劉先林，唐正輝

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，廣西　南寧　530029)

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三維地質(zhì)建模與數(shù)值模擬關(guān)鍵技術(shù)研究

劉先林，唐正輝

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，廣西南寧530029)

針對建立復(fù)雜三維地質(zhì)模型難度大、效率低及與數(shù)值計算聯(lián)合分析困難的現(xiàn)狀，文章通過研究和分析各類三維建模與數(shù)值分析軟件，提出了采用GOCAD、SURFER、CATIA、ANSYS、FLAC3D、MIDAS等軟件協(xié)同操作的有效方法，實現(xiàn)軟件間模型格式的互導與真三維數(shù)值模擬計算分析，并總結(jié)出其關(guān)鍵技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實例，介紹了三維建模與數(shù)值模擬軟件協(xié)同分析的具體操作方法。

地質(zhì)建模；數(shù)值模擬；真三維；GOCAD；FLAC3D；SURFER；ANSYS；MIDAS

0　引言

我國傳統(tǒng)地質(zhì)勘察與巖土設(shè)計成果多以平面圖、剖面圖、柱狀圖等二維形式展示，直觀性較差，不能充分表現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)體和計算結(jié)果的空間分布規(guī)律。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，在越來越多的復(fù)雜工程和大型項目中迫切需要引進三維地質(zhì)和數(shù)值分析技術(shù)，以解決復(fù)雜地層的工程評價和巖土設(shè)計問題。然而，由于地質(zhì)體的復(fù)雜性，常規(guī)數(shù)值計算軟件較難擬合復(fù)雜地層面，故數(shù)值分析人員在三維地質(zhì)建模上花費了大量的時間和精力，但效果卻差強人意，嚴重影響了工作效率。因此，

如何提高三維地質(zhì)建模與數(shù)值計算的效率和精度便成了急需解決的難題。

目前，工程地質(zhì)領(lǐng)域常用的三維地質(zhì)建模與巖土數(shù)值分析相關(guān)軟件有GOCAD、CATIA、SURFER、ANSYS、MIDAS、FLAC3D、ABAQUS等，各軟件均有各自獨特的優(yōu)點，但同時也存在自身的不足，沒有一個軟件能同時解決三維建模與數(shù)值分析問題，由于軟件多屬不同商家，各軟件之間缺少現(xiàn)成互動轉(zhuǎn)換接口，這在一定程度上限制了三維地質(zhì)建模與數(shù)值分析技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用。其中，GOCAD(Geological Object Computer Aided Design)地質(zhì)建模軟件是法國Nancy大學開發(fā)的主要應(yīng)用于地質(zhì)領(lǐng)域的三維可視化建模軟件，具有強大的三維建模、可視化、地質(zhì)解譯和分析的功能，能快速精確地建立復(fù)雜地層面、地質(zhì)體和Sgrid網(wǎng)格模型，方便將建立的地層面導入數(shù)值分析軟件生成地質(zhì)體，也可將Sgrid網(wǎng)格模型直接導出到數(shù)值分析進行計算分析，大大提高了工作效率，解決了數(shù)值軟件處理建模困難的問題?？紤]到GOCAD的強大功能及其在地質(zhì)體表達的獨特優(yōu)勢，本文采用GOCAD為建模軟件進行研究。

本文在研究和分析以上三維地質(zhì)建模與數(shù)值分析軟件的基礎(chǔ)上，將各軟件的使用關(guān)鍵技術(shù)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法進行了總結(jié)、提煉和集成，并在實際工程中得到了良好運用。

1　三維地質(zhì)與數(shù)值模擬結(jié)合思路

目前，國內(nèi)外流行的數(shù)值模擬軟件都具有一定三維建模前處理能力，能解決規(guī)則幾何體和結(jié)構(gòu)物建模問題，但由于地質(zhì)體的復(fù)雜性，通常需要借助專業(yè)三維地質(zhì)建模軟件建立復(fù)雜地層或地質(zhì)體，然后再導出地層曲面或地質(zhì)體到數(shù)值分析軟件中進行模擬計算。三維地質(zhì)建模與數(shù)值模擬分析常用的幾種結(jié)合思路如下：

