三维地质建模与数值模拟关键技术研究

刘先林，唐正辉

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西　南宁　530029)



三维地质建模与数值模拟关键技术研究

刘先林，唐正辉

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西南宁530029)

针对建立复杂三维地质模型难度大、效率低及与数值计算联合分析困难的现状，文章通过研究和分析各类三维建模与数值分析软件，提出了采用GOCAD、SURFER、CATIA、ANSYS、FLAC3D、MIDAS等软件协同操作的有效方法，实现软件间模型格式的互导与真三维数值模拟计算分析，并总结出其关键技术。在此基础上，结合工程实例，介绍了三维建模与数值模拟软件协同分析的具体操作方法。

地质建模；数值模拟；真三维；GOCAD；FLAC3D；SURFER；ANSYS；MIDAS

0　引言

我国传统地质勘察与岩土设计成果多以平面图、剖面图、柱状图等二维形式展示，直观性较差，不能充分表现复杂地质体和计算结果的空间分布规律。随着计算机技术的不断发展，在越来越多的复杂工程和大型项目中迫切需要引进三维地质和数值分析技术，以解决复杂地层的工程评价和岩土设计问题。然而，由于地质体的复杂性，常规数值计算软件较难拟合复杂地层面，故数值分析人员在三维地质建模上花费了大量的时间和精力，但效果却差强人意，严重影响了工作效率。因此，

如何提高三维地质建模与数值计算的效率和精度便成了急需解决的难题。

目前，工程地质领域常用的三维地质建模与岩土数值分析相关软件有GOCAD、CATIA、SURFER、ANSYS、MIDAS、FLAC3D、ABAQUS等，各软件均有各自独特的优点，但同时也存在自身的不足，没有一个软件能同时解决三维建模与数值分析问题，由于软件多属不同商家，各软件之间缺少现成互动转换接口，这在一定程度上限制了三维地质建模与数值分析技术的发展和推广应用。其中，GOCAD(Geological Object Computer Aided Design)地质建模软件是法国Nancy大学开发的主要应用于地质领域的三维可视化建模软件，具有强大的三维建模、可视化、地质解译和分析的功能，能快速精确地建立复杂地层面、地质体和Sgrid网格模型，方便将建立的地层面导入数值分析软件生成地质体，也可将Sgrid网格模型直接导出到数值分析进行计算分析，大大提高了工作效率，解决了数值软件处理建模困难的问题。考虑到GOCAD的强大功能及其在地质体表达的独特优势，本文采用GOCAD为建模软件进行研究。

本文在研究和分析以上三维地质建模与数值分析软件的基础上，将各软件的使用关键技术和数据转换方法进行了总结、提炼和集成，并在实际工程中得到了良好运用。

1　三维地质与数值模拟结合思路

目前，国内外流行的数值模拟软件都具有一定三维建模前处理能力，能解决规则几何体和结构物建模问题，但由于地质体的复杂性，通常需要借助专业三维地质建模软件建立复杂地层或地质体，然后再导出地层曲面或地质体到数值分析软件中进行模拟计算。三维地质建模与数值模拟分析常用的几种结合思路如下：

1.1GOCAD网格模型导入数值模拟软件

根据前期勘察资料，在GOCAD中建立复杂三维地层面，并生成三维地质体的SGRID网格模型，利用数据转换接口将SGRID模型导入到FLAC3D、ANSYS或ABAQUS等数值分析软件中进行计算。由于GOCAD软件中生成的SGRID网格多为均匀网格，优点是网格质量较好，缺点是对形状十分复杂的地质体和结构物生成网格有一定困难，故该类方法一般适合于相对简单的数值计算模型和计算工况。

1.2GOCAD→SURFER→数值模拟软件

由于GOCAD软件具有特独的离散光滑插值DSI算法，能够十分精确地表述特别复杂的地形、地层、断裂构造及其它异形曲面，而SURFER软件在处理高程数据和加密网格数据方面也有十分独特的优势，故可综合利用GOCAD和SURFER软件将相对稀疏的地质勘察数据进行网格加密，生成其它数值模拟软件可以读取的曲面坐标网格数据，然后在MIDAS或ANSYS数值软件中进行复杂地质和结构物的三维建模。该类方法的优点在于可以按数值模拟分析的侧重点进行结构建模和网格划分，数值分析操作非常方便，后期计算可编辑性强。

