通用三維地質(zhì)模型及數(shù)值網(wǎng)格快速構(gòu)建方法

葉爾布蘭·瓦黑提 何 祥

（1.哈密市職業(yè)安全檢驗(yàn)檢測(cè)中心；2.中冶北方（大連）工程技術(shù)有限公司）

邊坡工程及地下工程地質(zhì)條件極為復(fù)雜，各種地質(zhì)界面和結(jié)構(gòu)面相互交織，如何高效、準(zhǔn)確地建立復(fù)雜地質(zhì)和工程結(jié)構(gòu)條件下通用三維地質(zhì)模型，是研究邊坡工程、地下工程穩(wěn)定性問(wèn)題的基礎(chǔ)［1］。將通用三維地質(zhì)模型和大型數(shù)值軟件相結(jié)合，采用數(shù)值計(jì)算方法模擬工程施工，是解決采礦工程、巖土工程安全穩(wěn)定性問(wèn)題的重要手段。

常見礦業(yè)工程軟件，如3DMINE、DIMINE、SURPAC等，均采用基于不規(guī)則三角網(wǎng)結(jié)構(gòu)（TIN）的三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。TIN文件與數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格剖分軟件在數(shù)據(jù)格式方面兼容性較差，不利于實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)模型與數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格剖分的無(wú)縫銜接。Rhinoceros軟件平臺(tái)采用NURBS曲面三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，較TIN數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可大大減少數(shù)據(jù)冗余，且具備多種幾何文件輸出格式［2］，是作為通用三維地質(zhì)建模的理想平臺(tái)。

不同數(shù)值計(jì)算軟件，網(wǎng)格文件采用不同數(shù)據(jù)格式。數(shù)值計(jì)算軟件幾何建模及網(wǎng)格剖分的學(xué)習(xí)成本較高，工程技術(shù)人員常常疲于學(xué)習(xí)軟件基本操作，不利于數(shù)值計(jì)算方法的應(yīng)用普及。通用數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格剖分程序Hypermesh不僅可以導(dǎo)入多種幾何文件［3］，而且可以輸出多種數(shù)值軟件計(jì)算網(wǎng)格和靈活的開發(fā)轉(zhuǎn) 換 接 口。Hypermesh可 為ANSYS、ABAQUS、FLAC3D等大型巖土工程數(shù)值計(jì)算軟件構(gòu)建計(jì)算文件或網(wǎng)格文件。

因此，提出基于3DMine進(jìn)行地質(zhì)資料整理，利用NURBS曲面建模技術(shù)進(jìn)行通用三維地質(zhì)模型建立，采用Hypermesh通用數(shù)值網(wǎng)格剖分軟件進(jìn)行數(shù)值網(wǎng)格剖分的思路。該方法打通了地質(zhì)建模及數(shù)值軟件間的文件兼容差的弊端，化繁為簡(jiǎn)，實(shí)現(xiàn)了快速建立工程數(shù)值計(jì)算模型。

1 常用三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

三維地質(zhì)建模的關(guān)鍵是三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)指對(duì)三維空間數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則進(jìn)行組織，以精確反應(yīng)空間實(shí)體的集合形態(tài)和拓普關(guān)系，可分為基于曲面表示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和基于體元表示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)兩大類［4］。其中曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、形狀結(jié)構(gòu)、面片結(jié)構(gòu)（TIN）、參數(shù)函數(shù)結(jié)構(gòu)（如NUBRS）、解析函數(shù)結(jié)構(gòu)等，在地質(zhì)建模中得到廣泛應(yīng)用。

1.1 基于TIN的三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

隨機(jī)三角形格網(wǎng)（TIN）被廣泛用于隨機(jī)分布數(shù)據(jù)的DTM的建立，特別是Delaunay三角形格網(wǎng)，由于其唯一性和良好的三角形性質(zhì)而被認(rèn)為最適宜于表面逼近［5］?；赥IN三角剖分法進(jìn)行地質(zhì)體構(gòu)建，是常見的三維地質(zhì)模型三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可較為精確的模擬地質(zhì)體形態(tài)，得到了廣泛的應(yīng)用。3DMINE、DIMINE、SURPAC等大型礦業(yè)工程軟件均基于TIN數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)研發(fā)，TIN數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的三維地質(zhì)模型實(shí)例如圖1所示。但該方法數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大，面片節(jié)點(diǎn)多，轉(zhuǎn)化為數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格質(zhì)量難以控制，難與數(shù)值計(jì)算軟件通用。

