態(tài)的基于鉆孔線性測量預估體積含石量的方法及系統(tǒng)。

背景技術：

1、土石混合體廣泛分布于自然地質體與人為工程活動中，諸如滑坡、邊坡工程、隧道工程、土石壩等。近三十年來大量研究表明，土石混合體結構及力學特性主要受控于其體積含石量 vbp，準確預估土石混合體 vbp對相關工程有以下重大意義：①可準確評估土石混合體的剪切力學強度，有效提高工程設計安全性及經(jīng)濟效益；②可為相關工程中開挖設備及支護方法的合理選取提供科學依據(jù)。目前工程上針對土石混合體滑坡等大型地質體的 vbp預測主要依賴于現(xiàn)場篩分、以及鉆孔編錄測量兩種方法。但以上兩種方法存在以下缺陷：①其中現(xiàn)場篩分只能挖取滑坡表層土石混合體進行篩分分析，得到的含石量 vbp只能反映滑坡表層的 vbp，而通?；峦潦旌象w堆積層可能厚達幾十米甚至上百米，土石混合體 vbp隨著埋深的增加勢必也會有所改變，且相關支護工程往往會穿過整個堆積層，因此掌握整個土石混合體堆積層的 vbp僅采用篩分方法難以實現(xiàn)。②由于一般鉆孔孔徑僅有十幾厘米，對于整個滑坡而言，通過鉆孔得到的含石量通常認為是一維的線性含石量 lbp，大量研究表明，若鉆孔數(shù)量或鉆孔總長度不足時， lbp與 vbp之間存在較大的誤差，不能采用 lbp直接反映滑坡堆積層的 vbp。因此，針對上述傳統(tǒng)工程方法預估土石混合體 vbp中存在的缺陷，亟需提出一種基于有限鉆孔數(shù)量及長度，可準確評價 lbp與 vbp之間誤差，并通過鉆孔測量的 lbp準確預估土石混合體 vbp的方法及系統(tǒng)，為提高土石混合體相關工程設計安全及經(jīng)濟效益、合理選取開挖設計及支護方法提供科學依據(jù)。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種考慮塊石三維形態(tài)的基于鉆孔線性測量預估體積含石量的方法及系統(tǒng)，本發(fā)明通過構建可考慮塊石真實三維形態(tài)的土石混合體三維虛擬模型，創(chuàng)新引入不確定性因子，提出了一種更為精確的基于現(xiàn)場有限鉆孔線性測量預估土石混合體體積含石量的方法及系統(tǒng)，為提高土石混合體相關工程設計安全及經(jīng)濟效益、合理選取開挖設計及支護方法提供科學依據(jù)。

2、為了實現(xiàn)上述的技術特征，本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：一種考慮塊石三維形態(tài)的基于鉆孔線性測量預估體積含石量的方法，其特征在于，包括以下步驟：

3、步驟1：獲取土石混合體研究區(qū)域的大小粒徑不等的若干塊石樣本，制備塊石集試樣并進行ct掃描，同時采用圖像數(shù)字處理技術對塊石集ct圖像進行處理，分離并重構塊石三維形態(tài)模型，分析塊石三維形態(tài)特征，建立包含塊石三維形態(tài)特征因子的塊石三維模型數(shù)據(jù)庫；

4、步驟2：根據(jù)塊石三維模型數(shù)據(jù)庫中最大塊石粒徑，確定土石混合體三維虛擬模型區(qū)域尺寸，并根據(jù)現(xiàn)場鉆孔得到的線性含石量 lbp，假設體積含石量 vbp1等于 lbp，通過隨機選取塊石三維模型數(shù)據(jù)庫中的塊石，生成體積含石量為 vbp1的土石混合體三維虛擬模型；

5、步驟3：在所述的土石混合體三維虛擬模型構建內隨機生成平行于土石混合體模型立方體棱邊且相互平行的 n條掃描線，選取的不同條數(shù)的掃描線計算線性含石量 lbp，并確定虛擬模型的不確定性因子 uf和取樣長度比 n的關系；

6、步驟4：根據(jù)現(xiàn)場鉆孔的取樣長度比 n、鉆孔測量得到的線性含石量 lbp、以及通過虛擬模型得到的不確定性因子 uf與 n的關系，確定 uf的值，預估現(xiàn)場體積含石量 vbp= lbp+/-( lbp× uf)。

