CN114491774A - 一种深部背斜构造及地层结构三维数值模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种深部背斜构造及地层结构三维数值模型构建方法，用于精确地构建一背斜构造的三维数值模型，从而为后续的有限元分析打造精确有效的基础。方法包括：获取目标背斜构造的初始数据，其中，初始数据是通过探洞或者钻孔的方式采集得到的，初始数据包括目标背斜构造的轴面几何参数、地层产状、地层组成以及地层结构；基于初始数据的内容，构建目标背斜构造的三维实体模型，其中，三维实体模型用于还原目标背斜构造的三维实体结构；采用非结构性六面体网格对三维实体模型进行剖分，并对其中的断层构造进行网格剖分，形成用于有限元计算的三维数值模型，其中，三维数值模型用于对目标背斜构造进行地质力学分析以及数值仿真分析。

Description

一种深部背斜构造及地层结构三维数值模型构建方法

技术领域

本申请涉及地质领域，具体涉及一种深部背斜构造及地层结构三维数值模型构建方法。

背景技术

在复杂的深部地质构造中，构造应力挤压作用形成背斜构造是非常典型的地质构造单元，是深部工程建设最常遇到的构造形式。

深部背斜构造对地下工程建设的最大影响是它是构造运动历史的印迹，区域内岩体结构因构造挤压变形作用变得多样化，区内应力场也变得极为复杂，受背斜构造地层几何和力学性质等众多因素的联合控制作用，在背斜构造区内地下工程开挖后围岩常表现出极为复杂的力学行为，如严重挤压大变形、强烈岩爆、超大规模塌方等等灾害会频发，这对深部工程建设是极大阻碍，甚至是摧毁性的。

而在现有的相关技术的研究过程中，发明人发现，背斜构造的几何尺寸通常远大于深部工程，在钻孔勘探、地下结构开挖露头的地质编录信息的有限条件下，如何准确构建背斜构造三维地质模型是一个非常棘手的问题，难以为工程开展工作提供精确有效的数据支持。

发明内容

本申请提供了一种深部背斜构造及地层结构三维数值模型构建方法，用于精确地构建一背斜构造的三维数值模型，从而为后续的有限元分析打造精确有效的基础，促使为背斜构造相关的工程开展工作提供精确有效数据支持。

第一方面，本申请提供了一种深部背斜构造及地层结构三维数值模型构建方法，方法包括：

获取目标背斜构造的初始数据，其中，初始数据是通过探洞或者钻孔的方式采集得到的，初始数据包括目标背斜构造的轴面几何参数、地层产状、地层组成以及地层结构；

基于初始数据的内容，构建目标背斜构造的三维实体模型，其中，三维实体模型用于还原目标背斜构造的三维实体结构；

采用非结构性六面体网格对三维实体模型进行剖分，并对其中的断层构造进行网格剖分，形成用于有限元计算的三维数值模型，其中，三维数值模型用于对目标背斜构造进行地质力学分析以及数值仿真分析。

结合本申请第一方面，在本申请第一方面第一种可能的实现方式中，获取目标背斜构造的初始数据之前，方法还包括：

在目标背斜构造的内部开挖洞室或者隧洞之前，触发获取目标背斜构造的初始数据。

结合本申请第一方面，在本申请第一方面第二种可能的实现方式中，获取目标背斜构造的初始数据，包括：

通过T字型探洞及配套勘探钻孔处理，获取目标背斜构造的初始数据，其中，T字型探洞及配套勘探钻孔处理是指对待获取数据的背斜构造布设T字形结构的探洞，并在T字形结构的探洞处理的基础上进行配套勘探钻孔，来获取相应的数据。

结合本申请第一方面第二种可能的实现方式，在本申请第一方面第三种可能的实现方式中，T字型探洞及配套勘探钻孔处理具体包括以下工作条件：

平面上探洞分为横洞和竖洞；

横洞大角度横穿背斜两翼，角度大于65°；

竖洞小角度与背斜轴面相交，角度不超过30°；

横洞以及竖洞的长度，依据深部背斜构造规模设定；

横洞的上侧边墙、横洞的两端、竖洞的两边墙布置探测钻孔，探测地层产状、地层组成、地层结构；

探洞地层产状通过地质编录罗盘或者三维激光扫描结构面识别处理获得；

钻孔地层产状通过岩芯编录或者数字钻孔摄像处理获得；

基于地层产状信息构建背斜轴线和背斜两翼方向地质剖面图，作为轴面几何参数。

结合本申请第一方面，在本申请第一方面第四种可能的实现方式中，三维实体模型的构建过程中，具体包括：

设定地质模型区域尺寸；

选定探洞底板高程水平面为水平参考面，绘制背斜各地层走向线；选定垂直参考面，绘制各地层视倾角线；依据走向线、视倾角线上测点的实际揭露位置或地层剖面位置，将地层走向线以及视倾角线摆放于空间相应位置，形成背斜构造典型特征线模型；

分别对每个地层的界面开展空间曲线插值，形成空间曲面；

背斜地层等高线提取；

地层等高线蒙皮形成封闭的地层空间曲面；

由地层空间曲面以及地质模型外边界面生成封闭地层实体模型；

将模型与断层界面进行交切拓扑运算，生成含断层交切关系的三维实体模型。

结合本申请第一方面，在本申请第一方面第五种可能的实现方式中，三维数值模型的建模处理具体包括：

将三维实体模型转换为开源有限元网格剖分软件Gmsh识别的IGES文件，导入至Gmsh；

按照实际背斜地层，选取地层面片和断层面片形成封闭体外表面，进而生成背斜各地层实体，对所有地层实体进行拓扑交切运算，去除重叠点、线和面；

设置拓扑正确的实体模型交线边界网格剖分分段数或剖分网格尺寸参数，选用非结构性六面体网格剖分算法和Delaunay网格生成算法，对实体模型和断层界面进行网格剖分生成深部背斜三维数值模型的网格单元结构；

