基于ArcGIS与FLAC3D的矿山边坡三维可视化与数值模拟耦合研究*

刘林贵 李小双 李晓军 蔡永昌

(1.同济大学土木工程学院;2.云南磷化集团有限公司)

基于ArcGIS与FLAC3D的矿山边坡三维可视化与数值模拟耦合研究*

刘林贵1李小双2李晓军1蔡永昌1

(1.同济大学土木工程学院;2.云南磷化集团有限公司)

以某矿山露采边坡为例，利用ArcGIS软件建立了边坡三维地层可视化模型，针对岩土工程特点，采用一种简化方法实现了从矿山边坡三维可视化模型到FALC3D计算模型的耦合与自动转化，开发了相应的计算模型生成插件。该方法充分利用了地层三维可视化模型可较好地表达研究区域内地质体的空间几何形态的优点，拓展了可视化模型的应用范围，排除了从地层可视化模型全自动生成精确岩土工程数值计算模型在网格形状、材料区域边界、断层/节理单元等方面所面临的困难，极大地简化了数值模拟的前处理工作。数值模拟结果表明：随着网格尺寸的不断加密，本研究方法得到的计算结果可满足岩土工程分析的实际需求，具有良好的工程应用前景。

ArcGIS FALC3D三维地层模型 边坡数值模拟 耦合

近年来，随着计算机技术的发展，地理信息系统(Geographic Infromation System,GIS)、三维地质建模(3D Geoscience Modeling,3D GM)与数值模拟等技术在采矿及岩土工程中得到了广泛应用[1-3]。GIS可以实现对复杂工程地质信息的高效管理及可视化展现，为后续的分析建模提供数据基础和可视化环境。三维地质建模可以实现研究区域内地质构造现象及地质体空间几何形态的三维表达与重现，便于进行地质分析。以有限单元法、有限差分法为代表的数值模拟技术可有效模拟矿山开采或岩土工程施工过程中岩土体及支护结构的应力变形状态，成为预测与评价岩土体稳定性，进行工程优化设计的重要依据之一。然而在实际工程中，GIS技术仍主要被用于数据信息的管理与查询，其三维地质建模的空间分析能力及可视化模型的后续应用难以满足实际需求；数值模拟技术存在计算模型的前处理工作繁琐，占用时间较长等缺点[4]。

为此，以某矿山露采边坡为背景开展了基于GIS平台的三维地质建模与数值模拟的耦合研究，利用GIS工具管理地质勘查数据，建立与显示三维地层模型；利用GIS的开放性和可扩展性，使数值模拟直接继承地层可视化模型数据，实现数值计算模型的自动生成，不仅可大大简化数值模拟的前处理过程，而且可以拓宽三维地质建模的应用领域[5]。

1 工程概况

某矿山由于长期露天开采，形成一个高200 m，长大于1 200 m的人工边坡，边坡采用自然放坡方式，坡度22°～32°，与区域内寒武系地层的倾向和倾角基本一致。矿区地质构造简单，钻孔揭露的地层由老到新依次为上震旦统灯影组、梅树村组、中泥盆统海口组、下石炭统大塘阶及第四系地层，地层岩性主要为白云岩、磷块岩、砂岩、页岩及黏土岩。

2 基于ArcGIS的边坡三维可视化建模

2.1 地层多层DEM建模思路

三维地层可视化技术包括地质体空间建模和可视化显示2个方面，其核心在于寻找合适的三维空间建模方法。目前空间建模方法可分为表面模型、实体模型和混合模型等3类，表面模型构模方法建模理论成熟，容易实现，是三维地层建模的主流方法[6]。对于层状地质体，基于表面模型的多层数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)建模是一种有效的建模方法，在地层三维可视化建模中得到了广泛应用[6-7]，建模思路为：在同一参照系下，通过建立统一规则格网下的可相互精确匹配的各地层分界面DEM，形成描述地层的多层DEM空间数据场，从而建立以岩性为要素划分的三维地层模型。采用不规则三角网(Triangulated Irregular Network，TIN)代替规则格网表示地层分界面，可消除规则格网模型在可视化时的数据冗余并保持较高的精度。完成三维建模后，可视化显示大多通过Visual C++和OpenGL从底层开始编程实现[8]。

2.2 ArcGIS软件边坡三维建模优势及效果

①钻孔数据插值由ArcGIS软件的统计分析模块完成，可选择多种插值方法，包括确定性插值方法和各种克里金插值方法；②在ArcGIS软件中可由多点、等高线、栅格数据集等自动生成表示地表或地层分界面的TIN模型，并且可以进行Delaunay约束；③利用ArcGIS软件提供的分析工具可完成TIN裁剪、拉伸等操作，可以展现地层尖灭现象、生成Multipatch格式的地层实体及完成地层剖切分析；④地层模型可视化可以在ArcScene中实现，并且可以将地层属性信息存储在地层实体要素表中，便于地层模型分层显示与查询；⑤ArcGIS软件具有良好的开放性和可扩展性，可以借助ArcGIS Engine组件及C#.NET以三维可视化地层模型为数据源进行自主开发以扩展可视化模型。

