通用三維地質模型及數值網格快速構建方法

葉爾布蘭·瓦黑提 何 祥

（1.哈密市職業安全檢驗檢測中心；2.中冶北方（大連）工程技術有限公司）

邊坡工程及地下工程地質條件極為復雜，各種地質界面和結構面相互交織，如何高效、準確地建立復雜地質和工程結構條件下通用三維地質模型，是研究邊坡工程、地下工程穩定性問題的基礎［1］。將通用三維地質模型和大型數值軟件相結合，采用數值計算方法模擬工程施工，是解決采礦工程、巖土工程安全穩定性問題的重要手段。

常見礦業工程軟件，如3DMINE、DIMINE、SURPAC等，均采用基于不規則三角網結構（TIN）的三維地質模型數據結構。TIN文件與數值計算網格剖分軟件在數據格式方面兼容性較差，不利于實現三維地質模型與數值計算網格剖分的無縫銜接。Rhinoceros軟件平臺采用NURBS曲面三維數據結構，較TIN數據結構可大大減少數據冗余，且具備多種幾何文件輸出格式［2］，是作為通用三維地質建模的理想平臺。

不同數值計算軟件，網格文件采用不同數據格式。數值計算軟件幾何建模及網格剖分的學習成本較高，工程技術人員常常疲于學習軟件基本操作，不利于數值計算方法的應用普及。通用數值計算網格剖分程序Hypermesh不僅可以導入多種幾何文件［3］，而且可以輸出多種數值軟件計算網格和靈活的開發轉 換 接 口。Hypermesh可 為ANSYS、ABAQUS、FLAC3D等大型巖土工程數值計算軟件構建計算文件或網格文件。

因此，提出基于3DMine進行地質資料整理，利用NURBS曲面建模技術進行通用三維地質模型建立，采用Hypermesh通用數值網格剖分軟件進行數值網格剖分的思路。該方法打通了地質建模及數值軟件間的文件兼容差的弊端，化繁為簡，實現了快速建立工程數值計算模型。

1 常用三維地質模型數據結構

三維地質建模的關鍵是三維數據結構，三維數據結構指對三維空間數據按照一定的規則進行組織，以精確反應空間實體的集合形態和拓普關系，可分為基于曲面表示的數據結構和基于體元表示的數據結構兩大類［4］。其中曲面數據結構有網格結構、形狀結構、面片結構（TIN）、參數函數結構（如NUBRS）、解析函數結構等，在地質建模中得到廣泛應用。

1.1 基于TIN的三維數據結構

隨機三角形格網（TIN）被廣泛用于隨機分布數據的DTM的建立，特別是Delaunay三角形格網，由于其唯一性和良好的三角形性質而被認為最適宜于表面逼近［5］。基于TIN三角剖分法進行地質體構建，是常見的三維地質模型三維數據結構，可較為精確的模擬地質體形態，得到了廣泛的應用。3DMINE、DIMINE、SURPAC等大型礦業工程軟件均基于TIN數據結構研發，TIN數據結構的三維地質模型實例如圖1所示。但該方法數據存儲量大，面片節點多，轉化為數值計算網格質量難以控制，難與數值計算軟件通用。

1.2 基于NUBRS曲面的三維數據結構

NUBRS曲面建模技術能夠比傳統網絡建模方式更好的控制物體的曲面度，從而創建出更生動、逼真的造型。NUBRS曲面是專門針對三維建模而建立的，具有幾何不變性，為進一步邊坡、地下工程等地質結構界面、工程對象建模提供了可靠的方法［4］。

Rhinoceros軟件平臺是采用NUBRS曲面建模的典型代表，其在工業設計等領域解決復雜曲面結構造型方面具備極大地優勢。因此，可采用其進行地質結構、工程對象的三維建模，可較TIN數據結構礦業工程軟件更好模擬地質界線曲面變化?；贜UBRS曲面地質模型實例見圖2。

Rhinoceros軟 件 具 備AutoCAD、ACIS、IGES、Parasolid、SolidWorks、STEP等30余種文件格式輸出能力，較TIN數據結構可更好為數值計算網格剖分軟件提供幾何平臺。

2 基于NUBRS曲面的通用三維地質建模方法

傳統地質勘察資料往往以剖面圖、鉆孔柱狀圖的形式存儲于dwg、dxf、MapGIS等文件格式中，在建立三維地質模型的過程中，需要對這些資料轉化為三維空間數據（線、點）。三維地質建模建模和網格剖分思路見圖3所示，主要流程如下。