1.1GOCAD網(wǎng)格模型導入數(shù)值模擬軟件

根據(jù)前期勘察資料，在GOCAD中建立復(fù)雜三維地層面，并生成三維地質(zhì)體的SGRID網(wǎng)格模型，利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口將SGRID模型導入到FLAC3D、ANSYS或ABAQUS等數(shù)值分析軟件中進行計算。由于GOCAD軟件中生成的SGRID網(wǎng)格多為均勻網(wǎng)格，優(yōu)點是網(wǎng)格質(zhì)量較好，缺點是對形狀十分復(fù)雜的地質(zhì)體和結(jié)構(gòu)物生成網(wǎng)格有一定困難，故該類方法一般適合于相對簡單的數(shù)值計算模型和計算工況。

1.2GOCAD→SURFER→數(shù)值模擬軟件

由于GOCAD軟件具有特獨的離散光滑插值DSI算法，能夠十分精確地表述特別復(fù)雜的地形、地層、斷裂構(gòu)造及其它異形曲面，而SURFER軟件在處理高程數(shù)據(jù)和加密網(wǎng)格數(shù)據(jù)方面也有十分獨特的優(yōu)勢，故可綜合利用GOCAD和SURFER軟件將相對稀疏的地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格加密，生成其它數(shù)值模擬軟件可以讀取的曲面坐標網(wǎng)格數(shù)據(jù)，然后在MIDAS或ANSYS數(shù)值軟件中進行復(fù)雜地質(zhì)和結(jié)構(gòu)物的三維建模。該類方法的優(yōu)點在于可以按數(shù)值模擬分析的側(cè)重點進行結(jié)構(gòu)建模和網(wǎng)格劃分，數(shù)值分析操作非常方便，后期計算可編輯性強。

1.3GOCAD→CATIA→數(shù)值模擬軟件

CATIA是由法國達索系統(tǒng)(Dassault Systemes S.A.)公司開發(fā)的三維CAD設(shè)計平臺，不僅具有強大的曲面建模功能，而且與其它軟件具有良好的數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換功能，既可導入GOCAD保存的曲面*.ts格式文件，又可將CATIA三維模型直接導出到MIDAS、ANSYS和ABAQUS等數(shù)值模擬軟件中進行網(wǎng)格劃分和數(shù)值計算。該種方法也具有數(shù)值分析操作方便、后期計算可編輯性強的優(yōu)點。

2　三維地質(zhì)建模關(guān)鍵技術(shù)

2.1關(guān)鍵理論技術(shù)

(1)離散平滑插值法

GOCAD軟件中離散平滑插值法DSI(Discrete Smooth Interpolation)是由Mallet教授提出的，其思想是基于對目標體的離散化，類似有限元法，用一系列具有物體的幾何和物理特性的相互連結(jié)的節(jié)點來模擬地質(zhì)體。已知節(jié)點和地質(zhì)學的典型信息被轉(zhuǎn)化為線性約束，引入到模型生成的全過程。利用此技術(shù)來構(gòu)建地質(zhì)曲面，對采樣數(shù)據(jù)少的區(qū)域，可以添加一系列的約束條件，控制曲面的插值過程，并自動調(diào)整插值點，以滿足約束條件，使建立的曲面能較好地擬合采樣點。同時，還可考慮到地質(zhì)變量本身的特性，因此對地質(zhì)變量的統(tǒng)計分析能達到很好的效果。

