大型地下洞室复杂地质断层数值模拟分析方法

根据大型地下洞室中复杂断层对围岩稳定的影响,提出了隐含断层单元的数值模拟计算方法。该方法将复杂断层单元隐含在岩体单元中,使得岩体单元的剖分不受断层切割的影响。使用这种隐含的断层单元,不但将受复杂断层切割的大型复杂地下洞室群的有限单元离散简单化,加快分析计算周期,而且能够有效地反映断层对复杂地下洞室围岩稳定的影响。通过对三峡地下厂房复杂断层结构的分析计算,证明该方法为复杂断层结构的分析提供了一种十分有效的计算方法和思路。     

大型复杂地质体三维数值模型构建方法比较研究

真实地质体三维数值模型构建是进行岩体工程数值分析面临的难题,开展大型复杂地质体三维数值模型构建方法比较研究具有重要意义。以3DMine数字化模型为基础,提出了3DMine-FLAC3D耦合建模方法和3DMine-Surfer-Rhino- ANSYS-FLAC3D多软件耦合建模方法,详细阐述了各建模方法具体步骤,深入分析了各建模方法优缺点及适用性,通过对比各建模方法的优势与短板,取长补短,改进了3DMine-FLAC3D耦合建模方法存在的缺陷,解决了复杂地质体三维数值模型构建难题。以广西铜坑矿锌多金属矿体开采为背景,利用大型复杂地质体三维数值建模方法,构建了锌多金属矿三维数值模型,分析了矿体上行开采地表沉陷规律。研究成果对准确构建大型复杂地质体三维数值模型具有重要指导作用。     

基于AutoCAD及ANSYS平台的地质网格模型 建模方法探讨

对成矿过程进行数值模拟实验是当前开展成矿作用研究的新兴手段之一,其前处理阶段即计算用地质网格模型的建立往往成为制约后续实验过程的一个瓶颈,原因在于：一、地质体的形态不规则,甚至是复杂的,对其进行三维建模难度较大,所成模型也趋于简化处理,从而影响计算结果的精确性;二、专业的数值计算软件其建模模块稍弱,不足以应对复杂地质体模拟,而专业的建模软件往往又不具备模拟成矿过程的数值计算功能。因此需取长补短,对不同软件加以综合运用,实现对地质体的计算用网格模型构建。     

复杂矿区三维地质可视化及数值模型构建

复杂三维地质可视化和数值模型的构建是采矿、岩土及水利水电工程中常常遇到的关键问题。针对数值模拟软件在复杂矿区地质体模型构建及单元网格划分等前处理问题上存在的不直观、工作量大等缺点,结合矿业软件在复杂三维地质体建模的强大优势,在研究线框模型和块体模型差异的基础上,提出了基于线框模型的复杂矿区三维地质可视化及数值模型构建技术。根据线框模型特点不同,以地表和采空区模型为型,分别阐述了基于Surpac的表面模型和实体模型无缝转换成MIDAS/GTS数值模型的有效方法,并将该技术成功应用于冬瓜山铜矿复杂采空区群围岩稳定性研究中。结果表明,该方法是可行、有效的,从而为矿山开采设计、安全分析及复杂地质体结构的岩土工程数值模拟分析提供了一种新的建模方法。     

基于GPU的任意三维复杂形体重磁异常快速计算

提出了基于图形处理单元的任意三维复杂形体的重磁异常快速正演计算方法.将地下半空间剖分为大小相等规则排列的一组长方体单元,任意三维复杂形体可以表示成很多不同体积和密度(磁性)的长方体的近似组合.用解析方法计算出所有这些长方体在计算点的重力(磁力)异常,并累加求和,就可以得到整个模型体在计算点引起的重(磁)异常值.为了提高近似程度,需将地下半空间剖分得很细,用传统的CPU串行程序计算相当耗时.GPU在处理能力和存储器带宽上相对CPU有明显优势,采用GPU并行算法,可大大提高计算速度.相关试验结果表明,用GPU实现的正演快速算法计算结果正确,效率明显提高,为重磁异常三维物性反演提供了基础.     

