前言

巖體在形成與存在的歷史過程中，經受各種復雜、不均衡地質作用和構造作用，在巖體內部形成各種不連續面和缺陷，如節理、裂隙、斷層、褶皺及接觸帶、剪切帶等。這些結構面形成了復雜的裂隙網絡，并在切割巖體形成巖石塊體的同時，也形成巖體的滲流通道；這些結構面對巖體力學特性和水力學特性的影響遠大于巖石塊體本身的影響。傳統基于連續介質力學的數值分析方法難以較好地反映巖體的結構特性，為此各國學者紛紛提出各種基于非連續介質力學的數值分析方法，如關鍵塊體理論（Block Theory，BT）、離散單元法（Discrete Element Method，DEM）、不連續變形分析（Discontinuous Deformation Analysis，DDA）、數值流形方法（Numerical Manifold Method，NMM）、顆粒體離散元（Particle Flow Code，PFC）、離散裂隙網絡（Discrete Fracture Network，DFN）等。

這些方法在模擬巖體特性方面雖然表現出傳統數值分析方法不可比擬的優勢，但是還存在很多問題，如根據巖體內的裂隙系統如何識別出基本計算單元、采取何種高效地接觸搜索算法以及建立何種接觸應力-應變關系等問題。以上都是比較棘手的問題，它們一直制約著非連續介質力學分析方法在巖體工程中的應用與發展。作者自2007年師從中國水利水電科學研究院張國新教授攻讀博士學位后，便與塊體理論、不連續變形分析以及數值流形方法結下不解之緣；工作以后，研究重點主要集中在基于三維數值流形方法的復雜結構破壞模擬上。現將取得的一些研究成果予以總結，形成小冊，以饗讀者。

目前，應用于巖石力學中的各種非連續介質力學分析方法均以巖石塊體或者組成巖石塊體的裂隙面為基本力學單元。為此，本書以三維塊體幾何識別理論為基礎，以如何將識別出來的幾何塊體轉化為非連續介質力學分析方法所要求的基本力學單元（即巖石塊體或巖體滲流面）為目標，進而開展三維數值流形單元生成、裂隙巖體三維滲流網絡搜索與滲流分析以及裂隙巖體一般塊體理論等問題的研究。主要研究成果如下：

（1）系統研究并總結現有的三維塊體幾何識別理論，通過對閉曲面拓撲性質、空間多面體的拓撲關系和數據結構的研究，完善了現有的三維塊體幾何識別算法；同時給出了塊體搜索的檢驗準則和一般塊體的單純形積分公式，為塊體識別的完備性和準確性判斷奠定了基礎。

（2）在三維塊體幾何識別理論的基礎上，研究了有限元網格覆蓋下的三維流形單元生成問題，裂隙巖體三維裂隙網絡模型的兩個關鍵問題（如何構建裂隙巖體的滲流通道和計算任意形態區域的滲流問題），以及裂隙巖體一般塊體理論三個關鍵問題（塊體識別問題、塊體的幾何可移動性問題以及塊體穩定性分析問題）。

全書分三部分共7章，第一部分介紹三維塊體幾何識別理論以及關鍵算法，第二部分介紹三維塊體幾何識別理論在三維數值流形單元生成、三維滲流網格搜索以及裂隙巖體一般塊體理論中的應用，第三部分介紹三維塊體幾何識別理論在工程中的應用。

本書在編著過程中得到了有關專家和同仁的支持和幫助，恩師張國新教授為本書的部分理論分析工作提出了寶貴的建議，中國水利水電科學研究院楊波教授、王振紅高工、黃濤高工、趙妍高工以及東北大學金長宇副教授等參與了部分研究工作，在此表示深深的感謝。此外，我還要感謝國家自然科學基金委員會為本人提供的青年項目基金（基金編號：51209235；51109035）、水利部公益性行業科研專項項目（任務號：200801007；201201050）以及中國水科院科研專項（任務號：1412）對本書成果所提供的支持與資助。

由于時間倉促以及水平有限，書中出現謬誤在所難免，誠懇希望廣大讀者和同行專家批評指正。

作者

2013年12月25日于人定湖