基于Surfer和ANSYS复杂地质体的FLAC3D实体建模

杨宇宏 许 胜

0 引言

在工程地质研究中，数值模拟通过正确描述工程研究对象，来预测和解决工程实际问题，同时，在分析过程中深化对研究对象及其地质模型的认识。数值分析结果的合理性在很大程度上取决于模型建立的正确性和输入参数的可靠性。随着我国经济的持续发展和西部大开发战略的实施，水利水电事业呈现出勃勃生机，一大批巨大型水利水电工程相继得到开发，如三峡、溪洛渡、锦屏等，这些工程多处于高山峡谷，所处地区地质构造复杂，地质信息众多。因此，在工程地质数值分析中，如何正确地将地质信息在模型中得到更全面的反映是数值模拟至关重要的一步。

FLAC3D是由美国Itasca公司开发的三维有限差分软件，用于模拟三维土体、岩体或其他材料力学特性，尤其是达到屈服极限时的塑性流变。软件自被推出以后，在岩土工程和水利水电工程中得到了广泛的运用[1-3]，已成为目前岩土力学计算中重要的数值方法之一。然而，FLAC3D软件的前处理功能很薄弱，不能直接进行图形处理，建模难度更大，对于复杂的工程岩土体(或地质体)而言很难直接实现相应的建模操作，即使采用其强大的FISH内置语言有时也是无能为力，这严重阻碍了其在相关领域中的应用。因此，为解决FLAC3D软件建模的不足，本文试图利用已有的前处理功能强大的ANSYS软件对复杂工程地质体建立相应数值模型(包括网格划分)，再通过ANSYS-TO-FLAC3D接口程序实现FLAC3D模型的建立。

1 FLAC3D模型的构建

自从FLAC3D软件被工程应用，关于它的前处理阶段的复杂三维地质建模方法也相继出现。如胡斌等[4]运用FORTRAN语言编写了FLAC3D的前处理程序，实现了对于岩层和地质结构较单一的地质体快速建模;廖秋林等[5]采用Visual Basic语言、李根等[6]采用Visual C++语言编写了FLAC3D-ANSYS之间的接口程序，借助有限元软件ANSYS相对便捷的前处理实现了在FLAC3D中复杂三维地质模型的建立，但没有很好的模拟地表形态;崔芳鹏等[7]基于Surfer，将数据转化为FLAC3D能够调用的*.dat文件从而建立复杂三维地质模型，但调用*.dat文件生成模型所耗的时间长。综上所述，本文将结合这两种软件各自的优点，实现更精确、更快速地建立FLAC3D复杂三维实体模型的目的。

一般工程而言，地形地质图和相关平、切面图(AutoCAD)包含了各种地质信息:地表面起伏、等高线、地层界面以及断层构造、岩溶等。根据工程研究的需要每间隔某一定距离切取地形剖面线，得到剖面线与等高线和地层界面等的交点，再将这些交点的三维坐标信息提取出来(工具→查询→列表显示)，导入Excel作预处理后再输入Surfer软件进行插值，得到储存了地形表面信息的*.grid文件，此后将这些经过插值的*.grid文件另存为*.dat文件，即生成地形表面控制点三维坐标，结合钻孔资料和切面图上的信息运用同样的方法得到地层界面和断层面控制点三维坐标，然后将所有的*.dat再导入Excel作处理，形成ANSYS建立关键点的格式并保存为**.dat文件。ANSYS调用**.dat文件，生成所有关键点，然后再由点→面→体自底向上形成实体模型，再运用布尔运算和网格剖分功能对实体模型进行离散后调用前处理命令，输出各单元节点坐标及单元信息NODE.DAT和ELE.DAT文件。最后，用ANSYS-TO-FLAC3D接口程序即可生成复杂三维地质体FLAC3D数值模型(见图1)。

2 ANSYS单元类型向FLAC3D单元类型转换

ANSYS软件内部单元编码按照一定的规则进行，同样，FLAC3D内部单元编码也按一定的规则进行，但这两者软件系统其各自的编码规则有一定差异。不过，ANSYS和FLAC3D单元形状是大体一致的。通过分析各自的编码规则，找出其相应的规律，就可以顺利地建立其对应的转换关系，从而实现两者之间的网格模型转换。表1显示了ANSYS和FLAC3D的四种单元类型节点对应关系。任何复杂的模型均可以通过这 4种单元类型中的一种或几种单元类型间的组合进行完美的剖分。