复杂区域三维有限元四面体网格自动生成研究

基于经典三维Delaunay四面体网格的生成算法,介绍了一种三维约束Delaunay三角化网格划分算法,通过对约束的恢复和局部退化的消除,保证了边界的一致性和网格的惟一性,实现了三维约束区域的四面体网格自动生成;通过对四面体的外接球半径与其最短边长度的比值（记为a）和四面体体积与其外接球体积的比值（记为n）的控制,避免质量不佳的单元,使生成的网格达到预期的质量要求,并提出了一种a和n的计算方法,简化了质量参数的计算过程;对几何形状复杂,特别是含有薄层的实体,可通过在实体上增加约束来提高网格的质量和缩短计算时间,使该方法能够实现岩土工程中不同地质条件下的复杂区域的三维有限元网格自动生成,并且能够保证生成的网格质量较好,为高精度的有限元计算提供了充分条件。计算实例表明,该算法能够将复杂三维实体剖分成质量较好的Delaunay四面体网格,可有效地应用于工程中有限元网格的生成。     

基于网格的三维地质体建模方法研究

在充分研究了水电工程现有数据的基础上,根据水电工程数据的分布特点,提出了基于网格分块的三维地质体建模方法。并根据地表数据和地质数据的不同,分别提出了基于等高线切割的地表数据分块算法以及基于钻孔数据分布特点的地质数据分块算法,进一步利用边界缝合方法解决了分块引起的裂缝问题。在建立好三维地质体模型的基础上,根据网格分块的特点针对性的提出了基于网格分块的快速开挖算法。并分析了网格分块建立的地质模型比传统的地质模型的优势。通过西南某水电枢纽工程实例,检验了网格分块地质体建模的正确性和可行性。     

基于线框架模型的三维复杂地质体建模方法

提出了一种基于线框架模型的复杂地质体三维建模方法,在准确表达复杂地质体各要素空间几何形态与相互关系的基础上,实现地层交错情况下断层面、地层面模型及复杂地质体模型的准确快速构建.建模实践表明:基于线框架模型的复杂地质体三维建模方法是准确高效的,能适应常见复杂地质条件下三维复杂地质体模型的构建.     

嵌套叉树网格的FDS数值模式在近海水域污染混合区计算中的应用

鉴于海域覆盖面积大而污水排放形成混合区相对集中的特点,基于四叉树网格布设的思想,分层次对不同研究区域按不同尺度网格对近海水域进行嵌套网格联合布置,重点模拟污水排放形成的混合区范围,在此基础上建立了Godunov型通量差分裂(FDS)格式有限体积法计算模式,实现了在不同尺寸的网格联立求解,提高了数值计算效率,又保证了计算精度.以海州湾近海水域为例,对海州湾近海水域流场及污染物混合区的范围进行了模拟计算,由此建立了排污量与混合区面积之间的响应关系,为环境管理部门对入海排污量的总量控制提供了依据.     

基于三维激光扫描技术的复杂三维地质体建模方法

FLAC3D平台下前处理阶段复杂地质体三维数值计算模型的建立一直是岩土工程数值模拟工作者面临的难题,而三维激光扫描技术在获取复杂物体的精细空间数据的方面具有独特的优势。因此,本文提出以逆向工程为过渡平台实现复杂三维地质体FLAC3D数值模型的构建。利用三维激光扫描技术精细几何数据的获取功能,对复杂三维地质体空间形状几何信息进行提取;利用Geomagic Studio良好的点云数据处理及曲面建模功能,准确地重构了复杂地质体的CAD曲面模型;利用Hypermesh强大的几何处理能力及网格划分能力,将复杂地质体的CAD曲面模型进行实体化和网格化;最后由FLAC3D软件内嵌的Fish语言编制的文件转换为FLAC3D能够识别的文件格式,从而实现了该软件前处理过程中复杂三维地质模型的高效、精准的建立。结合工程实例,对该方法的可行性与仿真效果进行了检验。结果表明该方法具有方便、快捷、合理且实用性强的优点。     