DSI法、三角網(wǎng)格法和Kriging插值算法相比較而言：三角網(wǎng)格法對于不連續(xù)曲面無法插值計算，且在計算形成三角網(wǎng)格時效率不高。Kriging插值算法雖較為有效，但在建模效果上較易出現(xiàn)明顯的“牛眼”效應(yīng)，而DSI算法更容易確定插值函數(shù)權(quán)值，形成的網(wǎng)格曲面更加光滑而貼近實際效果。

以上DSI優(yōu)點決定了其在三維地質(zhì)建模中的重要地位，并已成熟運用于石油、礦產(chǎn)、水利水電等領(lǐng)域的復(fù)雜地層和構(gòu)造建模。

(2)網(wǎng)格單元格式轉(zhuǎn)換

經(jīng)過對GOCAD SGRID、ANSYS、MIDAS、ABAQUS和FLAC3D網(wǎng)格單元的深入研究，發(fā)現(xiàn)前4種軟件的六面體單元形狀、節(jié)點編號和節(jié)點順序均基本相同，而FLAC3D單元的節(jié)點編號和節(jié)點順序有較大差異，若能將各軟件的網(wǎng)格單元和節(jié)點數(shù)據(jù)按需要轉(zhuǎn)換成的軟件識別格式進行重新編排，則可實現(xiàn)各軟件之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，方便進行計算比較和充分發(fā)揮各軟件的專長優(yōu)勢。下面舉例簡單說明各軟件六面體單元的對照關(guān)系。

(a)

(b)

從圖1可知，前4種(a)軟件的網(wǎng)格單元節(jié)點排列順序是先沿X軸方向排列，再沿Y軸方向排列，最后沿Z軸方向排列，而FLAC3D的(b)六面體單元中的8個節(jié)點是符合“右手法則”，由于各軟件之間沒有現(xiàn)成的網(wǎng)格單元轉(zhuǎn)換接口，則需要按上述原則編制程序接口，以實現(xiàn)各軟件之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。在編制程度接口過程中，一般需執(zhí)行節(jié)點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、單元數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、單元分組和數(shù)據(jù)信息輸出等幾個步驟。

2.2GOCAD建模關(guān)鍵技術(shù)

(1)點數(shù)據(jù)生成

GOCAD軟件可采用多種方式快速生成高程、鉆孔坐標、地層標志、地震數(shù)據(jù)等。一般可在GOCAD軟件中執(zhí)行命令：File→Import Objects→Horizon Interpretations→X Y Z/Column-based File導入原始勘察數(shù)據(jù)生成點，也可通過提取線、面上的節(jié)點及鉆孔marker信息生成點數(shù)據(jù)。

(2)線數(shù)據(jù)生成

線數(shù)據(jù)主要為地形與地層面等高線、模型邊界、結(jié)構(gòu)物輪廓線、剖面線、輔助線、斷層與巖石露頭界線等，常用3種方式生成：①導入CAD DXF線，F(xiàn)ile→Import Objects→Cultural Data→DXF；②Curve→new→From Curves/Surfers-Contours等；③在窗口界面中鼠標點擊。

(3)面數(shù)據(jù)生成

面數(shù)據(jù)主要為地形面、地層面、地下水面、斷層構(gòu)造面、建筑結(jié)構(gòu)面等，也常用2種方式生成：①Applications→Wizard→Surface Creation→From Data(without internal borders)→From Points and Computed outline→Direct Triangulation→Create outline Curve from Data points→Create surface From points and curve；②Surface→new→From pointsSets/Curves/Surfaces等，在建模過程中常用pointsSets Mediumn plane和約束控制進行DSI插值擬合精確的曲面。

(4)體模型生成

在GOCAD中，地質(zhì)體建模一般會用到Model3d、Solid、Voxet、SGrid等，其中Model3d和Solid為實體模型對象，Voxet和SGrid為網(wǎng)格模型對象。由于僅SGrid網(wǎng)格與數(shù)值模擬軟件的網(wǎng)格較為相近，故重點介紹SGrid網(wǎng)格模型的生成步驟：①先執(zhí)行SGrid→new→From Objects Box/Cage/Corners等生成網(wǎng)格框架，Objects中選擇各層面；②SGrid→Tools→Proportionally Between Multiple Surfaces；③SGrid→Model→new From Surfers；④右擊SGrid model→Build。然后勾選不同的Region和改變顏色即可得到三維地質(zhì)模型。