1.2 基于NUBRS曲面的三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

NUBRS曲面建模技術(shù)能夠比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)建模方式更好的控制物體的曲面度，從而創(chuàng)建出更生動(dòng)、逼真的造型。NUBRS曲面是專門針對(duì)三維建模而建立的，具有幾何不變性，為進(jìn)一步邊坡、地下工程等地質(zhì)結(jié)構(gòu)界面、工程對(duì)象建模提供了可靠的方法［4］。

Rhinoceros軟件平臺(tái)是采用NUBRS曲面建模的典型代表，其在工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域解決復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)造型方面具備極大地優(yōu)勢(shì)。因此，可采用其進(jìn)行地質(zhì)結(jié)構(gòu)、工程對(duì)象的三維建模，可較TIN數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)礦業(yè)工程軟件更好模擬地質(zhì)界線曲面變化?；贜UBRS曲面地質(zhì)模型實(shí)例見圖2。

Rhinoceros軟 件 具 備AutoCAD、ACIS、IGES、Parasolid、SolidWorks、STEP等30余種文件格式輸出能力，較TIN數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可更好為數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格剖分軟件提供幾何平臺(tái)。

2 基于NUBRS曲面的通用三維地質(zhì)建模方法

傳統(tǒng)地質(zhì)勘察資料往往以剖面圖、鉆孔柱狀圖的形式存儲(chǔ)于dwg、dxf、MapGIS等文件格式中，在建立三維地質(zhì)模型的過(guò)程中，需要對(duì)這些資料轉(zhuǎn)化為三維空間數(shù)據(jù)（線、點(diǎn)）。三維地質(zhì)建模建模和網(wǎng)格剖分思路見圖3所示，主要流程如下。

首先，應(yīng)對(duì)地質(zhì)勘察基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（地形圖、地質(zhì)平剖面圖、鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)）進(jìn)行解析和工程方案設(shè)計(jì)資料進(jìn)行整理，獲取曲面建模所需的、等高線、巷道腰線、開挖邊界、地層、斷層等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。這一步可采用AutoCAD或3DMine等礦業(yè)工程軟件完成，通常整理為dwg、dxf、點(diǎn)云和數(shù)據(jù)庫(kù)格式。

其次，將上一步完成的空間三維點(diǎn)、線數(shù)據(jù)，導(dǎo)入Rhinoceros平臺(tái)，采用放樣、拉伸、點(diǎn)云生成面等方式建立地形DTM、地質(zhì)界面（如礦體面、斷層面、軟弱帶等）和工程界面（如巷道面、礦塊、邊坡開挖邊界等），根據(jù)后續(xù)網(wǎng)格剖分需要建立適當(dāng)?shù)妮o助曲面。

最后，采用由面到體的方式，結(jié)合Rhinoceros布爾運(yùn)算功能，生成地質(zhì)體、工程三維實(shí)體模型。上述方法建立的幾何模型還可以直接提供于Hypermesh、ANSYS、ABAQUS等數(shù)值計(jì)算軟件進(jìn)行網(wǎng)格構(gòu)建，因此該方法生成的三維地質(zhì)模型具有通用性。本研究介紹建Hypermesh網(wǎng)格剖分的方法，因此需采用*.x_t格式文件輸出幾何模型，以便導(dǎo)入Hypermesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格剖分。

3 基于Hypermesh的通用網(wǎng)格劃分

3.1 Hypermesh網(wǎng)格剖分方法

Hypermesh幾何模型的建立是基于Rhinoceros導(dǎo)出的*.x_t格式文件導(dǎo)入成的。幾何文集導(dǎo)入Hypermesh后，首先需利用Hypermesh幾何清理、縫隙縫合、復(fù)雜曲面修補(bǔ)等功能完善實(shí)體模型。其次，利用Hypermesh網(wǎng)格劃分功能對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，剖分的方式有四面體網(wǎng)格剖分、六面體放個(gè)剖分和混合剖分等模式。最后，對(duì)剖分完成后需要對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行質(zhì)量檢查、連續(xù)性檢查、調(diào)整優(yōu)化等，以達(dá)到需要的精度要求。Hypermesh網(wǎng)格剖分實(shí)例見圖4。