对生成模型网格质量进行检验，控制六面体畸形率，若存在畸形网格则重新执行地层实体处理，调整剖分参数重新剖分，若重点研究对象的模型局部区域为，进行网格加密处理；

存储网格文件为目标力学分析程序识别的网格文件格式。

结合本申请第一方面，在本申请第一方面第六种可能的实现方式中，采用非结构性六面体网格对三维实体模型进行剖分，并对其中的断层构造进行网格剖分，形成用于有限元计算的三维数值模型之后，方法还包括：

在三维数值模型的基础上，结合有限元计算方式，对目标背斜构造进行地质力学分析以及数值仿真分析，以进行目标背斜构造的工程岩体稳定性研究。

第二方面，本申请提供了一种深部背斜构造及地层结构三维数值模型构建装置，装置包括：

获取单元，用于获取目标背斜构造的初始数据，其中，初始数据是通过探洞或者钻孔的方式采集得到的，初始数据包括目标背斜构造的轴面几何参数、地层产状、地层组成以及地层结构；

第一构建单元，用于基于初始数据的内容，构建目标背斜构造的三维实体模型，其中，三维实体模型用于还原目标背斜构造的三维实体结构；

第二构建单元，用于采用非结构性六面体网格对三维实体模型进行剖分，并对其中的断层构造进行网格剖分，形成用于有限元计算的三维数值模型，其中，三维数值模型用于对目标背斜构造进行地质力学分析以及数值仿真分析。

结合本申请第二方面，在本申请第二方面第一种可能的实现方式中，装置还包括触发单元，用于：

在目标背斜构造的内部开挖洞室或者隧洞之前，触发获取目标背斜构造的初始数据。

结合本申请第二方面，在本申请第二方面第二种可能的实现方式中，获取单元，具体用于：

通过T字型探洞及配套勘探钻孔处理，获取目标背斜构造的初始数据，其中，T字型探洞及配套勘探钻孔处理是指对待获取数据的背斜构造布设T字形结构的探洞，并在T字形结构的探洞处理的基础上进行配套勘探钻孔，来获取相应的数据。

结合本申请第二方面第二种可能的实现方式，在本申请第二方面第三种可能的实现方式中，T字型探洞及配套勘探钻孔处理具体包括以下工作条件：

平面上探洞分为横洞和竖洞；

横洞大角度横穿背斜两翼，角度大于65°；

竖洞小角度与背斜轴面相交，角度不超过30°；

横洞以及竖洞的长度，依据深部背斜构造规模设定；

横洞的上侧边墙、横洞的两端、竖洞的两边墙布置探测钻孔，探测地层产状、地层组成、地层结构；

探洞地层产状通过地质编录罗盘或者三维激光扫描结构面识别处理获得；

钻孔地层产状通过岩芯编录或者数字钻孔摄像处理获得；

基于地层产状信息构建背斜轴线和背斜两翼方向地质剖面图，作为轴面几何参数。

结合本申请第二方面，在本申请第二方面第四种可能的实现方式中，第一构建单元在三维实体模型的构建过程中，具体用于：

设定地质模型区域尺寸；

选定探洞底板高程水平面为水平参考面，绘制背斜各地层走向线；选定垂直参考面，绘制各地层视倾角线；依据走向线、视倾角线上测点的实际揭露位置或地层剖面位置，将地层走向线以及视倾角线摆放于空间相应位置，形成背斜构造典型特征线模型；

分别对每个地层的界面开展空间曲线插值，形成空间曲面；

背斜地层等高线提取；

地层等高线蒙皮形成封闭的地层空间曲面；

由地层空间曲面以及地质模型外边界面生成封闭地层实体模型；

将模型与断层界面进行交切拓扑运算，生成含断层交切关系的三维实体模型。

结合本申请第二方面，在本申请第二方面第五种可能的实现方式中，第二构建单元在三维数值模型的建模处理中，具体用于：

将三维实体模型转换为开源有限元网格剖分软件Gmsh识别的IGES文件，导入至Gmsh；

按照实际背斜地层，选取地层面片和断层面片形成封闭体外表面，进而生成背斜各地层实体，对所有地层实体进行拓扑交切运算，去除重叠点、线和面；

设置拓扑正确的实体模型交线边界网格剖分分段数或剖分网格尺寸参数，选用非结构性六面体网格剖分算法和Delaunay网格生成算法，对实体模型和断层界面进行网格剖分生成深部背斜三维数值模型的网格单元结构；

对生成模型网格质量进行检验，控制六面体畸形率，若存在畸形网格则重新执行地层实体处理，调整剖分参数重新剖分，若重点研究对象的模型局部区域为，进行网格加密处理；

存储网格文件为目标力学分析程序识别的网格文件格式。

结合本申请第二方面，在本申请第二方面第六种可能的实现方式中，装置还包括分析单元，用于：

在三维数值模型的基础上，结合有限元计算方式，对目标背斜构造进行地质力学分析以及数值仿真分析，以进行目标背斜构造的工程岩体稳定性研究。

第三方面，本申请提供了一种处理设备，包括处理器和存储器，存储器中存储有计算机程序，处理器调用存储器中的计算机程序时执行本申请第一方面或者本申请第一方面任一种可能的实现方式提供的方法。