根据表1中对ANSYS和FLAC3D单元数据关系的分析，作者本文利用FORTRAN语言编写了ANSYS-TO-FLAC3D接口程序。该程序能自动判断其每一单元的形状(也考虑了退化单元的转换)，形成FLAC3D单元，还将ANSYS定义的不同实体遗传到FLAC3D中，并形成相应的Group，方便了计算参数的赋值。其主要内容包括:

1)在ANSYS软件中，将模型剖分网格后，调用自编的ANSYS前处理命令流文件ANSYS-PRE.DAT，产生各单元节点坐标及单元信息NODE.DAT和ELE.DAT文件，单元节点的主要格式为:1，5 168.812 25，7 950.475 14，0，第一个数字为节点号，后面三个分别为该节点号的 X，Y，Z坐标;单元的主要格式为:1，1 041，1 042，1 043，1 044，1 046，1 061，1 056，1 051，13，第一个数字为单元号，接下来的 8个数字为属于该单元的节点号，最后一个数字是给单元属性，可以根据这个数字在FLAC3D中，将不同单元划分成不同的组(group)，方便了后期的计算参数的赋值。

2)将NODE.DAT和ELE.DAT文件和ANSYS-TO-FLAC3D接口程序放到一个目录下，执行接口程序，生成 FLAC3D支持的*.flac3d文件，文件内容如下:

3 工程应用实例

某电站的引水隧洞工程区范围大，山势雄厚，地表起伏大，高差悬殊，断层、褶皱和节理比较发育，还发育有岩溶管道，使得建模的难度增加。根据本文提出的方法模拟引水隧洞工程区的实体模型，进行网格剖分，共生成 98 100个单元、106 880个节点。然后用接口程序ANSYS-TO-FLAC3D生成FLAC3D的数值模型，共得到16个组(见图2)，成功地实现了复杂模型在FLAC3D中的建立。图 2中仅展示了表层涉及的部分岩性，由于部分岩体存在于结构内部，因此表层无法完全展示。

4 结语

1)采用Surfer软件对地形线数据进行插值，使得地表形态更精确的模拟。

2)直接在ANSYS中自底向上建立实体模型，避免因接口导入模型而产生的小体被忽略等错误。

3)根据ANSYS和FLAC3D单元数据关系，编写了ANSYS-TOFLAC3D接口程序，快速、便利地建立三维复杂地质体模型，大大减少了建模所需的时间、精力，提高了数值模拟的精度，扩大了FLAC3D在地质工程和岩土工程领域应用范围。

4)建模实例表明，该方法建立的数值模型能充分表现工程完全真实的地形、地貌和地质构造条件，使模拟计算的精确度、可靠度得以大大提高，从而证实了该建模方法的有效性和可行性。

[1] 寇晓东，周维垣，杨若琼.FLAC3D进行三峡船闸高边坡稳定分析[J].岩石力学与工程学报，2001(1):66-67.

[2] 卢书强，许 模，巨能攀.澜沧江某电站左岸地下洞室群围岩稳定性的FLAC3D分析[J].工程地质学报，2006(3):32-33.

[3] 陈新泽，唐辉明，杨有成，等.基于FLAC3D强度折减法滑坡三维稳定性研究——以三峡库区白果树大滑坡群为例[J].水文地质工程地质，2008(2):80-81.

[4] 胡 斌，张倬元，黄润秋.FLAC3D前处理程序的开发及仿真效果检验[J].岩石力学与工程学报，2002(9):57-58.

[5] 廖秋林，曾钱帮，刘 彤，等.基于ANSYS平台复杂地质体FLAC3D模型的自动生成[J].岩石力学与工程学报，2005 (6):22-23.

[6] 李 根，赵 娜.以ANSYS为平台的复杂模型到FLAC3D导入技术[J].辽宁工程科技大学学报(自然科学版)，2008 (10):17-18.

[7] 崔芳鹏，胡瑞林，刘照连.基于Surfer平台的FLAC3D复杂三维地质建模研究[J].工程地质学报，2008(5):41-42.