基于SURPAC的FLAC3D三维模型自动构建.pdf

第3 7 卷第3 期中国矿业大学学报V 0 1 ．3 7N o ．3 2 0 0 8 年5 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g yM a y2 0 0 8 基于S U R P A C 的F L A C 3 D 三维模型自动构建 林杭，曹平，李江腾，江学良，何忠明 中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙4 1 0 0 8 3 摘要为了将岩土工程分析软件F L A C 3 D 在数值计算方面的独特优势和矿山工程软件S U R P A C 在三维建模方面的优势相结合．研究了2 种软件单元数据之间的关系，提出数据之间的转换方 法；采用F o r t r a n 语言编制了S U R P A C - F L A C 3 0 的接K i t 程序，并通过某大型铁铜矿区建模实例说 明程序实施的具体步骤．结果表明提出的转换方法以及相应的接口程序能够实现S U R P A C 模 型到F L A C 3 D 模型的转换，使F L A C 3 D 建模快捷化，拓展了F L A C 3 D 和S U R P A C 的应用空间． 关键词F L A C s D ；S U R P A C ；三维模型；接口；数据转换 中图分类号T U4 5 7文献标识号A文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 8 0 3 0 3 3 9 0 4 A u t o m a t i cG e n e r a t i o no fF L A C 3 DM o d e lB a s e do nS U R P A C L I NH a n g ，C A OP i n g ，L IJ i a n g - t e n g ，J I A N GX u e - l i a n g ，H EZ h o n g - m i n g S c h o o lo fR e s o u r c e s S a f e t yE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a ，H u n a n4 1 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t AF O R T R A Nc o m p u t e rl a n g u a g ep r o g r a mw a sw r i t t e nt ot r a n s l a t em o d e l sc r e a t e di n S U R P A C ，am i n e - e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ，i n t oaf o r mu s a b l ei nF L A C 3 D ，ag e o t e c h n i c a la n a l - y s i sa p p l i c a t i o n ．S U R P A Ci su s e f u lf o rc r e a t i n gt h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l sw h i l eF L A C 3 De x c e l s i nc o m p u t a t i o ns p e e d ．D a t ae l e m e n t s u s e di nt h et w op i e c e so fs o f t w a r ew e r ea n a l y z e d ．A m e t h o dt oa u t o m a t i c a l l yp e r f o r mt h et r a n s l a t i o nf r o mo n et ot h eo t h e rw a sp r o p o s e d ．Am o d e l r e p r e s e n t i n gag o a li no n el a r g ei r o na n dc o p p e rm i n ew a ss h o w nt oi l l u s t r a t et h em e t h o d ．T h e r e s u l t ss h o w nt h a tt h em o d e lb u i l tw i t hS U R P A Cc a nb et r a n s l a t e di n t oaF L A C 3 Dm o d e l ．