一种洞穴型岩溶岩体数值模型构建方法与流程

本发明涉及地下工程和岩土工程技术领域，具体地说，涉及一种洞穴型岩溶岩体有限元数值模型的构建方法。

背景技术：

可溶岩除了分布有软弱结构面以外，还分布有影响岩体稳定的岩溶结构体，从而形成了岩溶岩体。岩溶结构体具有不规则的特性，因此可以认为岩溶岩体是一种极不均质的岩体。这些岩溶结构体的分布，成为了影响岩体工程力学性质和稳定性的主要因素。

岩溶分为洞穴型、裂隙型和管道型三个形态，其中洞穴型是指发育的干溶洞或填充型溶洞，裂隙型是指由各种构造裂隙经溶蚀形成的岩溶裂隙，管道型是指岩溶裂隙经进一步溶蚀扩大呈汇流的的管道特征。

岩体内部由于岩溶发育而存在缺陷，这些大小不等，位置随机、非随机的岩溶缺陷的存在，改变了岩体的力学特性，降低了岩体的承载能力。现有技术中，许多研究只是针对单个溶洞，只能用来分析溶洞对周围岩体的影响。然而岩溶的形态大小不同，分布复杂，当前建立的模型并不能准确地描述岩溶发育地区的岩体。

基于上述情况，需要一种能够准确地描述岩溶岩体的有限元数值模型的构建方法。

技术实现要素：

为了解决上述问题，同时由于岩溶分为洞穴型、裂隙型、管道型三个形态，本发明提供了一种能够准确地描述洞穴型岩溶岩体的有限元数值模型的构建方法。

本发明通过以下技术方案实现：

洞穴型岩溶岩体数值模型构建方法，其特征在于包括以下步骤：

确定构建岩体数值模型的工程范围，并对工程范围进行勘察、钻探和物探；

(1)获得体岩溶率或线岩溶率，通过工程钻探，获得溶洞、岩石、溶隙长度或钻孔穿过可溶岩的长度参数，并计算得到体岩溶率或线岩溶率；

(2)获得溶洞位置范围，通过工程勘察和物探，确定溶洞的分布范围或可溶岩的分布范围；

(3)获得溶洞直径分布规律，通过工程勘察获得溶洞直径数据或岩溶发育情况，确定该地区溶洞直径的分布规律，获得其分布特征的概率密度函数；

(4)建立数值模型，基于蒙特卡罗法确定溶洞位置、溶洞直径并生成溶洞，通过体岩溶率检验模型是否符合要求；

(5)将岩石物理力学参数赋予介质区域，将已知溶洞内包含物的物理力学参数赋予溶洞区域，得到所述工程范围的岩溶岩体有限元数值模型。

所述获得体岩溶率是通过工程地质钻探获得相关溶洞体积和岩石总体积，并通过体岩溶率＝溶洞体积/岩石总体积×100％计算得到；所述线岩溶率是通过工程地质钻探获得相关溶洞长度或溶隙长度、钻孔穿过可溶岩的长度并通过线岩溶率＝钻孔所遇溶洞长度或溶隙长度/钻孔穿过可溶岩的长度×100％计算得到。

所述溶洞分布范围或可溶岩的分布范围以溶洞位置概率模型数学表达式表示为：

其中，ci(i＝1,2,3)是溶洞中心的空间坐标，ai、bi(i＝1,2,3)表示岩体空间边界，r表示[0,1]上的随机数。

所述溶洞直径分布规律可以通过统计分析现场溶洞直径数据获得，或者通过岩溶发育程度选择分布规律。

通过岩溶发育程度选择溶洞直径分布规律的概率密度函数是：

其中，α是形状参数，β是尺度参数，d是溶洞直径，d是最大溶洞直径，直径单位为米。

当岩溶弱发育时，α＝1.5,β＝1.3,0＜d≤4；岩溶中等发育时，α＝5.3,β＝1.2,0＜d≤10；岩溶强烈发育时，α＝3.7,β＝2.4,0＜d≤15。

所述建立数值模型是采用有限元软件内置语言进行编程，生成符合体岩溶率、溶洞位置和溶洞大小要求的溶洞区域，包括以下步骤：

第一步：参数的生成，确定体岩溶率或线岩溶率，设置模型生成范围区间为x米×y米×z米，将岩体区域ω沿边划分为l×h×k个小区域δ，对小区域进行编号并将其中心坐标存入数组中其编号对应的位置；将溶洞中心空间坐标ci(i＝1,2,3)的确定转化为小区域编号的确定，在溶洞位置概率模型得到的条件下由随机数发生器确定小区域编号，以溶洞直径分布规律的概率密度函数得到的分布规律为准则生成溶洞直径的随机数列，并处理为溶洞半径r的随机数列；

第二步：确定溶洞生成的区间，设置一个过滤数组用来记录小区域δ是否可用，过滤数组初始元素均为1，在产生溶洞之后将溶洞占用的小区域对应的元素值修改为0；在第n个溶洞产生之后将元素值为1的小区域收集作为新的抽样区间φn，以保证有效溶洞的生成效率；