3.2 數(shù)值計(jì)算軟件程序接口

針對(duì)ANSYS和ABAQUS計(jì)算文件，可直接在Hypermesh中進(jìn)行參數(shù)賦值、邊界條件確定、計(jì)算過(guò)程確定等，導(dǎo)出相應(yīng)的計(jì)算文件即可。針對(duì)FLAC3D計(jì)算文件，需導(dǎo)出相應(yīng)單元節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和單元信息文件，通過(guò)編制格式轉(zhuǎn)換軟件實(shí)現(xiàn)FLAC3D計(jì)算網(wǎng)格構(gòu)建，Hypermesh網(wǎng)格轉(zhuǎn)換為FLAC3D計(jì)算網(wǎng)格實(shí)例見圖5。

將Hypermesh單元、節(jié)點(diǎn)文件轉(zhuǎn)換為FLAC3D數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格文件的方法已有較多研究［6-8］。其基本思路是通過(guò)對(duì)Hypermesh的四面體tetra4、金字塔pyramid5、三棱臺(tái)penta6、六面體hex8單元節(jié)點(diǎn)、單元順序進(jìn)行調(diào)整，將其轉(zhuǎn)化為FLAC3D網(wǎng)格文件*.flac3d。

3 工程實(shí)例

黑溝鐵礦是酒鋼鏡鐵山礦主要礦區(qū)，其海拔高度約4 000 m，采用露天開采方式生產(chǎn)規(guī)模為450萬(wàn)t/a。黑溝礦區(qū)東端幫邊坡受結(jié)構(gòu)面控制，礦體褶皺端部構(gòu)造作用明顯，在礦巖交界面處易發(fā)生順層面滑坡。2015年8月，東端幫邊坡開始出現(xiàn)裂縫，并逐漸發(fā)展為連續(xù)滑坡周界，威脅礦山正常生產(chǎn)［9］。

采用上述方法建立滑坡區(qū)三維地質(zhì)模型和數(shù)值模型，進(jìn)行滑坡區(qū)滑坡機(jī)理和穩(wěn)定性分析，主要模型建立步驟如下。

（1）地質(zhì)資料解析。結(jié)合工程地質(zhì)勘察，生產(chǎn)勘探等平面圖、剖面圖等資料，利用Rhinoceros軟件進(jìn)行地層界線、地質(zhì)構(gòu)造、地形等控制點(diǎn)建立三維曲面模型，如圖6所示。

（2）將建立的界面模型導(dǎo)入Hypermesh軟件，在Hypermesh軟件中采用布爾運(yùn)算的方式生成實(shí)體模型，并利用其前處理功能進(jìn)行幾何清理、縫隙縫合、復(fù)雜曲面修補(bǔ)等。如圖7所示。

（3）采用四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，合理進(jìn)行質(zhì)量控制，數(shù)值模型尺寸為580 m×515 m×482 m，數(shù)值模型共有節(jié)點(diǎn)139 699個(gè)，單元772 978個(gè)。

4 結(jié)論

（1）基于Rhinoceros軟件平臺(tái)采用NURBS曲面建模技術(shù)構(gòu)建三維地質(zhì)模型，能夠大大簡(jiǎn)化TIN結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，提高建模效率和幾何文件的兼容性，滿足數(shù)值計(jì)算對(duì)模型的要求。

（2）基于Rhinoceros幾何模型，采用Hypermesh進(jìn)行數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格剖分，打通了地質(zhì)建模及數(shù)值軟件間的壁壘，利于實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)模型到數(shù)值計(jì)算模型的快速轉(zhuǎn)換，大大降低工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)軟件的成本。

（3）將本研究提出的方法應(yīng)用于某露天礦邊坡開采過(guò)程計(jì)算網(wǎng)格建模，表明該方法是可靠的和高效的，值得進(jìn)一步推廣。