第四方面，本申请提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有多条指令，指令适于处理器进行加载，以执行本申请第一方面或者本申请第一方面任一种可能的实现方式提供的方法。

从以上内容可得出，本申请具有以下的有益效果：

针对于背斜构造的分析，本申请现获取目标背斜构造的初始数据，该初始数据包括目标背斜构造的轴面几何参数、地层产状、地层组成以及地层结构，在这些有限的背斜构造要素信息的条件下，构建目标背斜构造的三维实体模型，来还原目标背斜构造的三维实体结构，又继续采用非结构性六面体网格对该三维实体模型进行剖分，并对其中的断层构造进行网格剖分，如此形成可方便用于有限元计算并且还具有高精度优点的三维数值模型，从而为后续的有限元分析打造精确有效的基础，促使为背斜构造相关的工程开展工作提供精确有效数据支持。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请深部背斜构造及地层结构三维数值模型构建方法的一种流程示意图；

图2为本申请T字型探洞及配套勘探钻孔处理的一种场景示意图；

图3为本申请T字型探洞及配套勘探钻孔处理的又一种场景示意图；

图4为本申请构建三维实体模型的一种场景示意图；

图5为本申请背斜构造在网格单元结构下的一种场景示意图；

图6为本申请建模处理的一种场景示意图；

图7为本申请深部背斜构造及地层结构三维数值模型构建装置的一种结构示意图；

图8为本申请处理设备的一种结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或模块的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或模块，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。在本申请中出现的对步骤进行的命名或者编号，并不意味着必须按照命名或者编号所指示的时间/逻辑先后顺序执行方法流程中的步骤，已经命名或者编号的流程步骤可以根据要实现的技术目的变更执行次序，只要能达到相同或者相类似的技术效果即可。

本申请中所出现的模块的划分，是一种逻辑上的划分，实际应用中实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块可以结合成或集成在另一个系统中，或一些特征可以忽略，或不执行，另外，所显示的或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，模块之间的间接耦合或通信连接可以是电性或其他类似的形式，本申请中均不作限定。并且，作为分离部件说明的模块或子模块可以是也可以不是物理上的分离，可以是也可以不是物理模块，或者可以分布到多个电路模块中，可以根据实际的需要选择其中的部分或全部模块来实现本申请方案的目的。

在介绍本申请提供的深部背斜构造及地层结构三维数值模型构建方法之前，首先介绍本申请所涉及的背景内容。

本申请提供的深部背斜构造及地层结构三维数值模型构建方法、装置以及计算机可读存储介质，可应用于处理设备，用于精确地构建一背斜构造的三维数值模型，从而为后续的有限元分析打造精确有效的基础，促使为背斜构造相关的工程开展工作提供精确有效数据支持。

本申请提及的深部背斜构造及地层结构三维数值模型构建方法，其执行主体可以为深部背斜构造及地层结构三维数值模型构建装置，或者集成了该深部背斜构造及地层结构三维数值模型构建装置的服务器、物理主机或者用户设备（User Equipment，UE）等不同类型的处理设备。其中，深部背斜构造及地层结构三维数值模型构建装置可以采用硬件或者软件的方式实现，UE具体可以为智能手机、平板电脑、笔记本电脑、台式电脑或者个人数字助理（Personal Digital Assistant，PDA）等终端设备，处理设备可以通过设备集群的方式设置。

下面，开始介绍本申请提供的深部背斜构造及地层结构三维数值模型构建方法。

首先，参阅图1，图1示出了本申请深部背斜构造及地层结构三维数值模型构建方法的一种流程示意图，本申请提供的背斜构造的深部背斜构造及地层结构三维数值模型构建方法，具体可包括如下步骤S101至步骤S103：

步骤S101，获取目标背斜构造的初始数据，其中，初始数据是通过探洞或者钻孔的方式采集得到的，初始数据包括目标背斜构造的轴面几何参数、地层产状、地层组成以及地层结构；

可以理解，地壳岩层受强大挤压作用而发生塑性变形，形成波状弯曲构造即为褶皱构造，背斜构造是褶皱构造的一种，它形态上呈现出地层向上隆起的凸字形构造，是一种向上突出的弯曲。

为构建目标背斜构造的三维地质模型，需要先配置本次目标背斜构造的基础要素信息、初始要素信息，因此首先通过步骤S101获取目标背斜构造的初始数据。

对于该初始数据，其为不同数据的集合，具体包括了本次目标背斜构造的轴面几何参数、地层产状、地层组成以及地层结构等本申请认为可从不同方面反映、表征相应地质特征的数据。

对于初始数据的获取，在实际操作中，既可能是实时通过相关的设备进行数据的采集工作，也可能是提取之前已经通过相关设备采集到的数据，而对于数据采集工作中涉及的设备，具体可以随探洞或者钻孔处理中涉及的设备类型、设备形式而定，在此本申请不做具体限定。

具体的，对于本次针对的目标背斜构造，可以理解，是已经确定存在的背斜构造，当然，此时处于一个较为模糊的阶段，还不知道地下的背斜构造的具体区域以及具体结构。

对应于实际操作，作为一种适于实用的实现方式，目标背斜构造的初始数据的获取，可以采用触发的形式进行，即，在确定了存在背斜构造、确定了本次的目标背斜构造的情况下，再根据三维地质模型的构建需求，获取其初始数据并通过本申请提供的深部背斜构造及地层结构三维数值模型构建方法，来构建高精度的模型。