1.3GOCAD→CATIA→数值模拟软件

CATIA是由法国达索系统(Dassault Systemes S.A.)公司开发的三维CAD设计平台，不仅具有强大的曲面建模功能，而且与其它软件具有良好的数据接口转换功能，既可导入GOCAD保存的曲面*.ts格式文件，又可将CATIA三维模型直接导出到MIDAS、ANSYS和ABAQUS等数值模拟软件中进行网格划分和数值计算。该种方法也具有数值分析操作方便、后期计算可编辑性强的优点。

2　三维地质建模关键技术

2.1关键理论技术

(1)离散平滑插值法

GOCAD软件中离散平滑插值法DSI(Discrete Smooth Interpolation)是由Mallet教授提出的，其思想是基于对目标体的离散化，类似有限元法，用一系列具有物体的几何和物理特性的相互连结的节点来模拟地质体。已知节点和地质学的典型信息被转化为线性约束，引入到模型生成的全过程。利用此技术来构建地质曲面，对采样数据少的区域，可以添加一系列的约束条件，控制曲面的插值过程，并自动调整插值点，以满足约束条件，使建立的曲面能较好地拟合采样点。同时，还可考虑到地质变量本身的特性，因此对地质变量的统计分析能达到很好的效果。

DSI法、三角网格法和Kriging插值算法相比较而言：三角网格法对于不连续曲面无法插值计算，且在计算形成三角网格时效率不高。Kriging插值算法虽较为有效，但在建模效果上较易出现明显的“牛眼”效应，而DSI算法更容易确定插值函数权值，形成的网格曲面更加光滑而贴近实际效果。

以上DSI优点决定了其在三维地质建模中的重要地位，并已成熟运用于石油、矿产、水利水电等领域的复杂地层和构造建模。

(2)网格单元格式转换

经过对GOCAD SGRID、ANSYS、MIDAS、ABAQUS和FLAC3D网格单元的深入研究，发现前4种软件的六面体单元形状、节点编号和节点顺序均基本相同，而FLAC3D单元的节点编号和节点顺序有较大差异，若能将各软件的网格单元和节点数据按需要转换成的软件识别格式进行重新编排，则可实现各软件之间的数据转换，方便进行计算比较和充分发挥各软件的专长优势。下面举例简单说明各软件六面体单元的对照关系。

(a)

(b)

从图1可知，前4种(a)软件的网格单元节点排列顺序是先沿X轴方向排列，再沿Y轴方向排列，最后沿Z轴方向排列，而FLAC3D的(b)六面体单元中的8个节点是符合“右手法则”，由于各软件之间没有现成的网格单元转换接口，则需要按上述原则编制程序接口，以实现各软件之间的数据转换。在编制程度接口过程中，一般需执行节点数据转换、单元数据转换、单元分组和数据信息输出等几个步骤。

2.2GOCAD建模关键技术

(1)点数据生成

GOCAD软件可采用多种方式快速生成高程、钻孔坐标、地层标志、地震数据等。一般可在GOCAD软件中执行命令：File→Import Objects→Horizon Interpretations→X Y Z/Column-based File导入原始勘察数据生成点，也可通过提取线、面上的节点及钻孔marker信息生成点数据。

(2)线数据生成

线数据主要为地形与地层面等高线、模型边界、结构物轮廓线、剖面线、辅助线、断层与岩石露头界线等，常用3种方式生成：①导入CAD DXF线，File→Import Objects→Cultural Data→DXF；②Curve→new→From Curves/Surfers-Contours等；③在窗口界面中鼠标点击。

(3)面数据生成

面数据主要为地形面、地层面、地下水面、断层构造面、建筑结构面等，也常用2种方式生成：①Applications→Wizard→Surface Creation→From Data(without internal borders)→From Points and Computed outline→Direct Triangulation→Create outline Curve from Data points→Create surface From points and curve；②Surface→new→From pointsSets/Curves/Surfaces等，在建模过程中常用pointsSets Mediumn plane和约束控制进行DSI插值拟合精确的曲面。

(4)体模型生成

在GOCAD中，地质体建模一般会用到Model3d、Solid、Voxet、SGrid等，其中Model3d和Solid为实体模型对象，Voxet和SGrid为网格模型对象。由于仅SGrid网格与数值模拟软件的网格较为相近，故重点介绍SGrid网格模型的生成步骤：①先执行SGrid→new→From Objects Box/Cage/Corners等生成网格框架，Objects中选择各层面；②SGrid→Tools→Proportionally Between Multiple Surfaces；③SGrid→Model→new From Surfers；④右击SGrid model→Build。然后勾选不同的Region和改变颜色即可得到三维地质模型。

