基于Surfer和ANSYS復雜地質體的FLAC3D實體建模

楊宇宏 許 勝

0 引言

在工程地質研究中，數值模擬通過正確描述工程研究對象，來預測和解決工程實際問題，同時，在分析過程中深化對研究對象及其地質模型的認識。數值分析結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參數的可靠性。隨著我國經濟的持續發展和西部大開發戰略的實施，水利水電事業呈現出勃勃生機，一大批巨大型水利水電工程相繼得到開發，如三峽、溪洛渡、錦屏等，這些工程多處于高山峽谷，所處地區地質構造復雜，地質信息眾多。因此，在工程地質數值分析中，如何正確地將地質信息在模型中得到更全面的反映是數值模擬至關重要的一步。

FLAC3D是由美國Itasca公司開發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特性，尤其是達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用[1-3]，已成為目前巖土力學計算中重要的數值方法之一。然而，FLAC3D軟件的前處理功能很薄弱，不能直接進行圖形處理，建模難度更大，對于復雜的工程巖土體(或地質體)而言很難直接實現相應的建模操作，即使采用其強大的FISH內置語言有時也是無能為力，這嚴重阻礙了其在相關領域中的應用。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大的ANSYS軟件對復雜工程地質體建立相應數值模型(包括網格劃分)，再通過ANSYS-TO-FLAC3D接口程序實現FLAC3D模型的建立。

1 FLAC3D模型的構建

自從FLAC3D軟件被工程應用，關于它的前處理階段的復雜三維地質建模方法也相繼出現。如胡斌等[4]運用FORTRAN語言編寫了FLAC3D的前處理程序，實現了對于巖層和地質結構較單一的地質體快速建模;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現了在FLAC3D中復雜三維地質模型的建立，但沒有很好的模擬地表形態;崔芳鵬等[7]基于Surfer，將數據轉化為FLAC3D能夠調用的*.dat文件從而建立復雜三維地質模型，但調用*.dat文件生成模型所耗的時間長。綜上所述，本文將結合這兩種軟件各自的優點，實現更精確、更快速地建立FLAC3D復雜三維實體模型的目的。

一般工程而言，地形地質圖和相關平、切面圖(AutoCAD)包含了各種地質信息:地表面起伏、等高線、地層界面以及斷層構造、巖溶等。根據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，再將這些交點的三維坐標信息提取出來(工具→查詢→列表顯示)，導入Excel作預處理后再輸入Surfer軟件進行插值，得到儲存了地形表面信息的*.grid文件，此后將這些經過插值的*.grid文件另存為*.dat文件，即生成地形表面控制點三維坐標，結合鉆孔資料和切面圖上的信息運用同樣的方法得到地層界面和斷層面控制點三維坐標，然后將所有的*.dat再導入Excel作處理，形成ANSYS建立關鍵點的格式并保存為**.dat文件。ANSYS調用**.dat文件，生成所有關鍵點，然后再由點→面→體自底向上形成實體模型，再運用布爾運算和網格剖分功能對實體模型進行離散后調用前處理命令，輸出各單元節點坐標及單元信息NODE.DAT和ELE.DAT文件。最后，用ANSYS-TO-FLAC3D接口程序即可生成復雜三維地質體FLAC3D數值模型(見圖1)。

2 ANSYS單元類型向FLAC3D單元類型轉換

ANSYS軟件內部單元編碼按照一定的規則進行，同樣，FLAC3D內部單元編碼也按一定的規則進行，但這兩者軟件系統其各自的編碼規則有一定差異。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則，找出其相應的規律，就可以順利地建立其對應的轉換關系，從而實現兩者之間的網格模型轉換。表1顯示了ANSYS和FLAC3D的四種單元類型節點對應關系。任何復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行完美的剖分。

根據表1中對ANSYS和FLAC3D單元數據關系的分析，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換)，形成FLAC3D單元，還將ANSYS定義的不同實體遺傳到FLAC3D中，并形成相應的Group，方便了計算參數的賦值。其主要內容包括:

1)在ANSYS軟件中，將模型剖分網格后，調用自編的ANSYS前處理命令流文件ANSYS-PRE.DAT，產生各單元節點坐標及單元信息NODE.DAT和ELE.DAT文件，單元節點的主要格式為:1，5 168.812 25，7 950.475 14，0，第一個數字為節點號，后面三個分別為該節點號的 X，Y，Z坐標;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，第一個數字為單元號，接下來的 8個數字為屬于該單元的節點號，最后一個數字是給單元屬性，可以根據這個數字在FLAC3D中，將不同單元劃分成不同的組(group)，方便了后期的計算參數的賦值。

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

3 工程應用實例

某電站的引水隧洞工程區范圍大，山勢雄厚，地表起伏大，高差懸殊，斷層、褶皺和節理比較發育，還發育有巖溶管道，使得建模的難度增加。根據本文提出的方法模擬引水隧洞工程區的實體模型，進行網格剖分，共生成 98 100個單元、106 880個節點。然后用接口程序ANSYS-TO-FLAC3D生成FLAC3D的數值模型，共得到16個組(見圖2)，成功地實現了復雜模型在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構內部，因此表層無法完全展示。

4 結語

1)采用Surfer軟件對地形線數據進行插值，使得地表形態更精確的模擬。

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

3)根據ANSYS和FLAC3D單元數據關系，編寫了ANSYS-TOFLAC3D接口程序，快速、便利地建立三維復雜地質體模型，大大減少了建模所需的時間、精力，提高了數值模擬的精度，擴大了FLAC3D在地質工程和巖土工程領域應用范圍。

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

[1] 寇曉東，周維垣，楊若瓊.FLAC3D進行三峽船閘高邊坡穩定分析[J].巖石力學與工程學報，2001(1):66-67.

[2] 盧書強，許 模，巨能攀.瀾滄江某電站左岸地下洞室群圍巖穩定性的FLAC3D分析[J].工程地質學報，2006(3):32-33.

[3] 陳新澤，唐輝明，楊有成，等.基于FLAC3D強度折減法滑坡三維穩定性研究——以三峽庫區白果樹大滑坡群為例[J].水文地質工程地質，2008(2):80-81.

[4] 胡 斌，張倬元，黃潤秋.FLAC3D前處理程序的開發及仿真效果檢驗[J].巖石力學與工程學報，2002(9):57-58.

[5] 廖秋林，曾錢幫，劉 彤，等.基于ANSYS平臺復雜地質體FLAC3D模型的自動生成[J].巖石力學與工程學報，2005 (6):22-23.

[6] 李 根，趙 娜.以ANSYS為平臺的復雜模型到FLAC3D導入技術[J].遼寧工程科技大學學報(自然科學版)，2008 (10):17-18.

[7] 崔芳鵬，胡瑞林，劉照連.基于Surfer平臺的FLAC3D復雜三維地質建模研究[J].工程地質學報，2008(5):41-42.