復(fù)雜開(kāi)挖過(guò)程FLAC3D力學(xué)仿真代碼生成系統(tǒng)研究

馬長(zhǎng)年，徐國(guó)元,，江文武，劉曉明

（1. 中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 430083；2. 華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣州 510641）

1 引 言

伴隨著人類(lèi)對(duì)自然資源、能源需求的不斷增加，各類(lèi)巖土工程、采礦工程規(guī)模越來(lái)越大，巖土工程結(jié)構(gòu)和開(kāi)挖過(guò)程越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)所涉及結(jié)構(gòu)和過(guò)程進(jìn)行更為貼近實(shí)際的三維力學(xué)分析、優(yōu)化結(jié)構(gòu)體力學(xué)結(jié)構(gòu)和開(kāi)挖過(guò)程、保證巖土工程的穩(wěn)定性和安全性有著重要意義。FLAC3D是美國(guó)Itasca Consulting Group Inc.開(kāi)發(fā)的三維有限差分力學(xué)計(jì)算程序，是一種基于拉格朗日算法的數(shù)值計(jì)算方法。FLAC3D提供了7種材料本構(gòu)模型，適用于模擬材料的大變形和扭曲轉(zhuǎn)動(dòng)，已被廣泛應(yīng)用于模擬計(jì)算巖土類(lèi)工程地質(zhì)材料的力學(xué)行為[1－5]。

FLAC3D提供了一組命令集和內(nèi)嵌式解釋語(yǔ)言Fish，用于編寫(xiě)模擬各類(lèi)連續(xù)體力學(xué)過(guò)程程序，但對(duì)于復(fù)雜形態(tài)工程幾何體、多屬性、幾十萬(wàn)至幾百萬(wàn)單元、大量結(jié)構(gòu)體和復(fù)雜開(kāi)挖過(guò)程，由用戶(hù)手工編寫(xiě)程序代碼對(duì)上述過(guò)程進(jìn)行三維力學(xué)分析存在諸多困難，主要表現(xiàn)在：（1）模型的建立只能用數(shù)據(jù)文件來(lái)實(shí)現(xiàn)，不能直觀(guān)顯示，建模過(guò)程可視化程度低；（2）對(duì)于復(fù)雜的大型工程地質(zhì)體建模，需要控制各個(gè)邊界節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，容易出錯(cuò)，檢查也不方便[3－5]；（3）對(duì)于大量單元、結(jié)構(gòu)體對(duì)其特定屬性進(jìn)行檢索、查詢(xún)、分類(lèi)和賦值等操作困難；（4）手工編制上述大規(guī)模FLAC3D程序效率低、耗時(shí)多、出錯(cuò)概率大、查錯(cuò)糾錯(cuò)困難，常導(dǎo)致程序運(yùn)行不收斂、結(jié)果失真等異常。

本文所述 FLAC3D力學(xué)仿真代碼生成系統(tǒng)是對(duì)解決此類(lèi)問(wèn)題進(jìn)行的研究與嘗試。

2 復(fù)雜開(kāi)挖過(guò)程剖分

2.1 剖分方法分類(lèi)

任何復(fù)雜開(kāi)挖過(guò)程都是由一些具體的、特定的、可劃分成模塊或階段的過(guò)程構(gòu)成的，通過(guò)每一個(gè)模塊或階段，開(kāi)挖過(guò)程模擬可實(shí)現(xiàn)整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程的力學(xué)仿真。以下按4種不同方法對(duì)復(fù)雜開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行剖分。

（1）按照坐標(biāo)（X、Y、Z及其組合）、平面（或曲面）相對(duì)位置（上下/前后/左右）、邊界（內(nèi)/外）對(duì)模型進(jìn)行剖分；

（2）按一定的開(kāi)挖順序（串行或并行）對(duì)一組或多組單元進(jìn)行剖分；

（3）按不同的結(jié)構(gòu)功能可對(duì)開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行多種方式的剖分，如隧洞的開(kāi)挖過(guò)程可按結(jié)構(gòu)功能剖分為：上拱、側(cè)墻、底拱、核部、錨桿和襯砌等結(jié)構(gòu)；