2.3SURFER建模关键技术

一般工程地质勘察钻孔和地质调查资料较为有限，若直接采用GOCAD软件建模易出现异常凸起或深凹现象，曲面不够光滑，与实际地质情况不符。通常可采用GOCAD软件将地形、地质界面、钻孔与调绘等三维地质信息提取后输入SURFER软件中加密网格数据为*.grid格式文件，另存为*.DAT格式，即生了MIDAS及其它数值分析软件可读取的面文件格式。具体流程如下：三维地质信息数据(DXF、TXT、WELL MARKER等)→生成GOCAD等高线→导出*.XLS文件→在SURFER中生成*.grid文件→另存为*.DAT格式→另存为*.CSV格式→另存为*.TXT格式→在MIDAS或其它数值分析软件中建立三维地质模型。

2.4MIDAS建模关键技术

根据SURFER软件加密的空间网格数据，利用MIDAS GTS软件生成三维地质模型，具体操作流程如下：几何→生成曲面→顶点→输入顶点→导入顶点(即SURFER生成的*.TXT格式文件)→生成地形与地质界面→建立范围底面→扩展→选择底面、扩展方向和长度→利用曲面分割实体→仅保留需要实体→开挖与支护结构建模→网格划分与数值计算。注意在SURFER软件中各地层在X与Y方向的加密网格数量应保持一致，这样在MIDAS GTS中生成的曲面范围才一致。

2.5CATIA建模关键技术

根据前期准备的三维地质建模基础数据，利用GOCAD中建立地形和地质界面，在CATIA中导入GOCAD面文件生成实体模型。具体操作流程如下：GOCAD中将Surfers用File-Save Object as命令另存为*.ts文件→在CATIA中导入*.ts文件→利用零件模块进行凸台和布尔运算操作生成三维模型→将模型另存为*.stp或*.igs格式文件→在MIDAS、ANSYS或ABAQUS等数值分析软件中导入，并进行网格划分和数值计算。

2.6ANSYS建模关键技术

根据SURFER软件加密的空间网格数据，利用ANSYS软件生成三维地质模型，具体操作流程如下：采用编制开发的SURFER TO ANSYS格式程序接口将*.grid曲面文件生成ANSYS可读取的*.dat格式→在ANSYS中读取*.dat文件生成地形或地质界面→建立长方体→利用曲线切割长方体生成三维地质模型。生成的*.dat文件实际为一个ANSYS可读取的K文件命令流，生成面的程序思路为生成坐标关键点→生成等高线→利用蒙皮技术生成地质曲面。

3　工程实例应用

广西某高速公路路堑边坡长约290 m，原设计坡率为1∶1、1∶1.25、1∶1.5，为三级边坡，最大挖方高度约25.2 m。按原设计坡率开挖至路槽后发生大规模滑坡，主滑方向长约60 m，沿路线方向宽度约110 m，滑体平均厚度约8 m，滑坡体积约26 000 m3，属中层牵引式滑坡。该滑体地层主要由含角砾黏土、全风化夹强风化泥质粉砂岩、中风化灰岩组成。施工期间共补充勘察了26个钻孔，为三维地质建模提供了基础数据。下面以该滑坡为例详细介绍2种典型的三维地质建模与数值模拟分析结合方法。

3.1GOCAD模型导入FLAC3D方法

三维建模主要使用了1∶2 000地形图、26个钻孔柱状图、5个滑坡剖面图、高速公路路线平纵布置和滑坡地质勘察报告等资料。在GOCAD中主要建立了覆盖层、全风化层、中风化基岩及边坡放坡开挖等内容，得到的面模型见图2，在建立好Model3D实体模型后，创建了150×150×150节点的SGRID网格模型，生成不同的REGIONS部分(如图3所示)，对不同的地层单元赋予岩层属性，将三维模型中的数据文件通过数据接口程序转入FLAC3D中(如图4所示)，则可进行数值计算，由于GOCAD生成的SGRID模型网格较密，单元数量约180万个，数值计算的工作量极大，故此处不再进行数值计算演示。若欲用此类方法进行数值计算，则需综合考虑模型精度和计算量后决定建立合理的SGRID网格节点密度。

图2　GOCAD三维地层结构与开挖面示意图

图3　GOCAD三维地质SGRID模型图

图4　GOCAD　SGRID转FLAC3D模型图

3.2GOCAD/SURFER-ANSYS-FLAC3D方法

由于该滑坡牵引滑动面积大，地质条件复杂，且工程预算和施工工期紧张，经过详细抗滑桩与加筋柔性挡墙方案比选后，决定先根据地质条件采用坡率1∶1.5、1∶2.0、1∶1.5、1∶1.75、1∶1.75进行5级二次放坡后，再采用表面坡率为1∶1.5、1∶1.75、1∶1.75、1∶1.75的加筋柔性挡墙进行防护。为深入计算边坡开挖的方量、土石成分比例、边坡的变形与稳定性分析等，下面采用三维地质模型与数值模拟方法进行论述。

