岩体结构仿真教学系统的开发

张敏思， 杨 勇， 梁海安

(东华理工大学 建筑工程学院， 江西 南昌 330013)

岩体结构仿真教学系统的开发

张敏思， 杨 勇， 梁海安

(东华理工大学 建筑工程学院， 江西 南昌 330013)

以提高教学效果为目的，开发了岩体结构仿真教学系统。该系统通过AutoCAD建立复杂岩体模型，经过模型的单元离散、单元切割及合并搜索出所有结构体，完成复杂岩体结构的数字化表征，并以三维彩色图像进行全方位显示。仿真系统简化了教学过程，节省教学经费，具有生动形象、易于理解的教学效果。

岩体结构； 仿真教学系统； 数值模拟

岩石力学是岩土工程、水利工程、采矿工程及地质工程等专业的重要课程，该课程主要讲述岩体地质结构与特征、岩石物理力学性质、岩石材料的本构关系及以上内容在不同工程中的应用。其中岩体结构是由地质结构面间相互切割作用而形成的，结构面的尺寸及产状各异导致岩体结构的复杂多样，往往表现出非均质、非连续、各向异性和多相性的特征，且在很大程度上决定了岩体的力学性质。因此，对岩体结构特征的研究是岩石力学研究中一项极其重要且具有前沿性的研究。在教学实践中，岩体结构是岩体力学教学中的重点与难点。

利用现代计算机可视化技术开发了一套岩体结构的仿真系统，并将其应用于岩石力学的本科教学实践中，既可以突破岩体结构隐蔽性的限制，缩短教学时间，又可以使教学更加直观、形象，提高学生对岩石力学的学习兴趣。

1 目前存在的问题

由于实验及实践教学需要投入较多的时间与经费，因此岩体结构实验教学受到了很大的限制。为了解决这一问题，很多高校教师结合自己的科研工作将数值仿真技术应用于岩石力学教学中，解决或部分解决了实验和实践教学的困难和高成本问题。文献[1]利用商业软件ANSYS和FLAC建立了复杂地质模型；文献[2-3]采用颗粒流程序PFC构建了包含岩石三轴压缩强度、劈裂强度及直剪等常规实验的数字教学平台；文献[4-5]采用FLAC、RFPA、UDEC、PFC、Maya和Virtoo1s等软件对岩石特性进行仿真，并将其应用于采矿工程的教学中。然而，上述数值仿真方法采用的主要是针对科研计算而开发的商业软件，无法准确地模拟具有复杂非连续性的岩体结构。

目前，对于具有非连续性岩体结构的模拟尚处于探索阶段。文献[6-7]采用3DEC软件模拟了地下工程中具有断层或错动带的围岩变形及破坏特征。3DEC软件是将结构面假设为无限大平面，因此该软件具有很大的局限性。文献[8-12]根据科研需要开发了岩体结构分析软件，并实现了结构面的有限性，但对于较复杂的几何边界及后处理内容并未过多关注。

笔者结合科研工作，开发了一套应用于本科教学的岩体结构仿真软件，利用可视化技术完成软件的后处理，可方便地获取岩体任意结构体信息，模拟关键块体滑动，将岩体结构形象、生动的展示给学生。

2 系统设计

2.1 总体思路

目前，三维结构体搜索主要有2种方法：一是基于拓扑学原理的交线回路分析，二是面向结构体对象的空间切割算法。本文在第二种方法基础上进行改进，采用网格划分的块体识别方法进行结构体搜索。

首先，将所要建立的岩体模型简化为复杂多面体。岩体建模实际上是初始化结构体系统，切割计算后出现的所有结构体均由岩体模型这个母体得到，它的性质也会被继承。本研究根据结构体中不同面在程序中的作用，将其分为4种：(1)临空面，是与自由空间相接触的边界面，具有临空面是结构体可移动的必要非充分条件；(2)固定面，所建的岩体模型是实际工程中的一部分，除临空面外，模型的其他边界均应被设置为固定面，模型通过固定面与研究范围外的岩体相连，具有固定面的结构体是不可移动的；(3)虚拟面，在将凹体模型划分为凸体时所产生的辅助面，它在实际工程中并不真实存在，当切割结束后虚拟面即消失，导致结构体间合并；(4)切割面，由结构面对结构体进行切割产生的新面，与临空面共同组成了独立结构体的边界。

