CN114117861A - 一种基于混合网格的隧道电阻率建模方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于混合网格的隧道电阻率建模方法及系统，确定需要进行建模隧道的物理尺寸、实际形状、供电和采集电极位置及可能出现的不良地质区域；根据隧道实际形状和尺寸建立有限元几何模型；对有限单元几何模型进行网格剖分，对供电、采集电极位置及可能出现的不良地质区域进行非结构四面体网格局部加密剖分，其它均匀围岩介质采用非规则六面体进行网格剖分，形成优化后的模型；对优化后的模型各单元的质量参数进行检查，对单元形状进行迭代优化，使得不同尺寸和不同类型单元之间过渡均匀，直至所有单元满足质量要求，本发明可以较好地拟合复杂结构型式，大程度降低了模型离散化误差和提高实际隧道复杂环境电阻率法的正演精度。

Description

一种基于混合网格的隧道电阻率建模方法及系统
技术领域
本发明属于隧道电阻率建模技术领域，具体涉及一种基于混合网格的隧道电阻率建模方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
在隧道/隧洞不良地质超前预报中，含水构造的含水性信息的获取对于灾害评价与预警尤为重要。隧道电阻率法以含水构造与围岩的电阻率差异等为物理基础，对含导水地质构造的超前探测具有独特的优势。电阻率法在工程上被广泛应用于煤矿、隧洞含水结构的超前探测当中。
基于有限单元法的数值模拟技术在电阻率三维正演中的应用在不断发展，实际勘探工作中，隧道电阻率法的大部分应用场景的隧道轮廓大多为马蹄形和圆形，针对于台阶法施工隧道，隧道掌子面呈台阶形，针对于TBM施工隧道，掌子面电极布置位置不确定。在发射源、测量电极接收点探测结果精度较差，需要针对以上区域的隧道电阻率模型进行局部加密处理。目前传统的隧道电阻率模型难以满足工程对探测精度和正演时效性需求，导致后期探测结果具有不确定性，偏差和误报皆有可能发生。因此，隧道超前探测对隧道电阻率建模方法提出了更高的要求。
据发明人了解，目前，隧道电阻率建模仍存在以下关键问题，尚未解决：
在进行隧道电阻率法正反演计算过程中，传统的隧道电阻率建模方法一方面基于立方体单元在对复杂三维结构进行剖分，容易导致模型离散化误差过大，对马蹄形、圆形和台阶法隧道拟合精度低，采用固定间隔剖分方法，为提高发射源、测量电极接收点区域的结果精度，势必采用细微网格进行剖分，极大地增加了网格数量，增加计算成本，严重影响模型可算性。
另一方面，是基于非结构化四面体单元对复杂结构与地形具有较强的适应性，目前国内外研究的热点大多在于自适应网格方面。即在有限元运算的过程中根据每一步的结果进行部分的加密。但有限元初始网格并不能保证其数值解达到一定精度。而且采用四面体单元会导致三维正反演计算量过大，对硬件性能及计算时间要求较高。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于混合网格的隧道电阻率建模方法及系统，本发明可以较好地拟合圆形、马蹄形、台阶法隧道的复杂结构型式，大程度降低了模型离散化误差和提高实际隧道复杂环境电阻率法的正演精度。
当然，本发明所提的技术方案不仅能够用于保护隧道应用场景，也适用于隧洞场景，如果将本发明所提供的技术方案仅仅是场景的转用，理应属于本发明的保护范围。
根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
一种基于混合网格的隧道电阻率建模方法，包括以下步骤：
确定需要进行建模隧道的物理尺寸、实际形状、供电和采集电极位置及可能出现的不良地质区域；
根据隧道实际形状和尺寸建立有限元几何模型；
对有限单元几何模型进行网格剖分，对供电、采集电极位置及可能出现的不良地质区域进行基于非结构四面体单元的局部加密剖分，其它均匀围岩介质采用非规则六面体单元进行网格剖分，形成优化后的模型；
对优化后的模型各单元的质量参数进行检查，对单元形状进行迭代优化，使得不同尺寸和不同类型单元之间过渡均匀，直至所有单元满足质量要求。
作为可选择的实施方式，根据工程地质资料和实际探测情况，确定需要进行建模隧道的物理尺寸、实际形状、供电和采集电极位置及可能出现不良地质区域。
作为可选择的实施方式，对有限单元几何模型进行网格剖分的具体过程包括：对几何模型进行二维平面剖分，结合隧道轮廓的形状和尺寸计算并布置好一定数量的局部种子，采用非规则四边形进行有限元网格剖分；在将剖分好的二维平面模型沿轴向分段拉伸并采用非规则六面体进行体剖分，形成非规则六面体的三维有限单元模型。
作为进一步的限定，所述局部种子设置在隧道各边上，且均设置有多个。
作为可选择的实施方式，对供电、采集电极位置进行非结构四面体网格局部加密剖分的具体过程包括：确定电极设置位置所在面为起始面，沿轴向向开挖方向和反开挖方向各设定区域定义为过渡区域，针对过渡区域的各个面，在保持原有面节点位置不变的基础上，将隧道区域中的非规则四边形一分为二成为两个三角形；