（4）按不同的巖性、開(kāi)挖狀態(tài)（開(kāi)挖/未開(kāi)挖）、充填狀態(tài)、礦體/巖石、原巖/破碎帶等單元屬性進(jìn)行剖分。

2.2 復(fù)雜開(kāi)挖過(guò)程剖分實(shí)例

（1）按礦體/巖石屬性剖分模型

[4－6]的方法，針對(duì)某采用下向進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法礦山，本文利用Surpac軟件為該礦礦體和地表地形按照模型整體要求的范圍分別建立3 D和DTM幾何模型[6-7]，所建模型如圖1所示。

圖1 礦山三維幾何模型Fig.1 3D model of mine

在此基礎(chǔ)上建立模型的Surpac塊體模型，擴(kuò)展其屬性得到結(jié)構(gòu)如表1所示的包含單元質(zhì)心坐標(biāo)數(shù)據(jù)的塊體單元數(shù)據(jù)庫(kù)。

表1 塊體單元數(shù)據(jù)庫(kù)基本結(jié)構(gòu)Table1 The basic construction of zone table

可通過(guò)礦體塊體單元約束條件向塊體單元數(shù)據(jù)庫(kù)巖性屬性賦值，礦體內(nèi)賦1，礦體外賦0。礦體塊體單元約束中的塊體尺寸必須與FLAC3D模型的單元尺寸保持一致。由Surpac塊體模型質(zhì)心坐標(biāo)數(shù)據(jù)可生成六面體單元的FLAC3D模型[4]。

（2）按開(kāi)挖順序剖分模型

參照礦山實(shí)際生產(chǎn)情況，按礦體高程以 20 m劃分分段；在分段內(nèi)沿礦體走向按整數(shù)勘探線(xiàn)每100 m劃分為一個(gè)盤(pán)區(qū)；進(jìn)路規(guī)格與分段高保持一致，進(jìn)路布置有沿走向和垂直走向2種方式。

（3）按結(jié)構(gòu)體剖分模型

進(jìn)路中布設(shè)的鋼筋（吊筋和水平筋）可由FLAC3D所提供的錨索結(jié)構(gòu)體模擬，系統(tǒng)默認(rèn)所有回采進(jìn)路都布設(shè)鋼筋，所有礦體內(nèi)單元和部分圍巖中單元將與一條或多條錨索結(jié)構(gòu)體關(guān)聯(lián)。這樣模型單元被劃分為布設(shè)錨索和不布設(shè)錨索2類(lèi)。

3 FLAC3D力學(xué)仿真代碼生成系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

3.1 模型單元操作

（1）對(duì)模型單元直接操作的意義

大型 FLAC3D力學(xué)模型通常是由幾萬(wàn)至幾百萬(wàn)甚至更多的單元組成的，由于地質(zhì)工程體的原始應(yīng)力狀態(tài)、材料屬性、模型幾何形態(tài)、開(kāi)挖體幾何形態(tài)、開(kāi)挖順序和步驟、工程結(jié)構(gòu)體等的多種多樣，每一個(gè)單元都有可能具有自身獨(dú)特的屬性。對(duì)任一單元進(jìn)行直接操作，主要涉及對(duì)特定單元進(jìn)行定位、捕捉和重組的問(wèn)題，如此才可能對(duì)各類(lèi)復(fù)雜開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行有效的力學(xué)模擬與仿真。

（2）FLAC3D操作模型單元的方法[2]

FLAC3D對(duì)模型單元定位的方法歸納起來(lái)有 2種：RANGE命令和單元操作函數(shù)。

RANGE命令有一組子關(guān)鍵字，可按環(huán)、柱、組、方向、平面相對(duì)位置、模型類(lèi)型、坐標(biāo)、單元號(hào)等多種方式確定單元位置或單元范圍。其中按坐標(biāo)和單元號(hào)操作單元是最為基礎(chǔ)的。

單元操作函數(shù)有：

（3）基于單元數(shù)據(jù)庫(kù)的模型單元操作方法

將模型所有單元的質(zhì)心坐標(biāo)、巖性、開(kāi)挖標(biāo)志、單元上施加的結(jié)構(gòu)體等屬性（還可以增加其他屬性）通過(guò)Surpac形成塊體單元數(shù)據(jù)庫(kù)，其單元數(shù)據(jù)表基本結(jié)構(gòu)如表1所示。

