CN103793938A - 一种山地表面构造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种山地表面构造方法，其特征在于，该方法主要使用PFC3D中的三角形面的组合来实现山地造型，为减少人工和解决造型过程中一些问题，使用了Mathlab和Excel作为辅助工具；其包括如下步骤：PFC3D中山形网格的构建，山形数据的处理，山形构造结果；本发明可用于使用PFC3D进行复杂山地模拟而进行山地造型的问题提供一种可行的，工作量相对较小的方法。

Description

一种山地表面构造方法

技术领域

本发明涉及岩土工程，特别是涉及进行复杂山地模拟而进行山地造型。 

背景技术

地质灾害较多发生在地质结构复杂的区域，这些区域往往是崇山峻岭，在遇到地震、暴雨、洪水后往往产生地质灾害。为保证事先对这些灾害进行预警，就要对他们进行有效的分析。复杂地质条件下的灾害很难用解析手段进行处理，一般对于这种问题采取模拟的手段较为有效。这些灾害如果发生，主要后果可能就是山体上巨石的滚落，2008年后我国西南四川云南等地接连不断的地震使山体岩层的完整性遭到破坏，巨石沿山体滚落，有的掩埋了村庄，有的形成了堰塞湖。 

对于山体中有裂隙和节理分布的岩层，其中完整岩块可以看作是连续介质，岩块之间的裂隙可以看作是非连续介质，对于这种情况使用PFC3D模拟的效果较为明显。但是使用PFC3D建模时要考虑模拟的精确性和计算量，要着重于那些运动的岩体部分，将其模拟成颗粒；那些不动或相对运动很小的岩体部分可以模拟成面并设置其摩擦等相关属性即可。这样既保证了精确反应岩体的运动又降低了计算的成本。所以，如何能根据山地的实际情况使用PFC3D中的面进行山地造型就成了该类模拟的关键技术。 

PFC3D是Itasca公司2008年发布的一款高端产品，特别适合于复杂机理性问题研究。它是利用显式差分算法和离散元理论开发的微/细观力学程序，它是从介质的基本粒子结构的角度考虑介质的基本力学特性，并认为给定介质在不同应力条件下的基本特性主要取决于粒子之间接触状态的变化，适用研究粒状集合体的破裂和破裂发展问题、以及颗粒的流动等大位移问题。在岩土体工程中可以用来研究结构开裂、堆石材料特性和稳定性、矿山崩落开采、边坡解体、爆破冲击等一系列传统数值方法难以解决的问题。 

    颗粒流理论是通过离散单元法来模拟圆形颗粒介质的运动及颗粒间的相互作用，允许离散的颗粒单元发生平移和旋转，可以彼此分离并且在计算过程中重新构成新的接触。颗粒流方法中颗粒单元的直径可以是一定的，也可按高斯分布规律分布,可以通过调整颗粒单元直径调节孔隙率。它以牛顿第二定律和力-位移定律为基础，对模型颗粒进行循环计算,采用显式时步循环运算规则。根据牛顿第二定律确定每个颗粒由于接触力或体积力引起的颗粒运动(位置和速度)，力-位移定律是根据2个实体(颗粒与颗粒或颗粒与墙体)的相对运动，计算彼此的接触力。 

颗粒流理论基于以下假设: 

1)颗粒单元为刚性体;

2)接触发生在很小的范围内,即点接触;

3)接触特性为柔性接触,接触处允许有一定的“重叠”量;

4)“重叠”量的大小与接触力有关,与颗粒大小相比,“重叠”量很小;

5)接触处有特殊的连接强度;

6)颗粒单元为圆盘形.

