滑坡三維動態建模DSAF集成系統研究

程江濤

(中化地質礦山總局湖北地質勘查院 武漢 430080)

地質體三維數值模型的建立是進行巖土工程與工程地質問題數值模擬分析的前提。由美國Itasca公司開發的FLAC3D軟件能有效模擬巖土介質的三維力學行為[1]，但該軟件在復雜模型建立及單元網格劃分等前處理問題上存在明顯不足。首先，該軟件只能用自帶的12種初始單元模型進行建模；其次，該軟件在建模時采用數據/命令行文件方式，不僅需花費大量時間，而且人機交互性不強，存在建模難度大的問題。國內外一些學者針對FLAC3D前處理不足問題開展了一些研究工作[2]，但大多數研究都集中在復雜的數據前處理方面，集成化和智能化的程度不足。

針對上述問題，本文試圖以Visual Basic為控制平臺，以CAD、Surfer、ANSYS、FLAC3D4種軟件的接口技術與二次開發技術為基礎，構建基于DSAF集成系統的滑坡三維動態建模平臺。在此基礎上，以數據文件為傳輸媒介，實現DSAF集成系統的無縫連接，開發滑坡三維動態建模DSAF系統。

1 滑坡三維動態建模關鍵技術研究

1.1 滑坡三維動態建模DSAF系統構建

滑坡三維建模可概化為滑床與滑體實體模型構建與網格劃分2個關鍵步驟。如何利用已有的地形信息和鉆孔信息資料實現上述2個關鍵步驟是滑坡三維動態建模的關鍵。為此，本研究從集成化的角度出發，以CAD、Surfer、ANSYS、FLAC3D4種軟件在建模前處理中的特點構建了滑坡三維動態建模DSAF集成系統，見圖1。

圖1 滑坡三維動態建模DSAF集成系統結構圖

首先，通過前處理DXF文件提取滑坡三維建模原始數據；然后，導入Surfer軟件進行網格化插值形成地形和滑面空間曲面網格數據文件；在此基礎上，利用APDL二次開發語言形成滑坡實體網格建模命令流，導入ANSYS軟件形成滑坡三維實體網格模型，生成單元信息數據文件和單元節點坐標數據文件；最后，利用Fish二次開發語言形成模型轉換命令流，導入FLAC3D生成滑坡三維數值模型。

1.2 滑坡三維建模原始數據提取

滑坡三維地質建模所需的原始數據主要由地形信息數據、滑坡周界空間數據及控制點(鉆孔)信息數據3部分構成，以上3種數據均可從CAD處理后的DXF文件中獲取。

1.2.1DXF文件結構

1個完整的DXF文件一般由4個段(HEADER段、TABLES段、BLOCKS段、ENTITIES段)和1個文件尾組成[3]。其中ENTITIES段記錄了CAD圖形中每個圖形對象的名稱、所在的圖層名稱、線型名、顏色號、基面高度、厚度，以及有關的幾何數據，是提取建模信息數據的關鍵段。

DXF文件本質上由一系列組碼和組值組成。每個段由若干個組碼和組值對組成，每個組對在DXF文件中占2行，第1行為組碼，第2行為組值。DXF文件每個段均以1個組碼為0，組值為SECTION的字符串開始；以1個組碼為0，組值為ENDSEC的字符串結束。整個DXF文件以1個組碼0，組值為EOF的字符串結束。在滑坡建模原始數據提取過程中所使用的主要組碼及含義見表1。

表1 DXF文件常用組碼及其含義

1.2.2DXF文件讀取與控制

滑坡三維地質建模需獲取3種不同類型的原始數據，為此需在CAD模型下設置相應的圖層及實體圖元進行控制性讀取。對于地形信息數據而言，CAD模式下默認的實體圖元類型為二維多義線AcDbPolyline；對于滑坡周界信息數據及控制點信息數據而言，可用三維多義線沿等高線切取，形成三維多義線AcDb3dPolylineVertex實體圖元類型。在CAD前處理完成的基礎上，即可通過設置的圖層名和實體圖元類型2個控制變量讀取上述3種類型的原始數據。