三棱柱形网格下自由表面流的三维数值模拟

为了模拟自由表面流动问题,建立了基于三棱柱形网格的三维Navier-Stokes方程的半隐式动压离散模型。出流边界采用在动量方程右端附加线性衰减项的海绵层处理方式来消减波能。引入k-ε双方程紊流模型求解涡黏性系数,使方程达到封闭。用规则周期波通过淹没障碍物的传播变形和复合明渠流动算例,验证了当遇到短波高频问题时,所述模型模拟结果与测量值吻合良好,体现了模型的精确性和有效性。     

粒状介质三维复杂应力加载离散元数值试验方法

实际荷载条件下（如交通、地震荷载）,粒状岩土材料常受到三维复杂应力路径作用。目前,多数粒状岩土材料的本构理论和模型都基于简单应力路径加载条件下的物理试验提出,在更加复杂应力路径下的适用性则需要进一步验证。但受机械控制的限制,物理试验中无法实现很多客观存在的三维复杂应力路径加载。为了能够再现并分析三维复杂应力路径下粒状介质的力学响应,提出了一种离散元数值试验方法,该方法采用球形数值试样,通过直接控制试样边界应力达到对3个主应力大小和方向的任意控制,从而可以实现诸多物理试验中无法实现的复杂应力路径。通过与目前常见的一些物理试验进行定性对比,论证了该数值试验方法通过高精度的加载控制和测量能够再现已有物理试验现象。在此基础上,进一步开展了应力主轴的三维旋转,分析了在这种实际存在却无法通过物理试验再现的加载条件下粒状介质的变形规律,初步显示了提出的数值试验方法在深入研究三维复杂应力路径下粒状介质力学响应方面所拥有的能力和优势。     

可变网格下的堤防溃口展宽二维数学模型

传统固定结构的计算网格不适于处理计算边界动态变化的问题,利用动网格技术,结合土力学中粘性土河岸的崩塌机理,建立了可变网格下的堤防溃口展宽二维数学模型,在对模型进行验证对比的基础上,对北江下游的大塘围蓄滞洪区口门处的崩塌展宽过程进行了模拟,模型计算结果表明:随着溃堤水流对堤防土体的冲蚀,堤防发生崩塌破坏,溃口洪水流量迅速增大,与实际相符,说明通过采用可变网格与土力学中粘性土河岸崩塌机理相结合的计算方法,使得模型具备准确模拟蓄滞洪区口门处横向崩塌展宽过程的优点。     

复杂地表条件下地球物理场数值模拟方法评述

在将起伏地表、复杂近地表构造以及复杂近地表岩性的任意组合统称为复杂地表的一种广义诠释下，分别对近地表岩层或土层的数学物理模型以及对地震波场、电磁波场、稳定电流场、重力场和磁力场在复杂地表条件下的数值模拟方法进行了分析和评述。结果表明，近地表数学物理模型并不是越复杂越好。实践中，要根据计算量以及所要解决的地质问题综合考虑。目前所用到的诸多数值模拟方法，如有限差分法、有限单元法、广义有限差分法、伪谱法、积分方程法和射线法等各有千秋，只要应用得当都能得到正确的结果。作为非网格法代表的积分方程法在对复杂地表和模型内边界的精确描述方面要优于以有限差分法为代表的网格法，而网格法在对模型的适应程度上要优于非网格法。传统的几何射线法在经过一定的修改和补充后，例如加入自由界面转换系数、采用几何绕射理论和Maslov方法，即可用于解决复杂地表条件下的波场数值模拟问题。对于重力场和磁力场，其在起伏地表条件下的空间换算（转换）问题在实质上也是一种正演问题，可纳入到复杂地表数值模拟的框架内去理解和处理。虽然国内外的研究者在复杂地表数值模拟领域内已经做了大量的工作，但离实际应用还有很大的距离。     