2.3SURFER建模關(guān)鍵技術(shù)

一般工程地質(zhì)勘察鉆孔和地質(zhì)調(diào)查資料較為有限，若直接采用GOCAD軟件建模易出現(xiàn)異常凸起或深凹現(xiàn)象，曲面不夠光滑，與實際地質(zhì)情況不符。通?？刹捎肎OCAD軟件將地形、地質(zhì)界面、鉆孔與調(diào)繪等三維地質(zhì)信息提取后輸入SURFER軟件中加密網(wǎng)格數(shù)據(jù)為*.grid格式文件，另存為*.DAT格式，即生了MIDAS及其它數(shù)值分析軟件可讀取的面文件格式。具體流程如下：三維地質(zhì)信息數(shù)據(jù)(DXF、TXT、WELL MARKER等)→生成GOCAD等高線→導出*.XLS文件→在SURFER中生成*.grid文件→另存為*.DAT格式→另存為*.CSV格式→另存為*.TXT格式→在MIDAS或其它數(shù)值分析軟件中建立三維地質(zhì)模型。

2.4MIDAS建模關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)SURFER軟件加密的空間網(wǎng)格數(shù)據(jù)，利用MIDAS GTS軟件生成三維地質(zhì)模型，具體操作流程如下：幾何→生成曲面→頂點→輸入頂點→導入頂點(即SURFER生成的*.TXT格式文件)→生成地形與地質(zhì)界面→建立范圍底面→擴展→選擇底面、擴展方向和長度→利用曲面分割實體→僅保留需要實體→開挖與支護結(jié)構(gòu)建?！W(wǎng)格劃分與數(shù)值計算。注意在SURFER軟件中各地層在X與Y方向的加密網(wǎng)格數(shù)量應(yīng)保持一致，這樣在MIDAS GTS中生成的曲面范圍才一致。

2.5CATIA建模關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)前期準備的三維地質(zhì)建?；A(chǔ)數(shù)據(jù)，利用GOCAD中建立地形和地質(zhì)界面，在CATIA中導入GOCAD面文件生成實體模型。具體操作流程如下：GOCAD中將Surfers用File-Save Object as命令另存為*.ts文件→在CATIA中導入*.ts文件→利用零件模塊進行凸臺和布爾運算操作生成三維模型→將模型另存為*.stp或*.igs格式文件→在MIDAS、ANSYS或ABAQUS等數(shù)值分析軟件中導入，并進行網(wǎng)格劃分和數(shù)值計算。

2.6ANSYS建模關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)SURFER軟件加密的空間網(wǎng)格數(shù)據(jù)，利用ANSYS軟件生成三維地質(zhì)模型，具體操作流程如下：采用編制開發(fā)的SURFER TO ANSYS格式程序接口將*.grid曲面文件生成ANSYS可讀取的*.dat格式→在ANSYS中讀取*.dat文件生成地形或地質(zhì)界面→建立長方體→利用曲線切割長方體生成三維地質(zhì)模型。生成的*.dat文件實際為一個ANSYS可讀取的K文件命令流，生成面的程序思路為生成坐標關(guān)鍵點→生成等高線→利用蒙皮技術(shù)生成地質(zhì)曲面。