其次，设置3组正交的虚拟结构面，利用每个结构面所在平面对岩体模型进行切割，实现单元的离散。

第三，将实际工程中的结构面进行统一编号，每添加一个结构面，就对现存的所有单元进行判断，结构面所在平面将与其相互接触的单元块体切割为2个新的单元块体，与结构面不接触的单元则保持不变。

最后，去除虚拟结构面，导致虚拟结构面两侧共面的单元合并，实现复杂结构体的单元聚合，从而完成复杂岩体结构的数字表征。

2.2 结构体几何数据结构

无论岩体环境多么复杂，块体的识别只是空间几何拓扑问题，是块体几何数据间的运算，不涉及其他参数。本文设计的块体识别算法要求块体之间、面之间保持数据的独立性，所以采用图1所示的几何数据存储格式。两点组成的边被存储在多边形类的动态数组中，多边形被存储在块体类的动态数组中。这样，所有数据的存储均是动态的，块体可以不受数量限制地添加面，面可以不受数量限制地添加边。这种数据格式存储下的块体，其边与面的方向很容易判断。

图1 块体的数据结构

2.3 平面对多面体的切割

无论是虚拟结构面还是真实的结构面，在切割的算法中是不区别对待的，结构面把与其接触的块体一分为二，而与其不接触的块体保持原来的状态。程序之初未对其进行网格划分时，块体数为1；依次加入结构面(虚拟结构面或真实结构面)，每添加一个结构面，遍历一次现存的块体，判断块体是否与结构面相交。如果块体与结构面相交就进行切割，把新形成的块体放入块体数据链的尾端，删除母体(见图2)，继续判断下一块体。不相交则直接进入下一块体的判断。添加结构面切割块体的流程如图3所示。

图2 块体切割过程中的数据组织

图3 结构体切割流程图

2.4 网格去除形成复杂块体

添加虚拟结构面是为了划分网格，限制结构面的计算尺寸，但实际并不存在这些结构面，所以最后要去除结构面。这样就导致了块体合并，形成一些复杂的大的块体，也就是由真实结构面切割而形成的块体。

算法的实现，是按照虚拟结构面的顺序，依次寻找出由每个虚拟结构面形成的块体，然后在其中寻找可以合并的块体进行合并。两个块体位于虚拟结构面的两侧，并且有面的交集，这样的两个块体要进行合并。图4是去除所有虚拟结构面合并块体的流程图。

图4 块体合并流程图

3 系统开发

3.1 面向对象的语言C++

基于VC++提供的MFC(microsoft foundation classes)设计软件框架及实现算法。

面向对象的方法比较自然地模拟了人们认识客观世界的方式，能够建立比较完整的、易于理解的软件系统概念和机制，并且成为软件系统设计和实现的软件工程方法。其主要有封装性、继承性及多态性3个特点。结构体是由多边形组成，因此多边形被作为结构体切割计算的基本单元，其数据及基本操作被封装在CPolygon类中。块体作为程序的主要研究对象，被封装在一个CBlock类中，这个类中包含CPolygon类，正符合实际的块与面的关系。图形输出的所有相关操作被封装在CMygl类中，这种设计使得程序具较好的整体性、稳定性，使设计思路清新。

3.2 OpenGL图形函数库

利用主流的专业图形程序接口OpenGL(open graphics library)进行三维图像显示。

三维图形往往需要显示非常复杂的三维模型，要对复杂模型实现旋转、缩放和平移等操作，需要采用必要的措施来加快三维图形显示速度，而OpenGL提供的显示列表机制能够很好地优化三维图形显示速度。另外，设置光源参数及材质特性、实现物体的透明显示等，都是三维图形应用所不可缺少的功能。OpenGL为用户编写交互式三维图形应用程序提供了接口。通过它，可以很方便地设计光照、纹理映射、颜色、阴影和实现消隐，并提供了高度灵活的手段，让用户能够从任意角度和以多种方式观察所显示的三维场景，包括对场景进行旋转、缩放及平移等多种操作。

3.3 软件功能模块及操作

软件采用MFC开发，可以自动形成软件界面框架，免除了界面开发的繁琐工作；嵌入比较流行的表格控件，实现结构面的输入及块体信息显示。采用两种方式建模：对于较复杂的模型，采用面单元进行描述，在商业软件AutoCAD中建立模型，转化为dxf文件进行读取；对于简单规则的模型，可以采用对话框的方式进行快速建模。结构面参数可以从界面的表格中输入，也可以在txt文件中按照指定的顺序写好后导入。

