CN113221368B - 一种将二维地质剖面转换为flac3d计算模型的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种将二维地质剖面转换为FLAC3D计算模型的方法，包括：对剖面对象进行分类并汇总需要转换FLAC3D计算模型的具体对象；采用三维世界坐标系将二维的地质剖面导入到三维视窗中；对处于三维坐标系中的二维地质剖面的各个线对象进行归类；进行地质剖面线对象的合理性审查；构建相应的模型范围；选中筛选后的地表线集对象计算出相应的中值面；针对其余的地质对象依次得到相对应的网格面对象；基于封闭几何模型的网格自动生成工具Kubrix即可创建相应的FLAC3D计算模型。该方法实现了将二维地质对象导入到三维空间中，并依托三维空间中的线对象构建相应的三维网格面，利用已有的Kubrix工具创建FLAC3D计算模型。

Description

一种将二维地质剖面转换为FLAC3D计算模型的方法
技术领域
本发明属于岩土工程计算分析领域，具体涉及一种将二维地质剖面转换为FLAC3D计算模型的方法。
背景技术
FLAC3D(3D FastLagrangianAnalysis Code)是一款基于连续介质理论和显式有限差分方法开发，广泛用于岩土、采矿工程分析和设计的三维高端数值分析程序，特别适合处理有限元方法(FEM)难于解决的岩土体复杂课题，典型如复杂多工况、大变形、非线性材料行为、失稳破坏的发生和发展。
FLAC3D作为一款成熟的数值计算软件，在岩土工程计算分析领域应用广泛，区别于FLAC二维的分析计算，FLAC3D从三维的角度来描述物理介质，显然三维分析方法可以更为真实的描述介质体形体特征、受力条件及其相应的应力应变性质，分析计算的前提是需构建反应场地地质条件的三维模型。
如现有技术中，中国科学院武汉岩土力学研究所的CN111737906A公开了基于FLAC3D计算矿区地表最大水平变形的方法，该方法包括以下步骤：首先利用FLAC3D软件中的list命令提取三维矿区数值模型节点的坐标和位移信息，再利用Excel从中筛选出地表节点，并以文本文件的形式输出矿区地表节点的坐标和位移信息；随后利用Surfer软件对输出的矿区地表节点信息进行插值，生成离散、等间距的矿区地表x方向与y方向位移的点阵；再利用Matlab编程语言实现对矿区地表最大水平变形的求解，进而实现地表最大水平变形等值线的绘制，最终为划分采矿活动对于地表建筑物的影响范围提供了依据。
又如，昆明理工大学的CN103236085A公开了一种FLAC3D复杂三维地质体模型自动建立的方法，根据建模数据之间的关系，采集建模数据，建立建模数据库，然后再根据FLAC3D程序的语法规则，利用SQL语句从建模数据中，查询生成FLAC3D建模命令流，保存为txt格式。能够快速生成FLAC3D建模数据文件，在FLAC3D软件中调用所生成的建模数据文件，即自动完成建模工作。可以有效保证所建立的FLAC3D三维地质体模型的准确性，且节省人力资源，提高效率。
然而，现有技术尚未考虑到以下问题：岩土工程的工作流程往往需要创建多个二维地质剖面来表述相应场地的工程地质条件，反映场地范围内的地形地貌、地层岩性、风化卸荷、岩体结构、地下水等信息。目前FLAC3D提供多样化建模手段及其接口技术以满足不同工程类型、复杂层次的模型构建的需要，如内置常规模型模板、内置可视化结构化网格工具—Building Blocks，上述手段创建地质三维模型整体效率不高，且很难创建较为复杂的地质三维模型，同时创建出的三维计算模型同实际地质条件吻合程度不高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种将二维地质剖面转换为FLAC3D计算模型的方法，提高数值计算模型构建效率和精度。
本发明是这样实现的：
一种将二维地质剖面转换为FLAC3D计算模型的方法，包括以下步骤：
步骤一，收集相应工程场地的二维地质剖面，对剖面对象进行分类，汇总需要转换FLAC3D计算模型的具体对象。
根据实际需要一般包括地表、地层、构造、风化、卸荷、地下水等6类对象。
步骤二，将上述剖面根据剖面线的平面位置，以及剖面图的高程信息，将二维的地质剖面导入到三维视窗中(采用三维世界坐标系)。
通过位置定位，即将二维地质剖面的二维线条对象导入到了三维坐标系中，成为了一个三维对象，为后续的构建3D计算模型奠定基础。
步骤三，对处于三维坐标系中的二维地质剖面的各个线对象进行归类，按照步骤一分类情况，将多个地质剖面中属于同一个地质对象的几何线对象归入一个线集对象中。
第一步：将多个地质剖面中的地表线对象归入一个线集对象中；
第二步：将多个地质剖面中的不同地层线对象归入到不同的线集对象中；
第三步：参照第一步、第二步，将地质剖面中的其余地质对象(构造、地下水、风化、卸荷等)完成归类；
通过上述步骤，即将多个地质剖面中多个线对象归入到了多个线集对象中，分别对应地表、不同地层、不同构造等对象，后续各个线集对象将作为构建模型的基础。
步骤四，各个线集对象分布在三维空间中，类似一张蛛网，通过线集对象的分布情况，也可大体了解相应地质对象的空间分布特征，由于地质剖面分布纵横交错，相应的剖面线存在交叉情形，正常情形下，相同地质对象在交叉部位剖面线应该两两相交于一点。
对各个线集对象进行仔细筛选，如有两两不相交的情形，需仔细核对地质剖面图的正确性，更改原始图纸后，再重复步骤二、三、四。步骤四，主要进行地质剖面线对象的合理性审查。
