陳小艷 姚多喜

（安徽理工大學地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001）

0 引言

近年來，隨著數(shù)字技術的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的二維建模已無法滿足建模需求。面對復雜的地質(zhì)體模型的構建，如地形起伏大的山川、峽谷模型的構建，利用FLAC3D進行構建是有一定難度的［1］。由于FLAC3D依靠繁瑣的命令，且工作量大、建模周期長、易出錯。為了解決上述問題，國內(nèi)外眾多研究者提出不同的解決方法。胡斌等［2］采用Fortran語言對FLAC3D前處理程序進行編寫，實現(xiàn)對復雜模型的構建；鄭文棠等［3］基于AutoCAD平臺，借助Autolisp語言，采用滑動最小二乘法插值擬合來構建三維可視化模型，同時對可視化模型與數(shù)值模型的轉(zhuǎn)換進行研究；廖秋林等［4］采用Visual Basic語言編寫FLAC3D－ANSYS接口程序，實現(xiàn)FLAC軟件建模的直觀、快速和自動化；王璐等［5］采用D Mine軟件對AutoCAD平面圖中的等高線和鉆孔數(shù)據(jù)進行三維可視化操作，并輸出為地層實體SAT文件或XY平面上等間距的三維坐標數(shù)據(jù)，利用已編寫好的程序?qū)⑷S坐標數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為ANSYS可識別的APDL語言文件后，生成多個實體模型，經(jīng)過ANSYS布爾操作、劃分網(wǎng)格后，利用接口程序?qū)氲紽LAC3D中，從而實現(xiàn)直觀、快速地創(chuàng)建復雜的地質(zhì)體FLAC3D模型；Yucel等［6］借助Agisoft軟件對無人機圖像進行3D建模，對Etili Comakli露天煤礦實現(xiàn)三維地形模型的構建與可視化，高效完成三維地質(zhì)建模過程中涉及的圖像匹配、地理配準和數(shù)字高程建模過程。GOCAD軟件具有強大的建模功能，操作起來方便快捷、簡單，并對初學者友好，能有效彌補FLAC3D前處理功能不足的缺點。本研究主要通過C++語言編寫轉(zhuǎn)換接口程序來實現(xiàn)GOCAD的SGrid模型向FLAC3D的六面體網(wǎng)格信息的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)三維模型在FLAC3D軟件中的快速簡便的建模。

1 軟件介紹

1.1 FLAC3D軟件

FLAC是由美國ITASCA公司研發(fā)的連續(xù)介質(zhì)力學分析軟件。FLAC3D是一個三維有限差分程序，作為FLAC的擴展程序，其不僅包括FLAC的所有功能，既能用交互方式從鍵盤輸入各種命令，也可采用文件格式進行輸入。FLAC3D能對土質(zhì)、巖石和其他材料的三維結構受力特性進行模擬，并對塑性流動進行分析［7］。FLAC使用的是有限差分，使用快速拉格朗日算法來計算巖土的變形與穩(wěn)定性。FLAC在分析巖土變形破壞時具有獨特的優(yōu)勢，但其3D功能相對薄弱。在前處理方面，F(xiàn)LAC3D只能靠著煩瑣的命令來實現(xiàn)功能，導致工作量大、建模周期長、易出錯。在后處理分析方面，F(xiàn)LAC具有較為明顯的優(yōu)勢，操作簡單、成圖清晰、分析數(shù)據(jù)簡便、文本編譯方便。

1.2 GOCAD軟件

GOCAD軟件主要用于地質(zhì)領域的三維可視化建模。GOCAD作為石油、地質(zhì)、物探、采礦等行業(yè)的標準三維地學模型軟件，具有非常強大的功能［8］，其內(nèi)置有建模平臺、地質(zhì)結構、模擬網(wǎng)絡、結構分析、盆地模擬等多種類型的設計方案，能讓地質(zhì)學家與工程隊更好地分析各種地質(zhì)構造，對研究地理環(huán)境或道路施工起到非常重要的作用。GOCAD軟件的建模功能強大，能簡單快捷地建立復雜的三維地質(zhì)模型，既能建立表面模型，又能建立實體模型，且界面詳細易懂，對初學者比較友好，并提供三維地質(zhì)網(wǎng)格模型建模流程，只要按建模步驟就能完成建模流程。且其應用范圍廣，不僅適用于地質(zhì)工程，也適用于巖土工程、地理信息與技術等領域。

2 SGrid建模流程

本研究對淮北礦業(yè)孫疃煤礦進行三維地質(zhì)建模，淮北礦業(yè)孫疃煤礦地處安徽省淮北市濉溪縣，孫疃鎮(zhèn)是其中心位置，向東距宿州市約23 km，其南部以界溝斷層為界，與任樓煤礦接壤；北部以楊柳斷層為界，與楊柳煤礦毗鄰；淺部（西）以太原組—灰頂界露頭線為界，深部（東）至31煤層?800 m水平投影線；南北走向長10.6 km、東西傾向?qū)?.5～5.1 km，面積為44.004 4 km2。其地理坐標（1954北京坐標系）為：東 經(jīng)116°43′01″—116?46′59″、北 緯33? 31′19″—33?37′13″。本研究在收集的研究區(qū)地質(zhì)、DEM、鉆孔、剖面等資料的基礎上，利用鉆孔井位數(shù)據(jù)和鉆孔層位數(shù)據(jù)，通過GOCAD建立一個簡單的三維地質(zhì)網(wǎng)格模型（SGrid）。