颗粒流理论的接触本构模型包括接触刚度模型、库仑滑块模型和连接模型。其中，接触刚度模型分为

线弹性模型和非线形Hertz-Mindlin模型；连接模型分为接触连接模型和并行连接模型，接触连接模型仅能

传递作用力,并行连接模型可以承受作用力和力矩。

发明内容

本发明涉及到的方法主要使用PFC3D中的三角形面的组合来实现山地造型。为减少人工和解决造型过程中一些问题，使用了Mathlab和Excel作为辅助工具。 

由于PFC3D自身的FISH语言的局限性，作者不得不使用MATLAB和EXCEL作为工具处理一些问题，山形构建的流程如图1所示。 

第一部分： PFC3D中山形网格的构建 

用PFC3D已有的工具构建山形网格，以往构建PFC3D模型时使用的墙(wall)是四边形的，但是山形复杂，四个点很有可能不在一个平面上，所以这里使用三角形面构建山形网格。如图2~图3所示为网格的具体划分措施。

图2，为说明方便结合例子将网格划分为100×100m，每个网格1×1m。图中的i和j为程序实现时使用的变量。为使编程方便并考虑到使用三角形面，对网格进行进一步划分，网格拆分为沿正对角线对称的两部分三角形，这样便保证了三点可以确定唯一平面的几何特性。使用FISH进行网格构建时可将1×1m的网格作为一个循环单元，如图3所示，以每个单元的1点作为标志判断是否已建立了单元网格。在单元网格中，构造两个三角形网格，即构建两个有界三角形面。由于PFC3D中的面是单侧受限的，根据面的法线方向使用右手定则判断点的轴向，即下三角形构造的点序为1点→2点→3点，上三角形的点序为1点→3点→4点。每个点在三维坐标系中由三个值表示，即(x,y,z)。具体的FISH实现见如下代码。 

def do  %函数定义 

n=100    %网格数量（正方形网格）

nn=n-1

loop i(1,nn)

  loop j(1,nn)

    idd=2*n*(i-1)+j*2-1     %下三角形面编号

    iddd=idd+1     %上三角形面编号

    x1=(j-1)*1       %1点的坐标

    y1=(i-1)*1

    z1=xtable(i,j) 

    x2=j*1       %2点的坐标

    y2=(i-1)*1

    z2=xtable(i,j+1)

    x3=j*1       %3点的坐标

    y3=i*1

    z3=xtable(i+1,j+1)

    x4=(j-1)*1       %4点的坐标

    y4=i*1

    z4=xtable(i+1,j)

    command

    wall id=idd face (x1 y1 z1)(x2 y2 z2)(x3 y3 z3)

     %建立下三角形，面的性质可以在这里设置，也

可以构建完成后%统一设置

    wall id=iddd face (x1 y1 z1)(x3 y3 z3)(x4 y4 z4)     %建立上三角形

    plot wall

    end_command

end_loop

end_loop

end

第二部分：山形数据的处理

通过程序的可以看出，实现上述网格建立的关键是获得有效的xtable表。在FISH中视乎没有有效的数组表达形式，无法像MATLAB那样方便的操作数组。xtable是FISH中的关键字，可以表示一个二维数组。根据上节构造的网格特点，X方向和Y方向是等距划分的，间隔1m，可以用线性数值表示（不必使用数组）。Z(高程)方向的数据是杂乱的，所以要使用xtable存储。问题在于在FISH中，无法方便的进行赋值，如本文构造的山形100×100=10000个毫无规律的数值，不可能全部人工赋值。

这里考虑了两个方面形成的山形数据，一种是有一定规律的山形，可以使用MATLAB通过曲面函数构造；另一种是完全来源于地理信息系统的数据，可以将这些数据导入到EXCEL在进行处理。这里所说的数据指点的高程Z，因为X和Y是线性的。下面的代码为MATLAB代码，他提取了MATLAB中peak(100)函数形成的山形的高程，并以FISH能使用的形式保存到了TEXT文件中。 

for ii=1:100    %100为网格划分数 

    x(ii)=ii    %X方向的网格

    y(ii)=ii    %Y方向的网格

end

[x,y,z]=peaks(100)    %计算X和Y对应的peak曲面的高程z

%z=xlsread('G:\1111.xls')    %如果数据来源于EXCEL

fid = fopen('G:\a.txt','w+')    %打开文件

for i=1:100

    for j=1:100

        k =z(i,j)

        string1=['xtable(',num2str(i),',',num2str(j),')=',num2str(k)] %添加一条语句，如xtable(100,59)=1.2

        fprintf(fid,'%s \r\n',string1)    %输出到文件下一行

    end

end

fclose(fid)    %关闭文件

然后使用1节定义的函数便可构造出如MATLAB中peak形状的山形了。本发明涉及到的方法能够方便、准确的构造出MATLAB中peak形状的山形，从而进行后续的地质灾害分析计算。