举例而言，具体可以在目标背斜构造的内部开挖洞室或者隧洞之前，触发获取目标背斜构造的初始数据，也就是说，可以在系统上确定了背斜构造的相关工程工作之后，再去获取其初始数据进行模型构建工作，如此既可以在系统上自动触发每个背斜构造的模型构建工作，又可以与地质工程进行无缝连接，具有更佳的实用性。

此外，还可注意到的是，对于区域尺度的背斜构造而言，背斜构造的几何尺寸通常远大于深部工程，如隧道、地下硐室、巷道等工程结构尺寸。此外，与地表工程不同，深部工程对背斜构造的揭露地质露头仅局限于开挖结构局部范围内，如勘探钻孔所探测的深度范围和开挖面所暴露的区域，在无显著地层力学性质差异（如背斜核部挤压破碎区或两翼层间错动带或地质弱面）时，物探技术手段也难以识别背斜构造的空间几何关系。

对工程开挖结构而言，深部背斜构造是一个隐蔽性地质构造，它与存在地表露头的浅部构造不同，因为无法观测到天然地质露头，工程实践中深部岩体中所能获取的背斜构造的信息存在十分有限、匮乏的性质，也就是说，通过常规的探洞、钻孔处理所能获取到的初始数据，受到采集成本、采集规模以及背斜构造本身地质特征等方面的影响，在数据量上是较小的。

在采集初始数据的过程中，为提高数据采集量（最大化信息获取），也为促进数据采集工作的稳定、高效的进行，作为又一种适于实用的实现方式，本申请提供了一种新颖的采集方案。

参考图2示出的本申请T字型探洞及配套勘探钻孔处理的一种场景示意图，具体的，可以通过本申请提出的T字型探洞及配套勘探钻孔处理，获取目标背斜构造的初始数据，其中，T字型探洞及配套勘探钻孔处理是指对待获取数据的背斜构造布设T字形结构的探洞，并在T字形结构的探洞处理的基础上进行配套勘探钻孔，来获取相应的数据。

在该T字型探洞及配套勘探钻孔处理下，可以发现，所需的探洞及其钻孔的处理较为便捷，因此可低成本、高效地获取到所需的各类信息。

此外，图2中还可反映上面提及的初始数据中的部分内容，轴面几何参数是指脊线（图2中1）、轴面（图2中2）、核部（图2中3）和翼部（图2中4）；地层组成是指构成背斜构造的弯曲变形的地层（图2中5）及其产状（图2中8）；地层结构则表征不同岩性岩层或者力学性质差异的岩层之间的组合接触关系，在断层与背斜相伴而生或者后期因断层错动改造的背斜中，地层结构还包含断层对背斜地层的错断、穿切等拓扑关系。

进一步的，在具体操作中，本申请对该T字型探洞及配套勘探钻孔处理还具体配置了以下工作条件，以进一步保障其稳定、高效的工作效果：

平面上探洞分为横洞（指大写T字上方横笔方向的探洞）和竖洞（指大写T字上方竖笔方向的探洞），两洞开挖表面揭露的地层及其产状信息是构建三维背斜构造地质模型的重要基础；

横洞大角度横穿背斜两翼，建议角度大于65°；

竖洞小角度与背斜轴面相交，建议角度不超过30°；

横洞以及竖洞的长度，依据深部背斜构造规模设定，对于工程开挖高程上，背斜两翼跨度在数百米级别的大型背斜构造，可采用分段布置T字型探洞方式充分获取整个背斜构造要素信息，且建议至少在背斜核部和两翼区布置有勘测探洞（图2中6）；

横洞的上侧边墙、横洞的两端、竖洞的两边墙布置探测钻孔，探测地层产状、地层组成、地层结构（图2中7），勘探钻孔最大化空间地层组成与结构信息以及地层产状参数等，满足后续三维模型建立中地层界面曲面插值需求，并控制插值精度；

探洞地层产状信息可通过地质编录罗盘量测获得，但为保证产状信息的准确性，更建议采用三维激光扫描结构面识别技术进行获取；

钻孔地层产状信息可通过岩芯编录获得，但更建议采用数字钻孔摄像处理得到；

基于地层产状信息构建背斜轴线和背斜两翼方向地质剖面图，作为轴面几何参数。

作为该T字型探洞及配套勘探钻孔处理的一种实例，参考图3示出的本申请T字型探洞及配套勘探钻孔处理的又一种场景示意图，以锦屏深部地下实验室二期工程区背斜构造建模为例，锦屏地下实验室二期工程区位于锦屏山背斜发育段，最大埋深2400m，由1#至8#和9-1#及9-2#共十个实验室组成，并与1#至4#四个交通洞形成了四个T字型洞室结构，工程区内发育有一个背斜构造和断裂构造，背斜的核部与3#和4#实验室近垂直，而与2#交通洞近平行。因而，四个T字型洞室结构形成了四个T字型探洞。此外，在四个交通洞和1#至8#实验室边墙两侧也分别布置了一定数量的钻探孔。

1.按照本申请T字型探洞布置要求，在锦屏地下实验室二期工程区形成了四个有效的T字型探洞。其中1#至8#实验室为T字型探洞的横洞，交通洞为T字型探洞的竖洞。

2.对四个交通洞和8个实验室开挖过程围岩露头进行地质编录，绘制隧洞地质展示图，必要洞段开展了三维激光扫描；根据岩性与岩石矿物组成差异（如岩石颜色），识别T字型洞洞周揭露地层组成、地层结构和断层构造发育特征，定位地层分界点以及各地层和断层产状信息；绘制沿沿2#交通洞轴线方向和3#、4#实验室轴线方向的地质构面图。