1.3 地形與滑面空間曲面數據構建

通過DXF文件提取的等高線節點數據即可形成地形信息數據文件，通過滑坡周界空間數據及控制點信息數據即可形成滑面信息數據文件。由于從DXF文件提取的信息數據空間離散性較大，不利于建模軟件形成連續的空間曲面，為此需對提取的原始信息數據進行網格化插值，以形成連續的空間曲面數據。

Surfer作為專用的地形處理軟件，具有強大的插值功能，提供了12種插值函數，能迅速地將離散點數據通過網格化插值轉換為連續的曲面數據。為此，可通過VB與Surfer的無縫連接，調用Surfer Kriging空間插值函數構建地形與滑面空間曲面數據，其關鍵步驟如下：

‘創建ActiveX對象

Dim SurferApp As Surfer.Application

Set SurferApp=CreateObject(“Surfer.Application”)

‘Kriging網格化插值生成方法

SurferApp.GridData(InFile, NumCols, NumRows, SrfKriging, OutFile, SrfGridFmtXYZ)

其中：InFile為輸入的數據文件名(地形或滑面信息數據文件)；NumCols、NumRows為插值網格的列數和行數；SrfKriging為Kriging網格化插值方法；OutFile為輸出的網格化數據文件名；SrfGridFmtX、Y、Z為輸出的數據格式(X、Y、Z坐標)。

1.4 滑坡三維實體網格模型建立

1.4.1滑坡三維實體網格模型構建方法

滑坡三維實體網格模型構的關鍵點是滑床與滑體三維實體模型的構建及其網格劃分，其實現具體步驟如下。

1) 地形三維實體模型構建。①按行提取網格化地形數據文件中網格節點的三維坐標，形成關鍵點，并用樣條函數擬合該行上所有關鍵點，形成樣條線；②將所生成的樣條線利用ANSYS蒙皮技術形成地形曲面；③通過設置的模型底部高程、地形曲面邊界線以及拐點坐標，形成模型左右側面、前后側面及底面。

2) 滑體與滑床三維實體模型構建。①將Surfer網格化的滑面數據形成滑面空間曲面；②利用滑坡周界在Z方向上的投影點數據形成封閉的二維曲面(X、Y方向)，并利用ANSYS拉伸技術，將該二維曲面拉伸成空間柱體，進而利用ANSYS布爾操作，用滑面曲面切割該柱體形成上下隔離體；③利用體切割技術，用上隔離體切割地形三維實體模型形成滑體與滑床三維實體模型。

3) 滑體與滑床實體模型網格劃分。①設置滑體與滑床各自的單元類型(SOLID45)、材料模型及網格劃分的形狀與尺寸大小；②用自由網格劃分模式劃分滑體網格，若無法劃分則改用映射網格劃分模式劃分滑體網格；③按滑體網格劃分的思路，劃分滑床網格。

1.4.2VB對ANSYS的封裝調用

1) 利用VB控制平臺對APDL編寫的建模命令流進行后臺封裝，然后調用ANSYS應用程序，對APDL命令流進行批處理。VB封裝ANSYS的關鍵步驟如下。

‘創建與啟動ANSYS應用程序

Dim Ansyspath As String

Ansyspath=GetAppPath(“ansys.exe”)

Shell(Ansyspath-b -i Infile-o OutFile)‘判斷ANSYS計算結束

在ANSYS運行期間，file.bat是不可寫的，只有當ANSYS運行完畢時，file.bat文件才可寫。為此可將該文件作為判斷ANSYS是否計算完畢的標志。

1.5 滑坡三維數值模型建立與轉換

ANSYS模型轉化為FLAC3D模型的關鍵點就是將ANSYS單元信息數據文件(ELE.DAT)和單元節點坐標數據文件(NODE.DAT)轉化為FLAC3D可識別的數據文件。對于滑坡三維數值模型而言，五面楔形體、五面錐形體、四面體3種單元類型基本能滿足建模的需要。這2種軟件所采用的單元節點編制對應關系[4]見表2。

表2 ANSYS與FLAC3D單元數據關系對照表

根據上述FLAC3D與ANSYS單元數據轉換關系，即可借助FLAC3D內嵌的Fish語言將ANSYS實體網格建模導出的單元信息文件(ELE.DAT)和單元節點坐標文件(NODE.DAT)轉化為后綴為*.Flac3D的數值建模文件。該過程實現的關鍵步驟如下[5]。

