基于Surfer和ANSYS復(fù)雜地質(zhì)體的FLAC3D實(shí)體建模

楊宇宏 許 勝

0 引言

在工程地質(zhì)研究中，數(shù)值模擬通過正確描述工程研究對象，來預(yù)測和解決工程實(shí)際問題，同時，在分析過程中深化對研究對象及其地質(zhì)模型的認(rèn)識。數(shù)值分析結(jié)果的合理性在很大程度上取決于模型建立的正確性和輸入?yún)?shù)的可靠性。隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，水利水電事業(yè)呈現(xiàn)出勃勃生機(jī)，一大批巨大型水利水電工程相繼得到開發(fā)，如三峽、溪洛渡、錦屏等，這些工程多處于高山峽谷，所處地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地質(zhì)信息眾多。因此，在工程地質(zhì)數(shù)值分析中，如何正確地將地質(zhì)信息在模型中得到更全面的反映是數(shù)值模擬至關(guān)重要的一步。

FLAC3D是由美國Itasca公司開發(fā)的三維有限差分軟件，用于模擬三維土體、巖體或其他材料力學(xué)特性，尤其是達(dá)到屈服極限時的塑性流變。軟件自被推出以后，在巖土工程和水利水電工程中得到了廣泛的運(yùn)用[1-3]，已成為目前巖土力學(xué)計(jì)算中重要的數(shù)值方法之一。然而，F(xiàn)LAC3D軟件的前處理功能很薄弱，不能直接進(jìn)行圖形處理，建模難度更大，對于復(fù)雜的工程巖土體(或地質(zhì)體)而言很難直接實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的建模操作，即使采用其強(qiáng)大的FISH內(nèi)置語言有時也是無能為力，這嚴(yán)重阻礙了其在相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用。因此，為解決FLAC3D軟件建模的不足，本文試圖利用已有的前處理功能強(qiáng)大的ANSYS軟件對復(fù)雜工程地質(zhì)體建立相應(yīng)數(shù)值模型(包括網(wǎng)格劃分)，再通過ANSYS-TO-FLAC3D接口程序?qū)崿F(xiàn)FLAC3D模型的建立。

1 FLAC3D模型的構(gòu)建

自從FLAC3D軟件被工程應(yīng)用，關(guān)于它的前處理階段的復(fù)雜三維地質(zhì)建模方法也相繼出現(xiàn)。如胡斌等[4]運(yùn)用FORTRAN語言編寫了FLAC3D的前處理程序，實(shí)現(xiàn)了對于巖層和地質(zhì)結(jié)構(gòu)較單一的地質(zhì)體快速建模;廖秋林等[5]采用Visual Basic語言、李根等[6]采用Visual C++語言編寫了FLAC3D-ANSYS之間的接口程序，借助有限元軟件ANSYS相對便捷的前處理實(shí)現(xiàn)了在FLAC3D中復(fù)雜三維地質(zhì)模型的建立，但沒有很好的模擬地表形態(tài);崔芳鵬等[7]基于Surfer，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為FLAC3D能夠調(diào)用的*.dat文件從而建立復(fù)雜三維地質(zhì)模型，但調(diào)用*.dat文件生成模型所耗的時間長。綜上所述，本文將結(jié)合這兩種軟件各自的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)更精確、更快速地建立FLAC3D復(fù)雜三維實(shí)體模型的目的。

一般工程而言，地形地質(zhì)圖和相關(guān)平、切面圖(AutoCAD)包含了各種地質(zhì)信息:地表面起伏、等高線、地層界面以及斷層構(gòu)造、巖溶等。根據(jù)工程研究的需要每間隔某一定距離切取地形剖面線，得到剖面線與等高線和地層界面等的交點(diǎn)，再將這些交點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息提取出來(工具→查詢→列表顯示)，導(dǎo)入Excel作預(yù)處理后再輸入Surfer軟件進(jìn)行插值，得到儲存了地形表面信息的*.grid文件，此后將這些經(jīng)過插值的*.grid文件另存為*.dat文件，即生成地形表面控制點(diǎn)三維坐標(biāo)，結(jié)合鉆孔資料和切面圖上的信息運(yùn)用同樣的方法得到地層界面和斷層面控制點(diǎn)三維坐標(biāo)，然后將所有的*.dat再導(dǎo)入Excel作處理，形成ANSYS建立關(guān)鍵點(diǎn)的格式并保存為**.dat文件。ANSYS調(diào)用**.dat文件，生成所有關(guān)鍵點(diǎn)，然后再由點(diǎn)→面→體自底向上形成實(shí)體模型，再運(yùn)用布爾運(yùn)算和網(wǎng)格剖分功能對實(shí)體模型進(jìn)行離散后調(diào)用前處理命令，輸出各單元節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及單元信息NODE.DAT和ELE.DAT文件。最后，用ANSYS-TO-FLAC3D接口程序即可生成復(fù)雜三維地質(zhì)體FLAC3D數(shù)值模型(見圖1)。