3　工程實例應(yīng)用

廣西某高速公路路塹邊坡長約290 m，原設(shè)計坡率為1∶1、1∶1.25、1∶1.5，為三級邊坡，最大挖方高度約25.2 m。按原設(shè)計坡率開挖至路槽后發(fā)生大規(guī)?；拢骰较蜷L約60 m，沿路線方向?qū)挾燃s110 m，滑體平均厚度約8 m，滑坡體積約26 000 m3，屬中層牽引式滑坡。該滑體地層主要由含角礫黏土、全風化夾強風化泥質(zhì)粉砂巖、中風化灰?guī)r組成。施工期間共補充勘察了26個鉆孔，為三維地質(zhì)建模提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。下面以該滑坡為例詳細介紹2種典型的三維地質(zhì)建模與數(shù)值模擬分析結(jié)合方法。

3.1GOCAD模型導入FLAC3D方法

三維建模主要使用了1∶2 000地形圖、26個鉆孔柱狀圖、5個滑坡剖面圖、高速公路路線平縱布置和滑坡地質(zhì)勘察報告等資料。在GOCAD中主要建立了覆蓋層、全風化層、中風化基巖及邊坡放坡開挖等內(nèi)容，得到的面模型見圖2，在建立好Model3D實體模型后，創(chuàng)建了150×150×150節(jié)點的SGRID網(wǎng)格模型，生成不同的REGIONS部分(如圖3所示)，對不同的地層單元賦予巖層屬性，將三維模型中的數(shù)據(jù)文件通過數(shù)據(jù)接口程序轉(zhuǎn)入FLAC3D中(如圖4所示)，則可進行數(shù)值計算，由于GOCAD生成的SGRID模型網(wǎng)格較密，單元數(shù)量約180萬個，數(shù)值計算的工作量極大，故此處不再進行數(shù)值計算演示。若欲用此類方法進行數(shù)值計算，則需綜合考慮模型精度和計算量后決定建立合理的SGRID網(wǎng)格節(jié)點密度。

圖2　GOCAD三維地層結(jié)構(gòu)與開挖面示意圖

圖3　GOCAD三維地質(zhì)SGRID模型圖

圖4　GOCAD　SGRID轉(zhuǎn)FLAC3D模型圖

3.2GOCAD/SURFER-ANSYS-FLAC3D方法

由于該滑坡牽引滑動面積大，地質(zhì)條件復(fù)雜，且工程預(yù)算和施工工期緊張，經(jīng)過詳細抗滑樁與加筋柔性擋墻方案比選后，決定先根據(jù)地質(zhì)條件采用坡率1∶1.5、1∶2.0、1∶1.5、1∶1.75、1∶1.75進行5級二次放坡后，再采用表面坡率為1∶1.5、1∶1.75、1∶1.75、1∶1.75的加筋柔性擋墻進行防護。為深入計算邊坡開挖的方量、土石成分比例、邊坡的變形與穩(wěn)定性分析等，下面采用三維地質(zhì)模型與數(shù)值模擬方法進行論述。

(1)建立ANSYS三維地質(zhì)模型

該滑坡新三維模型中加入了筋柔性擋墻范圍，重點分析區(qū)域需加密網(wǎng)格間距。在GOCAD和SURFER生成了各層面*.dat數(shù)據(jù)，利用ANSYS生成三維地質(zhì)模型和劃分網(wǎng)格，三維地質(zhì)模型見圖5。

圖5　ANSYS三維地質(zhì)模型圖

(2)FLAC3D數(shù)值模擬模型

利用數(shù)據(jù)程序轉(zhuǎn)換接口將ANSYS的單元和節(jié)點文件導出成*.Flac3D格式，在FLAC3D利用File→import Grid導入.Flac3D文件。構(gòu)建的四面體網(wǎng)格有205149個單元，39291個節(jié)點，滑坡采用加筋柔性擋墻防護后如圖6所示。

圖6　FLAC3D邊坡加筋擋墻防護網(wǎng)格模型圖

(3)FLAC3D數(shù)值計算結(jié)果

對邊坡第一次開挖、第二次開挖及加筋柔性擋墻防護三個重要工況進行FLAC3D三維數(shù)值模擬，主要得出如下結(jié)論：

①邊坡按原設(shè)計坡率第一次開挖工況的穩(wěn)定性系數(shù)<1.0，數(shù)值計算變形分布區(qū)域與現(xiàn)場滑塌情況基本一致，詳見圖7所示。