1) 節點坐標轉換。ANSYS導出的節點坐標信息文件格式如下。

NODE X Y Z

1 0.0000 0.0000 214.54

利用轉換程序產生節點坐標的FLAC3D命令格式如下。

*GRIDPOINTS

G 1 0 0 214.54

2) 單元信息轉換(以四面體為例)ANSYS導出的單元信息文件格式如下。

ELEM MAT TYP REL ESY SEC

1 1 1 1 0 1

NODES

1 2 3 3 4 4 4 4

利用轉換程序產生單元的FLAC3D命令格式如下。

*ZONES

Z T4 1 1 2 3 4

3) VB對FLAC3D的封裝調用。FLAC3D與ANSYS一樣均支持命令流操作，所不同的是FLAC3D命令流采用Fish語言編寫，其具有難以表達結構清晰的程序，不能提供圖形化輸入界面等缺點。為此，可借助VB控制平臺對Fish語言編寫的命令流進行后臺封裝，然后調用FLAC3D應用程序，對Fish命令流文件進行批處理，其關鍵步驟如下。

‘創建與啟動FLAC3D應用程序

Dim Flac3Dpath As String

Flac3Dpath=GetAppPath(“f3300 .exe”)

Shell(Flac3Dpath)

‘讀入FLAC3D命令流文件

SendKeys “CALL FLAC3D-CAL.txt”, True

2 滑坡三維動態建模DSAF系統開發

2.1 DSAF系統開發總體思路

首先，在CAD前處理的地形地質數據文件(*.DXF格式)中提取滑坡三維建模的原始數據信息，將其導入Surfer軟件生成經過網格插值后儲存了地形和滑面空間曲面網格數據的*.txt文件；然后利用APDL語言編寫ANSYS可讀取的*.txt滑坡三維實體網格建模命令流，將其導入ANSYS軟件，生成三維實體網格模型的單元信息數據文件(ELE.DAT)和單元節點坐標數據文件(NODE.DAT)；在此基礎上，利用Fish語言編寫的ANSYS與FLAC3D轉換程序，生成FLAC3D可以讀取的*.Flac3D三維數值建模文件；待FLAC3D三維數值模型建立后，利用FLAC3D內嵌的Fish語言，對其賦予相關物性、巖石力學物理或水力學參數、邊界條件等，生成FLAC3D可以讀取的*.txt滑坡三維數值模擬文件，見圖2。

圖2 滑坡三維動態建模DSAF系統開發框架圖

2.2 DSAF系統滑坡三維動態建模流程

1) 基礎資料前處理部分。①根據滑坡范圍在CAD模式下設置計算模型的范圍，并將所有的等高線歸并到一個圖層下，設定地形圖層名；②用三維多義段(3dpoly)沿地形等高線圈定滑坡周界、連接控制點，并設置滑坡周界和控制點圖層；③將處理完畢的CAD模型另存為*.DXF文件格式。

2) CAD TO ANSYS轉換部分。①通過*.DXF文件提取地形、滑坡周界和控制點的三維坐標數據，并將滑坡周界和控制點數據歸并為滑面信息數據文件；②利用Surfer軟件中的克里金插值算法按照一定的縱橫網格間距對地形數據和滑面數據進行插值計算，形成地形曲面和滑面空間曲面網格數據；③按照滑坡三維實體網格模型的建模方法，利用APDL語言編寫三維建模命令流文件。

3) ANSYS TO FLAC3D轉換部分。①后臺啟動ANSYS軟件，讀入APDL編寫的建模命令流文件，建立滑坡三維實體網格模型，并導出網格模型單元信息數據文件和單元節點坐標數據文件；②根據ANSYS模型與FLAC3D模型的轉換關系，利用Fish語言編寫的模型轉換命令流，形成滑坡三維數值模型；在此基礎上，利用Fish語言設置材料物性、力學參數及邊界條件等，生成滑坡三維數值模擬計算命令流；③后臺啟動FLAC3D軟件，讀入Fish編寫的命令流文件，進行數值模擬計算。