3 边坡三维可视化模型与FLAC3D数值模拟耦合

3.1 可视化模型与数值模型耦合分析

在以有限单元法、有限差分法为代表的数值模拟方法中，几何模型建立、空间单元划分等前处理工作往往比较繁琐。三维地层可视化模型可以比较真实地展现研究区域内的实际地质情况，其中包含丰富的地层信息，为数值模拟工作提供了充足的数据。由于三维地层可视化与数值模拟的目的不同，地层可视化网格与数值模拟网格存在很大差异，可视化网格一般无法直接用于数值计算。精确的数值模拟网格在网格形状、材料区域边界、断层/节理单元、开挖区域等方面均有其特殊的要求和限制，顾及该类因素，可实现由地层可视化模型全自动生成精确的岩土工程数值计算模型。

3.2 数值模型转化思路

①采用均匀的矩形网格离散求解区域(对三维分析采用长方体网格)，该矩形网格的中心点用于代表其所处的地层信息，地层交界处或外边界根据矩形网格中心点的地层信息即可轻易判断，不涉及复杂的几何拓扑运算；②设计1个可以存储每个矩形网格建模信息(如网格位置、尺寸、所属岩土类型等)的数据结构，从可视化地层模型中读取建模信息存入数据结构中；③结合具体的数值模拟软件利用每个网格内的建模信息生成计算网格。数值模型转化过程见图1。该方法可以由地层可视化模型自动生成任意复杂的三维岩土计算模型，其缺点是生成的数值计算模型在地层交界和边界处进行了近似处理，与实际情况有一定的误差。但随着计算网格的不断加密，数值模型将越来越接近真实情况。

3.3 转化插件及算例验证

按照地层岩性，将已建立的边坡三维地层可视化模型简化为 3层岩土介质，并以该3层岩土层厚度栅格数据集作为FLAC3D边坡计算模型的建模数据源，利用直接法建立边坡网格模型，采用松散耦合的方式，借助ArcGIS Engine组件及C#.NET，开发了可自动生成指定位置处的FLAC3D边坡计算文件的插件，程序运行界面见图2。

图1 数值计算模型转换示意

图2 边坡截面计算模型自动生成界面

为了分析大范围整体边坡的稳定性并验证本研究方法的计算效果，对地层进行了概化处理，将地层分为3层，从上到下各层采用的计算参数见表1。

表1 边坡地层计算参数

以距离边坡三维地层模型下边界1 000 m处截面为例，自动生成单元尺寸为10，6，4 m的边坡计算模型见图3～图5，其精确的FLAC3D计算网格及模型见图6。采用强度折减法进行分析得到上述4类模型的边坡安全系数依次为1.88、1.91、1.96、1.97。可见，随着网格尺寸的不断加密，本研究生成的计算模型可满足实际工程应用需求。

图3 单元尺寸为10 m边坡计算模型及其剪应变增量云图

4 结 语

利用ArcGIS软件对钻孔信息进行统计分析，建立了地层分界面TIN并进行了拉伸。在此基础上，提出了将三维可视化模型转化为FALC3D计算模型的简化方法。某矿山露采边坡数值模拟结果表明，转化后的模型随着网格尺寸的不断加密，其计算精度不断得到提高，实用性较强。

[1] 王履华，孙在宏，曾洪云，等.三维数字矿山信息集成管理系统设计与实现[J].金属矿山，2013(1)：116-120.

[2] 王小兵，孙久运.地理信息系统综述[J].地理空间信息，2012(1):25-28.

[3] 赵迎贵，游 勋，岳国均，等.基于FLAC3D的矿柱回收稳定性分析[J].金属矿山，2014(8)：19-23.

[4] 刘立民，刘汉龙，朱珍徳，等.基于GIS的岩土工程有限元分析系统集成方法[J].岩石力学与工程学报，2002(S)：1995-1998.

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[6] 熊祖强，贺怀建，夏艳华.基于TIN的三维地层建模及可视化技术研究[J].岩土力学，2007，28(9)：1954-1958.

[7] 王小兵，孙久运.数字高程模型压缩研究进展浅析[J].测绘科学，2013，38(6)：23-25.

[8] 张思卿，周天宏，谭同德，等.OpenGL在矿井巷道可视化研究中的应用[J].金属矿山，2014(6)：118-122.

Research on the Coupling of Mine Slope 3D Visualized Model and Numerical Simulation Based on ArcGIS and FLAC3D

Liu Lingui1Li Xiaoshuang2Li Xiaojun1Cai Yongchang1

(1.College of Civil Engineering, Tongji University;2.Yunnan Phosphate Chemical Group Co.Ltd.)

Taking the slope of a open-pit mine as an example,the 3D stratum visualized model is established,and the coupling of 3D stratum model and slope numerical simulation using FLAC3Dsoftware is realized preliminarily in a simplified transfer method, according to the characteristics of geotechnical engineering,based on the plug-in of ArcGIS software is developed.The coupling method of 3D stratum model and slope numerical simulation using FLAC3Dsoftware take the advantages of the 3D stratum visualized model which could express the geological condition in the research area,it extends the application of the visualized model,avoids the great difficulties of generating precise numerical model from visualized model in mesh shape,material area boundary and fault/joint element and simplifies the pre-process of numerical simulation.The numerical simulation results show that as the mesh size gets refined,the calculation results obtained by the method in this paper gradually approaches the results of precise numerical model,which could satisfy the analysis requirements of geotechnical engineering,therefore,it has good engineering prospects.

ArcGIS, FLAC3D, 3D stratum model, Numerical simulation of slope, Coupling

*“十二五”国家科技支撑计划项目(编号：2011BAB08B01)。

2015-04-07)

刘林贵(1988—)，男，硕士研究生，200092 上海市四平路1239号。