首先，應對地質勘察基礎數據（地形圖、地質平剖面圖、鉆孔數據庫）進行解析和工程方案設計資料進行整理，獲取曲面建模所需的、等高線、巷道腰線、開挖邊界、地層、斷層等基礎數據。這一步可采用AutoCAD或3DMine等礦業工程軟件完成，通常整理為dwg、dxf、點云和數據庫格式。

其次，將上一步完成的空間三維點、線數據，導入Rhinoceros平臺，采用放樣、拉伸、點云生成面等方式建立地形DTM、地質界面（如礦體面、斷層面、軟弱帶等）和工程界面（如巷道面、礦塊、邊坡開挖邊界等），根據后續網格剖分需要建立適當的輔助曲面。

最后，采用由面到體的方式，結合Rhinoceros布爾運算功能，生成地質體、工程三維實體模型。上述方法建立的幾何模型還可以直接提供于Hypermesh、ANSYS、ABAQUS等數值計算軟件進行網格構建，因此該方法生成的三維地質模型具有通用性。本研究介紹建Hypermesh網格剖分的方法，因此需采用*.x_t格式文件輸出幾何模型，以便導入Hypermesh軟件進行網格剖分。

3 基于Hypermesh的通用網格劃分

3.1 Hypermesh網格剖分方法

Hypermesh幾何模型的建立是基于Rhinoceros導出的*.x_t格式文件導入成的。幾何文集導入Hypermesh后，首先需利用Hypermesh幾何清理、縫隙縫合、復雜曲面修補等功能完善實體模型。其次，利用Hypermesh網格劃分功能對實體模型進行網格劃分，剖分的方式有四面體網格剖分、六面體放個剖分和混合剖分等模式。最后，對剖分完成后需要對網格進行質量檢查、連續性檢查、調整優化等，以達到需要的精度要求。Hypermesh網格剖分實例見圖4。

3.2 數值計算軟件程序接口

針對ANSYS和ABAQUS計算文件，可直接在Hypermesh中進行參數賦值、邊界條件確定、計算過程確定等，導出相應的計算文件即可。針對FLAC3D計算文件，需導出相應單元節點坐標和單元信息文件，通過編制格式轉換軟件實現FLAC3D計算網格構建，Hypermesh網格轉換為FLAC3D計算網格實例見圖5。

將Hypermesh單元、節點文件轉換為FLAC3D數值計算網格文件的方法已有較多研究［6-8］。其基本思路是通過對Hypermesh的四面體tetra4、金字塔pyramid5、三棱臺penta6、六面體hex8單元節點、單元順序進行調整，將其轉化為FLAC3D網格文件*.flac3d。

3 工程實例

黑溝鐵礦是酒鋼鏡鐵山礦主要礦區，其海拔高度約4 000 m，采用露天開采方式生產規模為450萬t/a。黑溝礦區東端幫邊坡受結構面控制，礦體褶皺端部構造作用明顯，在礦巖交界面處易發生順層面滑坡。2015年8月，東端幫邊坡開始出現裂縫，并逐漸發展為連續滑坡周界，威脅礦山正常生產［9］。

采用上述方法建立滑坡區三維地質模型和數值模型，進行滑坡區滑坡機理和穩定性分析，主要模型建立步驟如下。

（1）地質資料解析。結合工程地質勘察，生產勘探等平面圖、剖面圖等資料，利用Rhinoceros軟件進行地層界線、地質構造、地形等控制點建立三維曲面模型，如圖6所示。

（2）將建立的界面模型導入Hypermesh軟件，在Hypermesh軟件中采用布爾運算的方式生成實體模型，并利用其前處理功能進行幾何清理、縫隙縫合、復雜曲面修補等。如圖7所示。

（3）采用四面體單元劃分網格，合理進行質量控制，數值模型尺寸為580 m×515 m×482 m，數值模型共有節點139 699個，單元772 978個。

4 結論

（1）基于Rhinoceros軟件平臺采用NURBS曲面建模技術構建三維地質模型，能夠大大簡化TIN結構復雜性，提高建模效率和幾何文件的兼容性，滿足數值計算對模型的要求。

（2）基于Rhinoceros幾何模型，采用Hypermesh進行數值計算網格剖分，打通了地質建模及數值軟件間的壁壘，利于實現三維地質模型到數值計算模型的快速轉換，大大降低工程技術人員學習軟件的成本。

（3）將本研究提出的方法應用于某露天礦邊坡開采過程計算網格建模，表明該方法是可靠的和高效的，值得進一步推廣。