将溶洞半径随机数列导入ansys中，如有限元软件ansys15.0中，在确定第n个溶洞的位置时已知其半径值rn，遍历抽样区间φ，将边界rn范围内的小区域对应的过滤数组元素值修改为0；为了避免溶洞交错和后续网格划分的健康，设置网格尺寸elemsize，遍历生成区间φ将距离已经生成的第i个溶洞ri+rn+elemsize(0＜i＜n)范围内的小区域对应的过滤数组元素值修改为0；最后在借助过滤数组形成生成区间φn-1并确定第n个溶洞的位置；

第三步：生成溶洞并计算体岩溶率，在确定的位置生成溶洞，计算此时已生成的溶洞的体积之和与模型体积的比值，如未达到体岩溶率的要求，则开始下一个溶洞的生成，如果已达到体岩溶率要求，则程序结束并返回体岩溶率值；或，在生成区间为0时，程序结束并返回体岩溶率值。

本发明的有益效果：相较于现有的溶洞有限元数值模型建立方法，本发明提供的洞穴型岩溶岩体模型可以灵活地描述实际工程中溶洞的分布特征，更加完整、准确地描述有溶洞分布的岩溶岩体，具有较强适应性，对于评价岩溶区地基、考察岩溶区渗漏规律、研究岩溶区隧道建设等方面具有十分重要的意义。

附图说明

图1是本发明的流程示意图。

图2是步骤s104的具体流程示意图。

图3是岩溶发育程度与溶洞直径分布规律的对应关系示意图，图中a表示岩溶弱发育的溶洞直径分布规律，b表示岩溶中等发育的溶洞直径分布规律，c表示岩溶强烈发育的溶洞直径分布规律，纵坐标表示概率密度，横坐标表示溶洞直径，单位：米。

图4是步骤s105的程序框图。

图5是选择域缩减示意图。

图6是本发明的一个实施例的数值模型图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，本实施例只用于对发明进行进一步的说明，但不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据上述发明的内容作出的一些非本质的改进和调整也属于本发明保护的范围。

本发明洞穴型岩溶岩体数值模型构建方法包括：

确定构建岩体数值模型的工程范围，并对工程范围进行勘察、钻探和物探；

(1)获得体岩溶率或线岩溶率，通过工程钻探，获得溶洞、岩石、溶隙长度或钻孔穿过可溶岩的长度参数，并计算得到体岩溶率或线岩溶率；

(2)获得溶洞位置范围，通过工程勘察和物探，确定溶洞的分布范围或可溶岩的分布范围；

(3)获得溶洞直径分布规律，通过工程勘察获得溶洞大小数据或岩溶发育情况，确定该地区溶洞直径的分布规律，获得其分布特征的概率密度函数；

(4)建立数值模型，基于蒙特卡罗法确定溶洞位置、溶洞直径并生成溶洞，通过体岩溶率检验模型是否符合要求；

(5)将岩石物理力学参数赋予介质区域，将已知溶洞内包含物的物理力学参数赋予溶洞区域，得到所述工程范围的岩溶岩体有限元数值模型。

结合图1至图5，对本发明方法说明如下：

图1是本发明的流程示意图。

步骤s101，对实际工程进行勘察、钻探和物探等，并对得到的资料进行统计分析。

步骤s102，确定该岩溶区域的体岩溶率。

体岩溶率是评价该区域岩溶发育程度的核心指标。勘查方法一般使用钻探法。体岩溶率＝溶洞体积/岩石总体积×100％，在体岩溶不容易得到时，可以用线岩溶率代替体岩溶率。线岩溶率＝钻孔所遇溶洞、溶隙长度/钻孔穿过可溶岩的长度×100％。

步骤s103，通过勘察和探测资料，确定溶洞在地层中的分布范围。

溶洞发育在可溶性岩层，溶洞的分布范围基本上就是可溶性岩层的分布范围。

由于地质复杂性，溶洞基本呈随机均匀分布。确定溶洞位置的ci(i＝1,2,3)是溶洞中心的空间坐标，溶洞位置概率模型数学表达式为：

其中，ci(i＝1,2,3)是溶洞中心的空间坐标，ai、bi(i＝1,2,3)表示岩体空间边界，r表示[0,1]上的随机数。

步骤s104，确定溶洞直径的统计规律，具体细节见图2。由于是洞穴型岩溶，溶洞可近似成球体。

图2是步骤s104的具体流程示意图。通过对现场溶洞直径数据统计分析，得到分布规律。在没有现场溶洞直径的统计数据时采取步骤s204，由该地区岩溶发育程度选定岩溶大小分布规律。

岩溶发育程度评定表见表1。岩溶发育程度与溶洞直径分布规律对应关系见图3，溶洞直径概率密度函数表达式为：α是形状参数，β是尺度参数，d是溶洞直径，d是最大溶洞直径，直径单位为米。岩溶发育程度不同，表达式参数不同：岩溶弱发育时，α＝1.5,β＝1.3,0＜d≤4；岩溶中等发育时，α＝5.3,β＝1.2,0＜d≤10；岩溶强烈发育时，α＝3.7,β＝2.4,0＜d≤15。

