三維地質建模與數值模擬關鍵技術研究

劉先林，唐正輝

(廣西壯族自治區交通規劃勘察設計研究院，廣西　南寧　530029)

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三維地質建模與數值模擬關鍵技術研究

劉先林，唐正輝

(廣西壯族自治區交通規劃勘察設計研究院，廣西南寧530029)

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

地質建模；數值模擬；真三維；GOCAD；FLAC3D；SURFER；ANSYS；MIDAS

0　引言

我國傳統地質勘察與巖土設計成果多以平面圖、剖面圖、柱狀圖等二維形式展示，直觀性較差，不能充分表現復雜地質體和計算結果的空間分布規律。隨著計算機技術的不斷發展，在越來越多的復雜工程和大型項目中迫切需要引進三維地質和數值分析技術，以解決復雜地層的工程評價和巖土設計問題。然而，由于地質體的復雜性，常規數值計算軟件較難擬合復雜地層面，故數值分析人員在三維地質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，

如何提高三維地質建模與數值計算的效率和精度便成了急需解決的難題。

目前，工程地質領域常用的三維地質建模與巖土數值分析相關軟件有GOCAD、CATIA、SURFER、ANSYS、MIDAS、FLAC3D、ABAQUS等，各軟件均有各自獨特的優點，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值分析問題，由于軟件多屬不同商家，各軟件之間缺少現成互動轉換接口，這在一定程度上限制了三維地質建模與數值分析技術的發展和推廣應用。其中，GOCAD(Geological Object Computer Aided Design)地質建模軟件是法國Nancy大學開發的主要應用于地質領域的三維可視化建模軟件，具有強大的三維建模、可視化、地質解譯和分析的功能，能快速精確地建立復雜地層面、地質體和Sgrid網格模型，方便將建立的地層面導入數值分析軟件生成地質體，也可將Sgrid網格模型直接導出到數值分析進行計算分析，大大提高了工作效率，解決了數值軟件處理建模困難的問題。考慮到GOCAD的強大功能及其在地質體表達的獨特優勢，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建模與數值分析軟件的基礎上，將各軟件的使用關鍵技術和數據轉換方法進行了總結、提煉和集成，并在實際工程中得到了良好運用。

1　三維地質與數值模擬結合思路

目前，國內外流行的數值模擬軟件都具有一定三維建模前處理能力，能解決規則幾何體和結構物建模問題，但由于地質體的復雜性，通常需要借助專業三維地質建模軟件建立復雜地層或地質體，然后再導出地層曲面或地質體到數值分析軟件中進行模擬計算。三維地質建模與數值模擬分析常用的幾種結合思路如下：

1.1GOCAD網格模型導入數值模擬軟件

根據前期勘察資料，在GOCAD中建立復雜三維地層面，并生成三維地質體的SGRID網格模型，利用數據轉換接口將SGRID模型導入到FLAC3D、ANSYS或ABAQUS等數值分析軟件中進行計算。由于GOCAD軟件中生成的SGRID網格多為均勻網格，優點是網格質量較好，缺點是對形狀十分復雜的地質體和結構物生成網格有一定困難，故該類方法一般適合于相對簡單的數值計算模型和計算工況。

1.2GOCAD→SURFER→數值模擬軟件

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雜的地形、地層、斷裂構造及其它異形曲面，而SURFER軟件在處理高程數據和加密網格數據方面也有十分獨特的優勢，故可綜合利用GOCAD和SURFER軟件將相對稀疏的地質勘察數據進行網格加密，生成其它數值模擬軟件可以讀取的曲面坐標網格數據，然后在MIDAS或ANSYS數值軟件中進行復雜地質和結構物的三維建模。該類方法的優點在于可以按數值模擬分析的側重點進行結構建模和網格劃分，數值分析操作非常方便，后期計算可編輯性強。

1.3GOCAD→CATIA→數值模擬軟件

CATIA是由法國達索系統(Dassault Systemes S.A.)公司開發的三維CAD設計平臺，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據接口轉換功能，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等數值模擬軟件中進行網格劃分和數值計算。該種方法也具有數值分析操作方便、后期計算可編輯性強的優點。

