基于GOCAD的复杂地质体FLAC3D模型生成技术

刘秀军

（深圳冶建院建筑技术有限公司，广东 深圳 518054）

0 引言

近年来，随着计算机技术的飞速发展，数值分析已成为岩土工程问题中的重要分析手段。由Itasca公司开发的三维岩土工程数值分析软件FLAC3D，建立在由Cundall等人提出的显式有限差分法基础上。在计算过程中，该软件不需要形成刚度矩阵，且无论是静力问题还是动力问题，该软件均由运动方程用显式方法进行求解，这使得它很容易模拟振动、失稳、大变形等非线性问题与动力问题。因此，该软件较适合处理复杂的非线性岩土力学问题［1］。目前，FLAC3D软件已成为岩土工程技术人员较为理想的三维数值分析工具之一。

然而，FLAC3D软件在模型建立及网格划分等前处理问题上存在着很大的不足：

（1）模型的建立只能依据数据文件来实现，不能直观显示，建模过程可视化程度低；

（2）对于复杂工程地质体建模，需要控制各个边界点的坐标数据，容易出错，检查也不方便；

（3）建模工作量大，花费时间较长［2］。

为解决此问题，许多学者在这一方面做了有意义的工作：胡斌［2］采用 FORTRAN语言编写了 FLAC3D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；廖秋林［3］等基于 ANSYS软件，采用 ANSYS语言编写了FLAC3D－ANSYS接口程序，借助有限元软件 ANSYS相对便捷的前处理功能，实现了复杂地质体FLAC3D模型的建立；罗周全［4］、林杭［5］提出了基于 SURPAC软件的直观、快速的FLAC3D模型生成技术。文献［3］提出的数值模型构建方法主要适合于层状地质体，对于复杂地质体条件下不规则形状的地下岩体开挖则存在着一些缺陷。文献［4－5］中地质块段模型的基本单元只能是规则六面体，并且边界单元只能分一次才能符合 FLAC3D中相邻单元合并节点的要求。因此，对于不规则岩体开挖，要求单元块尺寸很小才能建立较准确的技术模型，但因此造成模型单元数量巨大，可能导致FLAC3D软件无法进行计算。

鉴于上述问题及GOCAD强大的三维地质体建模功能，本文提出了基于GOCAD建模和划分网格，并通过 GOCAD与 FLAC3D的接口程序，将其导入FLAC3D的复杂三维地质体建模方法，从而实现了复杂地质体FLAC3D模型的直观、快速建模。该建模方法在郴宁高速公路K183+440～K183+680路段的软土地基斜坡高填路堤建模中得到了实际应用，结果表明该方法是完全可行和有效的。

1 GOCAD软件简介

自1989年法国 NANCY大学 J.L.Mallet教授的GOCAD研究计划提出以来，历经10年的发展，GOCAD（GeologicalObjectComputerAidedDesign）软件正式发行，由于其强大的三维模型构建功能，被广泛应用于诸多领域。GOCAD具有以下特点［6］：

（1）实现了通用地球模型所设想的功能

GOCAD采用了标准工业（数据）转换格式，其数据能够直接导入各种专业软件进行处理。同时，GOCAD内置了多种地球科学分支学科的数据处理和分析功能，从而实现交叉学科团队统一协作，提供了统一强大的三维可视化平台。

（2）全三维、全拓扑

GOCAD从数据结构、工作模式和功能设置都实现了真三维化，提供了非常全面的三维空间分析支持。同时，GOCAD采用了先进的三维空间场景渲染引擎，对复杂三维空间对象的渲染和显示效率远远高于一般三维模型软件。GOCAD采用的三维矢量拓扑数据模型，从底层实现了对空间对象拓扑信息的存储和管理，并能够分析三维空间对象的拓扑关系，进行复杂曲面的交叉和切割等空间关系的计算。GOCAD不仅支持空间对象的几何建模，还提高了属性建模的工具。

（3）使用空间插值算法DSI（DiscreteSmooth Interpolation）

GOCAD开发了针对地质建模特点的插值算法，即离散光滑插值算法（DSI）。DSI类似于解微分方程的有限元方法，用一系列具有空间实体几何和物理特性、相互连接的空间坐标点来模拟地质体，已知节点的空间信息和属性信息被转化为线形约束，引入到模型生成的全过程，因而DSI插值适用于自然物体的模拟。

