淺析數(shù)值模擬軟件在地質(zhì)學(xué)中的應(yīng)用

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到地質(zhì)學(xué)科里，極大地促進(jìn)了地質(zhì)學(xué)科的發(fā)展，文章介紹了數(shù)值模擬的基本原理和特點(diǎn)，介紹了FLAC3D、ANSYS、GMS等軟件在巖土工程、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)等方面的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬；地質(zhì)：FLAC3D；ANSYS；GMS

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，數(shù)學(xué)模擬和數(shù)值模擬技術(shù)的地位越來(lái)越重要。物理模擬方法有助于人們理解構(gòu)造變形過(guò)程和動(dòng)力學(xué)作用過(guò)程，但它存在嚴(yán)重的時(shí)空尺度局限性，不能有效地模擬地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)的復(fù)雜性、地球介質(zhì)分布的不均勻性及巖石物理性質(zhì)的多樣性。數(shù)值模擬方法可以綜合利用地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)等方法的研究成果，建立和模擬不受時(shí)空限制的各種地質(zhì)模型，是現(xiàn)代地球科學(xué)研究的重要方法之一。雖然計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，但是，數(shù)值模擬涉及數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、地質(zhì)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)等大學(xué)科的交叉，具有較高的理論深度，這在一定程度上阻礙了數(shù)值模擬方法在構(gòu)造變形研究中的推廣應(yīng)用。

1 數(shù)值模擬基本原理

數(shù)值模擬是一種計(jì)算分析方法，包括有限元法、有限差分法、邊界元法、離散元法等，其中最適合用于地質(zhì)學(xué)科數(shù)值模擬的主要是有限元法和有限差分法。有限元法：是將連續(xù)的求解域離散為有限個(gè)單元的組合體，將連續(xù)的無(wú)限自由度問(wèn)題離散成以未知場(chǎng)函數(shù)的結(jié)點(diǎn)值為未知量的有限自由度問(wèn)題，通過(guò)求解高階代數(shù)方程組來(lái)求出這些未知量。有限差分法：是通過(guò)單元的離散化并得到一組代數(shù)方程組來(lái)進(jìn)行求解的，因此它也可以適用于任意形狀的研究對(duì)象。

2 數(shù)值模擬方法特點(diǎn)

（1）通過(guò)數(shù)值模擬的方法，可以減少設(shè)計(jì)成本，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，縮短設(shè)計(jì)周期。

（2）在工程應(yīng)用中，很多情況下無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如有采礦問(wèn)題等，數(shù)值模擬內(nèi)部程序有相應(yīng)的計(jì)算方法，能模擬較復(fù)雜過(guò)程。

（3）直觀性與求解速度，數(shù)值模擬直觀性不如實(shí)驗(yàn)方法好，較抽象，但可以快速得到結(jié)果。數(shù)值模擬成本低廉，可以任意施加各種方向上的載荷，可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)達(dá)不到的條件。數(shù)值模擬方法可以對(duì)各個(gè)區(qū)域、各個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力分析和位移分析。

3 數(shù)值模擬技術(shù)在地質(zhì)學(xué)科應(yīng)用現(xiàn)狀

在地質(zhì)學(xué)科也引進(jìn)了數(shù)值模擬技術(shù)，使地質(zhì)學(xué)科有了突破性發(fā)展，以下是幾種數(shù)值模擬在地質(zhì)學(xué)科中應(yīng)用的介紹。

3.1 FLAC3D軟件的應(yīng)用

FLAC即連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日分析，它是一種基于拉格朗日差分法的一種顯式有限差分程序?；贔LAC3D具有很強(qiáng)的解決復(fù)雜力學(xué)問(wèn)題的能力，其在地質(zhì)學(xué)方面的應(yīng)用范圍比較廣泛，在其地質(zhì)研究范圍主要集中在以下幾個(gè)方面：

一是在邊坡變形破壞方面[1]，由于傳統(tǒng)的方法不能有效的解決邊坡破壞問(wèn)題，使用FLAC3D可以對(duì)邊坡的應(yīng)力應(yīng)變和位移變化進(jìn)行數(shù)值模擬分析，更好地分析邊坡的穩(wěn)定性。二是在巖層傾角對(duì)順傾向邊坡地震效應(yīng)的影響方面[2]，由于現(xiàn)有物理模擬研究中巖層傾角范圍較小，不能全面了解巖層傾角對(duì)邊坡地震效應(yīng)的影響。利用FLAC3D可以精細(xì)模擬巖層厚度，建立地震作用下不同巖層傾角的邊坡模型。三是在巖土工程的應(yīng)用[3]，利用FLAC3D可以分析裂隙巖體的強(qiáng)度、變形和滲透性等特性。

3.2 ANSYS軟件的應(yīng)用

ANSYS具有強(qiáng)大的模擬分析能力，可以使許多復(fù)雜的地質(zhì)問(wèn)題通過(guò)圖像呈現(xiàn)出來(lái)，使復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化，快速的得出結(jié)論，加快研究的步伐。目前在地質(zhì)學(xué)方面的應(yīng)用程度在不斷深入，范圍也在不斷拓寬，主要為以下幾個(gè)方面應(yīng)用：一是在地應(yīng)力的數(shù)值模擬[4]，可以針對(duì)目前常用的三維地應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬方法在維持地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律和避免附加位移方面存在的缺陷，進(jìn)行地應(yīng)力場(chǎng)模擬方法的比較研究。二是在巖質(zhì)邊坡動(dòng)力響應(yīng)分析[5]，可以對(duì)不同高度和坡度的巖質(zhì)邊坡進(jìn)行模態(tài)分析和地震加速度時(shí)程分析。三是在巖土參數(shù)優(yōu)化反分析和邊坡穩(wěn)定性分析[6]，可以對(duì)巖土體參數(shù)進(jìn)行了彈-塑性確定性反分析，借助于APDL實(shí)現(xiàn)參數(shù)化確定性反分析。四是在爆破地震效應(yīng)影響因素分析應(yīng)用[7]，可以通過(guò)ANSYS軟件進(jìn)行不同裝藥條件下爆破震動(dòng)效應(yīng)的數(shù)值模擬計(jì)算。

3.3 GMS軟件的應(yīng)用

地下水模擬系統(tǒng)（GMS）具有強(qiáng)大齊全的地下水模擬功能，幾乎囊括了與地下水有關(guān)的所有模擬功能，包括地下水隨機(jī)模擬。GMS不僅具有地下水流模擬、地下水溶質(zhì)運(yùn)移模擬的功能，在實(shí)現(xiàn)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化方面功能亦同樣突出[8]。

4 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字模擬在各領(lǐng)域的使用越來(lái)越廣泛，它的發(fā)展離不開數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、計(jì)算機(jī)技術(shù)人才和研究項(xiàng)目的專業(yè)人員的共同努力。在地質(zhì)學(xué)科方面還有對(duì)資源的研究，例如油藏方面，在地質(zhì)災(zāi)害方面對(duì)地震的研究，還有近期在天文方面的研究，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)百萬(wàn)恒星組成的球狀星團(tuán)的多體模擬，為探測(cè)黑洞世界提供了重要線索。數(shù)值模擬技術(shù)還可能在更多學(xué)科方面發(fā)揮重要作用，只要我們敢于嘗試和實(shí)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：胡楊（1983-），男，講師，主要從事頁(yè)巖氣研究。