软件的功能包括：任意几何边界模型的建立、随机结构面模拟、结构体求解、任意结构体单独显示、关键块体滑动演示。

4 系统的部分功能演示

本系统通过AutoCAD的面单元建立三维模型，可对任意临空面工程进行仿真，记录下岩体内部所有结构体的数字信息，通过彩色三维图像对节理发育的岩体内部结构进行展示，并可进行旋转、平移及缩放。

图5为一多阶露天矿边坡岩体结构演示。图5(a)采用不同的颜色对结构体进行显示，图5(b)是对岩体内部任意结构体的单独显示，以便学生更加清晰、直观地认识结构体形态。图6为双洞隧道围岩的岩体结构，通过不同颜色展示了洞口与结构面间切割形成结构体的形态。图7是复杂地表形态下结构体的显示，可帮助学生理解曲面边界下岩体结构的形态。图8为节理发育的地下采场工程，通过展示模型边界与随机结构面的交线，使学生掌握节理的发育情况。图9是边坡中关键块体的滑动，形象地将楔形滑块的运动状态展示给学生。

图5 多阶边坡岩体结构演示

图6 双隧道围岩岩体结构演示

图7 曲面模型岩体结构演示

图9 关键块体滑动演示

5 结语

通过开发岩体结构仿真教学系统，将不同工程的岩体结构展示给学生，取代了传统的现场观测和图片教学，解决了实际工程中因岩体结构的隐蔽性和复杂性而带来的实验教学困难的问题，缩短了教学时间，节约了教学经费，同时激发了学生的学习兴趣，使学生更主动地学习。

References)

[1] 杨文东，张艳美，俞然刚，等.复杂地质建模前处理方法在岩石力学数值实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2014,31(9):179-182.

[2] 陈建峰，陈宝成，石振明，等.岩石力学数字实验教学平台建设[J].实验室研究与探索,2015,34(6):120-123.

[3] 陈建峰，许铁欧，俞松波，等.岩石三轴压缩强度实验教学改革研究[J].高等建筑教育,2012(1):107-110.

[4] 解盘石，伍永平.多元数值仿真技术在采矿工程实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2013,30(3):89-91.

[5] 宁芳，范军，蔡大林，等.基于Maya和Virtools的采矿虚拟现实教学系统开发[J].实验技术与管理,2011,28(6):82-85.

[6] 杨云浩，王仁坤，邢万波，等.猴子岩水电站洞群硬脆性围岩变形破坏特征的3DEC分析[J].岩石力学与工程学报,2015(增刊2):4178-4186.

[7] 刘强，吴文兵，洪望兵，等.错动带对导流隧洞围岩稳定影响的3DEC模拟[J].人民长江,2015(5):30-34.

[8] 张奇华，邬爱清.随机结构面切割下的全空间块体拓扑搜索一般方法[J].岩石力学与工程学报,2007,26(10):2043-2048.

[9] 张奇华，邬爱清.边坡及洞室岩体的全空间块体拓扑搜索研究[J].岩石力学与工程学报,2008,27(10):2072-2078.

[10] 邬爱清，张奇华.岩石块体理论中三维随机块体几何搜索[J].水利学报,2005,36(4):426-432.

[11] 杨石扣，任旭华，张继勋.基于有限结构面的三维复杂块体切割研究[J].岩土力学,2016,37(8):2206-2212.

[12] 杨石扣，任旭华，张继勋.基于布尔运算的复杂块体几何形态分析一般方法[J].岩土力学,2016,37(12):3576-3582.

Development of simulation teaching system for rock structure

Zhang Minsi, Yang Yong, Liang Haian

(College of Architectural Engineering, East China University of Technology, Nanchang 330013, China)

In order to improve the teaching effect, this paper develops the simulation teaching system for rock structure. This system builds up the complex rock model by AutoCAD. Through the model unit discretization, unit cutting and merging, all the structures are searched to complete the digital characterization of complex rock structure, and 3D color images are displayed in all directions. The simulation system simplifies the teaching process, saves the teaching expenditure, and has the teaching effect of being vivid and easy to understand.

rock structure; simulation teaching system; numerical simulation

TU45；TP391.9

A

1002-4956(2017)10-0117-04

10.16791/j.cnki.sjg.2017.10.029

2017-04-23

江西省自然科学基金项目(20161BAB216144,20171BAB203030)；江西省教育厅科技项目(150578)；东华理工大学教学改革研究课题“土木工程专业学生职业能力训练与评价标准的改革研究”

张敏思(1985—)，女，山东淄博，博士，讲师，主要从事岩石力学方面的教学科研工作.

E-mail：mscccathy@163.com