3.在交通洞和实验室边墙布置一定数量的水平孔，孔深最大达60m，最小孔深10m。钻孔取芯并进行地质编录，对重要钻孔开展数字钻孔摄像；综合识别围岩内部地层界线和地层产状，与探洞表面获取的地层产状信息综合形成背斜区空间地层产状信息（如图3所示）。

步骤S102，基于初始数据的内容，构建目标背斜构造的三维实体模型，其中，三维实体模型用于还原目标背斜构造的三维实体结构；

在获得了本次目标背斜构造的初始数据后，则可在其数据内容的基础上，先构建对应的三维实体模型，容易看出，该三维实体模型，是以还原目标背斜构造的三维实体结构的目的所构建的一种三维地质模型。

可以理解，初始数据中包含的轴面几何参数、地层产状、地层组成以及地层结构等数据，从目标背斜构造的不同方面反应了对应的地质特征，在此基础上，本申请从建模的角度出发，结合这些实测的地质特征，还原目标背斜构造的三维实体结构。

本申请在三维实体模型的建模过程中，主要包含两个核心技术，一是背斜地层界面的建模，而是背斜实体模型的建模。

背斜地层界面建模，目的是基于探洞与钻孔中已查明的背斜地层组成以及各露头处实测产状信息，通过插值和外延等方法形成各地层界面的空间曲面，该曲面在实测产状测点位置是精确匹配测试产状数据值，如有断层面揭露时，也需构建断层空间曲面。

其中，初始所涉及的具体技术可包括：NURBS曲线空间放样、经纬线提取、空间曲面蒙皮和实体建模与断层拓扑切合等；并实现背斜地层不整合、断层错断背斜地层等界面交切拓扑运算。

背斜实体模型建模，则将地层界面建模后界面间区域实体化，形成封闭的地层三维实体模型。

具体的，结合又一实例来说明此处该三维实体模型的构建处理。

参考图4示出的本申请构建三维实体模型的一种场景示意图，针对锦屏地下实验二期工程区背斜构造三维地质模型构建，本申请摒弃了传统地质建模方法中“由地质体边界点形成边界线，由线生成空间面，进而构建空间体”的构建方法，而是以边界线为基础，包括地层产状线、褶皱轴线、脊线和翼线等，通过勘测露头或钻孔揭露的地层与构造信息的限定条件，采用NURBS曲线空间放样、经纬线提取、空间曲面蒙皮和实体建模与断层拓扑切合等技术，构建锦屏深部地下实验室工程区背斜三维地质模型。其模型构建内容主要如下：

1.设定地质模型区域尺寸。建议采用长方体限定地质模型边界。依据锦屏二级深部地下实验室工程尺度，模型区域的尺寸为长为1300 m，宽为900 m，高为900 m（如图4中a所示）。

2.选定探洞底板高程水平面为水平参考面，绘制背斜各地层走向线；选定包含3#至4#实验室轴线的垂直参考面，绘制各地层视倾角线；并依据走向线和视倾角线上测点实际揭露位置或地层剖面位置，将地层走向线与视倾角线摆放于空间相应位置，形成背斜构造典型特征线模型（如图4中a所示）。

3.分别对每个地层的界面开展空间曲线插值，形成空间曲面（即NURBS曲线空间放样）。放样采用分片放样方法，即将一个背斜地层界面划分多个曲面片区，在每个片区内分别开展空间放样（如图4中b所示）；放样过程包三种方法：①地层视倾角线向地层走向线放样；②地层视倾角线沿地层走向线放样；③地层走向线沿地层视倾角线放样。一般经过三次放样即可生成一个背斜构造地层曲面。重复上述过程对每个地层分别构建空间曲面，即可生成背斜构造典型特征面模型（如图4中c所示）。拓扑检查各地层交切关系，对不正确的交切关系地层界面进行修正。断层面也采用同样方法进行生成。

4.背斜地层等高线提取。对已生成的地层特征面采用水平参考面在不同高程上进行交切运算，形成的交线即为地层面等高线。依次对所有地层特征面开展等高线提取，获得所有地层面等高线（如图4中d所示）。

5.地层等高线蒙皮形成封闭的地层空间曲面。至此一个完整的、封闭的地层空间曲面被生成。依次对不同地层面等高线进行蒙皮计算，获得所有地层空间曲面。

6.由地层空间曲面与地质模型外边界面生成封闭地层实体模型。依次对每个地层空间曲面进行实体化建模，并按照地层接触关系对由外向内对地层实体进行两两拓扑布尔运算，生成背斜构造地层三维实体模型（如图4中e所示），地层界面为地层实体的公共交界面。

7.将背斜构造地层三维实体模型与断层界面进行交切拓扑运算，生成含断层交切关系的三维实体模型（如图4中f所示）。

步骤S103，采用非结构性六面体网格对三维实体模型进行剖分，并对其中的断层构造进行网格剖分，形成用于有限元计算的三维数值模型，其中，三维数值模型用于对目标背斜构造进行地质力学分析以及数值仿真分析。

在得到还原了目标背斜构造的三维实体结构的三维实体模型后，则可对应于背斜构造相关的分析需求，对该模型继续进行加工，得到可用于有限元计算、提供有限元计算基础的三维数值模型，如此方便根据工程开展需求进行目标背斜构造相关的地址力学分析以及数值仿真分析。

