基于ArcGIS與FLAC3D的礦山邊坡三維可視化與數(shù)值模擬耦合研究*

劉林貴 李小雙 李曉軍 蔡永昌

(1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院;2.云南磷化集團(tuán)有限公司)

基于ArcGIS與FLAC3D的礦山邊坡三維可視化與數(shù)值模擬耦合研究*

劉林貴1李小雙2李曉軍1蔡永昌1

(1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院;2.云南磷化集團(tuán)有限公司)

以某礦山露采邊坡為例，利用ArcGIS軟件建立了邊坡三維地層可視化模型，針對(duì)巖土工程特點(diǎn)，采用一種簡(jiǎn)化方法實(shí)現(xiàn)了從礦山邊坡三維可視化模型到FALC3D計(jì)算模型的耦合與自動(dòng)轉(zhuǎn)化，開發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算模型生成插件。該方法充分利用了地層三維可視化模型可較好地表達(dá)研究區(qū)域內(nèi)地質(zhì)體的空間幾何形態(tài)的優(yōu)點(diǎn)，拓展了可視化模型的應(yīng)用范圍，排除了從地層可視化模型全自動(dòng)生成精確巖土工程數(shù)值計(jì)算模型在網(wǎng)格形狀、材料區(qū)域邊界、斷層/節(jié)理單元等方面所面臨的困難，極大地簡(jiǎn)化了數(shù)值模擬的前處理工作。數(shù)值模擬結(jié)果表明：隨著網(wǎng)格尺寸的不斷加密，本研究方法得到的計(jì)算結(jié)果可滿足巖土工程分析的實(shí)際需求，具有良好的工程應(yīng)用前景。

ArcGIS FALC3D三維地層模型 邊坡數(shù)值模擬 耦合

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，地理信息系統(tǒng)(Geographic Infromation System,GIS)、三維地質(zhì)建模(3D Geoscience Modeling,3D GM)與數(shù)值模擬等技術(shù)在采礦及巖土工程中得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。GIS可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜工程地質(zhì)信息的高效管理及可視化展現(xiàn)，為后續(xù)的分析建模提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和可視化環(huán)境。三維地質(zhì)建?？梢詫?shí)現(xiàn)研究區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象及地質(zhì)體空間幾何形態(tài)的三維表達(dá)與重現(xiàn)，便于進(jìn)行地質(zhì)分析。以有限單元法、有限差分法為代表的數(shù)值模擬技術(shù)可有效模擬礦山開采或巖土工程施工過程中巖土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形狀態(tài)，成為預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)巖土體穩(wěn)定性，進(jìn)行工程優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要依據(jù)之一。然而在實(shí)際工程中，GIS技術(shù)仍主要被用于數(shù)據(jù)信息的管理與查詢，其三維地質(zhì)建模的空間分析能力及可視化模型的后續(xù)應(yīng)用難以滿足實(shí)際需求；數(shù)值模擬技術(shù)存在計(jì)算模型的前處理工作繁瑣，占用時(shí)間較長(zhǎng)等缺點(diǎn)[4]。

為此，以某礦山露采邊坡為背景開展了基于GIS平臺(tái)的三維地質(zhì)建模與數(shù)值模擬的耦合研究，利用GIS工具管理地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)，建立與顯示三維地層模型；利用GIS的開放性和可擴(kuò)展性，使數(shù)值模擬直接繼承地層可視化模型數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算模型的自動(dòng)生成，不僅可大大簡(jiǎn)化數(shù)值模擬的前處理過程，而且可以拓寬三維地質(zhì)建模的應(yīng)用領(lǐng)域[5]。