（4）拥有强大的地质统计分析功能

在GOCAD软件中提供了强大的地质统计分析模块：空间数据分析、克里金估计（Kriging）、序贯高斯模拟等。

2 GOCAD三维地质体建模

应用GOCAD软件建立三维地质体模型的具体流程如下：

（1）预处理

将已矢量化的地表地形图、基岩等高线图及各地层界面地形图，在AutoCAD中进行预处理：截取研究区域，全部转化为多段线，赋予高程值，并将各个地形图分别置于不同的图层中，保存为*.dxf文件形式。

（2）生成等高点

将经过预处理后的各等高线图，通过“FILE→ImportObjects→Autocad（DXFfiles）→DXFFile”的方式导入 GOCAD中，由 PointsSetMode分别生成等高点。

（3）生成各地层面

针对各层面的等高点，通过“Wizards→Surface Creation→Fromdata（withoutinternalBorders），点击CreateOutlineCurvefrom DataPoints和Optimize OutlineCurvetobetterfitPoints，同时可以多次点击右侧的螺旋形按钮，多次优化，达到满意的效果后，点击CreateSurface”的方式来生成各地层面。

（4）生成三维网格模型SGrid

自上而下，依次选取相邻两地层面，针对这两个地层面通过“SGridMode→New→FromObjectsBox”的方式来生成每一地层的三维网格模型SGrid。过程中可对地层进行网格划分。

（5）生成 ClosedSurface

针对每一地层的SGrid模型，通过“SurfaceMode→New→FromGrid→SGridSection”的方式来生成该地层的六个边界面，再通过“SurfaceMode→New→FromSurfaces”的方式来生成一个该地层的 Closed Surface。

（6）生成三维实体网格模型Solid

针对每一地层所生成的 ClosedSurface，通过“SolidMode→New→FromClosedSurface”的方式来生成该地层的三维实体网格模型Solid。分别以不同的颜色显示所有地层的Solid，至此建立了所研究区域的三维地质模型。

3 FLAC3D模型自动生成

将GOCAD中生成的每一地层的Solid模型导出，分别通过GOCAD软件与FLAC3D软件的接口程序生成*.flac3d文件，再分别通过“File→ImportGrid”导入FLAC3D程序中并分组，即可自动生成所研究区域的三维地质FLAC3D模型。

4 应用实例

4.1 工程概况

“郴宁高速”是国家规划的东西大通道中厦门至成都公路通道的重要组成部分，其沿线地质构造比较复杂，多为山区，沟壑纵横，存在大量高填路堤、半填半挖路基及斜坡路基。其中，K183+440～K183+680路段位于山脚农田中，地形较为复杂，为软土地基斜坡高填路堤（图1）。

4.2 地层岩性

据钻探揭露和现场工程地质调查，场区内地层自上而下主要可分为：

图1 工程概况Fig.1 Projectoverview

碎石土：褐黄色，稍湿，中密，碎石成分主要为强风化粉砂岩、砂岩等，粘土质填充。

淤泥质粘土：灰黄色，软塑，湿，含黑色淤泥质、有机质和腐木，见有中、弱风化砂岩碎块和砂粒，稍具异味。

强风化粉砂岩夹炭质页岩：黄灰色，原岩结构已破坏，风化裂隙极发育，岩石破碎，岩芯为砂粒状及小碎块状。

弱风化硅质岩夹灰岩：深灰色，中厚层状构造，泥质结构，夹薄层砂岩，脱水易开裂，矿物成分主要为石英，含炭质，岩石中层理较清楚，见少量石英脉，岩石较坚硬致密。

4.3 模型建立及网格划分

研究范围：为较好的模拟工程区的地应力场，在尽可能接近实际的条件下，分析影响路堤变形的因素。计算模型在长度方向上选取桩号为K183+440～K183+680的范围，由于该路段内公路轴线曲率很小，故近似为直线，在宽度方向上以公路轴线为中心向两边各延伸70m，高度方向自200m高程取至地表，地面高程范围为270～338m。

局部坐标系：取公路轴线纵向为X轴正向，垂直于公路轴线指向路堤坡面外侧为Y轴正向，垂直向上为Z轴正向，建立模型局部坐标系：取路面中心线上桩号为 K183+440点为X=0、Y=0点，计算范围为X=0～240m，Y=－70～70m，取高程0m处为Z=0点，计算范围为200m高程到地表。

