整合Rocscience工具和离散裂缝网络（DFN）建模，提升岩石坡度分析的效果

传统的岩石坡稳定性分析方法可以帮助确定安全系数，但它们并不总能揭示全部情况。当坡面具有大量裂隙或结构复杂时，传统方法可能低估潜在的破坏体积，或者无法准确反映实际的破坏机制。

研究人员Elvis Karikari Mensah、Reginald Hammah、Hassan Basahel和Hani Mitri最近通过将传统的运动学分析和极限平衡法与基于3D离散裂缝网络建模进行比较，研究了这些方法的局限性，尤其是在不同裂隙持久性和间距的情况下。

在以下案例研究中，您可以看到如何使用Rocscience工具（RS3、RocSlope3和Dips）的组合，提供完美的工作流程来检测、定义和建模复杂坡度的离散裂缝网络。通过使用两个现实世界中的道路开挖案例，研究表明，这种集成方法提供了更为真实的坡面行为视图。

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地质背景

研究集中在位于沙特阿拉伯西南部贾赞地区的一条陡峭山脉交通走廊上的两个道路切割坡面。这些道路切割属于关键基础设施的一部分，连接偏远村庄。地质构造属于阿拉伯盾构，由破碎的前寒武纪闪长岩和变质岩组成，属于前寒武纪的萨比亚组。该区域特点是陡峭坡角、多组不连续面、以及高度结构性变形，包括褶皱和北西向的断层。

图1：站点1（左）、站点2（中）以及研究区域简化的地质图（右）。图源：Mensah等人（2024），CC BY 4.0 许可

图2：使用Dips生成的区域裂缝组。图源：Mensah等人（2024），CC BY 4.0 许可

研究挑战

初步使用传统的运动学和极限平衡分析评估坡稳定性时，识别出了可能的平面滑动和楔形滑动失稳。然而，计算得到的安全系数（FoS）与现场观察不完全一致，尤其是在坡面看似稳定的地方，尽管裂隙方向不利。传统方法无法考虑裂隙的持久性、间距和潜在块体失稳的体积特征，而这些因素对于准确的坡面失稳分析至关重要。

使用Dips进行运动学分析时，发现多个交叉的裂缝面，其极点落入平面滑动和楔形滑动的临界区，指示出可能发生复杂的失稳机制。在干燥、湿润和地震加载条件下，SWedge中的极限平衡模型返回的安全系数（FoS）值低于设计阈值：

• 干燥：设计FoS 1.5，实际FoS 0.8737

• 湿润：设计FoS 1.1，实际FoS 0.7871

• 地震：设计FoS 1.05，实际FoS 0.8504

然而，历史上并没有发生显著的失稳事件，表明传统模型忽略了如完好岩桥和裂缝轨迹长度变化等关键物理控制因素。

图3：站点1的平面失稳分析，使用Dips进行。图源：Mensah等人（2024），CC BY 4.0 许可。

图4：在干燥条件（左）、湿润条件（中）和地震条件（右）下进行的楔形失稳分析。图源：Mensah等人（2024），CC BY 4.0 许可。

解决方案

为了填补分析与现实之间的差距，研究人员采用了离散裂缝网络（DFN）建模方法，使用RS3构建3D确定性裂缝模型，然后通过RocSlope3计算裂缝交点，找到有效块体并评估稳定性。离散裂缝网络（DFN）是基于裂缝集的显式模型，使用裂缝方向、间距和持久性等统计数据构建。

与传统方法模拟所有不连续面不同，DFN模型聚焦于那些导致已观察到失稳模式的关键裂缝面。通过改变裂缝持久性和间距，团队在干燥、湿润和地震条件下分别为站点1生成了24个模型，为站点2生成了6个模型。

DFN工作流程包括在RS3中构建坡面几何形状，并将每个裂缝面建模为具有定义的统计输入（如间距和轨迹长度）的平行面。生成的DFN模型随后被导入RocSlope3，进行两阶段计算：（1）通过裂缝交点识别潜在的块体几何形状，（2）根据驱动力和抗力进行稳定性评估。同时，还使用随机种子值来测试模型的敏感性，并消除由于确定性轨迹对齐带来的偏差。

