淺析數(shù)值模擬軟件在地質(zhì)學中的應用

摘 要：隨著計算機技術的進步，數(shù)值模擬技術已經(jīng)被廣泛的應用到地質(zhì)學科里，極大地促進了地質(zhì)學科的發(fā)展，文章介紹了數(shù)值模擬的基本原理和特點，介紹了FLAC3D、ANSYS、GMS等軟件在巖土工程、地質(zhì)構造、水文地質(zhì)等方面的應用。

關鍵詞：數(shù)值模擬；地質(zhì)：FLAC3D；ANSYS；GMS

隨著現(xiàn)代科學技術在計算機領域的不斷發(fā)展，數(shù)學模擬和數(shù)值模擬技術的地位越來越重要。物理模擬方法有助于人們理解構造變形過程和動力學作用過程，但它存在嚴重的時空尺度局限性，不能有效地模擬地質(zhì)構造形態(tài)的復雜性、地球介質(zhì)分布的不均勻性及巖石物理性質(zhì)的多樣性。數(shù)值模擬方法可以綜合利用地質(zhì)、地球物理、地球化學等方法的研究成果，建立和模擬不受時空限制的各種地質(zhì)模型，是現(xiàn)代地球科學研究的重要方法之一。雖然計算機技術的進步推動了數(shù)值模擬技術的發(fā)展，但是，數(shù)值模擬涉及數(shù)學、計算機科學、地質(zhì)學、物理學、化學等大學科的交叉，具有較高的理論深度，這在一定程度上阻礙了數(shù)值模擬方法在構造變形研究中的推廣應用。

1 數(shù)值模擬基本原理

數(shù)值模擬是一種計算分析方法，包括有限元法、有限差分法、邊界元法、離散元法等，其中最適合用于地質(zhì)學科數(shù)值模擬的主要是有限元法和有限差分法。有限元法：是將連續(xù)的求解域離散為有限個單元的組合體，將連續(xù)的無限自由度問題離散成以未知場函數(shù)的結(jié)點值為未知量的有限自由度問題，通過求解高階代數(shù)方程組來求出這些未知量。有限差分法：是通過單元的離散化并得到一組代數(shù)方程組來進行求解的，因此它也可以適用于任意形狀的研究對象。

2 數(shù)值模擬方法特點

（1）通過數(shù)值模擬的方法，可以減少設計成本，降低設計風險，縮短設計周期。

（2）在工程應用中，很多情況下無法進行實驗，如有采礦問題等，數(shù)值模擬內(nèi)部程序有相應的計算方法，能模擬較復雜過程。

（3）直觀性與求解速度，數(shù)值模擬直觀性不如實驗方法好，較抽象，但可以快速得到結(jié)果。數(shù)值模擬成本低廉，可以任意施加各種方向上的載荷，可以達到實驗達不到的條件。數(shù)值模擬方法可以對各個區(qū)域、各個測點進行應力分析和位移分析。

3 數(shù)值模擬技術在地質(zhì)學科應用現(xiàn)狀

在地質(zhì)學科也引進了數(shù)值模擬技術，使地質(zhì)學科有了突破性發(fā)展，以下是幾種數(shù)值模擬在地質(zhì)學科中應用的介紹。

3.1 FLAC3D軟件的應用

FLAC即連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日分析，它是一種基于拉格朗日差分法的一種顯式有限差分程序。基于FLAC3D具有很強的解決復雜力學問題的能力，其在地質(zhì)學方面的應用范圍比較廣泛，在其地質(zhì)研究范圍主要集中在以下幾個方面：

一是在邊坡變形破壞方面[1]，由于傳統(tǒng)的方法不能有效的解決邊坡破壞問題，使用FLAC3D可以對邊坡的應力應變和位移變化進行數(shù)值模擬分析，更好地分析邊坡的穩(wěn)定性。二是在巖層傾角對順傾向邊坡地震效應的影響方面[2]，由于現(xiàn)有物理模擬研究中巖層傾角范圍較小，不能全面了解巖層傾角對邊坡地震效應的影響。利用FLAC3D可以精細模擬巖層厚度，建立地震作用下不同巖層傾角的邊坡模型。三是在巖土工程的應用[3]，利用FLAC3D可以分析裂隙巖體的強度、變形和滲透性等特性。