2　三維地質建模關鍵技術

2.1關鍵理論技術

(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的節點來模擬地質體。已知節點和地質學的典型信息被轉化為線性約束，引入到模型生成的全過程。利用此技術來構建地質曲面，對采樣數據少的區域，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，還可考慮到地質變量本身的特性，因此對地質變量的統計分析能達到很好的效果。

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

以上DSI優點決定了其在三維地質建模中的重要地位，并已成熟運用于石油、礦產、水利水電等領域的復雜地層和構造建模。

(2)網格單元格式轉換

經過對GOCAD SGRID、ANSYS、MIDAS、ABAQUS和FLAC3D網格單元的深入研究，發現前4種軟件的六面體單元形狀、節點編號和節點順序均基本相同，而FLAC3D單元的節點編號和節點順序有較大差異，若能將各軟件的網格單元和節點數據按需要轉換成的軟件識別格式進行重新編排，則可實現各軟件之間的數據轉換，方便進行計算比較和充分發揮各軟件的專長優勢。下面舉例簡單說明各軟件六面體單元的對照關系。

(a)

(b)

從圖1可知，前4種(a)軟件的網格單元節點排列順序是先沿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個節點是符合“右手法則”，由于各軟件之間沒有現成的網格單元轉換接口，則需要按上述原則編制程序接口，以實現各軟件之間的數據轉換。在編制程度接口過程中，一般需執行節點數據轉換、單元數據轉換、單元分組和數據信息輸出等幾個步驟。

2.2GOCAD建模關鍵技術

(1)點數據生成

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

(2)線數據生成

線數據主要為地形與地層面等高線、模型邊界、結構物輪廓線、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，File→Import Objects→Cultural Data→DXF；②Curve→new→From Curves/Surfers-Contours等；③在窗口界面中鼠標點擊。

(3)面數據生成

面數據主要為地形面、地層面、地下水面、斷層構造面、建筑結構面等，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為網格模型對象。由于僅SGrid網格與數值模擬軟件的網格較為相近，故重點介紹SGrid網格模型的生成步驟：①先執行SGrid→new→From Objects Box/Cage/Corners等生成網格框架，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模型。

2.3SURFER建模關鍵技術

一般工程地質勘察鉆孔和地質調查資料較為有限，若直接采用GOCAD軟件建模易出現異常凸起或深凹現象，曲面不夠光滑，與實際地質情況不符。通常可采用GOCAD軟件將地形、地質界面、鉆孔與調繪等三維地質信息提取后輸入SURFER軟件中加密網格數據為*.grid格式文件，另存為*.DAT格式，即生了MIDAS及其它數值分析軟件可讀取的面文件格式。具體流程如下：三維地質信息數據(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或其它數值分析軟件中建立三維地質模型。

2.4MIDAS建模關鍵技術

根據SURFER軟件加密的空間網格數據，利用MIDAS GTS軟件生成三維地質模型，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→開挖與支護結構建模→網格劃分與數值計算。注意在SURFER軟件中各地層在X與Y方向的加密網格數量應保持一致，這樣在MIDAS GTS中生成的曲面范圍才一致。

2.5CATIA建模關鍵技術

根據前期準備的三維地質建模基礎數據，利用GOCAD中建立地形和地質界面，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等數值分析軟件中導入，并進行網格劃分和數值計算。

2.6ANSYS建模關鍵技術

根據SURFER軟件加密的空間網格數據，利用ANSYS軟件生成三維地質模型，具體操作流程如下：采用編制開發的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界面→建立長方體→利用曲線切割長方體生成三維地質模型。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鍵點→生成等高線→利用蒙皮技術生成地質曲面。