确认电极布置的大致区域为局部加密区域，利用自适应加密算法对该区域进行局部自适应加密。
作为可选择的实施方式，在完成面剖分后，采用非结构四面体对该区域进行体剖分。
作为可选择的实施方式，所述质量参数包括长宽比、雅可比比率、坍塌值和和体积扭曲值。
一种基于混合网格的隧道电阻率建模系统，包括：
隧道信息获取模块，用于确定需要进行建模隧道的物理尺寸、实际形状、供电和采集电极位置及可能出现不良地质区域；
有限元建模模块，用于根据隧道实际形状和尺寸建立有限元几何模型；
网络剖分优化模块，用于对有限单元几何模型进行网格剖分，对供电、采集电极位置及可能出现不良地质区域进行非结构四面体网格局部加密剖分，其它均匀围岩介质采用非规则六面体进行网格剖分，形成优化后的模型；
质量检测模块，用于对优化后的模型各单元的质量参数进行检查，对单元形状进行迭代优化，使得不同尺寸和不同类型单元之间过渡均匀，直至所有单元满足质量要求。
一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成上述方法中的步骤。
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成上述方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明采用非规则六面体和非结构四面体对有限元模型进行网格剖分，可以较好地拟合圆形、马蹄形、台阶法隧道的复杂结构型式，大程度降低了模型离散化误差和提高实际隧道复杂环境电阻率法的正演精度。其他均匀围岩介质则采用较粗的非规则网格剖分，极大的减少了网格数量，降低计算成本。
本发明对供电、采集电极位置及可能出现不良地质区域进行非结构四面体网格局部加密剖分。一方面保证了有限元初始网格质量，另一方面解决了TBM施工隧道掌子面电极布置位置不确定问题。进一步提高了探测精度，满足隧道电阻率法时效性需求。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是基于混合网格的隧道电阻率建模方法流程图；
图2马蹄形隧道有限元几何模型图；
图3圆形隧道有限元几何模型图；
图4基于非规则六面体的马蹄形隧道有限单元模型剖分图；
图5基于非规则六面体的圆形隧道有限单元模型剖分图；
图6马蹄形隧道过渡区域第一个面和第三个面二维模型剖分图；
图7马蹄形隧道过渡区域掌子面二维模型剖分图；
图8圆形隧道过渡区域第一个面和第三个面二维模型剖分图；
图9圆形隧道过渡区域掌子面二维模型剖分图；
图10马蹄形隧道过渡区域有限单元模型剖分图；
图11圆形隧道过渡区域有限单元模型剖分图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例1:
以马蹄形隧道为例，查阅工程地质资料，结合隧道内实际探测情况，确定需建模隧道的实际形状为马蹄形，隧道断面的周边由四个圆弧组成：洞顶为半圆拱，两侧接圆率半径较大的边拱，洞底为向上仰的底拱，边拱与底拱的连接处用圆弧修圆。供电和采集电极布置在掌子面。
根据获取的隧道实际信息建立有限元几何模型。如图2所示，模型的XOY平面为边长L1为658m的正方形，模型的YOZ平面是长L1为658m、宽L2为480m的长方形。马蹄形隧道区域洞顶为半圆拱，半径R1为6.5m，两侧的边拱半径R2为10.625m，底拱半径R3为8.5625m。
对有限单元几何模型进行网格剖分，首先对几何模型进行二维平面剖分，结合隧道轮廓的形状和尺寸在上拱和底拱对应边布置了7个的局部种子，在两侧拱对应分别布置了10个局部种子。采用非规则四边形进行有限元网格剖分。在将剖分好的二维平面模型沿轴向分段拉伸并采用非规则六面体进行体剖分，如图4所示。此时，基于非规则六面体的三维有限单元模型已经形成。
在上述模型的基础上，确定掌子面所在位置，将掌子面为起始面沿轴向向开挖方向和反开挖方向各0.5m区域定义为过渡区域，过渡区域共3个面。针对过渡区域的三个面，在保持原有面节点位置不变的基础上，将隧道区域中的非规则四边形一分为二成为两个三角形，如图6所示。确认掌子面上电极布置的大致区域为图7中红色圆框圈定位置，利用现有成熟的自适应加密算法对局部加密区域进行局部加密，如图7所示。在完成面剖分后，采用非结构四面体对该区域进行体剖分，如图10所示。针对可能出现的不良地质区域，采用相同的方法对该区域进行网格剖分和局部加密。
检查模型各单元的质量特性，包括单元的长宽比、雅可比比率等质量度量标准。对于四面体单元还需要检查单元的坍塌值和和体积扭曲值。确保了粗细单元和不同类型单元之间过渡均匀，马蹄形隧道模型单元质量满足要求。
实施例2:
以圆形隧道为例，查阅工程地质资料，结合隧道内实际探测情况，确定需建模隧道的实际形状为圆形，供电和采集电极布置在掌子面。