7、優(yōu)選的，所述步驟1中具體步驟為：

8、步驟11：在土石混合體研究區(qū)獲取粒徑大小不等的足量塊石樣本，于透明pvc圓柱管內將塊石和1~2mm泡沫顆粒混合制備成塊石集試樣，開展ct掃描，獲取塊石集三維ct圖像；

9、步驟12：采用三維閾值分割方法將ct灰度圖像轉換為三維ct二值圖像；

10、步驟13：采用三維中值濾波方法對三維ct二值圖像進行降噪；

11、步驟14：采用三維鄰域連通分量提取方法和三維分水嶺分割方法將每塊三維塊石模型進行分離；

12、步驟15：采用三角網(wǎng)格將分離的每塊塊石表面進行網(wǎng)格化，分析塊石三維形態(tài)特征；

13、步驟16：建立包含塊石三維形態(tài)特征因子的塊石三維模型數(shù)據(jù)庫。

14、優(yōu)選的，所述步驟15中塊石三維形態(tài)特征包括顆粒粒徑、三維形狀、球度、三維凸度和三維圓度。

15、優(yōu)選的，所述步驟2中具體步驟為：

16、步驟21：根據(jù)塊石三維模型數(shù)據(jù)庫中最大塊石粒徑，確定土石混合體三維虛擬模型區(qū)域為立方體區(qū)域，區(qū)域邊長為最大塊石粒徑 dmax的1.5倍；

17、步驟22：根據(jù)現(xiàn)場鉆孔得到的線性含石量 lbp，假設土石混合體三維虛擬模型體積含石量 vbp1等于 lbp；

18、步驟23：隨機選取塊石三維模型數(shù)據(jù)庫中的塊石模型投放于土石混合體模型區(qū)域范圍內；

19、步驟24：判斷正在投放的塊石模型是否與已投放的塊石模型之間是否重疊，包括塊石頂點重疊、塊石內部重疊和塊石邊緣重疊；其中塊石頂點重疊和塊石內部重疊采用向量算法計算得到的體積大小來進行判斷是否重疊，邊緣重疊采用m?ller-trumbore算法來進行判斷其是否重疊；

20、步驟25：若通過步驟24判定得到正在投放的塊石不與已投放塊石重疊，則在土石混合體模型中保存該塊石模型，否則重新進行塊石投放；

21、步驟26：當投放的塊石總體積含石量達到 vbp1時，結束塊石投放，即已生成體積含石量為 vbp1的土石混合體三維虛擬模型。

22、優(yōu)選的，所述步驟3中具體步驟為：

23、步驟31：在生成的土石混合體三維虛擬模型構建中，隨機生成平行于土石混合體模型立方體棱邊且相互平行的 n條掃描線，每條掃描線長度 ln等于土石混合體模型邊長，其中 n需要是50的倍數(shù)；

24、步驟32：采用m?ller-trumbore算法計算得到每條掃描線與塊石模型的交點，并統(tǒng)計每條掃描線穿過塊石模型的長度 lb，將該長度除以掃描線的長度 ln，得到該條掃描線上的線性含石量 lbpn；

25、步驟33：從 n條掃描線中，隨機選取 n/50條掃描線，計算每次選取的掃描線測得的線性含石量的平均值 lbpa，重復此過程 λ次，即可得到 λ個 lbpa，并計算出 λ個 lbpa的標準差 σ（ lbpa1, lbpa2,…, lbpaλ），根據(jù)構建的土石混合體三維虛擬模型的 vbp1，即可求得隨機選取的 n/50條掃描線對應的 uf= σ（ lbpa1, lbpa2,…, lbpaλ）/ vbp1；

26、步驟34：重復步驟33的過程，分別隨機選取 n/25、3 n/50、2 n/25、 n/10、 n/20、 n/5和 n/2條掃描線，并分別計算得到 n/25、3 n/50、2 n/25、 n/10、 n/20、 n/5和 n/2條掃描線的 uf值；

27、步驟35：通過步驟33與步驟34中得到的隨機選取的 n/50、 n/25、3 n/50、2 n/25、 n/10、 n/20、 n/5和 n/2條掃描線對應的不確定性因子 uf值，并確定 uf與取樣長度比 n的關系；所述取樣長度比 n是選取的掃描線的總長度除以土石混合體三維虛擬模型內的最大塊石粒徑 dmax得到。