1 工程概況

某礦山由于長(zhǎng)期露天開采，形成一個(gè)高200 m，長(zhǎng)大于1 200 m的人工邊坡，邊坡采用自然放坡方式，坡度22°～32°，與區(qū)域內(nèi)寒武系地層的傾向和傾角基本一致。礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，鉆孔揭露的地層由老到新依次為上震旦統(tǒng)燈影組、梅樹村組、中泥盆統(tǒng)海口組、下石炭統(tǒng)大塘階及第四系地層，地層巖性主要為白云巖、磷塊巖、砂巖、頁巖及黏土巖。

2 基于ArcGIS的邊坡三維可視化建模

2.1 地層多層DEM建模思路

三維地層可視化技術(shù)包括地質(zhì)體空間建模和可視化顯示2個(gè)方面，其核心在于尋找合適的三維空間建模方法。目前空間建模方法可分為表面模型、實(shí)體模型和混合模型等3類，表面模型構(gòu)模方法建模理論成熟，容易實(shí)現(xiàn)，是三維地層建模的主流方法[6]。對(duì)于層狀地質(zhì)體，基于表面模型的多層數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)建模是一種有效的建模方法，在地層三維可視化建模中得到了廣泛應(yīng)用[6-7]，建模思路為：在同一參照系下，通過建立統(tǒng)一規(guī)則格網(wǎng)下的可相互精確匹配的各地層分界面DEM，形成描述地層的多層DEM空間數(shù)據(jù)場(chǎng)，從而建立以巖性為要素劃分的三維地層模型。采用不規(guī)則三角網(wǎng)(Triangulated Irregular Network，TIN)代替規(guī)則格網(wǎng)表示地層分界面，可消除規(guī)則格網(wǎng)模型在可視化時(shí)的數(shù)據(jù)冗余并保持較高的精度。完成三維建模后，可視化顯示大多通過Visual C++和OpenGL從底層開始編程實(shí)現(xiàn)[8]。

2.2 ArcGIS軟件邊坡三維建模優(yōu)勢(shì)及效果

①鉆孔數(shù)據(jù)插值由ArcGIS軟件的統(tǒng)計(jì)分析模塊完成，可選擇多種插值方法，包括確定性插值方法和各種克里金插值方法；②在ArcGIS軟件中可由多點(diǎn)、等高線、柵格數(shù)據(jù)集等自動(dòng)生成表示地表或地層分界面的TIN模型，并且可以進(jìn)行Delaunay約束；③利用ArcGIS軟件提供的分析工具可完成TIN裁剪、拉伸等操作，可以展現(xiàn)地層尖滅現(xiàn)象、生成Multipatch格式的地層實(shí)體及完成地層剖切分析；④地層模型可視化可以在ArcScene中實(shí)現(xiàn)，并且可以將地層屬性信息存儲(chǔ)在地層實(shí)體要素表中，便于地層模型分層顯示與查詢；⑤ArcGIS軟件具有良好的開放性和可擴(kuò)展性，可以借助ArcGIS Engine組件及C#.NET以三維可視化地層模型為數(shù)據(jù)源進(jìn)行自主開發(fā)以擴(kuò)展可視化模型。

3 邊坡三維可視化模型與FLAC3D數(shù)值模擬耦合

3.1 可視化模型與數(shù)值模型耦合分析

在以有限單元法、有限差分法為代表的數(shù)值模擬方法中，幾何模型建立、空間單元?jiǎng)澐值惹疤幚砉ぷ魍容^繁瑣。三維地層可視化模型可以比較真實(shí)地展現(xiàn)研究區(qū)域內(nèi)的實(shí)際地質(zhì)情況，其中包含豐富的地層信息，為數(shù)值模擬工作提供了充足的數(shù)據(jù)。由于三維地層可視化與數(shù)值模擬的目的不同，地層可視化網(wǎng)格與數(shù)值模擬網(wǎng)格存在很大差異，可視化網(wǎng)格一般無法直接用于數(shù)值計(jì)算。精確的數(shù)值模擬網(wǎng)格在網(wǎng)格形狀、材料區(qū)域邊界、斷層/節(jié)理單元、開挖區(qū)域等方面均有其特殊的要求和限制，顧及該類因素，可實(shí)現(xiàn)由地層可視化模型全自動(dòng)生成精確的巖土工程數(shù)值計(jì)算模型。

