閆 龍 徐衛(wèi)亞 張 強

（1.河海大學巖土工程科學研究所，南京 210098；2.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，南京 210098）

FLAC3D 是由美國Itasca公司開發(fā)的有限差分軟件，是3－D Fast Lagrangian Analysis Code的簡稱，即三維快速拉格朗日分析程序.可以進行土質(zhì)、巖石和其他材料的三維地下結構受力特性模擬和塑性流動分析，通過調(diào)整三維網(wǎng)格中的多面體單元來擬合實際結構（實體），采用線性或非線性本構模型表征單元材料，在外力作用下，當材料發(fā)生屈服流動后，網(wǎng)格能夠相應地變形和移動（大變形模式）.由于FLAC3D采用“顯式拉格朗日”算法和“混和－離散分區(qū)”技術，故而能夠非常準確地模擬材料的塑性破壞和流動.此外，由于程序無需形成剛度矩陣，因此，基于較小內(nèi)存空間就能夠求解大范圍的二維或三維地下工程問題.又因其采用了自動慣量和自動阻尼系數(shù)，克服了顯式公式存在的小時間步長的限制以及阻尼問題，使得FLAC3D 軟件在解決巖土工程問題上具有很大的優(yōu)越性，也是求解巖土工程問題的最理想工具之一［1］.

FLAC3D 軟件廣泛應用于邊坡穩(wěn)定性評價、支護設計及評價、地下洞室、施工設計（開挖、填筑等）、河谷演化進程再現(xiàn)、拱壩穩(wěn)定分析、隧道工程、礦山工程等多個領域［2］，在這些方面有其明顯的優(yōu)勢.然而，由于FLAC3D 軟件在建立計算模型時采用鍵入數(shù)據(jù)或讀入命令行文件的方式，在建立復雜三維地質(zhì)體模型以及網(wǎng)格劃分等前處理方面存在一定的不足之處.

為了解決FLAC3D 軟件在模型建立及網(wǎng)格劃分等前處理方面的不足，許多學者采用不同方法彌補了FLAC3D 軟件的缺陷.胡斌［3］等采用FORTRAN 語言專門編寫了FLAC3D 的前處理程序，對于地表形態(tài)復雜、巖層和地質(zhì)結構較單一的地質(zhì)體實現(xiàn)了快速、便捷的建模.李根［4］、廖秋林［5］、周先齊［6］等基于AUTOCAD 和ANSYS軟件，利用ANSYS軟件在前處理方面的優(yōu)勢建立復雜模型，并采用不同的語言編寫了接口程序，將建立好的模型轉換為FLAC3D 模型.徐衛(wèi)亞、孟永東、鄭文棠［7－9］等在三維地質(zhì)可視化建模方面做了相關研究，并取得了一些成果.

HYPERMESH 是一個高性能的有限元前處理器，利用其強大的前處理功能對復雜地質(zhì)體進行建模并劃分網(wǎng)格，可以大大提高建模效率.本文基于HYPERMESH 軟件進行復雜模型的建立，采用FORTRAN 語言編寫了FLAC3D 前處理接口程序HYPERMESH＿TO＿FLAC3D，通過接口程序實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息自動轉換.并通過水電站地下洞室群三維建模實例檢驗了該方法的可行性和有效性.

1 FLAC3D前處理程序開發(fā)

HYPERMESH 軟件是由是美國Altair公司開發(fā)的CAE 軟件包，HYPERMESH 是一個高效的有限元前后處理器，能夠建立各種復雜模型的有限元和有限差分模型，與多種CAD 和CAE軟件有良好的接口并具有高效的網(wǎng)格劃分功能［10］.但是在HYPERMESH 中建立的計算模型不能直接導入至有限差分軟件FLAC3D 中進行分析計算，通常需要借助其他軟件進行多次轉換才能實現(xiàn).為此，采用FORTRAN 語言編寫FLAC3D 前處理接口程序，實現(xiàn)了將HYPERMESH 中建立的三維復雜地質(zhì)體模型快速導入至FLAC3D 進行分析計算的目的.