附图说明

图 1 山形构建流程图。 

图2 网格的划分方法。 

图3 网格的划分方法。 

图4 山地构造效果俯视图。 

图5 山地构造效果正视图。 

具体实施方式

本发明涉及到的方法主要使用PFC3D中的三角形面的组合来实现山地造型。为减少人工和解决造型过程中一些问题，使用了Mathlab和Excel作为辅助工具。 

由于PFC3D自身的FISH语言的局限性，作者不得不使用MATLAB和EXCEL作为工具处理一些问题，山形构建的流程如图1所示。 

第一部分： PFC3D中山形网格的构建 

用PFC3D已有的工具构建山形网格，以往构建PFC3D模型时使用的墙(wall)是四边形的，但是山形复杂，四个点很有可能不在一个平面上，所以这里使用三角形面构建山形网格。如图2~图3所示为网格的具体划分措施。

图2，为说明方便结合例子将网格划分为100×100m，每个网格1×1m。图中的i和j为程序实现时使用的变量。为使编程方便并考虑到使用三角形面，对网格进行进一步划分，网格拆分为沿正对角线对称的两部分三角形，这样便保证了三点可以确定唯一平面的几何特性。使用FISH进行网格构建时可将1×1m的网格作为一个循环单元，如图3所示，以每个单元的1点作为标志判断是否已建立了单元网格。在单元网格中，构造两个三角形网格，即构建两个有界三角形面。由于PFC3D中的面是单侧受限的，根据面的法线方向使用右手定则判断点的轴向，即下三角形构造的点序为1点→2点→3点，上三角形的点序为1点→3点→4点。每个点在三维坐标系中由三个值表示，即(x,y,z)。具体的FISH实现见如下代码。 

def do  %函数定义 

n=100    %网格数量（正方形网格）

nn=n-1

loop i(1,nn)

  loop j(1,nn)

    idd=2*n*(i-1)+j*2-1     %下三角形面编号

    iddd=idd+1     %上三角形面编号

    x1=(j-1)*1       %1点的坐标

    y1=(i-1)*1

    z1=xtable(i,j) 

    x2=j*1       %2点的坐标

    y2=(i-1)*1

    z2=xtable(i,j+1)

    x3=j*1       %3点的坐标

    y3=i*1

    z3=xtable(i+1,j+1)

    x4=(j-1)*1       %4点的坐标

    y4=i*1

    z4=xtable(i+1,j)

    command

    wall id=idd face (x1 y1 z1)(x2 y2 z2)(x3 y3 z3)

     %建立下三角形，面的性质可以在这里设置，也

可以构建完成后%统一设置

    wall id=iddd face (x1 y1 z1)(x3 y3 z3)(x4 y4 z4)     %建立上三角形

    plot wall

    end_command

end_loop

end_loop

end

第二部分：山形数据的处理

通过程序的可以看出，实现上述网格建立的关键是获得有效的xtable表。在FISH中视乎没有有效的数组表达形式，无法像MATLAB那样方便的操作数组。xtable是FISH中的关键字，可以表示一个二维数组。根据上节构造的网格特点，X方向和Y方向是等距划分的，间隔1m，可以用线性数值表示（不必使用数组）。Z(高程)方向的数据是杂乱的，所以要使用xtable存储。问题在于在FISH中，无法方便的进行赋值，如本文构造的山形100×100=10000个毫无规律的数值，不可能全部人工赋值。