T h i s a l l o w st h eg r e a t e rc o m p u t a t i o n a lp o w e ro fF L A C 3 Dt ob eu s e da n de x t e n d st h eu t i l i t yo fb o t h p r o g r a m s ． K e yw o r d s F L A C 3 D ；S U R P A C ；t h r e ed i m e n s i o n a lm o d e l ；i n t e r f a c e ；d a t at r a n s f e r 近年来，随着计算机技术的快速发展，数值方 法已经成为现代工程技术分析、计算、预测工程稳 定性、可靠性的重要手段．在岩土工程问题分析中， F L A C 3 D 数值方法受到国内外广泛认可和应用[ 1 ≈] ， 它可以从宏观整体趋势上，探讨岩体场效应的变化 规律，适用于绝大多数的工程力学问题，尤其适用 于材料的弹塑性、大变形分析、流变预测和施工过 程的岩土工程数值模拟．但是，它在前处理建模上 存在很大的问题[ 3 ‘7 ] ，尤其是对于复杂多介质、多边 界的地质体；为解决这个问题，工程人员往往通过 一些简化模型来描述岩土模型，而实际上，不同的 岩性具有不同的力学性质，过度的简化使数值模拟 结果的可靠性受到质疑．另一方面，三维地学模拟 表现出较好的三维建模能力，它可以精确地表示出 各种不同岩性的岩层、地质结构体在空间上的分 布．然而，地学模拟相对独立于数值模拟，其功能一 般局限在可视化和定性判断上．因此，如何把三维 地质建模方面的优势和数值模拟分析结合起来，成 为必要．许多学者在这一方面做了有意义的工作， 如廖秋林口吖1 基于A N S Y S 软件平台，采用V i s u a l 收稿日期2 0 0 7 ～0 9 一0 5 基金项目高等学校博上学科点专项科研基金项目 2 0 0 6 0 5 3 3 0 7 1 ；国家自然科学基金项目 5 0 7 7 4 0 9 3 ；中国博士后科学基金项目 2 0 0 6 0 4 0 0 2 6 4 ． 作者筒介株杭 1 9 8 0 一 ，男。福建省福州市人，工学博士，从事岩土工程理论和数值计算方面的研究． E m a i l l i n h a n g a b c 1 2 6 ．t o n iT e l 1 3 7 8 7 0 1 6 9 4 1 万方数据 3 4 0中国矿业大学学报第3 7 卷 B a s i c 语言编写了F L A C 3 D A N S Y S 接口程序，实 现了F L A C 3 D 软件建模的直观、快速和自动化．胡 斌H ] 采用F O R T R A N 语言编写了F L A C 3 D 的前处 理程序，对于地表形态复杂、岩层和地质结构较单 一的地质体实现了快速、便捷的建模．徐能雄L 5 3 借 鉴基于剖面的建模技术，形成了适合于六面体剖分 的三维地质建模方法；并利用多重映射网格，实现 了复杂构造岩体六面体网格剖分．王明华哺1 在对层 状岩体三维可视化网格与数值模拟网格的特点进 行剖析的基础上，提出了基于松散模式的三维规则 格网与F L A C 3 D 基本元素之间的转化方法，从理论 上实现了“可视”与“可算”的结合． 为进一步扩展F L A C 3 D 在矿山工程中的应用， 本文利用建模功能强大的S U R P A C 软件对复杂 工程矿区建立三维模型，再通过数据转化实现 F L A C 3 D 模型的自动生成，以解决F L A C 3 D 建模的 困难，建立精确的三维矿区模型，提高其模拟结果 的可靠度，从而使F L A C 3 D 强大的计算能力能得到 发挥；同时，S U R P A C 也能在数据采集、储存、管理 和查询等固有功能基础上扩展其力学分析能力，满 足工程模型在预测预报、决策支持等方面的要求． 1 S U R P A C 介绍 1 ．1软件 S U R P A C 系列软件，是一套在矿业领域内具 有国际领先水平的大型数字化矿山工程软件，广泛 应用于资源评估、地质测量、矿山开采设计规划、生 产计划管理，乃至矿山闭坑后的复垦设计中，能够 有效地帮助金属矿山企业顺利实现开采设计、计划 和管理工作的数字化、信息化．其拥有一整套三维 立体建模工具，能够将矿山勘探、三维地质模型建 立、工程数据库构建、露天和地下矿山开采设计、生 产计划和开采进度计划、尾矿和复垦设计等工作完 全图形化．同时，S U R P A C 拥有功能强大的三维图 形系统，其核心是一个完全集成的图形模块，包括 全面的可视化手段和数据编辑工具，可以直观地生 成和显示地下地质或矿区的三维构造、地面地形模 型以及其他各种图形，是建立复杂计算模型有效而 又方便快捷的平台． 1 ．2 建模方法 S U R P A C 采用多边形网格来描述矿体和歼采 过程所形成的形体边界，在建立实体模型后进行块 体建模．实体模型是以计算机几何造型技术为基础 的三维几何模型，它能完整地描述岩体空间结构、 几何形态和空问边界．块体模型包括常见六面体块 体组成的三维模型，它是对岩性赋值与后续数值计 算的基础．其基本思想是将岩体的空间几何模型按 照一定的尺寸划分为众多的单元块，然后对填满整 个岩体范围内的单元块进行岩性赋值． 2S U R P A C 与F L A C 3 D 数据的转换 在模拟对象的单元处理上，S U R P A C 提供了 六面体单元形状．