步骤五，准备工作完成后，根据实际场地需要，构建相应的模型范围，后续的建模约束在相应的模型范围以内。
步骤六，选中上述步骤筛选后的地表线集对象，根据地表线集各个节点计算出相应的中值面(Z的中值)，初始面仅两个网格面，中值面大小在步骤五创建的模型范围内。
第一步：对相应的中值面添加相应的约束，即将上述的地表线集的各个节点设置为中值面的约束，此处约束为模糊约束(区别于精确约束，模糊约束仅做趋势的逼近，不要求精确通过)；
第二步：进行加密处理，由最初的两个网格加密成4个、8个网格等，同时沿着地表线集的各个节点约束的方向，找到中值面相对应的网格节点区域；
第三步：中值面相应的网格节点区域受到其竖直方向(也可以为任意方向)约束，发生网格节点朝地表线集节点逼近的趋势，同时为了达到面网格的平滑过渡，中值面网格节点区域以外的网格节点同样受到相邻的约束，只不过相应的约束力随着距离的增大而减小；
第四步：重复第二步、第三步，不断的对中值面进行加密、逼近计算，直至得到平滑的网格面对象。
第五步：待中值面网格面精细程序，以及网格面平滑程度均满足要求时，将之前的模糊约束转化为精确约束，即在中值面网格上找到距离约束最近的节点，将该网格节点移至该约束点上；
步骤七：针对其余的地层、构造、风化、卸荷、地下水等地质对象，重复步骤六，依次得到相对应的网格面对象。
步骤八：创建完成各个网格面对象后，基于封闭几何模型的网格自动生成工具(Kubrix)即可创建相应的FLAC3D计算模型。
与现有技术相比，本发明的方法详细描述了如何将二维地质对象导入到三维空间中，并依托三维空间中的线对象构建相应的三维网格面，在此基础上，利用已有的Kubrix工具创建FLAC3D计算模型，与传统的构建方式对比，充分的利用了工程中成果图件(二维剖面图)，通过剖面图创建出来的FLAC3D计算模型同实际场地条件更加的契合、精准，同时相应的效率也会更高。
附图说明
图1为地质剖面示意图；
图2为剖面空间定位示意图；
图3为最终地质模型示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-3所示，本发明是这样实施的：这里就其中的地表进行叙述，其余对象实施方式类似，包括以下步骤：
步骤一，准备相应的二维地质剖面，如图1，并将二维地质剖面根据剖面平面位置及高程信息，导入到三维空间中。
步骤二，将处于三维空间中的多个二维地质剖面中的地表线归入到地表线集对象中。
步骤三，对地表线集对象进行检查，看交叉剖面是否存在两两不想交的情形，如有该情形，核对相应地质剖面，更改图纸后，重复步骤二。
步骤四，创建模型范围，并根据地表线集对象的节点计算出相应的中值面(在模型范围以内)。
步骤五，将地表线集对象节点设为中值面的模糊约束，对中值面进行加密、逼近计算，得到平滑的网格面对象，后将模糊约束转化为精确约束，使得网格面对象上的节点精确通过线集对象节点，得到最终的地表面网格模型。
步骤六，重复步骤二、三、四、五，得到其余地质对象的网格面对象，得到场地最终的三维模型，如图2；
步骤七，创建完成各个网格面对象后，基于封闭几何模型的网格自动生成工具(Kubrix)即可创建相应的FLAC3D计算模型，如图3。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种将二维地质剖面转换为FLAC3D计算模型的方法，其特征在于：
S1，收集相应工程场地的二维地质剖面，对剖面对象进行分类，汇总需要转换FLAC3D计算模型的具体对象；
S2，将已分类剖面根据剖面线的平面位置，以及剖面图的高程信息，采用三维世界坐标系将二维的地质剖面导入到三维视窗中；
S3，对处于三维坐标系中的二维地质剖面的各个线对象进行归类；
S4，进行地质剖面线对象的合理性审查；
S5，准备工作完成后，根据实际场地需要，构建相应的模型范围，后续的建模约束在相应的模型范围以内；
S6，选中上述步骤筛选后的地表线集对象，根据地表线集各个节点计算出相应的中值面；
S7，针对其余的包括地层、构造、风化、卸荷、地下水在内的地质对象，重复步骤S6，依次得到相对应的网格面对象；
S8，创建完成各个网格面对象后，基于封闭几何模型的网格自动生成工具Kubrix即可创建相应的FLAC3D计算模型。
2.根据权利要求1所述的将二维地质剖面转换为FLAC3D计算模型的方法，其特征在于：步骤S3按照如下步骤进行：
S31，将多个地质剖面中的地表线对象归入一个线集对象中；
S32，将多个地质剖面中的不同地层线对象归入到不同的线集对象中；
S33，参照步骤S31、S32，将地质剖面中的包括构造、地下水、风化、卸荷在内的其余地质对象完成归类。
3.根据权利要求1所述的将二维地质剖面转换为FLAC3D计算模型的方法，其特征在于：步骤S6按照如下步骤进行：
S61，对相应的中值面添加相应的约束；
S62，进行加密处理，同时沿着地表线集的各个节点约束的方向，找到中值面相对应的网格节点区域；
S63，中值面相应的网格节点区域受到其竖直方向或为任意方向约束，发生网格节点朝地表线集节点逼近的趋势，同时中值面网格节点区域以外的网格节点同样受到相邻的约束；
S64，重复步骤S62、S63，不断的对中值面进行加密、逼近计算，直至得到平滑的网格面对象；
S65，待中值面网格面精细程序，以及网格面平滑程度均满足要求时，将之前的模糊约束转化为精确约束。
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