通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)語(yǔ)言可對(duì)單元一個(gè)或多個(gè)屬性進(jìn)行組合檢索，將單元質(zhì)心坐標(biāo)傳遞給FLAC3D的單元捕捉函數(shù)，如gp_near(x,y,z),z_near(x,y,z)等，再利用函數(shù)z_id(p_z)得到單元在模型中的單元號(hào)。這樣可利用單元號(hào)對(duì)需要相同操作的單元通過(guò)重組進(jìn)行成批操作和處理。單元的重組和批處理操作可利用FLAC3D中數(shù)組、函數(shù)和循環(huán)語(yǔ)句完成。

3.2 應(yīng)用程序變量與FLAC3D關(guān)鍵字、變量、函數(shù)的映射和參數(shù)傳遞

3.2.1 Fish語(yǔ)言和FLAC3D命令特點(diǎn)[2]

（1）Fish語(yǔ)言是內(nèi)嵌于FLAC3D內(nèi)部的語(yǔ)言，它可以讓服務(wù)用戶(hù)自己定義變量和函數(shù)；

（2）Fish共有4種數(shù)據(jù)類(lèi)型：整型、浮點(diǎn)、字符串和指針；

（3）Fish函數(shù)由一對(duì)關(guān)鍵字Define與End定義；

（4）在Fish語(yǔ)言中所有的變量和函數(shù)都是全局的（與Basic相似），函數(shù)沒(méi)有參數(shù)；

（5）一條完整的Fish語(yǔ)句占用一行，無(wú)法續(xù)行。如果公式太長(zhǎng)，需要用臨時(shí)變量將其分開(kāi)；

（6）Fish包含條件分支、條件選擇、循環(huán)語(yǔ)句等程序控制語(yǔ)句；

（7）Fish預(yù)定義了一些函數(shù)和變量，使用此類(lèi)變量和相關(guān)函數(shù)，可獲得所有節(jié)點(diǎn)、單元或全局空間坐標(biāo)點(diǎn)在內(nèi)存中的地址，并對(duì)其進(jìn)行操作；

（8）函數(shù)可重定義，重定義后，原先的函數(shù)將不能再被調(diào)用，但原函數(shù)所形成的內(nèi)存空間仍存在，其中的內(nèi)存變量不變，數(shù)組不可重定義。

以上這些Fish語(yǔ)言和FLAC3D命令特點(diǎn)和功能是開(kāi)發(fā)代碼生成系統(tǒng)所必須了解和注意的。

3.2.2 字典變量與FLAC3D關(guān)鍵字映射

為實(shí)現(xiàn)由 FLAC3D代碼生成系統(tǒng)自動(dòng)生成FLAC3D程序，首先要建立應(yīng)用程序中變量與FLAC3D語(yǔ)句關(guān)鍵字的映射關(guān)系，即翻譯字典。應(yīng)用程序由 VC++開(kāi)發(fā)，在此將專(zhuān)門(mén)用于處理這一映射關(guān)系的字符串變量稱(chēng)為字典變量，數(shù)據(jù)類(lèi)型為CString，字典變量映射格式如表2所示。這樣在應(yīng)用程序中建立起字典變量與所有FLAC3D關(guān)鍵字之間一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，這是代碼生成系統(tǒng)自動(dòng)生成FLAC3D應(yīng)用程序代碼的基本前提。

表2 字典變量與FLAC3D關(guān)鍵字映射表Table2 The mapping table between dictionary variables and FLAC3Dkeywords

3.2.3 傳遞程序變量值到FLAC3D變量、數(shù)組和函數(shù)

下面以布設(shè)2條錨索的程序代碼為例來(lái)說(shuō)明如何將程序變量值傳遞到FLAC3D變量、數(shù)組和函數(shù)，并形成2條錨索布設(shè)的FLAC3D程序代碼。

VC++源程序代碼片段

至此，我們建立了代碼生成系統(tǒng)與FLAC3D關(guān)鍵字、變量、數(shù)組、函數(shù)和控制語(yǔ)句之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這是應(yīng)用程序生成FLAC3D程序代碼的基礎(chǔ)。

3.3 仿真代碼生成系統(tǒng)基本原理

（1）仿真代碼生成系統(tǒng)的輸入和輸出

仿真代碼生成系統(tǒng)的輸入是由 Surpac塊體模型導(dǎo)出的包含單元質(zhì)心數(shù)據(jù)、單元屬性及單元約束狀態(tài)的Access數(shù)據(jù)庫(kù)。仿真代碼生成系統(tǒng)的輸出是按用戶(hù)的要求，由系統(tǒng)生成的FLAC3D程序代碼。