3　工程實例應用

廣西某高速公路路塹邊坡長約290 m，原設計坡率為1∶1、1∶1.25、1∶1.5，為三級邊坡，最大挖方高度約25.2 m。按原設計坡率開挖至路槽后發生大規模滑坡，主滑方向長約60 m，沿路線方向寬度約110 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粉砂巖、中風化灰巖組成。施工期間共補充勘察了26個鉆孔，為三維地質建模提供了基礎數據。下面以該滑坡為例詳細介紹2種典型的三維地質建模與數值模擬分析結合方法。

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容，得到的面模型見圖2，在建立好Model3D實體模型后，創建了150×150×150節點的SGRID網格模型，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，將三維模型中的數據文件通過數據接口程序轉入FLAC3D中(如圖4所示)，則可進行數值計算，由于GOCAD生成的SGRID模型網格較密，單元數量約180萬個，數值計算的工作量極大，故此處不再進行數值計算演示。若欲用此類方法進行數值計算，則需綜合考慮模型精度和計算量后決定建立合理的SGRID網格節點密度。

圖2　GOCAD三維地層結構與開挖面示意圖

圖3　GOCAD三維地質SGRID模型圖

圖4　GOCAD　SGRID轉FLAC3D模型圖

3.2GOCAD/SURFER-ANSYS-FLAC3D方法

由于該滑坡牽引滑動面積大，地質條件復雜，且工程預算和施工工期緊張，經過詳細抗滑樁與加筋柔性擋墻方案比選后，決定先根據地質條件采用坡率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、邊坡的變形與穩定性分析等，下面采用三維地質模型與數值模擬方法進行論述。

(1)建立ANSYS三維地質模型

該滑坡新三維模型中加入了筋柔性擋墻范圍，重點分析區域需加密網格間距。在GOCAD和SURFER生成了各層面*.dat數據，利用ANSYS生成三維地質模型和劃分網格，三維地質模型見圖5。

圖5　ANSYS三維地質模型圖

(2)FLAC3D數值模擬模型

利用數據程序轉換接口將ANSYS的單元和節點文件導出成*.Flac3D格式，在FLAC3D利用File→import Grid導入.Flac3D文件。構建的四面體網格有205149個單元，39291個節點，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格模型圖

(3)FLAC3D數值計算結果

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三維數值模擬，主要得出如下結論：

①邊坡按原設計坡率第一次開挖工況的穩定性系數<1.0，數值計算變形分布區域與現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，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，穩定性系數為1.43，與高速公路通車后該邊坡近半年的監控變形值較為接近，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　結語

文章針對三維地質建模與數值分析效率低、精度差、兩者良好結合困難等現狀，在研究各類相關軟件與技術方法的基礎上，首先提出了多種三維地質建模與數值模擬計算相結合的有效方法；然后重點論述了離散平滑插值DSI法和網格數據格式轉換理論，GOCAD的點、線、面、體生成技術，以及SURFER、MIDAS、CATIA及ANSYS等建模關鍵技術和操作流程；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值分析結合的方法。

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模型，利用編制的數據格式轉換接口程序，可生成FLAC3D、MIDAS NX和ANSYS等數值模型，并進行真三維數值模擬計算分析。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，提高了三維地質建模與數值模擬計算分析在巖土工程中的使用效率，值得廣泛應用和推廣。

[1]李敦仁，等.GOCAD三維地質建模技術基礎應用教程[M].成都：西南交通大學出版社，2012.

[2]盧玉南.工程地質數理模型研究[M].成都：西南交通大學出版社，2013.

[3]李治.Midas/GTS在巖土工程中應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2013.

[4]王海濤.MIDAS/GTS巖土工程數值分析與設計[M].大連：大連理工大學出版社，2013.

[5]孫書偉，林杭.FLAC3D在巖土工程中的應用[M].北京：中國水利水電出版社，2011.

[6]陳育民，徐鼎平.FALC/FLAC3D基礎與工程實例[M].北京：中國水利水電出版社，2011.

[7]李圍.ANSYS土木工程應用實例[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

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，FLAC3D，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：公路勘察設計；

唐正輝(1975—)，高級工程師，主要從事工程地質勘察與巖土工程設計工作。

課題項目

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