1.1 HYPERMESH 模型的建立

HYPERMESH 模型是基于 AUTOCAD 和HYPERMESH 軟件共同完成的.首先通過AUTOCAD 二維基礎資料圖建立基本控制點、線，并存為DXF文件，將DXF 文件導入至HYPERMESH 軟件中，利用其強大的前處理功能進行面與體的生成，并利用幾何清理、縫隙縫合、復雜曲面修補等功能完善實體模型；其次利用HPERMESH 高效的網(wǎng)格劃分功能對實體模型進行網(wǎng)格劃分，對劃分好的網(wǎng)格進行調(diào)整、質(zhì)量和連續(xù)性檢查、優(yōu)化等，以達到需要的精度要求；此外，還可在HYPERMESH 軟件中對不同結構單元賦予相應的單元類型、材料等參數(shù)等；最后輸出單元節(jié)點坐標和單元信息＊.txt文件.

1.2 FLAC3D與HYPERMESH 節(jié)點、單元數(shù)據(jù)關系

為了使HYPERMESH 所生成的節(jié)點、單元數(shù)據(jù)文件可以被FLAC3D 利用，因此必須了解FLAC3D與HYPERMESH 節(jié)點、單元數(shù)據(jù)之間的關系.通用的CAE前處理軟件在實體模型單元生成時有一定的規(guī)則，雖然HYPERMESH 軟件所采用的實體單元形狀與有限差分軟件FLAC3D 一致，但每個單元節(jié)點編號規(guī)則存在差異.因此，需對兩種軟件之間的對應關系進行轉換.

二者在模擬對象的單元處理上，均提供了豐富的單元形狀.根據(jù)三維地質(zhì)體的實際特征、計算精度要求以及單元形狀的空間展布特點，在此處分析僅考慮以下4種單元：塊體單元（六面體網(wǎng)格單元）、楔形體單元、錐形體單元、四面體單元.基于上述4種單元體基本可以滿足任何復雜地質(zhì)體三維模型的建立.表1給出了HPYERMESH 與FLAC3D 軟件各自在單元節(jié)點編制的對應關系.

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1.3 程序的實現(xiàn)及FLAC3D模型的自動生成

依據(jù)上述單元數(shù)據(jù)對應關系的分析，采用FORTRAN 語言編寫了HYPERMESH 到FLAC3D 接口程序HYPERMESH＿TO＿FLAC3D.程序的關鍵在于將模型的單元節(jié)點數(shù)據(jù)從HYPERMESH 轉換到FLAC3D，同時還可以將HYPERMESH 軟件中賦予實體不同的單元類型遺傳至FLAC3D，方便在FLAC3D 中進行材料賦值計算.最后通過接口程序直接生成FLAC3D 所需的數(shù)據(jù)文件.主要內(nèi)容如下：

1）首先在HYPERMESH 軟件安裝目錄…Altair＼hw10.0＼templates＼feoutput下建立名為flac3d的文件夾.利用 HYPERMESH 內(nèi)部命令編寫FLAC3D 輸出模板文件Hypermesh＿to＿FLAC3D＿new.tpl，并將其放在上述路徑下.

2）在HYPERMESH 軟件輸出面板中，把劃分好的網(wǎng)格模型（節(jié)點、單元信息）按照如圖1所示的方法輸出至＊.txt文件，可根據(jù)分析計算需要對網(wǎng)格信息按組進行部分或全部輸出.在輸出單元信息之前利用HYPERMESH 中renumber工具對nodes（節(jié)點）、elems（單元）和comps（組）進行重新排序.輸出的文件信息如下：

圖1 HYRPERMESH 輸出面板示意圖

3）將節(jié)點單元數(shù)據(jù)文件＊.txt 和 HYPERMESH＿

TO＿FLAC3D.exe接口程序放到同一目錄下，執(zhí)行接口程序HYPERMESH＿TO＿FLAC3D.exe，生成FLAC3D 支持的＊.flac3d文件，該文件包括節(jié)點信息（GRIDPOINTS）、單元信息（ZONES）以及分組信息（GROUPS），文件信息如下：

4）運行FLAC3D，執(zhí)行file→import grid，將＊.flac3d文件導入至FLAC3D，此時FLAC3D 模型自動生成.在FLAC3D 中施加邊界條件、初始條件及材料物理力學參數(shù)后方可進行相關分析計算.