具体的，在构建三维数值模型的过程中，可以采用非结构性六面体网格对三维实体模型进行剖分，并对其中的断层构造进行网格剖分（如Interface网格剖分），如此得到三维数值模型。

具体的，在又一种示例性的实现方式中，三维数值模型的建模处理具体可以包括：

1.将生成的背斜构造地层三维实体模型转换为开源有限元网格剖分软件Gmsh（一种示例性的应用环境）识别的IGES文件，导入至Gmsh。其中，可进一步对断层与背斜各地层交叉关系进行拓扑检验和修正，保证断层与地层仅存在一个交线，并使背斜地层面交切后生成数个几何面片与断层面片。

2.按照实际背斜地层，选取地层面片和断层面片形成封闭体外表面，进而生成背斜各地层实体；对所有地层实体进行拓扑交切运算，去除重叠点、线和面。

3.设置拓扑正确的实体模型交线边界网格剖分分段数或剖分网格尺寸参数（如设置全局网格最小边长尺寸），选用非结构性六面体网格剖分算法和Delaunay网格生成算法，对实体模型和断层界面进行网格剖分生成深部背斜三维数值模型的网格单元结构，如图5示出的本申请背斜构造在网格单元结构下的一种场景示意图。

4.对生成模型网格质量进行检验，控制六面体畸形率。若存在畸形网格则重复步骤2过程（地层实体处理），调整剖分参数重新剖分；若模型局部区域为重点研究对象，需要进行网格加密处理。

5.存储网格文件为特定力学分析程序识别的网格文件格式。

为方便理解上面涉及的内容（包括各示例性的实现方式），还可结合图6示出的本申请建模处理的一种场景示意图进行理解。

而在完成三维数值模型的构建后，则可投入后续的实际使用，即，在三维数值模型的基础上，结合有限元计算方式，对目标背斜构造进行地质力学分析以及数值仿真分析，以进行目标背斜构造的工程岩体稳定性研究。

可以理解，目标背斜构造的工程岩体稳定性研究，是指在目标背斜构造所在区域开展工程作业时可以涉及到的工程岩体稳定性的研究，在该研究过程中，可以考虑背斜构造与对工程作业之间的相互影响，从而可以为实际作业提供数据指导，以保障工程作业可以更为安全、稳定、高效地进行。

从图1所示实施例可看出，针对于背斜构造的分析，本申请现获取目标背斜构造的初始数据，该初始数据包括目标背斜构造的轴面几何参数、地层产状、地层组成以及地层结构，在这些有限的背斜构造要素信息的条件下，构建目标背斜构造的三维实体模型，来还原目标背斜构造的三维实体结构，又继续采用非结构性六面体网格对该三维实体模型进行剖分，并对其中的断层构造进行网格剖分，如此形成可方便用于有限元计算并且还具有高精度优点的三维数值模型，从而为后续的有限元分析打造精确有效的基础，促使为背斜构造相关的工程开展工作提供精确有效数据支持。

通俗来讲，本申请是对背斜几何要素、背斜地层组成和地层结构等有限调查、勘察和探测信息的综合利用，构建包含背斜构造形态特征、几何拓扑关系和三维数字表征为三位一体的背斜构造三维实体地质模型，并进行数值网格剖分形成力学分析计算的三维数值模型，能够服务于深部背斜构造区地应力场特征分析，并与地下开挖结构耦合实现对地下洞室、隧道等围岩稳定性分析研究。

以上是本申请提供的深部背斜构造及地层结构三维数值模型构建方法的介绍，为便于更好的实施本申请提供的深部背斜构造及地层结构三维数值模型构建方法，本申请还从功能模块角度提供了一种深部背斜构造及地层结构三维数值模型构建装置。

参阅图7，图7为本申请深部背斜构造及地层结构三维数值模型构建装置的一种结构示意图，在本申请中，深部背斜构造及地层结构三维数值模型构建装置700具体可包括如下结构：

获取单元701，用于获取目标背斜构造的初始数据，其中，初始数据是通过探洞或者钻孔的方式采集得到的，初始数据包括目标背斜构造的轴面几何参数、地层产状、地层组成以及地层结构；

第一构建单元702，用于基于初始数据的内容，构建目标背斜构造的三维实体模型，其中，三维实体模型用于还原目标背斜构造的三维实体结构；

第二构建单元702，用于采用非结构性六面体网格对三维实体模型进行剖分，并对其中的断层构造进行网格剖分，形成用于有限元计算的三维数值模型，其中，三维数值模型用于对目标背斜构造进行地质力学分析以及数值仿真分析。

在一种示例性的实现方式中，装置还包括触发单元703，用于：

在目标背斜构造的内部开挖洞室或者隧洞之前，触发获取目标背斜构造的初始数据。

在又一种示例性的实现方式中，获取单元701，具体用于：

通过T字型探洞及配套勘探钻孔处理，获取目标背斜构造的初始数据，其中，T字型探洞及配套勘探钻孔处理是指对待获取数据的背斜构造布设T字形结构的探洞，并在T字形结构的探洞处理的基础上进行配套勘探钻孔，来获取相应的数据。

