一种将三维地质模型转化为数值计算模型的方法与流程

本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种将三维地质模型转化为数值计算模型的方法。

背景技术：

三维地学模拟目前已具有较强大的三维地质建模能力，并能实现模型的剖切、切割等空间操作，其地质模型是在实际地质资料的基础上，通过空间数据信息管理系统，运用地质建模人员的地质知识和经验对其进行地质特征解译，而后采用地质建模技术建立而成。三维地质模型能最大程度地真实反映实际地质情况，特别是对于复杂地质构造。

当前研究大都是从扩展地质模拟功能角度出发，使地质模型经过改造后可用来计算分析，并没有从利于数值模拟角度去研究，单纯的用三维地质模型会出现以下问题：整个实现过程复杂，需利用辅助系统和进行频繁的人工交互得以完成；容易生成畸形网格，单元质量欠佳，整体建模效率不高；不能较好地处理岩土工程中的开挖施工等问题；三维地质建模软件操作太复杂，难以为基层广大地质作图人员所掌握且三维建模约束条件太严苛，编辑工作量巨大，没有三维地质模型数据标准，模型数据难以交换与共享，勘探规范没有要求。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种将三维地质模型转化为数值计算模型的方法。

实现本发明目的技术解决方案为：

一种将三维地质模型转化为数值计算模型的方法，包括以下步骤：

步骤一：根据计算范围对地质模型进行区域切割，过程如下：

根据数值分析计算范围来选取地质模型的合理切割面并进行区域切割以得到切割模型；

步骤二：从所述切割模型提取控制数据进行网格重构并得到切割区域表面模型，此步骤包括对地层分界面的网格重构和地层周围表面的网格重构，

对地层分界面的网格重构包括：

第一步：将切割模型范围内的交线、交点和原有控制点按地层属性分类存放；

第二步：将三维地质模型中的每一地层的切割交线作为约束边界，在平面区域内对该地层的交点与控制点进行约束delaunay构网；

第三步：保持网格拓扑结构不变，对每个控制点进行高程映射，得到该地层分界面的网格模型；

第四步：重复第二、三步，完成每个地层分界面的网格重构，最终重新构成整个切割模型的地层分界面模型；

对地层周围表面的网格重构包括：

第一步：对地质模型的切割面与各地层分界面产生的交点按逆时针或顺时针构建切割模型的外围封闭轮廓线；

第二步：取出一切割面，将在此切割面上的切割面与地层分界面的交线作为内部约束条件，对各个地层分界面与此切割面的交点做delaunay构网；

第三步：根据所述交点的地层属性对该切割面上构建的网格附以地层属性；

第四步：重复第二、三步，按逆时针或顺时针方向对轮廓线所在的切割面构建外围表面网格，最终构成整个切割模型封闭的周围表面模型。

将形成的地层分界面网格和周围表面网格组合起来构成具有相同几何、拓扑数据结构的切割区域表面模型，所述切割区域表面模型包括具有地层属性的初始表面网格；

步骤三：对切割区域表面模型自动剖分有限元网格并生成有限元网格拓扑数据和几何数据；

步骤四：将有限元网格数据导入数值分析系统完成建模，过程如下：

按照所使用的有限元数值分析系统数据文件格式，将生成的有限元网格拓扑数据和几何数据导入其中，最终形成计算所用的数值计算模型。

进一步地，所述三维地质模型为tin域模型，步骤三中对tin域模型按地层属性自动剖分有限元网格包括：

每个单tin域自动循环进行空间平面的网格自动剖分，最后形成整体有限元面网格模型。

进一步地，每个单tin域自动循环进行空间平面的网格自动剖分，具体步骤如下：

(1)遍历空间的离散点，利用网格索引机制对离散点进行组织，记录离散点坐标中x方向和y方向的最大、最小坐标并得到最大点(maxx，maxy)和最小点(minx，miny)，以所述最大点(maxx，maxy)和最小点(minx，miny)为对角线构建一矩形，该矩形包括全部离散点；

(2)利用所述对角线将所述矩形分成两个三角形；

(3)将所述矩形的边上或所述对角线上的原始点进行构网以得到初始三角形网；

(4)将余下的点中其中一个非原始点插入到所述初始三角形网中，与初始三角形网上的原始点相连接构建新的三角形网；

(5)继续将余下的点中的一个非原始点插入到所述初始三角形网中，与初始三角形网上的原始点或前面的非原始点相连接构建新的三角形网，重复该步骤直至所有非原始点完成插入。

进一步地，所述三维地质模型为体网格模型，步骤三中对体网格模型自动剖分有限元网格包括：

由体网格模型形成的有限元面网格模型具有地层属性的特点，自动构建不同的地层单空间域，通过对每个空间域自动循环进行体网格自动剖分，最后形成剖分后的有限元体网格模型。

进一步地，切割区域为多边形体。

进一步地，切割区域为矩形体。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：本发明提供了一种将三维地质模型经过特定方式转化为符合有限元网格要求的数值计算模型的方法，该方法对所建模型的网格赋予了地层属性因此得到的计算模型的准确度大大提高；将地质模型的岩体力学参数运用于数值计算模型中，因此使得数值计算模型的岩体力学性能更加准确合理。