根据地质体的特征、计算精度要 求以及单元形状的空问展布特点，改变六面体单元 的大小，通过对比F L A C 3 D 中的各种单元类型，可 知S U R P A C 的这种六面体单元对应其中的B r i c k 单元．F L A C 3 D 单元的信息为单元8 个节点 户。～ P ， 的三维坐标和单元分组．S U R P A C 单元的信息 为单元形心 z 。，Y 。，勐 ，尺寸s l ，s 2 ，s 。和单元属 性．2 种单元节点的对应关系如图1 所示．由几何 关系，容易得到两者坐标的转换方法 z D 0 一z o s l ／2 ， 1 Y D 0 一Y o S 2 ／2 ， 2 z p 0 一z o ～5 3 ／2 ， 3 式中z p 0 ，Y p o ，z p 0 分别表示P 。点的X ，Y ，名坐标． 同理，可得到P - ～P ，各点的三维坐标． a F L A C ⋯单兀 b S U R P A C 单兀 图1F I ．A C 3 D 与S U R P A C 单元数据关系 F i g ．1 R e l a t i o n s h i po fe l e m e n td a t ab e t w e e n F L A C 3 0a n dS U R P A C 另外，F L A C 3 D 计算过程中，对模型中需要特 殊处理的部分进行分组 G r o u p ，因此，S U R P A C 建模的同时需确定各个单元的属性，以便将不同属 性的单元转换为F L A C 3 D 模型中的不同分组．具体 的实施过程为在建模时，S U R P A C 建立三维岩体 的块段模型，即采用正方体或长方体对岩体的实体 模型进行三维剖分． 然后，对这些块体赋予不同的属性，S U R P A C 采用一系列的三维数组来存放其信息，如品位、岩 性等，数组的下标分别对应于块体的行、列、层号， 从而可以节省储存空间与计算时间．但这种技术使 用起来很不灵活，建模时通常要旋转模型的坐标 系，同时这种方法在精确拟合矿区边界与分割粒度 存储量 上存在尖锐矛盾．因此，引入八叉树法来 解决这个问题，即在三维实体空间区域划分不断地 分解为8 个同样大小的有一种或者多种属性的三 万方数据 第3 期林杭等基于S U R P A C 的F L A C ∞三维模型自动构建 3 4 1 维网格，如图2 ． 单元细分 暖一一 1 盏忍蔑 b 相应的八叉树 图2 八叉树单元 F i g ．2 O c t r e ee l e m e n t 在遇到属性不同的岩体边界时，若网格过大， 单元就不断细分，一直到同一区域的属性单一为 止．通过不断细分的方式，在形体上就可以模拟出 地质体的边界，同时该网格也就包含了所处空间位 置的岩石性质．于是，在多介质复杂条件下，建立完 全反映地质结构以及岩性在空间上分布的、具有精 确地质信息的三维地质模型，通过该方式得到解 决．最终，S U R P A C 的块段模型输出后缀为．s t r 的 文件，该文件可以文本的形式打开，其数据文件的 格式如下 “ 1 标题信息． 2 单元的形心坐标，单元尺寸，属性． 在数据转换过程中，同时读入S U R P A C 单元 的几何参数和属性，然后，按照式 1 ～ 3 转换 F L A C 3 D 单元的三维坐标，并对其分组，分组的名称 为相应S U R P A C 单元的属性． 转换后的数据可通过F L A C 3 D 中的c a l l 命令 重新建立模型[ 3 ] ，但是对于大量的单元数据，这种 方法建立模型将耗费大量的机时，而F L A C 3 0 中内 置的i m p g r i d 命令可一次性导入所有数据，略去 F L A C 3 D 的再建模过程，从而缩短机时．如采用c a l l 命令建立1 万单元的三维模型需要大约3h 时间， 而采用i m p g r i d 则只需不到1m i n 的时间．只是 c a l l 和i m p g r i d 命令的调用格式不同． i m p g r i d 命令调用格式为 1 节点信息 * G R I D P O I N T S、 G 节点号节点z 坐标Y 坐标z 坐标 2 单元信息 * Z O N E Z 单元类型单元号单元所包含节点号 3 分组信息 * G R O U P Z G R O U P 组号该分组所包含单元号 根据以上对F L A C 3 D 与S U R P A C 单元数据关 系的分析，本文利用F o r t r a n 语言编写了S U R P A C - F L A C 3 D 的接口程序．首先，该程序将S U R P A C 数据转化成F L A C 3 D 的数据格式，通过 F L A C 3 D 命令i m p g r i d 调人数据，再加入边界条件、 初始条件以及岩土体的力学参数，即可进行计算， 具体流程图见图3 ． 地质平面、剖面图 S U R P A C 软件 实体模型 ] 二 块体模型 数据文本 F L A C 3 0 数值汁算 边界条件，力T 掌至塾L Q L A c 3 D 模 式 1 ～ 3 转换坐标 转换单元属性 i m p g r i d 格式 F L A C ”数据文本 图3 模型转换流程图 F i g ．