前言

岩体在形成与存在的历史过程中，经受各种复杂、不均衡地质作用和构造作用，在岩体内部形成各种不连续面和缺陷，如节理、裂隙、断层、褶皱及接触带、剪切带等。这些结构面形成了复杂的裂隙网络，并在切割岩体形成岩石块体的同时，也形成岩体的渗流通道；这些结构面对岩体力学特性和水力学特性的影响远大于岩石块体本身的影响。传统基于连续介质力学的数值分析方法难以较好地反映岩体的结构特性，为此各国学者纷纷提出各种基于非连续介质力学的数值分析方法，如关键块体理论（Block Theory，BT）、离散单元法（Discrete Element Method，DEM）、不连续变形分析（Discontinuous Deformation Analysis，DDA）、数值流形方法（Numerical Manifold Method，NMM）、颗粒体离散元（Particle Flow Code，PFC）、离散裂隙网络（Discrete Fracture Network，DFN）等。

这些方法在模拟岩体特性方面虽然表现出传统数值分析方法不可比拟的优势，但是还存在很多问题，如根据岩体内的裂隙系统如何识别出基本计算单元、采取何种高效地接触搜索算法以及建立何种接触应力-应变关系等问题。以上都是比较棘手的问题，它们一直制约着非连续介质力学分析方法在岩体工程中的应用与发展。作者自2007年师从中国水利水电科学研究院张国新教授攻读博士学位后，便与块体理论、不连续变形分析以及数值流形方法结下不解之缘；工作以后，研究重点主要集中在基于三维数值流形方法的复杂结构破坏模拟上。现将取得的一些研究成果予以总结，形成小册，以飨读者。

目前，应用于岩石力学中的各种非连续介质力学分析方法均以岩石块体或者组成岩石块体的裂隙面为基本力学单元。为此，本书以三维块体几何识别理论为基础，以如何将识别出来的几何块体转化为非连续介质力学分析方法所要求的基本力学单元（即岩石块体或岩体渗流面）为目标，进而开展三维数值流形单元生成、裂隙岩体三维渗流网络搜索与渗流分析以及裂隙岩体一般块体理论等问题的研究。主要研究成果如下：

（1）系统研究并总结现有的三维块体几何识别理论，通过对闭曲面拓扑性质、空间多面体的拓扑关系和数据结构的研究，完善了现有的三维块体几何识别算法；同时给出了块体搜索的检验准则和一般块体的单纯形积分公式，为块体识别的完备性和准确性判断奠定了基础。

（2）在三维块体几何识别理论的基础上，研究了有限元网格覆盖下的三维流形单元生成问题，裂隙岩体三维裂隙网络模型的两个关键问题（如何构建裂隙岩体的渗流通道和计算任意形态区域的渗流问题），以及裂隙岩体一般块体理论三个关键问题（块体识别问题、块体的几何可移动性问题以及块体稳定性分析问题）。

全书分三部分共7章，第一部分介绍三维块体几何识别理论以及关键算法，第二部分介绍三维块体几何识别理论在三维数值流形单元生成、三维渗流网格搜索以及裂隙岩体一般块体理论中的应用，第三部分介绍三维块体几何识别理论在工程中的应用。

本书在编著过程中得到了有关专家和同仁的支持和帮助，恩师张国新教授为本书的部分理论分析工作提出了宝贵的建议，中国水利水电科学研究院杨波教授、王振红高工、黄涛高工、赵妍高工以及东北大学金长宇副教授等参与了部分研究工作，在此表示深深的感谢。此外，我还要感谢国家自然科学基金委员会为本人提供的青年项目基金（基金编号：51209235；51109035）、水利部公益性行业科研专项项目（任务号：200801007；201201050）以及中国水科院科研专项（任务号：1412）对本书成果所提供的支持与资助。

由于时间仓促以及水平有限，书中出现谬误在所难免，诚恳希望广大读者和同行专家批评指正。

作者

2013年12月25日于人定湖