2 應用實例——烏東德水電站地下洞室群三維數(shù)值模型

烏東德水電站是金沙江下游河段4 個水電梯級——烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩中的最上游梯級電站，壩址所處河段左岸隸屬四川省會東縣，右岸隸屬云南省昆明市祿勸縣.電站廠房采用地下式廠房，布置于壩址兩岸山體內(nèi)，主要建筑物由進水口、引水洞、主廠房、安裝場、母線洞、主變室、調(diào)壓室、尾水洞、尾水出口等組成.主廠房、主變室、調(diào)壓室3大洞室依次平行布置，其中主廠房尺寸310m×31.8m×84.2m（長×寬×高）、主變室尺寸251.2m×18.5m×34.2m（長×寬×高）、調(diào)壓室尺寸215.74m×27m×108m（長×寬×高）.壩址區(qū)河谷呈狹窄的“V”型，地形地貌及地質(zhì)條件較為復雜.

烏東德水電站地下洞室群三維數(shù)值模型以平行于主廠房的軸線并指向河谷向為X 軸，垂直于廠房軸線并指向金沙江上游為Y 軸，Z 軸豎直向上.模型取X 軸向長650m，Y 軸向寬600m，Z 軸埋深700m.模型建立主要通過以下幾個步驟完成：

1）基礎圖件資料的整理.結合工程實際的平面圖、剖面圖等資料，利用AUTOCAD 軟件進行地層界線、地質(zhì)構造、等高線以及洞室邊界等控制點線的繪制.將數(shù)據(jù)文件存為＊.dxf格式文件.

2）實體模型的生成.將上述＊.dxf文件導入至HYPERMESH 軟件中，利用HYPERMESH 強大的前處理功能生成相應的面，對生成的面進行幾何清理、縫隙縫合、復雜曲面修補等.接著生成實體模型并進行洞室開挖步的切割，如圖2所示.

3）網(wǎng)格劃分.網(wǎng)格劃分的關鍵是確定網(wǎng)格的劃分次序和合理的網(wǎng)格，按照從復雜部位到簡單部位、從里到外的原則劃分.該模型采用四面體單元劃分網(wǎng)格，在劃分過程中，對斷層附近及洞室采用較密的網(wǎng)格，而對外部山體采用稀疏網(wǎng)格以便減少計算量.

圖2 HYPERMESH 三維數(shù)值模型

4）網(wǎng)格質(zhì)量和連續(xù)性檢查.網(wǎng)格質(zhì)量的高低直接影響計算結果的精度，在HYPERMESH 中可用細長比、內(nèi)角、翹曲量、雅可比等指標來衡量網(wǎng)格質(zhì)量的好壞.此處對本模型采用雅可比和翹曲量來控制網(wǎng)格的質(zhì)量，在劃分過程適時檢查網(wǎng)格質(zhì)量及連續(xù)性，調(diào)整或重新劃分不達標的網(wǎng)格.經(jīng)修改后，模型共有366 312個單元，88 979個節(jié)點，所有單元均滿足指標要求，HYPERMESH 網(wǎng)格模型如圖3（a）所示.

5）生成FLAC3D 三維模型.按照1.3 節(jié)敘述的方法，利用開發(fā)的接口程序HYPERMESH＿TO＿FLAC3D 生成FLAC3D 三維數(shù)值模型，如圖3（b）、（c）所示.

圖3 網(wǎng)格模型

3 結 論

1）FLAC3D 是巖土工程等領域專業(yè)數(shù)值分析軟件，但其在復雜三維模型建立方面存在明顯不足，而HYPERMESH 具有強大的前處理功能和網(wǎng)格劃分功能.提出了基于HYPERMESH 建立模型、網(wǎng)格劃分，并通過接口程序將HYPERMESH 生成的網(wǎng)格節(jié)點單元數(shù)據(jù)信息轉換為FLAC3D 模型的方法.該方法充分發(fā)揮了HYPERMESH 在前處理方面的優(yōu)勢，彌補了FLAC3D 在前處理方面的不足.實現(xiàn)在FLAC3D 中快速精確建立三維復雜地質(zhì)模型的目的，為工程技術人員節(jié)省了使用FLAC3D 軟件進行模型建立時所需時間和精力.

2）將本文提出的方法應用于烏東德水電站地下洞室群三維數(shù)值模型建立中，結果表明：提出的方法以及相應的接口程序能夠實現(xiàn)HYPERMESH 模型到FLAC3D 模型的轉換，使得FLAC3D 建模方便快捷，從而檢驗了該方法的可行性和有效性.

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