(1)建立ANSYS三维地质模型

该滑坡新三维模型中加入了筋柔性挡墙范围，重点分析区域需加密网格间距。在GOCAD和SURFER生成了各层面*.dat数据，利用ANSYS生成三维地质模型和划分网格，三维地质模型见图5。

图5　ANSYS三维地质模型图

(2)FLAC3D数值模拟模型

利用数据程序转换接口将ANSYS的单元和节点文件导出成*.Flac3D格式，在FLAC3D利用File→import Grid导入.Flac3D文件。构建的四面体网格有205149个单元，39291个节点，滑坡采用加筋柔性挡墙防护后如图6所示。

图6　FLAC3D边坡加筋挡墙防护网格模型图

(3)FLAC3D数值计算结果

对边坡第一次开挖、第二次开挖及加筋柔性挡墙防护三个重要工况进行FLAC3D三维数值模拟，主要得出如下结论：

①边坡按原设计坡率第一次开挖工况的稳定性系数<1.0，数值计算变形分布区域与现场滑塌情况基本一致，详见图7所示。

②边坡第二次削坡放缓后最大变形量约为40 mm，主要分布于边坡右上角，这与该处地层基岩面相对较陡有关，与施工期间开挖揭示情况基本相符，详见图8所示。

③边坡采用加筋挡墙工况最大变形量约18 mm，受加筋挡墙护坡后，边坡整体变形均匀，稳定性系数为1.43，与高速公路通车后该边坡近半年的监控变形值较为接近，详见图9所示。

图7　边坡第一次开挖滑动分析图

图8　边坡第二次卸载开挖变形图

图9　边坡加筋柔性挡墙防护变形图

(4)开挖方量计算

通过在三维地质模型中查询各地层和开挖体的体积，可得到该段路堑边坡总挖方量约115 571 m3，其中土方约82 842 m3，风化岩约32 729 m3，前者与后者的土石成分比例约为2.5∶1，较为精确地估算出开挖工程量。

4　结语

文章针对三维地质建模与数值分析效率低、精度差、两者良好结合困难等现状，在研究各类相关软件与技术方法的基础上，首先提出了多种三维地质建模与数值模拟计算相结合的有效方法；然后重点论述了离散平滑插值DSI法和网格数据格式转换理论，GOCAD的点、线、面、体生成技术，以及SURFER、MIDAS、CATIA及ANSYS等建模关键技术和操作流程；最后以广西某高速公路路堑滑坡为例，详细介绍了两种典型三维建模与数值分析结合的方法。

实践证明，采用本文介绍的方法能更准确、快速、便捷地建立符合实际的三维地质模型，利用编制的数据格式转换接口程序，可生成FLAC3D、MIDAS NX和ANSYS等数值模型，并进行真三维数值模拟计算分析。如此一来，可针对同一三维模型采用不同数值计算软件进行快速对比分析，弥补了单一软件自身的不足，提高了三维地质建模与数值模拟计算分析在岩土工程中的使用效率，值得广泛应用和推广。

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Research on Key Technology of Geological Modeling and Numerical Simulation

LIU Xian-lin，TANG Zheng-hui

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

Regarding the current situation of high difficulty and low efficiency when establishing the com-plex three-dimensional geological model as well as difficult joint analysis of numerical calculation，and through research and analysis of various types of three-dimensional modeling and numerical analysis software，this article proposed the effective method of co-operation by using GOCAD，SURFER，CATIA，ANSYS，FLAC3D，MIDAS and other software，it realized the transconductance of model format be-tween various software and the numerical simulation and computational analysis of true 3D，and sum-marized its key technologies.On this basis，by combining the engineering examples，it described the specific operation methods for the joint analysis of three-dimensional modeling and numerical simula-tion software.

Geological modeling；Numerical simulation；True 3D；GOCAD；FLAC3D；SURFER；ANSYS；MIDAS

U416.02

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.05.001

1673-4874(2016)05-0001-05

2016-04-28

刘先林(1982—)，工程师，研究方向：公路勘察设计；

唐正辉(1975—)，高级工程师，主要从事工程地质勘察与岩土工程设计工作。

课题项目

广西交通科技项目“三维可视化建模与数值模拟技术在岩土工程中的应用研究”(编号：200807503)