2.1 數(shù)據(jù)整理

原始鉆孔資料中包含豐富的地質(zhì)信息，用于GOCAD鉆孔建模的數(shù)據(jù)包括鉆孔空間位置信息、鉆進軌跡、地層分層數(shù)據(jù)等［9］。數(shù)據(jù)處理是GOCAD建模的基礎，如何分析整理出對建模有用的數(shù)據(jù)是成模的關鍵。鉆孔數(shù)據(jù)的預處理要結合建模經(jīng)驗和專家系統(tǒng)知識，數(shù)據(jù)的預處理將決定插值算法的插值有效性［10］。將從鉆孔資料分析提取到的鉆孔井位數(shù)據(jù)井名（Wel1Name）、位置坐標（X，Y）、補心海拔（KB）、總深（Total_Depth）數(shù)據(jù)信息保存到.txt文件（鉆孔井位數(shù)據(jù)見表1），然后通過直井加載的方式導入到GOCAD軟件中。以同樣的方式來提取鉆孔分層數(shù)據(jù)，以文本格式為例，數(shù)據(jù)包括井名（Wel1 Name）、巖性分層深度（MD）及分層名稱（MARKER）3列數(shù)據(jù)信息，如果有傾角和方位角也可進行加載（鉆孔層位數(shù)據(jù)見表2）。鉆孔數(shù)據(jù)通過File→Im?port Objects→Well Data導入到GOCAD軟件中，鉆孔數(shù)據(jù)展示圖如圖1所示。

表1 鉆孔井位數(shù)據(jù)

表2 鉆孔層位數(shù)據(jù)

2.2 建立地層層面

GOCAD軟件提供了多種構建面的方式，如在面編輯菜單中利用點數(shù)據(jù)直接生成面的方法（From PointsSet）、在面編輯菜單中利用線數(shù)據(jù)生成面的方法（From Curves）、運用控制點約束面的方法、通過向?qū)Р藛沃械墓δ苁褂命c數(shù)據(jù)生成面的方法、運用構造建模流程（Structural Modeling Work?flow）生成面的方法。要實現(xiàn)掘進區(qū)域內(nèi)的三維地質(zhì)模型建立，利用DSI插值算法對掘進區(qū)域進行鉆孔數(shù)據(jù)插值，并結合生成的插值點格網(wǎng)化形成地層面［10］。本研究按照建模流程步驟來生成面，在建面的過程中多次使用DSI插值對其進行優(yōu)化，地層層面圖見圖2。

2.3 SGrid網(wǎng)格模型建立

GOCAD軟件提供了多種SGrid網(wǎng)格建立的方法，大多數(shù)研究是在Workflow中新建三維地質(zhì)模型網(wǎng)格（3DReservoir Grid Builder），GOCAD將采用向?qū)Ｊ竭M行半自動化建模。建立三維地質(zhì)模型網(wǎng)格的方法有2種，用面來建立和用已經(jīng)存在的二維網(wǎng)格來建立，利用建立的巖性層面來建立網(wǎng)格模型，按照三維地質(zhì)模型網(wǎng)格即可完成建模，最后的網(wǎng)格模型如圖3所示。生成的SGrid模型需要在objects的SGrid選項里的regions屬性中對各地層的顏色進行定義，就能得到相應的地層。

3 模型轉(zhuǎn)化

鑒于GOCAD在構建復雜三維地質(zhì)模型的快捷性以及FLAC3D在此方面存在的不足，且FLAC3D在模型分析處理方面的功能強大。由于GOCAD中的SGrid模型與FLAC3D中的Brick模型均為六面體單元，二者有相似之處，但也有細微的差別。GOCAD導出的模型文件格式不能直接被FLAC3D軟件識別，要用程序語言編寫從GOCAD轉(zhuǎn)換到FLAC3D的接口程序，從而實現(xiàn)二者的轉(zhuǎn)換。接口程序能將一個軟件導出文件的格式轉(zhuǎn)換成另一個軟件導入文件的格式［11］。利用Matlab以及C++語言編寫轉(zhuǎn)換接口程序來實現(xiàn)網(wǎng)格信息的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)三維模型在FLAC3D中的快速簡便建模。將GOCAD的三維網(wǎng)格模型SGrid用GOCAD?FLAC3D接口程序?qū)С?，生?f3grid文件，將轉(zhuǎn)換的文件通過“File→Import Grid”導入到FLAC3D軟件中，即可自動生成三維地質(zhì)FLAC3D模型，如圖4所示。對導入的模型定義本構及材料屬性，并加入初始和邊界條件，以及巖土體的力學參數(shù)，即可生成數(shù)值模型，并進行后期的數(shù)值模擬。

4 結語

本研究考慮到GOCAD軟件在構建復雜三維地質(zhì)模型的快捷性以及FLAC3D在此方面存在的不足，且FLAC3D在模型的分析處理方面具有強大的功能，利用Matlab以及C++語言來編寫轉(zhuǎn)換接口程序，從而實現(xiàn)兩個軟件中的六面體網(wǎng)格信息的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)三維模型在FLAC3D的快速簡便的建模。此方法結合GOCAD與FLAC3D的優(yōu)勢，編寫適合二者的轉(zhuǎn)換程序，應用接口程序?qū)崿F(xiàn)模型從GOCAD向FLAC3D的轉(zhuǎn)換。使用該方法的建模流程時間較短，且能取得良好的效果，證明該方法具有很好的實用性與簡捷性。本研究只涉及六面體的轉(zhuǎn)換，同樣的方法也可實現(xiàn)四面體的轉(zhuǎn)換。本研究設計的模型比較簡單，可根據(jù)相同方法來建立復雜的模型。