基于GOCAD的复杂地质体FLAC^3D模型生成技术

鉴于FLAC3D难以建立复杂三维地质体的缺陷和GOCAD强大的地质建模能力,本文提出了基于GOCAD软件建模和划分网格,并通过GOCAD与FLAC3D的接口程序,将其导入FLAC3D的复杂三维地质体建模方法,从而实现了复杂地质体FLAC3D模型的直观、快速建模。该建模方法在郴宁高速公路某软土地基斜坡高填路堤建模中得到了实际应用,结果表明该方法是完全可行和有效的。     

基于二维地质剖面的三维地质结构多点统计学模拟方法

利用三维地质模拟技术重构地质现象的三维空间分布,是实现自然资源管理和风险评估的重要基础和前提。多点统计学方法通过探寻多点间的空间结构关系,结合随机模拟方法生成具有差异性的模拟结果,较好地再现了复杂的地质现象。然而,如何构建合适、有效的训练图像一直是基于多点统计学三维地质模拟的核心问题。本文提出了一种改进的多点统计学算法。本方法结合了序贯模拟和迭代的方法,将二维剖面扩展为三维训练图像,再结合EM-Like算法,实现了三维地质结构的优化模拟。建模实例结果表明,本方法能确保训练图像对内部模拟网格的约束,准确模拟研究区的地层层序,并很好地再现二维地质剖面所反映的地层结构关系。     

一种含断层的复杂层状地质体三维自动构模方法研究

为了使复杂地质体建模过程趋向于自动化、简单化,在分析了复杂层状地质体的空间信息特征的基础上,提出了一种针对含断层的层状地质体的自动构建方法。该方法先对地质钻孔资料、地质报告图进行预处理,从而获得离散的数据点;然后选择基于表面模型的建模方法,根据从钻孔分层信息到剖面图再到地层面的建模流程,分别构建出地质体的顶、底两个地层表面模型;根据空间拓扑关系处理断层结构,将断层以两条首尾相连的约束线嵌入地面模型中;最后使用轮廓线拼接法生成侧面,将顶、底、侧面缝合成封闭的三维地层体模型。利用自主开发的三维可视化系统对该方法进行验证实现,并成功应用于山西省某煤田矿区的三维地质建模中,实践表明,该建模方法高效快速,自动化程度高,所构建的地质体模型表达复杂地质结构的效果良好。     

基于BISQ模型的各向同性孔隙介质弹性波三维交错网格高阶有限差分数值模拟

从BISQ模型弹性波的本构方程和运动方程出发，推导出了基于BISQ模型的各向同性孔隙介质弹性波三维高阶交错网格有限差分算法，进行了数值模拟，在低频下能看到明显的快纵波、快横波和微弱慢纵波，在高频情况下可以看到明显的快纵波、快横波、慢纵波和慢横波。在三维情况下对比了xoz、xoy、yoz平面内的波场切片，并对平行xoz平面，不同y值处的波场切片进行了对比，结果证明三维数值模拟可以从不同角度更好地反映波场的传播特性。     

三维地质结构模型精度评估理论与误差修正方法研究

三维地质模型精度评估与误差修正问题已成为制约三维地质模拟技术深入发展应用的瓶颈。在综合国内外研究现状与发展趋势的基础上,提出了三维地质结构模型精度评估、误差检测、动态修正的总体研究框架。在模型精度评估方面,提出分别构建三维地质结构模型精度评估的一般理论模型、面向特定地质体的实际操作模型和地质结构构造不确定性的三维空间分布模型的研究思路,指出应重点研究地质实体自身特性、三维地质建模方法对三维地质结构模型精度的影响,解决由一般地质界面的内插误差和特殊地质体的外推误差引起的精度评估问题。在模型误差修正方面,提出基于建模初始数据的模型误差修正方法和基于建模中间结果的模型误差修正方法,在具体实现时,引入“数据 模型的可视化交互技术”。这些研究成果为建立一套完整的三维地质结构模型精度评估与误差修正的理论体系和方法体系奠定了基础,有助于完善复杂地质条件下三维地质模拟的方法与技术。