2.3 DSAF系統功能介紹

啟動軟件進入CAD TO ANSYS模塊界面，見圖3。在此界面下操作：①點擊相應的“讀入菜單”讀入*.DXF文件，獲取建模原始數據；②設置插值網格單元的橫列數，點擊相應的“網格化”菜單，后臺調用Surfer生成地形和滑面曲面網格數據；③設置滑體和滑床的材料屬性及網格劃分的尺寸，點擊“數據保存”菜單，生成APDL編寫的滑坡三維實體網格模型建模命令流文件(*.txt)。

圖3 CAD TO ANSYS模塊界面

在CAD TO ANSYS模塊界面操作完成的前提下，進入ANSYS TO FLAC3D模塊界面，見圖4。

圖4 ANSYS TO FLAC3D模塊界面

在此界面下操作：①點擊“模型轉換”菜單，后臺調用ANSYS軟件，讀入APDL編寫的建模命令流文件，生成用Fish語言編寫的FLAC3D建模命令流文件；②設置滑體和滑床的材料屬性，點擊“數據保存”菜單，生成用Fish語言編寫的數值模擬計算命令流文件；③點擊“FLAC3D計算”菜單，調用啟動FLAC3D軟件，讀入Fish編寫的數值模擬計算命令流文件，進行數值模擬計算。

3 工程應用實例

3.1 工程概況

棗樹坪滑坡位于奉節縣鶴峰鄉文鋒村大溪河左岸斜坡地段，滑坡體平面形態呈“圈椅形”，滑坡前緣直抵大溪河，地形坡度20°～30°，后緣地形坡度40°～50°。滑體物質主要為第四系全新統滑坡堆積層，巖性為粉質黏土夾碎塊石，滑體厚度15.6～23.3 m，中后部滑體厚度較大，中前部滑體厚度較小。滑帶位于第四系粉質黏土夾碎塊石與下伏砂巖、泥質粉砂巖之間，滑面形態呈折線形，滑坡后部滑面傾角較陡，約為35°，至滑坡前部滑面傾角漸緩。滑床為三疊系中統巴東組(T2b)的泥質粉砂巖組成，巖層產狀為148°∠27°。

3.2 滑坡三維數值模型建立

3.2.1計算模型范圍確定

根據滑坡范圍選取滑坡三維數值計算模型的范圍，其中順河軸線方向取680 m，垂直河軸線方向取710 m，垂直深度取高程0～+400 m，即模型的長、寬、高尺寸為680 m×710 m×400 m。

3.2.2CAD模式下基礎資料前處理

三維數值建模前處理部分主要是在CAD模式下進行平面圖圖層控制處理和剖面圖滑面數據控制處理，并另存為*.DXF文件格式。經處理后的棗樹坪滑坡平面圖和剖面圖見圖5和圖6。

圖5 棗樹坪滑坡三維建模前處理平面圖

圖6 棗樹坪滑坡三維建模前處理剖面圖

3.2.3滑坡三維數值模型建立

在前處理工作完成的基礎上，啟動軟件進入CAD TO ANSYS模塊界面，讀入前處理平面圖數據文件(*.DXF)，并根據剖面圖輸入控制點的滑體厚度。點擊“數據保存”菜單后，啟動ANSYS TO FLAC3D模塊界面，點擊相應的菜單，即可建立基于FLAC3D環境的三維數值模型，整體及剖面數值模型分別見圖7和圖8。

圖7 棗樹坪滑坡三維數值模型 圖8 棗樹坪滑坡剖面數值模型

4 結語

1) 本文提出通過DXF文件提取滑坡三維建模原始數據，導入Surfer軟件進行網格化插值形成地形和滑面空間曲面網格數據；通過APDL語言形成滑坡實體網格建模命令流，導入ANSYS生成單元信息數據文件和單元節點坐標數據文件；通過Fish語言形成模型轉換文件，導入FLAC3D生成滑坡三維數值模型的建模方法。

2) 以VB為控制平臺，以CAD、Surfer、ANSYS、FLAC3D4種軟件的接口技術與二次開發技術為基礎，構建了基于DSAF集成系統的動態建模平臺。在此基礎上，以數據文件為傳輸媒介，實現了DSAF集成系統的無縫連接。

3) 該系統具有數據準備簡單、人機交互性強、簡單明了、操作方面等特點。工程實例驗證了該系統的建模功能和適用性，該系統從基礎資料的前處理到滑坡三維數值模型的建立整個過程僅需5 min左右，大大提高了建模的效率。