这里考虑了两个方面形成的山形数据，一种是有一定规律的山形，可以使用MATLAB通过曲面函数构造；另一种是完全来源于地理信息系统的数据，可以将这些数据导入到EXCEL在进行处理。这里所说的数据指点的高程Z，因为X和Y是线性的。下面的代码为MATLAB代码，他提取了MATLAB中peak(100)函数形成的山形的高程，并以FISH能使用的形式保存到了TEXT文件中。 

for ii=1:100    %100为网格划分数 

    x(ii)=ii    %X方向的网格

    y(ii)=ii    %Y方向的网格

end

[x,y,z]=peaks(100)    %计算X和Y对应的peak曲面的高程z

%z=xlsread('G:\1111.xls')    %如果数据来源于EXCEL

fid = fopen('G:\a.txt','w+')    %打开文件

for i=1:100

    for j=1:100

        k =z(i,j)

        string1=['xtable(',num2str(i),',',num2str(j),')=',num2str(k)] %添加一条语句，如xtable(100,59)=1.2

        fprintf(fid,'%s \r\n',string1)    %输出到文件下一行

    end

end

fclose(fid)    %关闭文件

然后使用1节定义的函数便可构造出如MATLAB中peak形状的山形了。本发明涉及到的方法能够方便、准确的构造出MATLAB中peak形状的山形，从而进行后续的地质灾害分析计算。

使用该方法构建了100m×100m的如MATLAB中peak函数形成的山地形状。 

如下列图4~图5所示，分别表示了Y方向构造长度为40m的山形图，图4表示俯视如，图5为水平方向正视图。 

    通过本发明提供的方法，即可构造出如图4过程的山区地形图。 

构建了一种构建复杂山地地形的方法，该方法通过使用PFC3D的FISH语言，用有界三角形面构建了如MATLAB的peak曲面。该方法主要关注于线性变化的X和Y及所对应的高程Z的数据。高程Z的数据可以通过MATLAB曲面函数获得，另一方面也可以通过实际的地理信息系统获得。通过方法和代码便可方便的构造复杂地形，从而为研究山地灾害进行的模拟提供有效地支持。 

Claims (7)

1.一种山地表面构造方法，其特征在于，该方法主要使用PFC3D中的三角形面的组合来实现山地造型，为减少人工和解决造型过程中一些问题，使用了Mathlab和Excel作为辅助工具；其包括如下步骤：PFC3D中山形网格的构建，山形数据的处理，山形构造结果；本发明可用于使用PFC3D进行复杂山地模拟而进行山地造型的问题提供一种可行的，工作量相对较小的方法。

2.根据权利要求1所述的山地表面构造方法，其特征在于，由于PFC3D自身的FISH语言的局限性，使用MATLAB和EXCEL作为数据处理工具，进而形成了构造方法的流程。

3.根据权利要求1所述的PFC3D中山形网格的构建，其特征在于，使用三角形面构建山形网格。

4.根据权利要求1所述的PFC3D中山形网格的构建，其特征在于，网格的划分方法，为使编程方便并考虑到使用三角形面，对网格进行进一步划分，网格拆分为沿正对角线对称的两部分三角形，这样便保证了三点可以确定唯一平面的几何特性。

5.根据权利要求1所述的PFC3D中山形网格的构建，其特征在于，使用FISH进行网格构建时可将1×1m的网格作为一个循环单元，以每个单元的1点作为标志判断是否已建立了单元网格，在单元网格中，构造两个三角形网格，即构建两个有界三角形面。

6.根据权利要求1所述的PFC3D中山形网格的构建，其特征在于，由于PFC3D中的面是单侧受限的，根据面的法线方向使用右手定则判断点的轴向，即下三角形构造的点序为1点→2点→3点，上三角形的点序为1点→3点→4点，每个点在三维坐标系中由三个值表示，即(x,y,z)。

7.根据权利要求1所述的山形数据的处理，其特征在于，考虑了两个方面形成的山形数据，一种是有一定规律的山形，可以使用MATLAB通过曲面函数构造；另一种是完全来源于地理信息系统的数据，可以将这些数据导入到EXCEL在进行处理。

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