在又一种示例性的实现方式中，T字型探洞及配套勘探钻孔处理具体包括以下工作条件：

平面上探洞分为横洞和竖洞；

横洞大角度横穿背斜两翼，角度大于65°；

竖洞小角度与背斜轴面相交，角度不超过30°；

横洞以及竖洞的长度，依据深部背斜构造规模设定；

横洞的上侧边墙、横洞的两端、竖洞的两边墙布置探测钻孔，探测地层产状、地层组成、地层结构；

探洞地层产状通过地质编录罗盘或者三维激光扫描结构面识别处理获得；

钻孔地层产状通过岩芯编录或者数字钻孔摄像处理获得；

基于地层产状信息构建背斜轴线和背斜两翼方向地质剖面图，作为轴面几何参数。

在又一种示例性的实现方式中，第一构建单元702在三维实体模型的构建过程中，具体用于：

设定地质模型区域尺寸；

选定探洞底板高程水平面为水平参考面，绘制背斜各地层走向线；选定垂直参考面，绘制各地层视倾角线；依据走向线、视倾角线上测点的实际揭露位置或地层剖面位置，将地层走向线以及视倾角线摆放于空间相应位置，形成背斜构造典型特征线模型；

分别对每个地层的界面开展空间曲线插值，形成空间曲面；

背斜地层等高线提取；

地层等高线蒙皮形成封闭的地层空间曲面；

由地层空间曲面以及地质模型外边界面生成封闭地层实体模型；

将模型与断层界面进行交切拓扑运算，生成含断层交切关系的三维实体模型。

在又一种示例性的实现方式中，第二构建单元703在三维数值模型的建模处理中，具体用于：

将三维实体模型转换为开源有限元网格剖分软件Gmsh识别的IGES文件，导入至Gmsh；

按照实际背斜地层，选取地层面片和断层面片形成封闭体外表面，进而生成背斜各地层实体，对所有地层实体进行拓扑交切运算，去除重叠点、线和面；

设置拓扑正确的实体模型交线边界网格剖分分段数或剖分网格尺寸参数，选用非结构性六面体网格剖分算法和Delaunay网格生成算法，对实体模型和断层界面进行网格剖分生成深部背斜三维数值模型的网格单元结构；

对生成模型网格质量进行检验，控制六面体畸形率，若存在畸形网格则重新执行地层实体处理，调整剖分参数重新剖分，若重点研究对象的模型局部区域为，进行网格加密处理；

存储网格文件为目标力学分析程序识别的网格文件格式。

在又一种示例性的实现方式中，装置还包括分析单元705，用于：

在三维数值模型的基础上，结合有限元计算方式，对目标背斜构造进行地质力学分析以及数值仿真分析，以进行目标背斜构造的工程岩体稳定性研究。

本申请还从硬件结构角度提供了一种处理设备，参阅图8，图8示出了本申请处理设备的一种结构示意图，具体的，本申请处理设备可包括处理器801、存储器802以及输入输出设备803，处理器801用于执行存储器802中存储的计算机程序时实现如图1对应实施例中深部背斜构造及地层结构三维数值模型构建方法的各步骤；或者，处理器801用于执行存储器802中存储的计算机程序时实现如图7对应实施例中各单元的功能，存储器802用于存储处理器801执行上述图1对应实施例中深部背斜构造及地层结构三维数值模型构建方法所需的计算机程序。

示例性的，计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，一个或者多个模块/单元被存储在存储器802中，并由处理器801执行，以完成本申请。一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述计算机程序在计算机装置中的执行过程。

处理设备可包括，但不仅限于处理器801、存储器802、输入输出设备803。本领域技术人员可以理解，示意仅仅是处理设备的示例，并不构成对处理设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如处理设备还可以包括网络接入设备、总线等，处理器801、存储器802、输入输出设备803等通过总线相连。

处理器801可以是中央处理单元（Central Processing Unit，CPU），还可以是其他通用处理器、数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）、专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）、现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，处理器是处理设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个设备的各个部分。

存储器802可用于存储计算机程序和/或模块，处理器801通过运行或执行存储在存储器802内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器802内的数据，实现计算机装置的各种功能。存储器802可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序等；存储数据区可存储根据处理设备的使用所创建的数据等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡（Smart Media Card，SMC），安全数字（SecureDigital，SD）卡，闪存卡（Flash Card）、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

处理器801用于执行存储器802中存储的计算机程序时，具体可实现以下功能：

获取目标背斜构造的初始数据，其中，初始数据是通过探洞或者钻孔的方式采集得到的，初始数据包括目标背斜构造的轴面几何参数、地层产状、地层组成以及地层结构；

基于初始数据的内容，构建目标背斜构造的三维实体模型，其中，三维实体模型用于还原目标背斜构造的三维实体结构；

采用非结构性六面体网格对三维实体模型进行剖分，并对其中的断层构造进行网格剖分，形成用于有限元计算的三维数值模型，其中，三维数值模型用于对目标背斜构造进行地质力学分析以及数值仿真分析。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的深部背斜构造及地层结构三维数值模型构建装置、处理设备及其相应单元的具体工作过程，可以参考如图1对应实施例中深部背斜构造及地层结构三维数值模型构建方法的说明，具体在此不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解，上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤可以通过指令来完成，或通过指令控制相关的硬件来完成，该指令可以存储于一计算机可读存储介质中，并由处理器进行加载和执行。

为此，本申请提供一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，该指令能够被处理器进行加载，以执行本申请如图1对应实施例中深部背斜构造及地层结构三维数值模型构建方法的步骤，具体操作可参考如图1对应实施例中深部背斜构造及地层结构三维数值模型构建方法的说明，在此不再赘述。

其中，该计算机可读存储介质可以包括：只读存储器（Read Only Memory，ROM）、随机存取记忆体（Random Access Memory，RAM）、磁盘或光盘等。