根据获取的隧道实际信息建立有限元几何模型。如图3所示，模型的XOY平面为边长L1为658m的正方形，模型的YOZ平面是长L1为658m、宽L2为480m的长方形。圆形隧道区域半径R4为6m的圆形。
对有限单元几何模型进行网格剖分，首先对几何模型进行二维平面剖分，结合隧道轮廓的形状和尺寸在四个方向的对应边均布置了8个的局部种子，采用非规则四边形进行有限元网格剖分。在将剖分好的二维平面模型沿轴向分段拉伸并采用非规则六面体进行体剖分，如图5所示。此时，基于非规则六面体的三维有限单元模型已经形成。
在上述模型的基础上，确定掌子面所在位置，将掌子面为起始面沿轴向向开挖方向和反开挖方向各0.5m区域定义为过渡区域，过渡区域共3个面。针对过渡区域的三个面，在保持原有面节点位置不变的基础上，将隧道区域中的非规则四边形一分为二成为两个三角形，如图8所示。确认掌子面上电极布置的大致区域为图9中红色圆框圈定位置，利用现有成熟的自适应加密算法对局部加密区域进行局部加密，如图9所示。在完成面剖分后，采用非结构四面体对该区域进行体剖分，如图11所示。针对可能出现的不良地质区域，采用相同的方法对该区域进行网格剖分和局部加密。
检查模型各单元的质量特性，包括单元的长宽比、雅可比比率等质量度量标准。对于四面体单元还需要检查单元的坍塌值和和体积扭曲值。确保了粗细单元和不同类型单元之间过渡均匀，圆形隧道模型单元质量满足要求。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于混合网格的隧道电阻率建模方法，其特征是：包括以下步骤：
确定需要进行建模隧道的物理尺寸、实际形状、供电和采集电极位置及可能出现的不良地质区域；
根据隧道实际形状和尺寸建立有限元几何模型；
对有限单元几何模型进行网格剖分，对供电、采集电极位置及可能出现的不良地质区域进行非结构四面体网格局部加密剖分，其它均匀围岩介质采用非规则六面体进行网格剖分，形成优化后的模型；
对优化后的模型各单元的质量参数进行检查，对单元形状进行迭代优化，使得不同尺寸和不同类型单元之间过渡均匀，直至所有单元满足质量要求。
2.如权利要求1所述的一种基于混合网格的隧道电阻率建模方法，其特征是：根据工程地质资料和实际探测情况，确定需要进行建模隧道的物理尺寸、实际形状、供电和采集电极位置及可能出现不良地质区域。
3.如权利要求1所述的一种基于混合网格的隧道电阻率建模方法，其特征是：对有限单元几何模型进行网格剖分的具体过程包括：对几何模型进行二维平面剖分，结合隧道轮廓的形状和尺寸计算并布置好一定数量的局部种子，采用非规则四边形进行有限元网格剖分；在将剖分好的二维平面模型沿轴向分段拉伸并采用非规则六面体进行体剖分，形成非规则六面体的三维有限单元模型。
4.如权利要求3所述的一种基于混合网格的隧道电阻率建模方法，其特征是：所述局部种子设置在隧道各边上，且均设置有多个。
5.如权利要求1所述的一种基于混合网格的隧道电阻率建模方法，其特征是：对供电、采集电极位置进行非结构四面体网格局部加密剖分的具体过程包括：确定电极设置位置所在面为起始面，沿轴向向开挖方向和反开挖方向各设定区域定义为过渡区域，针对过渡区域的各个面，在保持原有面节点位置不变的基础上，将隧道区域中的非规则四边形一分为二成为两个三角形；
确认电极布置的大致区域为局部加密区域，利用自适应加密算法对该区域进行局部自适应加密。
6.如权利要求1所述的一种基于混合网格的隧道电阻率建模方法，其特征是：在完成面剖分后，采用非结构四面体对该区域进行体剖分。
7.如权利要求1所述的一种基于混合网格的隧道电阻率建模方法，其特征是：所述质量参数包括长宽比、雅可比比率、坍塌值和和体积扭曲值。
8.一种基于混合网格的隧道电阻率建模系统，其特征是：包括：
隧道信息获取模块，用于确定需要进行建模隧道的物理尺寸、实际形状、供电和采集电极位置及可能出现不良地质区域；
有限元建模模块，用于根据隧道实际形状和尺寸建立有限元几何模型；
网络剖分优化模块，用于对有限单元几何模型进行网格剖分，对供电、采集电极位置及可能出现的不良地质区域进行非结构四面体网格局部加密剖分，其它均匀围岩介质采用非规则六面体进行网格剖分，形成优化后的模型；
质量检测模块，用于对优化后的模型各单元的质量参数进行检查，对单元形状进行迭代优化，使得不同尺寸和不同类型单元之间过渡均匀，直至所有单元满足质量要求。
9.一种电子设备，其特征是：包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-7中任一项所述的方法中的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征是：用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-7中任一项所述的方法中的步骤。
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