（2）仿真代碼生成系統(tǒng)的工作原理

仿真代碼生成系統(tǒng)程序通過(guò) Ado訪(fǎng)問(wèn) Surpac塊體模型導(dǎo)出的塊體單元數(shù)據(jù)庫(kù)，利用數(shù)據(jù)庫(kù)所提供的函數(shù)可以方便地對(duì)其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行多種類(lèi)型的檢索和操作。同時(shí)程序提供一組交互式表單與用戶(hù)進(jìn)行交互，由用戶(hù)對(duì)一類(lèi)特定巖體回采開(kāi)挖過(guò)程所需步驟和參數(shù)進(jìn)行選擇和確認(rèn)。系統(tǒng)接收這些步驟和參數(shù)后生成*.txt格式的FLAC3D仿真程序代碼，同時(shí)修改塊體單元數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)單元屬性值。

3.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

①單元數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)組織；②應(yīng)用程序由單文檔應(yīng)用程序框架來(lái)實(shí)現(xiàn)；③屬性表單向?qū)ЫY(jié)構(gòu)：應(yīng)用程序?qū)⒉捎孟驅(qū)Х绞桨瓷a(chǎn)過(guò)程劃分的步驟，一步一步引導(dǎo)用戶(hù)完成滿(mǎn)足要求的FLAC3D代碼。每一步采用屬性表單的方式，為用戶(hù)提供多個(gè)選項(xiàng)，以確定 FLAC3D力學(xué)仿真程序的各關(guān)鍵屬性和參數(shù)。

（3）功能設(shè)計(jì)

本文所述 FLAC3D仿真代碼生成系統(tǒng)由 VC++開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)具體功能是為模擬某采用下向充填法礦山的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程力學(xué)仿真而設(shè)計(jì)的，主要功能如圖2所示。

圖2 仿真代碼生成系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)Fig.2 The function design of system of generating code

各頁(yè)面主要完成以下功能：

①主頁(yè)面為一單文檔應(yīng)用程序，主要功能包含在主菜單“仿真代碼生成”菜單中，如圖 2(a)所示。打開(kāi)“仿真代碼生成菜單”，程序?qū)⒁龑?dǎo)用戶(hù)逐步完成單元數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用、分段水平劃分、盤(pán)區(qū)劃分及進(jìn)路回采的 FLAC3D力學(xué)仿真代碼，并以 FLAC3D可識(shí)別的*.txt文件格式輸出到用戶(hù)指定位置。

②點(diǎn)擊“礦體分段劃分”按鈕，程序?qū)⒁笥脩?hù)調(diào)入礦體單元數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)塊體單元數(shù)據(jù)庫(kù)，程序可按分段高度從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取礦山開(kāi)采分段的高程數(shù)據(jù)，本步驟是在垂直方向?qū)ΦV體進(jìn)行劃分，用戶(hù)可選擇將開(kāi)采分段，界面功能設(shè)計(jì)如圖2(b)，該步驟同時(shí)向程序變量提供單元的Z坐標(biāo)。

③本步驟是對(duì)上一步所選擇的開(kāi)采分段進(jìn)行盤(pán)區(qū)劃分，通常只對(duì)礦體部分進(jìn)行劃分。盤(pán)區(qū)寬度默認(rèn)為100 m，盤(pán)區(qū)編號(hào)從西到東。盤(pán)區(qū)是按生產(chǎn)實(shí)際情況劃分的，盤(pán)區(qū)劃分有利于實(shí)現(xiàn)不同開(kāi)采順序的力學(xué)模擬。界面功能設(shè)計(jì)如圖2(c)，該步驟向程序變量提供盤(pán)區(qū)內(nèi)單元X、Y坐標(biāo)。

④由用戶(hù)確定盤(pán)區(qū)內(nèi)進(jìn)路布置的方向，選擇待回采進(jìn)路，確定充填進(jìn)路內(nèi)是否布設(shè)鋼筋等參數(shù)（在本實(shí)例中鋼筋的力學(xué)參數(shù)以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用值為默認(rèn)值）。本步驟主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)實(shí)際中上下分段（分層）進(jìn)路交錯(cuò)布置的仿真，在一個(gè)盤(pán)區(qū)內(nèi)可模擬隔一采一、隔二采一等回采方式。界面功能設(shè)計(jì)如圖2(d)，該步驟向程序變量傳遞待采進(jìn)路所有單元質(zhì)心坐標(biāo)及鋼筋（錨索）的起點(diǎn)、終點(diǎn)單元的質(zhì)心坐標(biāo)，同時(shí)將單元數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)單元的開(kāi)挖標(biāo)志和充填標(biāo)志置為1。