3 F l o wc h a r to fm o d e lt r a n s f e r 3 工程应用 某大型铁铜矿区 东段 为一个大型铁矿床，其 岩层之间的接触关系比较复杂，业主只提供了矿区 的A U T O C A D 平面图和剖面图 如图4 所示，考 虑到篇幅问题，只列出其中一些典型视图 ，且各个 图形的正北方向都不一致，若采用其他软件如 A N S Y S 建模，需确定矿区各边界的三维坐标，其 工作量巨大且易出错．而S U R P A C 只需读入A U T O C A D 图相应的．d x f 文件，旋转正北方向，即可 方便快捷地建模，从而略去取点定坐标的工作． a 平面 b 剖面 图4A U T O C A D 典型图 F i g ．4R e p r e s e n t a t i v eg r a p ho fA U T O C A D 然后，采用本文提出的转换方法建立F L A C 3 D 的三维模型如图5 所示，以其中的采空区建模为 例，具体操作如下 1 实体模型的建立．首先将A U T O C A D 图调 入，再根据勘探线的平面分布图以及勘探线与东西 向坐标轴的夹角和剖面图的比例，将图形中各个点 的坐标转成实际的地理坐标．在每一个地质勘探剖 面上将某一具体岩性范围封闭起来，而后在不同剖 面上依次联接，再封闭最外端的剖面，以形成一个 蚕 ≯斡 ．，o 多 ￡o 一，i ，一；k ，墨剑 万方数据 3 4 2中国矿业大学学报第3 7 卷 包裹的三维实体，如图5 a 。 2 块体模型的建立．将岩体的空间几何模型 按照一定尺寸划分为众多单元块，然后对填满整个 岩体范围内的单元块进行赋值．通过单元细分技术 使得块体模型在实体边界处的单元块自动进行细 分，以确保块体模型能够模拟真实岩体的几何形 态，如图5 b ． 4 结论 a 实体模型 3 生成F L A C 3 D 模型．利用S U R P A C 生成的 数据文件和本文开发的接口程序生成F L A C 3 0 可 调用的．f l a c 3 d 文件，由i m p g r i d 导入整个模型信 息，如图5 c 所示．另外，由于单元细分，导致某些区 域网格不对齐，但细分单元和原始单元成整数倍的 关系，如图2 a ，因此，可通过F L A C 3 D 中的a t t a c h f a c e 命令实现网格不对齐区域的信息传递． b 块体模型 图5F L A C ”模型 F i g ．5 T r a n s f e r r e dF L A C 3 0m o d e l 1 根据岩土工程计算软件F L A C 3 D 前处理建 模难的缺点，将矿山软件S U R P A C 与F L A C 3 D 相 结合，充分发挥的者在模拟地质特征上的优势，为 F L A C 3 D 提供符合地质实际的计算模型． 2 分析了2 种单元信息的不同，建立了单元 之间的数据关系，并提出数据转换方法，采用F o r - t r a n 语言编制了相应的转换程序． 3 将提出的转换方法应用于某大型铁铜矿区 的模型建立中，表明提出的转换方法以及相应的 接口程序能够实现S U R P A C 模型到F L A C 3 D 模型 的转换，使F L A C 3 D 建模快捷化，从而验证了转换 方法的可行性和有效性． 参考文献 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] J l NW ，K W A N G H 0Y ，S A N G S E o MJ ，e ta 1 ．C o u p i e de f f e c t si ns t a b i l i t ya n a l y s i so fp i l e - s l o p es y s t e m s 口] ．C o m p u t e r sa n dG e o t e c h n i c s ，2 0 0 5 ， 3 2 3 0 4 3 1 5 ． 林杭，曹平，宫风强．位移突变判据中监测点的 位置和位移方式分析[ J ] ．岩土工程学报，2 0 0 7 ，2 9 9 1 4 3 3 1 4 3 8 ． L I NH a n g ，C A 0P i n g ，G O N GF e n g - q i a n g ．A n a l y s i s o fl o c a t i o na n dd i s p l a c e m e n tm o d eo fm o n i t o r i n gp o i n t i nd i s p l a c e m e n tm u t a t i o nc r i t e r i o n [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo fG e o t e c h n i c a lE n g i n e e r i n g ，2 0 0 7 ，2 9 9 1 4 3 3 1 4 3 8 ． 廖秋林，曾钱帮，刘彤，等．