FLAC3D 溶洞穩定性評價的前處理程序開發及其工程應用

李志宇，劉振宇，劉小明，田月明

廣西壯族自治區地質環境監測站，廣西 南寧 530002

1 軟件包基本思路

軟件包采用可視化操作軟件Visual Basic 進行編制，使用者通過在可視化操作界面上輸入溶洞的三維模型坐標參數、模型材料、材料參數、邊界條件和初始條件等，便可自動生成FLAC3D命令流，再通過FLAC3D軟件調用該命令流進行檢查和計算，最后得到計算結果。

在使用FLAC3D軟件評價溶洞穩定性過程中，其步驟主要包含模型的建立、設置材料參數、設置初始條件、布置監測點、設置邊界條件、求解初始應力場、施加工程荷載并計算求解等。基于這一思路，將軟件分為8 個模塊，基本框架如圖1 所示。

圖1 軟件包基本框架

2 軟件包系統模塊的劃分與功能實現

（1）主控界面。基于上述思路，設計軟件包的主控界面包括上述8 個模塊的命令按鈕，在使用該軟件包的過程中需要按照FLAC3D命令流編寫的順序進行設置，先建立模型，才能進行模型參數的設置；進行初始求解之前必須先設置材料參數。將開發好的程序軟件包轉化成“.exe”格式，使其在任何系統下都能進行操作。

軟件在計算過程中自動生成“flac3d.xls”的excel電子表格文檔，將生成的FLAC3D命令流保存在其中，使用者只需將表格內容另存為txt 文檔，就可以實現用FLAC3D軟件調用命令流。該軟件不直接將命令流寫入txt 文檔中，而是先寫入excel 電子表格，再進行文檔格式的轉換工作，其原因在于excel 電子表格中的每個單元格都有固定的地址，方便數據的讀取和寫入，節省程序編寫的工作量。

（2）各模塊操作界面。通過主控界面將各個功能模塊調出并進行設置，從而完成FLAC3D整個命令流的編寫過程（如表1 所示）。

3 工程應用實例

運用此次設計的程序軟件包進行溶洞穩定性數值模擬評價，主要包括建立模型、參數設置和FLAC3D計算求解三個步驟。其中，前兩個步驟是在程序軟件包操作界面中完成，第三個步驟則是在軟件包以外進行操作,具體流程如圖2所示。

（1）工程概況。以某巖溶區工程建設項目中M473 鉆孔鉆遇的溶洞為例，洞跨19.6m，頂層溶洞頂板厚度為1.3m，2 層，埋深9m，場地整平后上覆土層厚度約12.4m，上覆土層按等效荷載施加于溶洞頂板上，其荷載為235kPa，上部設計荷載為160kPa（如圖3 所示）。

（2）模型建立。根據溶洞追蹤孔鉆遇的剖面，先將上覆土層及填土按等效荷載施加，建立模型時不考慮土層。溶洞模型和溶洞左右圍巖模型將按照溶洞模型模塊操作界面進行建模。

各塊模型建立完成后，“返回”到主控界面，到“完成建模”。此時打開“flac3d.xls”表格，查看生成的模型命令流，將其另存為txt 文檔中，便可用FLAC3D軟件對其進行調用。

表1 程序中各個功能模塊簡介

圖2 運用程序軟件包進行溶洞穩定性計算流程圖

（3）參數設置及計算求解。按照FLAC3D命令流編寫的順序，依次打開各參數設置的操作界面，進行設置，將生成的“flac3d.xls”文件另存為“.txt”格式，再用FLAC3D軟件對其進行調用，計算結果如圖4 所示。參考相應的規范和標準，以塑性破壞區的分布面積和關鍵點的豎向位移量作為評價指標，便可對溶洞模型的穩定性進行評價。

圖3 M473 鉆孔鉆遇的溶洞剖面圖（單位：m）

圖4 M473 鉆孔鉆遇溶洞模型破壞區分布特征及豎向位移等值線云圖（單位：m）

4 結束語

軟件包采用可視化操作軟件Visual Basic 編制，解決了用FLAC3D內置命令流直接編寫代碼來建立復雜的溶洞模型困難的問題。該軟件針對性強，操作界面簡單，便捷易懂，適用于巖溶洞穴的穩定性評價，特別是在建模方面，通過輸入溶洞的參數便可建立復雜的模型，節省大量的時間，也給FLAC3D初學者提供一個快速上手的機會。