28、優(yōu)選的，所述步驟4中具體步驟為：

29、步驟41：根據(jù)研究區(qū)的最大可視塊石粒徑 dmaxl，以及現(xiàn)場鉆孔總長度 ld，確定現(xiàn)場鉆孔的取樣長度比 n= ld/ dmaxl；

30、步驟42：根據(jù)現(xiàn)場鉆孔的取樣長度比 n，以及通過虛擬模型得到的不確定性因子 uf與 n的關系，確定 uf的值；

31、步驟43：根據(jù) uf值與鉆孔測量得到的線性含石量 lbp，預估體積含石量 vbp= lbp+/-( lbp× uf)。

32、一種考慮塊石三維形態(tài)的基于鉆孔線性測量預估體積含石量的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)用于實現(xiàn)所述一種考慮塊石三維形態(tài)的基于鉆孔線性測量預估體積含石量的方法，包括：

33、塊石三維模型數(shù)據(jù)庫模塊，獲取土石混合體研究區(qū)域的大小粒徑不等的若干塊石樣本，制備塊石集試樣并進行ct掃描，同時采用圖像數(shù)字處理技術對塊石集ct圖像進行處理，分離并重構塊石三維形態(tài)模型，分析塊石三維形態(tài)特征，建立包含塊石三維形態(tài)特征因子的塊石三維模型數(shù)據(jù)庫；

34、土石混合體三維虛擬模型模塊，根據(jù)現(xiàn)場鉆孔得到的線性含石量 lbp，并假設體積含石量 vbp1等于 lbp，通過隨機選取塊石三維模型數(shù)據(jù)庫中的塊石，生成體積含石量為 vbp1的土石混合體三維虛擬模型；

35、 uf和 n關系模塊，在所述的土石混合體三維虛擬模型構建內隨機生成平行于土石混合體模型立方體棱邊且相互平行的 n條掃描線，選取的不同條數(shù)的掃描線計算線性含石量 lbp，并確定虛擬模型的不確定性因子 uf和取樣長度比 n的關系；

36、體積含石量預估模塊，根據(jù)現(xiàn)場鉆孔的取樣長度比 n、鉆孔測量得到的線性含石量 lbp、以及通過虛擬模型得到的不確定性因子 uf與 n的關系，確定 uf的值，預估現(xiàn)場體積含石量 vbp= lbp+/-( lbp× uf)。

37、所述土石混合體三維虛擬模型模塊包括：

38、模型區(qū)域確定單元，根據(jù)塊石三維模型數(shù)據(jù)庫中最大塊石粒徑，確定土石混合體三維虛擬模型立方體區(qū)域邊長為最大塊石粒徑的1.5倍；

39、模型體積含石量確定單元，根據(jù)現(xiàn)場鉆孔得到的線性含石量 lbp，假設土石混合體三維虛擬模型體積含石量 vbp1等于 lbp；

40、塊石隨機投放單元，隨機選取塊石三維模型數(shù)據(jù)庫中的塊石模型投放于土石混合體模型區(qū)域范圍內；

41、塊石重疊判別單元，判斷正在投放的塊石模型是否與已投放的塊石模型之間是否存在塊石頂點重疊、塊石內部重疊和塊石邊緣重疊；

42、塊石模型保存單元，若通過塊石重疊判別單元判定得到正在投放的塊石不與已投放塊石重疊，則在土石混合體模型中保存該塊石模型；

43、土石混合體三維虛擬模型完成單元，當投放的塊石總體積含石量達到 vbp1時，結束塊石投放，即已生成體積含石量為 vbp1的土石混合體三維虛擬模型。

44、本發(fā)明有如下有益效果：

45、1、本發(fā)明通過創(chuàng)新引入不確定性因子 uf，提出了一種可基于有限鉆孔數(shù)量及長度的現(xiàn)場鉆孔測量得到的線性含石量 lbp預估土石混合體體積含石量 vbp的方法及系統(tǒng)。

46、2、本發(fā)明通過結合ct掃描技術與圖像數(shù)字處理技術，構建可考慮塊石真實三維形態(tài)的土石混合體三維虛擬模型，基于創(chuàng)新的虛擬鉆孔技術更為準確的確定了 uf與鉆孔總長度、塊石最大粒徑之間的關系，可更精確的預估考慮塊石三維形態(tài)的土石混合體體積含石量 vbp，為提高土石混合體相關工程設計安全及經(jīng)濟效益、合理選取開挖設計及支護方法提供科學依據(jù)。