图5：研究中使用RS3和RocSlope3的DFN建模工作流程，从几何构建、裂缝定义到块体计算和稳定性分析。图源：Mensah等人（2024），CC BY 4.0 许可。

结果

DFN结果提供了更详细、真实的坡面行为图景：

当裂缝完全持久时，模型捕捉到的块体失稳最小安全系数为0.853，并具有显著的失稳体积，符合传统分析的预测，但提供了更多的体积信息。

当持久性下降到1以下时，即使是微小的变化也能使坡面稳定，失稳体积消失，FoS上升，与现场条件更加一致。

增加裂缝间距仅在完全持久的情况下影响结果，确认了完好岩桥在实际稳定性中的关键作用。

DFN方法揭示了即使裂缝持久性较低，裂缝轨迹交点也能形成失稳楔体，这些是传统工具所忽视的洞察。

不同裂缝方向和轨迹限制下的坡面行为进一步证实了DFN模型的敏感性和鲁棒性。

图6：站点1的模型4（2m间距，0.7持久性）和生成的DFN（右上）模型几何形状；站点2的模型2（0.9持久性）和生成的DFN（右下）。图源：Mensah等人（2024），CC BY 4.0 许可。

站点1：较大失稳体积，与现场条件更为吻合

失稳体积范围从8.75立方米到39.49立方米，具体取决于裂缝间距（0.75米–2.0米）和倾角方向限制。仅在裂缝完全持久的情况下观察到这些失稳体积。在较低的持久性值下，没有记录到失稳现象，安全系数（FoS）值上升至临界阈值以上，与实际现场表现高度一致。

图7：裂缝间距对最小安全系数的影响，显示只有在完全持久的裂缝下，才会在所有间距值下出现不稳定现象。图源：Mensah等人（2024），CC BY 4.0 许可。

图8：在0.8持久性下，显示随机化对最小安全系数的影响，在干燥、湿润和地震条件下的结果。图源：Mensah等人（2024），CC BY 4.0 许可。

站点2：较小的失稳体积，一致的模式

对于裂缝组J1和J3，在完全持久的情况下观察到失稳体积为0.08立方米，安全系数（FoS）为0.60。对于裂缝组J3和J4，模型返回的失稳体积为1.36立方米，安全系数为1.304。当持久性降低时，失稳体积降为零，安全系数上升——这一反应与站点1类似，表明裂缝连通性的一致性。

结论

通过捕捉裂缝的真实性质——它们如何连接、延伸多远、如何相互作用——离散裂缝网络建模比单纯使用传统方法提供了更真实的坡面稳定性评估。当与Rocscience软件套件（RS3、RocSlope3、RocSlope2和Dips）结合使用时，它使工程师能够超越单一的安全系数，开始可视化和量化实际的失稳机制。在这种情况下，DFN建模与现场观察更为一致，突出了裂缝持久性在理解坡面表现中的重要性。

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何时在项目中使用DFN建模：

• 复杂的坡面，存在多组裂缝面。

• 分析与现场观察之间的差异。

• 需要体积失稳分析或概率分析的项目。

• 高级坡面失稳修复方法规划。

• 裂缝持久性、轨迹长度和间距难以概括的环境。

• 需要进行失稳体积量化的危害评估或减灾规划。

  
  

我需要多少现场数据才能建立可靠的DFN模型？

最少需要关键裂缝集的方向、间距、轨迹长度和持久性数据。现场特定的测量越多，尤其是持久性和间距，DFN结果会越准确。数字化测绘技术（如LiDAR或摄影测量）可以显著提高数据质量。

使其成为可能的Rocscience工具：

• RS3：功能强大的3D有限元分析程序，适用于复杂岩土工程问题。

• RocSlope3：专为结构控制的岩石坡面失稳设计的3D块体稳定性风险评估软件。

• RocSlope2：用于分析易受楔形、平面和倾覆失稳影响的岩石坡面的2D极限平衡工具。

• Dips：基于立体网的程序，用于分析基于方向的地质数据。

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