由于该计算机可读存储介质中所存储的指令，可以执行本申请如图1对应实施例中深部背斜构造及地层结构三维数值模型构建方法的步骤，因此，可以实现本申请如图1对应实施例中深部背斜构造及地层结构三维数值模型构建法所能实现的有益效果，详见前面的说明，在此不再赘述。

以上对本申请提供的深部背斜构造及地层结构三维数值模型构建方法、装置、处理设备以及计算机可读存储介质进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种深部背斜构造及地层结构三维数值模型构建方法，其特征在于，所述方法包括：

获取目标背斜构造的初始数据，其中，所述初始数据是通过探洞或者钻孔的方式采集得到的，所述初始数据包括所述目标背斜构造的轴面几何参数、地层产状、地层组成以及地层结构；

基于所述初始数据的内容，构建所述目标背斜构造的三维实体模型，其中，所述三维实体模型用于还原所述目标背斜构造的三维实体结构；

采用非结构性六面体网格对所述三维实体模型进行剖分，并对其中的断层构造进行网格剖分，形成用于有限元计算的三维数值模型，其中，所述三维数值模型用于对所述目标背斜构造进行地质力学分析以及数值仿真分析。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取目标背斜构造的初始数据之前，所述方法还包括：

在所述目标背斜构造的内部开挖洞室或者隧洞之前，触发获取所述目标背斜构造的初始数据。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取目标背斜构造的初始数据，包括：

通过T字型探洞及配套勘探钻孔处理，获取所述目标背斜构造的初始数据，其中，T字型探洞及配套勘探钻孔处理是指对待获取数据的背斜构造布设T字形结构的探洞，并在所述T字形结构的探洞处理的基础上进行配套勘探钻孔，来获取相应的数据。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述T字型探洞及配套勘探钻孔处理具体包括以下工作条件：

平面上探洞分为横洞和竖洞；

所述横洞大角度横穿背斜两翼，角度大于65°；

所述竖洞小角度与背斜轴面相交，角度不超过30°；

所述横洞以及所述竖洞的长度，依据深部背斜构造规模设定；

所述横洞的上侧边墙、所述横洞的两端、所述竖洞的两边墙布置探测钻孔，探测所述地层产状、所述地层组成、所述地层结构；

探洞地层产状通过地质编录罗盘或者三维激光扫描结构面识别处理获得；

钻孔地层产状通过岩芯编录或者数字钻孔摄像处理获得；

基于所述地层产状信息构建背斜轴线和背斜两翼方向地质剖面图，作为所述轴面几何参数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述三维实体模型的构建过程中，具体包括：

设定地质模型区域尺寸；

选定探洞底板高程水平面为水平参考面，绘制背斜各地层走向线；选定垂直参考面，绘制各地层视倾角线；依据走向线、视倾角线上测点的实际揭露位置或地层剖面位置，将所述地层走向线以及所述视倾角线摆放于空间相应位置，形成背斜构造典型特征线模型；

分别对每个地层的界面开展空间曲线插值，形成空间曲面；

背斜地层等高线提取；

地层等高线蒙皮形成封闭的地层空间曲面；

由地层空间曲面以及地质模型外边界面生成封闭地层实体模型；

将模型与断层界面进行交切拓扑运算，生成含断层交切关系的所述三维实体模型。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述三维数值模型的建模处理中，具体包括：

将所述三维实体模型转换为开源有限元网格剖分软件Gmsh识别的IGES文件，导入至所述Gmsh；

按照实际背斜地层，选取地层面片和断层面片形成封闭体外表面，进而生成背斜各地层实体，对所有地层实体进行拓扑交切运算，去除重叠点、线和面；

设置拓扑正确的实体模型交线边界网格剖分分段数或剖分网格尺寸参数，选用非结构性六面体网格剖分算法和Delaunay网格生成算法，对实体模型和断层界面进行网格剖分生成深部背斜三维数值模型的网格单元结构；

对生成模型网格质量进行检验，控制六面体畸形率，若存在畸形网格则重新执行地层实体处理，调整剖分参数重新剖分，若重点研究对象的模型局部区域为，进行网格加密处理；

存储网格文件为目标力学分析程序识别的网格文件格式。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用非结构性六面体网格对所述三维实体模型进行剖分，并对其中的断层构造进行网格剖分，形成用于有限元计算的三维数值模型之后，所述方法还包括：

在所述三维数值模型的基础上，结合有限元计算方式，对所述目标背斜构造进行地质力学分析以及数值仿真分析，以进行所述目标背斜构造的工程岩体稳定性研究。

8.一种深部背斜构造及地层结构三维数值模型构建方法装置，其特征在于，所述装置包括：

获取单元，用于获取目标背斜构造的初始数据，其中，所述初始数据是通过探洞或者钻孔的方式采集得到的，所述初始数据包括所述目标背斜构造的轴面几何参数、地层产状、地层组成以及地层结构；

第一构建单元，用于基于所述初始数据的内容，构建所述目标背斜构造的三维实体模型，其中，所述三维实体模型用于还原所述目标背斜构造的三维实体结构；

第二构建单元，用于采用非结构性六面体网格对所述三维实体模型进行剖分，并对其中的断层构造进行网格剖分，形成用于有限元计算的三维数值模型，其中，所述三维数值模型用于对所述目标背斜构造进行地质力学分析以及数值仿真分析。

9.一种处理设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时执行如权利要求1至7任一项所述的方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有多条指令，所述指令适于处理器进行加载，以执行权利要求1至7任一项所述的方法。

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