2 ANSYS單元類型向FLAC3D單元類型轉(zhuǎn)換

ANSYS軟件內(nèi)部單元編碼按照一定的規(guī)則進(jìn)行，同樣，F(xiàn)LAC3D內(nèi)部單元編碼也按一定的規(guī)則進(jìn)行，但這兩者軟件系統(tǒng)其各自的編碼規(guī)則有一定差異。不過，ANSYS和FLAC3D單元形狀是大體一致的。通過分析各自的編碼規(guī)則，找出其相應(yīng)的規(guī)律，就可以順利地建立其對應(yīng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)兩者之間的網(wǎng)格模型轉(zhuǎn)換。表1顯示了ANSYS和FLAC3D的四種單元類型節(jié)點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系。任何復(fù)雜的模型均可以通過這 4種單元類型中的一種或幾種單元類型間的組合進(jìn)行完美的剖分。

根據(jù)表1中對ANSYS和FLAC3D單元數(shù)據(jù)關(guān)系的分析，作者本文利用FORTRAN語言編寫了ANSYS-TO-FLAC3D接口程序。該程序能自動判斷其每一單元的形狀(也考慮了退化單元的轉(zhuǎn)換)，形成FLAC3D單元，還將ANSYS定義的不同實(shí)體遺傳到FLAC3D中，并形成相應(yīng)的Group，方便了計(jì)算參數(shù)的賦值。其主要內(nèi)容包括:

1)在ANSYS軟件中，將模型剖分網(wǎng)格后，調(diào)用自編的ANSYS前處理命令流文件ANSYS-PRE.DAT，產(chǎn)生各單元節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及單元信息NODE.DAT和ELE.DAT文件，單元節(jié)點(diǎn)的主要格式為:1，5 168.812 25，7 950.475 14，0，第一個數(shù)字為節(jié)點(diǎn)號，后面三個分別為該節(jié)點(diǎn)號的 X，Y，Z坐標(biāo);單元的主要格式為:1，1 041，1 042，1 043，1 044，1 046，1 061，1 056，1 051，13，第一個數(shù)字為單元號，接下來的 8個數(shù)字為屬于該單元的節(jié)點(diǎn)號，最后一個數(shù)字是給單元屬性，可以根據(jù)這個數(shù)字在FLAC3D中，將不同單元劃分成不同的組(group)，方便了后期的計(jì)算參數(shù)的賦值。

2)將NODE.DAT和ELE.DAT文件和ANSYS-TO-FLAC3D接口程序放到一個目錄下，執(zhí)行接口程序，生成 FLAC3D支持的*.flac3d文件，文件內(nèi)容如下:

3 工程應(yīng)用實(shí)例

某電站的引水隧洞工程區(qū)范圍大，山勢雄厚，地表起伏大，高差懸殊，斷層、褶皺和節(jié)理比較發(fā)育，還發(fā)育有巖溶管道，使得建模的難度增加。根據(jù)本文提出的方法模擬引水隧洞工程區(qū)的實(shí)體模型，進(jìn)行網(wǎng)格剖分，共生成 98 100個單元、106 880個節(jié)點(diǎn)。然后用接口程序ANSYS-TO-FLAC3D生成FLAC3D的數(shù)值模型，共得到16個組(見圖2)，成功地實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜模型在FLAC3D中的建立。圖 2中僅展示了表層涉及的部分巖性，由于部分巖體存在于結(jié)構(gòu)內(nèi)部，因此表層無法完全展示。

4 結(jié)語

1)采用Surfer軟件對地形線數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，使得地表形態(tài)更精確的模擬。

2)直接在ANSYS中自底向上建立實(shí)體模型，避免因接口導(dǎo)入模型而產(chǎn)生的小體被忽略等錯誤。

3)根據(jù)ANSYS和FLAC3D單元數(shù)據(jù)關(guān)系，編寫了ANSYS-TOFLAC3D接口程序，快速、便利地建立三維復(fù)雜地質(zhì)體模型，大大減少了建模所需的時間、精力，提高了數(shù)值模擬的精度，擴(kuò)大了FLAC3D在地質(zhì)工程和巖土工程領(lǐng)域應(yīng)用范圍。

4)建模實(shí)例表明，該方法建立的數(shù)值模型能充分表現(xiàn)工程完全真實(shí)的地形、地貌和地質(zhì)構(gòu)造條件，使模擬計(jì)算的精確度、可靠度得以大大提高，從而證實(shí)了該建模方法的有效性和可行性。

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