表1岩溶发育程度评定表

步骤s105，使用有限元软件内置语言进行编程，生成符合体岩溶率、溶洞位置和溶洞大小要求的溶洞区域，具体编程细节见图4，对图4解读如下。

第一步：参数的生成。体岩溶率已在步骤s102中确定。设置模型生成区间为x米×y米×z米，将岩体区域ω沿边划分为l×h×k个小区域δ，对小区域进行编号并将其中心坐标存入数组中其编号对应的位置。这样将溶洞中心空间坐标ci(i＝1,2,3)的确定转化为小区域编号的确定，在步骤s103得到的条件下由随机数发生器确定小区域编号；以步骤s104得到的分布规律为准则生成溶洞直径的随机数列，并处理为溶洞半径r的随机数列。

第二步：确定溶洞生成的区间。由于溶洞的产生会占用空间，使溶洞生成的区间发生变化(见图5)，为提高溶洞产生效率，所以设置一个过滤数组用来记录小区域δ是否可用。过滤数组初始元素均为1，在产生溶洞之后将溶洞占用的小区域对应的元素值修改为0。这样在第n个溶洞产生之后将元素值为1的小区域收集作为新的抽样区间φn，以保证有效溶洞的生成效率。

将溶洞半径随机数列导入ansys中，因此在确定第n个溶洞的位置时已知其半径值rn，为防止溶洞超出模型边界，遍历抽样区间φ，将边界rn范围内的小区域对应的过滤数组元素值修改为0。为了避免溶洞交错和后续网格划分的健康，设置网格尺寸elemsize，遍历生成区间φ将距离已经生成的第i个溶洞ri+rn+elemsize范围内的小区域对应的过滤数组元素值修改为0。最后在借助过滤数组形成生成区间φn-1并确定第n个溶洞的位置。

第三步：生成溶洞并计算体岩溶率。在确定的位置生成溶洞，计算此时已生成的溶洞的体积之和与模型体积的比值。如未达到体岩溶率的要求，则开始下一个溶洞的生成；如果已达到体岩溶率要求，则程序结束并返回体岩溶率值。(在生成区间为0时，程序同样结束)

步骤s106，在步骤s105得到的模型中，将岩石物理力学参数赋予介质区域，将已知溶洞内包含物的物理力学参数赋予溶洞区域，得到洞穴型岩溶岩体有限元数值模型。

图6是本发明一个实施例的有限元数值模型图。

在本实施例中，首先进行步骤s101得到相关资料。进行步骤s102，根据钻孔所遇溶洞、溶隙长度和钻孔穿过可溶岩的长度计算取该研究地层区域体岩溶率为3％。

进行步骤s103，根据工程勘察确定溶洞大多分布在地表以下5～26m深度范围内。由于地质复杂性，溶洞基本呈随机均匀分布。确定溶洞位置的ci(i＝1,2,3)是溶洞中心的空间坐标，溶洞位置概率模型数学表达式为：

其中，ai、bi(i＝1,2,3)表示岩体空间边界；r表示[0,1]上的随机数。

进行步骤s104，根据勘察资料及其岩溶率的取值，确定该研究地层区域属于岩溶弱发育，因此选定其概率密度函数数学表达式为：

其中，α＝1.5，β＝1.3，d＝4。

需要说明的是，本发明中溶洞大小的分布规律服从伽马分布，但本发明不限于此，根据现场数据分析得到的其他分布也是合理的，例如正态分布。

进行步骤s105。首先，由步骤s103中公式(3)的岩体空间边界确定岩溶岩体的生成范围，将岩体区域沿边划分为若干个小区域δ，对小区域进行编号并将其中心坐标存入数组中其编号对应的位置。通过随机数发生器选取小区域编号，并读取其中心坐标作为即将生成的溶洞中心空间坐标ci(i＝1,2,3)。然后，以步骤s104得到的分布规律为准则生成溶洞直径的随机数列，并处理为溶洞半径r的随机数列。最后，将数据导入ansys15.0，运行程序进行溶洞的生成。

进行步骤s106，将岩石物理力学参数赋予介质区域，将溶洞内包含物的物理力学参数赋予溶洞区域，最终得到该研究地层区域的岩溶岩体数值模型。

如图6所示，图中长方体为可溶岩层，图中各球体是随机生成的溶洞区域。从最终岩溶岩体数值模型中可以看出，溶洞的参数由概率密度函数生成与实际情况表现出很好的统计相似性，随机大小的溶洞随机分布在岩体空间中充分体现了岩体中溶洞的空间分布特征，能完整、准确的描述岩溶岩体。在该岩溶岩体数值模型的基础上，可以对该研究岩溶地层的地基稳定性、岩体质量和地下水渗流规律等进行研究。