②邊坡第二次削坡放緩后最大變形量約為40 mm，主要分布于邊坡右上角，這與該處地層基巖面相對較陡有關(guān)，與施工期間開挖揭示情況基本相符，詳見圖8所示。

③邊坡采用加筋擋墻工況最大變形量約18 mm，受加筋擋墻護坡后，邊坡整體變形均勻，穩(wěn)定性系數(shù)為1.43，與高速公路通車后該邊坡近半年的監(jiān)控變形值較為接近，詳見圖9所示。

圖7　邊坡第一次開挖滑動分析圖

圖8　邊坡第二次卸載開挖變形圖

圖9　邊坡加筋柔性擋墻防護變形圖

(4)開挖方量計算

通過在三維地質(zhì)模型中查詢各地層和開挖體的體積，可得到該段路塹邊坡總挖方量約115 571 m3，其中土方約82 842 m3，風化巖約32 729 m3，前者與后者的土石成分比例約為2.5∶1，較為精確地估算出開挖工程量。

4　結(jié)語

文章針對三維地質(zhì)建模與數(shù)值分析效率低、精度差、兩者良好結(jié)合困難等現(xiàn)狀，在研究各類相關(guān)軟件與技術(shù)方法的基礎(chǔ)上，首先提出了多種三維地質(zhì)建模與數(shù)值模擬計算相結(jié)合的有效方法；然后重點論述了離散平滑插值DSI法和網(wǎng)格數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換理論，GOCAD的點、線、面、體生成技術(shù)，以及SURFER、MIDAS、CATIA及ANSYS等建模關(guān)鍵技術(shù)和操作流程；最后以廣西某高速公路路塹滑坡為例，詳細介紹了兩種典型三維建模與數(shù)值分析結(jié)合的方法。

實踐證明，采用本文介紹的方法能更準確、快速、便捷地建立符合實際的三維地質(zhì)模型，利用編制的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換接口程序，可生成FLAC3D、MIDAS NX和ANSYS等數(shù)值模型，并進行真三維數(shù)值模擬計算分析。如此一來，可針對同一三維模型采用不同數(shù)值計算軟件進行快速對比分析，彌補了單一軟件自身的不足，提高了三維地質(zhì)建模與數(shù)值模擬計算分析在巖土工程中的使用效率，值得廣泛應(yīng)用和推廣。

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Research on Key Technology of Geological Modeling and Numerical Simulation

LIU Xian-lin，TANG Zheng-hui

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

Regarding the current situation of high difficulty and low efficiency when establishing the com-plex three-dimensional geological model as well as difficult joint analysis of numerical calculation，and through research and analysis of various types of three-dimensional modeling and numerical analysis software，this article proposed the effective method of co-operation by using GOCAD，SURFER，CATIA，ANSYS，F(xiàn)LAC3D，MIDAS and other software，it realized the transconductance of model format be-tween various software and the numerical simulation and computational analysis of true 3D，and sum-marized its key technologies.On this basis，by combining the engineering examples，it described the specific operation methods for the joint analysis of three-dimensional modeling and numerical simula-tion software.

Geological modeling；Numerical simulation；True 3D；GOCAD；FLAC3D；SURFER；ANSYS；MIDAS

U416.02

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.05.001

1673-4874(2016)05-0001-05

2016-04-28

劉先林(1982—)，工程師，研究方向：公路勘察設(shè)計；

唐正輝(1975—)，高級工程師，主要從事工程地質(zhì)勘察與巖土工程設(shè)計工作。

課題項目

廣西交通科技項目“三維可視化建模與數(shù)值模擬技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用研究”(編號：200807503)