3.2 ANSYS軟件的應用

ANSYS具有強大的模擬分析能力，可以使許多復雜的地質(zhì)問題通過圖像呈現(xiàn)出來，使復雜問題簡單化，快速的得出結(jié)論，加快研究的步伐。目前在地質(zhì)學方面的應用程度在不斷深入，范圍也在不斷拓寬，主要為以下幾個方面應用：一是在地應力的數(shù)值模擬[4]，可以針對目前常用的三維地應力場數(shù)值模擬方法在維持地應力場分布規(guī)律和避免附加位移方面存在的缺陷，進行地應力場模擬方法的比較研究。二是在巖質(zhì)邊坡動力響應分析[5]，可以對不同高度和坡度的巖質(zhì)邊坡進行模態(tài)分析和地震加速度時程分析。三是在巖土參數(shù)優(yōu)化反分析和邊坡穩(wěn)定性分析[6]，可以對巖土體參數(shù)進行了彈-塑性確定性反分析，借助于APDL實現(xiàn)參數(shù)化確定性反分析。四是在爆破地震效應影響因素分析應用[7]，可以通過ANSYS軟件進行不同裝藥條件下爆破震動效應的數(shù)值模擬計算。

3.3 GMS軟件的應用

地下水模擬系統(tǒng)（GMS）具有強大齊全的地下水模擬功能，幾乎囊括了與地下水有關的所有模擬功能，包括地下水隨機模擬。GMS不僅具有地下水流模擬、地下水溶質(zhì)運移模擬的功能，在實現(xiàn)水文地質(zhì)結(jié)構可視化方面功能亦同樣突出[8]。

4 結(jié)束語

數(shù)字模擬在各領域的使用越來越廣泛，它的發(fā)展離不開數(shù)學家、物理學家、計算機技術人才和研究項目的專業(yè)人員的共同努力。在地質(zhì)學科方面還有對資源的研究，例如油藏方面，在地質(zhì)災害方面對地震的研究，還有近期在天文方面的研究，首次實現(xiàn)了對百萬恒星組成的球狀星團的多體模擬，為探測黑洞世界提供了重要線索。數(shù)值模擬技術還可能在更多學科方面發(fā)揮重要作用，只要我們敢于嘗試和實驗。

參考文獻

[1]曹蘭柱，孫成亮，王東，等.FLAC3D 的露天礦邊坡變形破壞數(shù)值模擬分析[J].遼寧工程技術大學學報（自然科學版），2016（7）：122-114.

[2]丁梓涵，趙其華，彭社琴，等.巖層傾角對順傾向邊坡地震效應的影響[J].地震工程學報，2015（4）：13-17.

[3]王宏偉，王攀，王永強，等.馬鋼凹山露天采場南幫邊坡監(jiān)測及穩(wěn)定性分析[J].金屬礦山，2016（3）：89-93.

[4]付金偉，朱維申，張敦福，等.滲流影響下巖石損傷和漸進破裂演化過程的數(shù)值試驗研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2015（1）：37-41.

[5]張慶蓮，侯貴廷，潘校華，等.Termit盆地構造變形的力學機制[J].大地構造與成礦學，2013（3）：65-69.

[6]張學東，言志信，張森.ANSYS在巖質(zhì)邊坡動力響應分析中的應用[J].西北地震學報，2010（6）：32-36.

[7]石長.基于ANSYS的巖土參數(shù)優(yōu)化反分析和邊坡穩(wěn)定性分析[J].南京航空航天大學，2006（6）：142-146.

[8]王麗霞，劉芳，唐澤軍.基于GMS的石羊河流域含水層空間結(jié)構變化的可視化研究[J].干旱區(qū)地理，2011（1）：113-117.

作者簡介：胡楊（1983-），男，講師，主要從事頁巖氣研究。