基于GOCAD的FLAC3D前处理方法研究

陈小艳 姚多喜

（安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001）

0 引言

近年来，随着数字技术的快速发展，传统的二维建模已无法满足建模需求。面对复杂的地质体模型的构建，如地形起伏大的山川、峡谷模型的构建，利用FLAC3D进行构建是有一定难度的［1］。由于FLAC3D依靠繁琐的命令，且工作量大、建模周期长、易出错。为了解决上述问题，国内外众多研究者提出不同的解决方法。胡斌等［2］采用Fortran语言对FLAC3D前处理程序进行编写，实现对复杂模型的构建；郑文棠等［3］基于AutoCAD平台，借助Autolisp语言，采用滑动最小二乘法插值拟合来构建三维可视化模型，同时对可视化模型与数值模型的转换进行研究；廖秋林等［4］采用Visual Basic语言编写FLAC3D－ANSYS接口程序，实现FLAC软件建模的直观、快速和自动化；王璐等［5］采用D Mine软件对AutoCAD平面图中的等高线和钻孔数据进行三维可视化操作，并输出为地层实体SAT文件或XY平面上等间距的三维坐标数据，利用已编写好的程序将三维坐标数据转化为ANSYS可识别的APDL语言文件后，生成多个实体模型，经过ANSYS布尔操作、划分网格后，利用接口程序导入到FLAC3D中，从而实现直观、快速地创建复杂的地质体FLAC3D模型；Yucel等［6］借助Agisoft软件对无人机图像进行3D建模，对Etili Comakli露天煤矿实现三维地形模型的构建与可视化，高效完成三维地质建模过程中涉及的图像匹配、地理配准和数字高程建模过程。GOCAD软件具有强大的建模功能，操作起来方便快捷、简单，并对初学者友好，能有效弥补FLAC3D前处理功能不足的缺点。本研究主要通过C++语言编写转换接口程序来实现GOCAD的SGrid模型向FLAC3D的六面体网格信息的转换，实现三维模型在FLAC3D软件中的快速简便的建模。

1 软件介绍

1.1 FLAC3D软件

FLAC是由美国ITASCA公司研发的连续介质力学分析软件。FLAC3D是一个三维有限差分程序，作为FLAC的扩展程序，其不仅包括FLAC的所有功能，既能用交互方式从键盘输入各种命令，也可采用文件格式进行输入。FLAC3D能对土质、岩石和其他材料的三维结构受力特性进行模拟，并对塑性流动进行分析［7］。FLAC使用的是有限差分，使用快速拉格朗日算法来计算岩土的变形与稳定性。FLAC在分析岩土变形破坏时具有独特的优势，但其3D功能相对薄弱。在前处理方面，FLAC3D只能靠着烦琐的命令来实现功能，导致工作量大、建模周期长、易出错。在后处理分析方面，FLAC具有较为明显的优势，操作简单、成图清晰、分析数据简便、文本编译方便。

1.2 GOCAD软件

GOCAD软件主要用于地质领域的三维可视化建模。GOCAD作为石油、地质、物探、采矿等行业的标准三维地学模型软件，具有非常强大的功能［8］，其内置有建模平台、地质结构、模拟网络、结构分析、盆地模拟等多种类型的设计方案，能让地质学家与工程队更好地分析各种地质构造，对研究地理环境或道路施工起到非常重要的作用。GOCAD软件的建模功能强大，能简单快捷地建立复杂的三维地质模型，既能建立表面模型，又能建立实体模型，且界面详细易懂，对初学者比较友好，并提供三维地质网格模型建模流程，只要按建模步骤就能完成建模流程。且其应用范围广，不仅适用于地质工程，也适用于岩土工程、地理信息与技术等领域。

2 SGrid建模流程

本研究对淮北矿业孙疃煤矿进行三维地质建模，淮北矿业孙疃煤矿地处安徽省淮北市濉溪县，孙疃镇是其中心位置，向东距宿州市约23 km，其南部以界沟断层为界，与任楼煤矿接壤；北部以杨柳断层为界，与杨柳煤矿毗邻；浅部（西）以太原组—灰顶界露头线为界，深部（东）至31煤层−800 m水平投影线；南北走向长10.6 km、东西倾向宽3.5～5.1 km，面积为44.004 4 km2。其地理坐标（1954北京坐标系）为：东 经116°43′01″—116˚46′59″、北 纬33˚ 31′19″—33˚37′13″。本研究在收集的研究区地质、DEM、钻孔、剖面等资料的基础上，利用钻孔井位数据和钻孔层位数据，通过GOCAD建立一个简单的三维地质网格模型（SGrid）。