附图说明

图1是本发明的三维地质模型。

图2是本发明切割模型的拓扑关系。

图3是本发明切割模型的地层分界面。

图4是本发明切割模型的初始表面网格。

图5是本发明切割模型的有限元体网格。

图6是本发明三维地质模型开挖后有限元网格。

图7是本发明三维地质模型开挖后自重应力场。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步阐述本发明方案。

一种将三维地质模型转化为数值计算模型的方法，所述三维地质模型为基于不规则三角网三维地质模型，如图1所示，包括以下步骤：

步骤一：根据计算范围对地质模型进行区域切割，过程如下：

选取计算区域，界定切割面的宽度和深度进行切割以得到切割模型，设切割区域由4个竖直平面组成，切割范围和切割后的拓扑关系如图2。

步骤二：从切割模型提取控制数据进行网格重构，此步骤分为对地层分界面的重构和地层周围表面的重构，具体过程如下：

对地层分界面的重构包括：

第一步：将切割模型范围内的交线、交点和原有控制点按地层属性分类存放；

第二步：将三维地质模型中的每一地层的切割交线作为约束边界，在平面区域内对该地层的交点与控制点进行约束delaunay构网；

第三步：保持网格拓扑结构不变，对每个控制点进行高程映射，得到该地层分界面的网格模型；

第四步：重复第二、三步，完成每个地层分界面的网格重构，最终重新构成整个切割模型的地层分界面模型如图3所示。

对地层周围表面的重构包括：

第一步：对地质模型的切割面与各地层分界面产生的交点按逆时针或顺时针构建切割模型的外围封闭轮廓线；

第二步：取出一切割面，将在此切割面上的切割面与地层分界面的交线作为内部约束条件，对各个地层分界面与此切割面的交点做delaunay构网；

第三步：根据所述交点的地层属性对该切割面上构建的网格附以地层属性；

第四步：重复第二、三步，按逆时针或顺时针方向对轮廓线所在的切割面构建外围表面网格，最终构成整个切割模型封闭的周围表面模型。

将形成的地层分界面网格和周围表面网格组合起来构成具有相同几何、拓扑数据结构的切割区域表面模型，所述切割区域表面模型包括具有地层属性的初始表面网格如图4所示。

步骤三：对重构模型按地层属性自动剖分有限元网格，过程如下：

对于tin域模型：

每个单tin域自动循环进行空间平面的网格自动剖分，具体步骤如下：

(1)遍历空间的离散点，利用网格索引机制对离散点进行组织，记录离散点坐标中x方向和y方向的最大、最小坐标并得到最大点(maxx，maxy)和最小点(minx，miny)，以所述最大点(maxx，maxy)和最小点(minx，miny)为对角线构建一矩形，该矩形包括全部离散点；

(2)利用所述对角线将所述矩形分成两个三角形；

(3)将所述矩形的边上或所述对角线上的原始点进行构网以得到初始三角形网；

(4)将余下的点中其中一个非原始点插入到所述初始三角形网中，与初始三角形网上的原始点相连接构建新的三角形网；

(5)继续将余下的点中的一个非原始点插入到所述初始三角形网中，与初始三角形网上的原始点或前面的非原始点相连接构建新的三角形网，重复该步骤直至所有非原始点完成插入。

最后形成整体有限元面网格模型；对区域边界进行离散时，为了符合共用边节点拓扑相容原则，采用固定长度划分或整数等分的方式。

对于体网格模型：

由地质模型形成的有限元面网格模型具有地层属性的特点，自动构建不同的地层单空间域，通过对每个空间域自动循环进行体网格自动剖分，最后形成整体有限元体网格模型。其中在形成地层空间域时，地层分界面单元网格具有双重属性，需要重复使用一次。经由此过程得到的有限元体网格如图5所示。

将选取的区域视为基坑开挖区域，则可以得到开挖后的有限元网格，生成的面网格模型节点总数为1140个，三角形单元总数为3646个，生成的体网格模型节点总数为1821个，四面体单元总数为8838个，如图6所示。

步骤四：将网格数据导入数值分析系统完成建模，过程如下：

将得到的计算网格数据导入到有限元数值分析系统msc.marc中，就完成了整个建模工作。为了对生成的单元质量进行检验，做了初步的数值计算，得到模型在重力作用下基坑开挖前后的自重应力场分布，如图7所示。

本发明将地质建模数据用于数值分析建模，即将地质模型转化为数值模型，计算模型的准确度将极大地提高，岩体力学参数的选取将更加合理，地质模型可实现一次建模多次利用，通过动态提取局部模型进行分析可避免重复建模。这样既简化了数值模拟前处理的难度，又扩展了三维地质模拟的功能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。