基于RHINO-KUBRIX的FLAC3D建模方法及应用

吴 勇

(中国水电建设集团十五工程局有限公司，陕西 西安 710065)

1 概述

FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)软件是由Itasca公司研发推出的一款连续介质力学分析软件，该软件是Itasca公司旗下全球知名度最高的软件之一，目前推广到全世界数十个国家，享誉于岩土工程学术界[1]。FLAC包括二维和三维两个版本，即FLAC2D及FLAC3D。然而在实际分析对象的网格建造中存在一些问题，FLAC3D内置的12种初始单元网格模型在模型较小、形状比较规则的简单地质体建模上比较容易，但是对于大型复杂地质体(如长大不良地质洞段隧道模型)网格模型的构建上有较大的技术困难且工作量巨大，容易出错，不易检查等问题。

因此，如何将便捷高效的三维建模与FLAC3D强大的数值计算分析结合起来，成为岩土工程一个新的探索方向。许多学者已在这方面做了一些有意义的工作。例如，廖秋林等[2]基于ANSYS软件平台和Visual Basic语言编写的FLAC3D-ANSYS接口程序；胡斌等[3]基于FLAC3D提供的初始单元模型和Fortran语言编写了FLAC3D前处理程序；王树仁等[4]应用MATLAB编写MIDAS/GTS-FLAC3D接口程序等研究在很大程度上提高了FLAC3D数值模型的建造效率。但这些方法均是通过接口程序将其他数值软件的模型转化成FLAC3D模型，受限于其他数值软件的建模能力及应用人员的编程能力，很难实现含有多地层、形状复杂的地质模型构建。为此，本文基于三维图形处理软件RHINO及接口软件KUBRIX探讨了多地层、形状复杂的三维地质模型的创建。

2 软件介绍

2.1 建模软件

Rhinoceros(简称RHINO)强大的曲面建造能力和优质的模型结构生成使得它能够便捷高效地创建非常精确的三维模型。KUBRIX是ITASCA公司为其3D岩土工程分析软件所设计的用来构建高质量网格的一款专用软件。同时KUBRIX是一款能和包括RHINO在内的实体建模软件集成合作的网格自动生成器，能智能、高效地控制网格单元大小和网格精度。

RHINO和KUBRIX协同工作原理是，首先在KUBRIX中进行目标FLAC3D网格参数的设置，包括网格最大边缘长度、网格等级、生成网格相比较导入网格的节点相对偏移以及切割角等参数设定，之后导入在RHINO中生成的Ascii格式的三角形化网格文件(.STL文件)，KUBRIX会自动读取三角形化后的网格面和节点的数量信息并检查三角网格面在被赋予模型截面属性后自行相交情况并进行修复，之后KUBRIX会根据前面设置的参数对模型重新网格化并且进行网格面间的相交检查，最后成功生成FLAC3D网格文件(.flac3d)和生成FLAC3D网格所包含的网格面数目，节点数目以及不同属性模块的数目等信息文件。

2.2 计算软件

FLAC是连续介质快速拉格朗日差分法(Fast Lagrangian Analysis of Continua)的简写。作为力学计算的数值方法之一，FLAC在地下工程、矿业、岩石力学等研究领域应用解决的一系列岩土方面的问题。FLAC利用差分格式按时步求解，在计算过程中随着网络形状的不断变化，不断更新坐标，允许介质发生较大的变形。

3 实例建模

3.1 工程概况

本文以四川G4216线仁寿经沐川至屏山新市(含马边支线)段高速公路大梗上隧道为工程背景。四川仁寿经沐川至屏山新市镇高速公路马边支线段LJ21标段，场区内出漏及钻探揭露的地质为新生界第四系全新统冲洪积层、崩坡积层及中生界侏罗系中统沙溪庙组。其中大梗上隧道左线长度为2 957 m，右线长度为2 947 m，隧道内允许最大纵坡±3%，最小±0.3%，隧道横坡为2%。拟采用数值软件对隧道开挖后围岩的变形特征与应力状态进行分析计算，从而达到安全施工的目的。本文主要讲述了采用一种新的建模方法构建大梗上隧道的三维数值模型，模型长1 900 m，宽200 m。

3.2 建模过程

RHINO是自下而上依次通过点、线、面和体，从而建立实体模型。强大的实体分割、布尔运算可以实现实体之间的加、减、组合等复杂运算。在RHINO中打开工程设计CAD图，通过运算得到实体模型，再对实体进行网格划分，可以控制网格单元的大小、形状和网格的精细化水平，最终生成RHINO网格文件(.STL)导入到KUBRIX中再生成FLAC3D网格文件。具体步骤如下所示：

1)根据设计方案，用RHINO构建拟建模地段隧道横断面图，与计算对象无关的部分进行预处理，如图1所示。

2)根据设计方案中隧道纵断面图按照一定比例在RHINO中构建隧道纵断面地质图，并将隧道横断面图(如图1所示)放置在隧道纵断面图中对应的隧道位置，沿着隧道纵向走向拉伸，拉伸方式为挤出实体，如图2所示。

3)同样在RHINO中，通过“挤出实体”“布尔运算”“分割”“修剪”等形成模型中不同地层的GROUP以不同颜色所表示，具体做法是将整个模型的边界线以及各个地层分别向两侧各挤出100 m，挤出方式为挤出实体，使得隧道实体模型宽度为200 m将数值模型以不同的“GROUP”表示，如图3所示。

4)在RHINO中，将代表不同地层的“GROUP”以实体组合方式组合成一个整体实体模型，如图4所示。

5)在RHINO中，将各个非流形曲面组合后生成隧道实体模型转化成网格模型，继而将网格模型三角化，输出ASCII格式的三角花网格模型(.STL文件)，如图5所示。

6)将RHINO输出的网格文件(.STL文件)在KUBRIX中经过相关参数设定后进行网格面再次划分并且最终生成四面体网格的FLAC3D网格文件(.flac3d文件)，如图6所示。

在FLAC3D中进行节点匹配验证，输入命令“ATTACHFACE”输出为“0 grid-points attached”，表明各个节点衔接良好。整个建模过程约为3 h，相比其他建模方式，RHINO-KUBRIX节约了大量的时间、工作量，而且输出模型也较美观、质量较好，各个GROUP的划分得当，工作也基本满足初衷。

4 结语

本文基于分析功能强大的岩土工程计算软件FLAC3D，提出基于RHINO-KUBRIX方法构造FLAC3D复杂三维数值模型的方法。由于RHINO软件具有强大的作图功能，操作又类似于CAD，因此工程人员只需要几何图形的数据点，就可以利用RHINO软件的图形处理功能构造三维实体模型并进行查看和修改，继而借助KUBRIX优质网格的生成功能，以及两者与FLAC3D的完美衔接来完成数值计算的前期模型生成阶段。最后将此方法应用于仁沐新高速公路大梗上隧道不良地质洞段模型构建中，验证了该方法的可行性与有效性。