2.1 数据整理

原始钻孔资料中包含丰富的地质信息，用于GOCAD钻孔建模的数据包括钻孔空间位置信息、钻进轨迹、地层分层数据等［9］。数据处理是GOCAD建模的基础，如何分析整理出对建模有用的数据是成模的关键。钻孔数据的预处理要结合建模经验和专家系统知识，数据的预处理将决定插值算法的插值有效性［10］。将从钻孔资料分析提取到的钻孔井位数据井名（Wel1Name）、位置坐标（X，Y）、补心海拔（KB）、总深（Total_Depth）数据信息保存到.txt文件（钻孔井位数据见表1），然后通过直井加载的方式导入到GOCAD软件中。以同样的方式来提取钻孔分层数据，以文本格式为例，数据包括井名（Wel1 Name）、岩性分层深度（MD）及分层名称（MARKER）3列数据信息，如果有倾角和方位角也可进行加载（钻孔层位数据见表2）。钻孔数据通过File→Im⁃port Objects→Well Data导入到GOCAD软件中，钻孔数据展示图如图1所示。

表1 钻孔井位数据

表2 钻孔层位数据

2.2 建立地层层面

GOCAD软件提供了多种构建面的方式，如在面编辑菜单中利用点数据直接生成面的方法（From PointsSet）、在面编辑菜单中利用线数据生成面的方法（From Curves）、运用控制点约束面的方法、通过向导菜单中的功能使用点数据生成面的方法、运用构造建模流程（Structural Modeling Work⁃flow）生成面的方法。要实现掘进区域内的三维地质模型建立，利用DSI插值算法对掘进区域进行钻孔数据插值，并结合生成的插值点格网化形成地层面［10］。本研究按照建模流程步骤来生成面，在建面的过程中多次使用DSI插值对其进行优化，地层层面图见图2。

2.3 SGrid网格模型建立

GOCAD软件提供了多种SGrid网格建立的方法，大多数研究是在Workflow中新建三维地质模型网格（3DReservoir Grid Builder），GOCAD将采用向导模式进行半自动化建模。建立三维地质模型网格的方法有2种，用面来建立和用已经存在的二维网格来建立，利用建立的岩性层面来建立网格模型，按照三维地质模型网格即可完成建模，最后的网格模型如图3所示。生成的SGrid模型需要在objects的SGrid选项里的regions属性中对各地层的颜色进行定义，就能得到相应的地层。

3 模型转化

鉴于GOCAD在构建复杂三维地质模型的快捷性以及FLAC3D在此方面存在的不足，且FLAC3D在模型分析处理方面的功能强大。由于GOCAD中的SGrid模型与FLAC3D中的Brick模型均为六面体单元，二者有相似之处，但也有细微的差别。GOCAD导出的模型文件格式不能直接被FLAC3D软件识别，要用程序语言编写从GOCAD转换到FLAC3D的接口程序，从而实现二者的转换。接口程序能将一个软件导出文件的格式转换成另一个软件导入文件的格式［11］。利用Matlab以及C++语言编写转换接口程序来实现网格信息的转换，从而实现三维模型在FLAC3D中的快速简便建模。将GOCAD的三维网格模型SGrid用GOCAD−FLAC3D接口程序导出，生成.f3grid文件，将转换的文件通过“File→Import Grid”导入到FLAC3D软件中，即可自动生成三维地质FLAC3D模型，如图4所示。对导入的模型定义本构及材料属性，并加入初始和边界条件，以及岩土体的力学参数，即可生成数值模型，并进行后期的数值模拟。

4 结语

本研究考虑到GOCAD软件在构建复杂三维地质模型的快捷性以及FLAC3D在此方面存在的不足，且FLAC3D在模型的分析处理方面具有强大的功能，利用Matlab以及C++语言来编写转换接口程序，从而实现两个软件中的六面体网格信息的转换，实现三维模型在FLAC3D的快速简便的建模。此方法结合GOCAD与FLAC3D的优势，编写适合二者的转换程序，应用接口程序实现模型从GOCAD向FLAC3D的转换。使用该方法的建模流程时间较短，且能取得良好的效果，证明该方法具有很好的实用性与简捷性。本研究只涉及六面体的转换，同样的方法也可实现四面体的转换。本研究设计的模型比较简单，可根据相同方法来建立复杂的模型。