模型建立及网格划分：建模时考虑到路堤的施工工艺及施工特点，在路堤与路基交界面处设置台阶。根据地质资料，由地表自上而下考虑了局部淤泥质土、碎石土、强风化粉砂岩夹炭质页岩、弱风化石硅质岩夹灰岩。淤泥质土厚度取5m，碎石土厚度取9～48m，强风化粉砂岩夹炭质页岩厚度取6～30m，弱风化石硅质岩夹灰岩取50～60m。模拟路堤时按照1m/层填筑，共25层。地层岩性及路堤分层见图2。

图2 地层岩性及路堤分层Fig.2 Thepropertiesofrocklayers andlayeredembankment

路堤填土和淤泥质土的网格适当加密，距离路堤较远的基岩，因为填土堆载对该处影响较小，所以网格剖分尺寸较大。网格全部采用规则的四面体单元，整个计算区域共离散为173034个节点，43310个四面体单元，三维计算网格划分整体模型见图3。

图3 三维计算网格划分整体模型Fig.3 Thethree-dimensionalcalculationmodel

4.4 生成FLAC3D模型

将GOCAD中生成的每一地层的Solid模型导出，分别通过GOCAD软件与FLAC3D软件的接口程序生成*.flac3d文件，再分别通过“File→ImportGrid”导入FLAC3D程序中并分组，即可自动生成所研究区域的三维地质 FLAC3D模型（图4）。对地质体赋值，并加入边界条件及初始条件进行计算，得到路堤填筑完成后的位移等值线图（图5）。

图4 三维地质FLAC3D模型Fig.4 TheFLAC3Dmodelofgeologicalbody

图5 位移等值线图Fig.5 Themapofcontourdisplacement

5 结论

鉴于FLAC3D难以建立复杂三维地质体的缺陷和GOCAD强大的建模能力，本文提出了基于GOCAD软件建模和划分网格，并通过GOCAD与FLAC3D的接口程序，将其导入FLAC3D的复杂三维地质体建模方法，从而实现了复杂地质体FLAC3D模型的直观、快速建模。该建模方法在郴宁高速公路K183+440～K183+680路段的软土地基斜坡高填路堤建模中得到了实际应用。结果表明，该方法方便快捷，大大减少了建立复杂三维地质体FLAC3D模型的时间和精力。

［1］ItascaConsultingGroup，Inc..FastLanguageAnalysisof continuain3dimensions，version3.0，user’smannual.ItascaConsultingGroup，Inc.，2005.

［2］胡斌，张倬元，黄润秋，等.FLAC3D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，2002，21（9）：1387－1391.HUBin，ZHANGZhuoyuan，HUANGRunqiu，etal.Developmentofpre-processingpackageforFLAC3Dand verificationofitssimulatingeffects［J］.ChineseJournalof RockMechanicsandEngineering，2002，21（9）：1387－1391.

［3］廖秋林，曾钱帮，刘彤，等.基于ANSYS平台复杂地质体FLAC3D模型的自动生成［J］.岩石力学与工程学报，2005，24（6）：1010－1013.LIAO Qiulin，ZENG Qianbang，LIU Tong，etal.Automaticmodelgenerationofcomplexgeologicbodywith FLAC3DbaseonANSYSPlatform［J］.ChineseJournalof RockMechanicsandEngineering.2005，24（6）：1010 －1013.

［4］罗周全，吴亚斌，刘晓明，等.基于 SURPAC的复杂地质体 FLAC3D模型生成技术［J］.岩土力学，2008，29（5）：1334－1338.LUO Zhouquan，WU Yabin，LIU Xiaoming，etal.FLAC3Dmodelingforcomplexgeologicbodybased on SURPAC［J］.RockandSoilMechanics，2008，29（5）：1334－1338.

［5］林杭，曹平，李江腾，等.基于SURPAC的 FLAC3D三维模型自动构建［J］.中国矿业大学学报，2008，37（2）：339－342.LINHang，CAOPing，LIJiangteng，etal.Automatic generationofFLAC3DmodelbasedonSURPAC［J］.JournalofChinaUniversityofMiningandTechnology，2008，37（3）：339 －342.

［6］童亮，胡卸文，汪雪瑞.GOCAD在某桥基边坡三维地质建模中的应用研究［J］.地质灾害与环境保护，2009，20（1）：60 －65.TONGLiang，HUXiewen，WANGXuerui. Studyon applicationofthree-dimensionalmodelingtoabridgeslope byusingthesoftwarenamedGOCAD［J］.Journalof GeologicalHazardsandEnvironmentPreservation，2009，20（1）：60 －65.