基于A N S Y S 平台复 杂地质体F L A C ”模型的自动生成[ J ] ．岩石力学与 工程学报，2 0 0 5 ，2 4 6 1 0 1 0 - 1 0 1 3 ． L I A OQ i u - l i n ，Z E N GQ i a n - b a n g ，L I UT o n g ，e ta 1 ． A u t o m a t i c m o d e lg e n e r a t i o no fc o m p l e xg e o l o g i cb o d y c F L A C 3 0 模型 w i t hF L A C ”b a s e do nA N S Y Sp l a t f o r m [ J ] ．C h i n e s e J o u r n a lo fR o c kM e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 5 ， 2 4 6 1 0 1 0 1 0 1 3 ． [ 4 3 胡斌，张倬元，黄润秋，等．F L A C ”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， 2 0 0 2 ，2 1 9 1 3 8 7 - 1 3 9 1 ． H UB i n ，Z H A N GZ h u o - y u a n ，H U A N GR u n - q i u ，e t a 1 ．D e v e l o p m e n to fp r e - p r o c e s s i n gp a c k a g ef o r F L A C ”a n dv e r i f i c a t i o no fi t ss i m u l a t i n ge f f e c t s [ J ] ． C h i n e s eJ o u r n a lo fR o c kM e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g ， 2 0 0 2 ，2 1 9 1 3 8 7 1 3 9 1 ． [ 5 ] 徐能雄，武雄，汪小刚，等．基于三维地质建模的 复杂构造岩体六面体网格剖分方法[ J ] ．岩土工程学 报，2 0 0 6 ，2 8 8 9 5 7 9 6 1 ． X UN e n g - x i o n g ，W UX i o n g ，W A N GX i a o - g a n g ，e t ， a 1 ．A p p r o a c ht oa u t o m a t i ch e x a h e d r o nm e s hg e n e r a t i o nf o rr o c k - m a s sw i t hc o m p l e xs t r u c t u r eb a s e do n 3 Dg e o l o g i c a lm o d e l i n g [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo f G e o t e c h n i c a lE n g i n e e r i n g ，2 0 0 6 ，2 8 8 9 5 7 9 6 1 ． [ 6 ] 王明华，白云。层状岩体三维可视化构模与数值 模拟的集成研究[ J ] ．岩土力学，2 0 0 5 ，2 6 7 1 1 2 3 - 1 1 2 6 ． W A N GM i n g - h u a ，B A IY u n ．S t u d yo ni n t e g r a t i o no f t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n ga n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n f o rs t r a t i f i e dr o c km a s s [ J ] ．R o c ka n dS o i lM e c h a n i c s ， 2 0 0 5 ，2 6 7 1 1 2 3 1 1 2 6 ． [ 7 3 徐能雄，何满潮．层状岩体三维构模方法与空间数 据模型[ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 4 ，3 3 1 1 0 3 1 0 6 ． X UN e n g - x i o n g ，H EM a n - c h a o ．S t u d yo n3 Dm o d e l i n gm e t h o d sa n ds p a t i a ld a t am o d e lo fl a y e r e dr o c k m a s s [ J - ] ．J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，2 0 0 4 ，3 3 1 1 0 3 1 0 6 ． 责任编辑王继红 万方数据