⑤用戶(hù)可指定仿真代碼的存儲(chǔ)位置，每個(gè)盤(pán)區(qū)內(nèi)的進(jìn)路可按一定回采順序生成一個(gè)*.txt文件。完成后程序?qū)⑦M(jìn)入下一個(gè)選單，點(diǎn)擊回采新盤(pán)區(qū)可對(duì)新的盤(pán)區(qū)進(jìn)行回采，點(diǎn)擊回采新分段可對(duì)新的分段進(jìn)行回采，直到按用戶(hù)的方案回采完畢，點(diǎn)擊完成按鈕退出代碼生成器，其界面功能設(shè)計(jì)如圖 2(e)、(f)。

3.5 類(lèi)結(jié)構(gòu)

（1）基本類(lèi)

單文檔 MFC應(yīng)用程序都具有的 4個(gè)類(lèi)：CCodeGenApp、CCodeGenDoc、CCodeGenView、CMainFrame。

（2）表單類(lèi)

該類(lèi)為程序功能的實(shí)現(xiàn)提供與用戶(hù)交互的界面（見(jiàn)表 3），用戶(hù)通過(guò)這些界面的選項(xiàng)將自己的意圖一步步傳遞給程序，程序從用戶(hù)獲得所需的參數(shù)，最終由程序自動(dòng)地形成FLAC3D力學(xué)仿真代碼。

（3）功能類(lèi)

CDBP類(lèi)：該類(lèi)是用來(lái)訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的類(lèi)，CDBP通過(guò)接收 CProPageLevel、CProPageSection、CProPageMining、CProPageReturn和CProSheet等類(lèi)傳遞來(lái)的消息和參數(shù)，對(duì)Surpac塊體單元數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)和檢索。

表3 類(lèi)的種類(lèi)與功能Table3 The type and function of class

3.6 仿真程序運(yùn)算結(jié)果

應(yīng)用本系統(tǒng)成功地生成了下向進(jìn)路式充填采礦法礦山生產(chǎn)過(guò)程的FLAC3D力學(xué)仿真代碼，可實(shí)現(xiàn)垂直方向、水平方向的開(kāi)采順序，不同進(jìn)路布置方式，充填體內(nèi)鋼筋布置等主要生產(chǎn)過(guò)程的力學(xué)仿真。程序中所采用的有關(guān)礦山原巖應(yīng)力場(chǎng)、礦巖力學(xué)參數(shù)、開(kāi)采工藝[8－11]基本與礦山實(shí)際保持一致。模型共有139626個(gè)單元，錨索結(jié)構(gòu)體1256個(gè)，是1個(gè)較為復(fù)雜的三維力學(xué)模型，所生成程序代碼調(diào)入FLAC3D運(yùn)行正常。礦體上部5個(gè)分段回采充填后，礦體附近第1主應(yīng)力分布和鋼筋（錨索）受力狀態(tài)仿真結(jié)果見(jiàn)圖3，圖3（b）中錨索淺色表示受壓，深色表示受拉，粗細(xì)表示受力大小。

圖3 部分仿真結(jié)果圖Fig.3 The part of simulating results

4 結(jié) 論

（1）FLAC3D代碼生成系統(tǒng)從分析 FLAC3D命令集和Fish語(yǔ)言特點(diǎn)入手，著重解決了模型單元質(zhì)心定位、單元捕捉和重組，應(yīng)用程序變量到FLAC3D變量、函數(shù)、語(yǔ)句、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間映射等問(wèn)題，為編制FLAC3D程序提供了一種新的方法，能夠大幅提高編制復(fù)雜開(kāi)挖過(guò)程FLAC3D程序代碼的效率，降低代碼編制出錯(cuò)率。

（2）GCS系統(tǒng)可對(duì)大量模型單元進(jìn)行直接和有效的操作，具有良好的適應(yīng)性和可擴(kuò)展性。

（3）在建立塊體單元數(shù)據(jù)庫(kù)過(guò)程中利用了礦用地質(zhì)軟件Surpac的許多功能，架起了地質(zhì)三維幾何造型軟件與三維力學(xué)計(jì)算軟件之間的橋梁。

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