一种复杂地质条件下大型地下工程3D网格模型的构建方法与流程

本发明涉及3d网格模型构建技术领域，具体涉及一种复杂地质条件下大型地下工程3d网格模型的构建方法。

背景技术：

当前三维数值分析方法已成为大型地下工程围岩稳定的一种常用方法，但是复杂地质条件下大型地下工程3d网格模型的构建已成为该方法推广应用的一大障碍，存在的具体困难体现在：1)地下结构几何形态复杂，与非连续面的相交往往造成整个三维几何模型被切割成大量碎小、形态复杂的区域，导致网格剖分质量较差；2)大型地下工程开挖，通常采用分期/分层/分步开挖，实际揭露的非连续面往往会与前期勘察所获得非连续面分布情况有所差异，如每一次都按实际情况如实给出非连续面的位置和形状，必须反复调整其位置和几何形状，重新构建几何模型和剖分网格，使得这类大型地下工程3d网格模型的建立工作费时费力。

为此，在现有的复杂地质条件下大型地下洞室3d网格模型方法的基础上，应充分考虑上述问题，提出一种复杂地质条件下大型地下洞室3d网格模型的快速构建方法就十分必要了。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种复杂地质条件下大型地下工程3d网格模型的构建方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种复杂地质条件下大型地下工程3d网格模型的构建方法，包括以下步骤：

步骤一:在网格剖分软件ansys中根据点线面构建或者导入其它数据格式的形状相对规则的开挖体几何模型；

步骤二:在开挖体周围建立一定范围、几何形态简单规则的隔离体作为重点分析区域；

步骤三:在重点分析区域外，再划定一个几何形态简单规则的隔离体作为次重点关心区域，网格可适当粗分；

步骤四:遵循从“内部到外围、从简单到复杂”的原则对几何模型各组成部分逐步剖分网格，建立不包含非连续面的3d网格模型；

步骤五:根据充填型非连续面的产状以及该非连续面上的一点，确定非连续面所在的平面，根据非连续面的厚度确定一个范围值d，将距该平面法线方向上下2d范围内的网格定义为该非连续面的网格单元集合，从而构建出包含任意产状和数量的非连续面的复杂地质条件下大型地下洞室群3d网格模型。

作为本发明进一步的效果是：在步骤一中，开挖体以六面体精细剖分，使得网格规整，网格单元尺寸小于充填型非连续面厚度。

作为本发明再进一步的效果是：在步骤一中，开挖体周边重点分析区域，以与开挖体网格大小相当的网格进行剖分，网格规整，要求网格单元尺寸小于充填型非连续面厚度。

作为本发明再进一步的效果是：在步骤一中，重点分析区域外围区域网格可以粗糙剖分，减少网格单元总数，减少计算时间。

作为本发明再进一步的效果是：在步骤五中，d值等于非连续面厚度的二分之一。

本发明的有益效果是：

第一、在分层、分步、分段开挖过程中，如果有先前未知的非连续面出现或者已知非连续面产状发生变化时，该方法可以在此原先的3d网格模型上及时更改，而不用再重新建立/更新几何模型后再剖分网格以建立3d网格模型；

第二、该方法还可以随意添加充填型平直非连续面，而不用在原几何模型中添加这些非连续面几何实体后重新剖分网格以建立3d网格模型，在极大地减少建模工作量的同时确保网格质量。

附图说明

图1为本发明复杂地质条件下大型地下工程3d网格模型构建方法的flac3d实现过程；

图2为本发明复杂地质条件下大型地下工程3d网格模型简便构建方法的ansys实现过程。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例中，一种复杂地质条件下大型地下工程3d网格模型的构建方法，包括以下步骤：

步骤一：在网格剖分软件ansys中根据点线面构建或者导入其它数据格式的形状相对规则的开挖体几何模型；

步骤二：在开挖体周围建立一定范围、几何形态简单规则（如六面体）的隔离体作为重点分析区域，以便网格精细剖分；

步骤三：在重点分析区域外，再划定一个几何形态简单规则（如六面体）的隔离体作为次重点关心区域，网格可适当粗分，以便网格从精细剖分到粗分平滑过渡；

步骤四：遵循从“内部到外围、从简单到复杂”的原则对几何模型各组成部分逐步剖分网格，建立不包含非连续面的3d网格模型（如采用flac3d进行分析，则需将该3d网格模型由asnys导入）；

步骤五：根据充填型非连续面的产状（倾向和倾角）以及该非连续面上的一点，确定非连续面所在的平面（在ansys中则可根据3点坐标确定一个平面），根据非连续面的厚度确定一个范围值d，将距该平面法线方向上下2d范围内的网格定义为该非连续面的网格单元集合，从而构建出包含任意产状和数量的非连续面的复杂地质条件下大型地下洞室群3d网格模型。

在步骤一中，开挖体以六面体精细剖分，使得网格规整，网格单元尺寸小于充填型非连续面厚度。

在步骤一中，开挖体周边重点分析区域，以与开挖体网格大小相当的网格进行剖分，网格规整，要求网格单元尺寸小于充填型非连续面厚度。

在步骤一中，重点分析区域外围区域网格可以粗糙剖分，减少网格单元总数，减少计算时间。

在步骤五中，d值等于非连续面厚度的二分之一。

此方法的关键技术难点是在不包含非连续面的3d网格模型中如何圈定出属于非连续面的网格单元集合（步骤五）。

实施例1：

请参阅图1，在该软件中，实现步骤五的核心命令流为：groupf1ranplanedd191dip48ori271.769050，734.759597，2264dist1.0group35，命令流中斜体加粗为命令关键词，其后参数可以根据实际情况修改，该命令的意思为：将组名为35中过点（271.769050,734.759597，2264）、倾向角191°、倾角48°的平面法线方向上下各1.0m距离范围内的网格都归为组f1。按这命令格式，可以在已构建的flac3d3d网格模型中继续添加其它产状的非连续面。

实施例2：

请参阅图2，在该软件中，实现步骤五的具体步骤为：

①创建关键点：k，npt1，x1，y1，z1；...k，npt2，x2，y2，z2；npt3，x3，y3，z3（可取非连续面平面内的任意3个点，npt1-npt3为点的编号，x1-x3、y1-y3、z1-z3为点的坐标，可根据实际情况修改）；

②移动工作平面：kwplan，wn，npt1，npt2，npt3（将工作平面移动至上述关键点，其z轴平行于非连续面法线方向）；

③创建局部坐标系：cswpla，11，0，1，1，（以上述工作平面坐标原点为原点创建坐标系编号为11的局部坐标系，编号可根据实际情况修改，但数值必须大于等于11）；

④激活当前局部坐标系：csys，11，；

⑤选择相应节点：nsel，s，loc，z，-1，1（选择非连续面厚度范围内的相应节点）；

⑥选择相应单元：esln,,,（选择依附于上述所选择节点的单元）；

⑦定义分组名：cm，name1，elem（将被选择单元定义为一个组名为name1的分组，注意：该组名不同于flac里的group组名，仅用于网格选择）；

⑧定义材料编号：emodif，all，50（将非连续面厚度范围内的单元材料编号定义为50，此编号对应于flac3d里的group组名）。

按上述命令步骤，可以在已构建的ansys3d网格模型中继续添加其它产状的非连续面。

该方法适用于含平直充填型非连续面（如断层、层间/层内错动带等）的大型地下工程围岩稳定分析3d网格模型构建，在此类3d网格模型构建时，如包含非平直充填型非连续面，可以采用多个平直充填型非连续面进行拼接组合的方式进行近似。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。