3.2 數(shù)值模型轉(zhuǎn)化思路

①采用均勻的矩形網(wǎng)格離散求解區(qū)域(對(duì)三維分析采用長(zhǎng)方體網(wǎng)格)，該矩形網(wǎng)格的中心點(diǎn)用于代表其所處的地層信息，地層交界處或外邊界根據(jù)矩形網(wǎng)格中心點(diǎn)的地層信息即可輕易判斷，不涉及復(fù)雜的幾何拓?fù)溥\(yùn)算；②設(shè)計(jì)1個(gè)可以存儲(chǔ)每個(gè)矩形網(wǎng)格建模信息(如網(wǎng)格位置、尺寸、所屬巖土類型等)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從可視化地層模型中讀取建模信息存入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中；③結(jié)合具體的數(shù)值模擬軟件利用每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的建模信息生成計(jì)算網(wǎng)格。數(shù)值模型轉(zhuǎn)化過程見圖1。該方法可以由地層可視化模型自動(dòng)生成任意復(fù)雜的三維巖土計(jì)算模型，其缺點(diǎn)是生成的數(shù)值計(jì)算模型在地層交界和邊界處進(jìn)行了近似處理，與實(shí)際情況有一定的誤差。但隨著計(jì)算網(wǎng)格的不斷加密，數(shù)值模型將越來越接近真實(shí)情況。

3.3 轉(zhuǎn)化插件及算例驗(yàn)證

按照地層巖性，將已建立的邊坡三維地層可視化模型簡(jiǎn)化為 3層巖土介質(zhì)，并以該3層巖土層厚度柵格數(shù)據(jù)集作為FLAC3D邊坡計(jì)算模型的建模數(shù)據(jù)源，利用直接法建立邊坡網(wǎng)格模型，采用松散耦合的方式，借助ArcGIS Engine組件及C#.NET，開發(fā)了可自動(dòng)生成指定位置處的FLAC3D邊坡計(jì)算文件的插件，程序運(yùn)行界面見圖2。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型轉(zhuǎn)換示意

圖2 邊坡截面計(jì)算模型自動(dòng)生成界面

為了分析大范圍整體邊坡的穩(wěn)定性并驗(yàn)證本研究方法的計(jì)算效果，對(duì)地層進(jìn)行了概化處理，將地層分為3層，從上到下各層采用的計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 邊坡地層計(jì)算參數(shù)

以距離邊坡三維地層模型下邊界1 000 m處截面為例，自動(dòng)生成單元尺寸為10，6，4 m的邊坡計(jì)算模型見圖3～圖5，其精確的FLAC3D計(jì)算網(wǎng)格及模型見圖6。采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行分析得到上述4類模型的邊坡安全系數(shù)依次為1.88、1.91、1.96、1.97?？梢?，隨著網(wǎng)格尺寸的不斷加密，本研究生成的計(jì)算模型可滿足實(shí)際工程應(yīng)用需求。

圖3 單元尺寸為10 m邊坡計(jì)算模型及其剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

4 結(jié) 語

利用ArcGIS軟件對(duì)鉆孔信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立了地層分界面TIN并進(jìn)行了拉伸。在此基礎(chǔ)上，提出了將三維可視化模型轉(zhuǎn)化為FALC3D計(jì)算模型的簡(jiǎn)化方法。某礦山露采邊坡數(shù)值模擬結(jié)果表明，轉(zhuǎn)化后的模型隨著網(wǎng)格尺寸的不斷加密，其計(jì)算精度不斷得到提高，實(shí)用性較強(qiáng)。

[1] 王履華，孫在宏，曾洪云，等.三維數(shù)字礦山信息集成管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].金屬礦山，2013(1)：116-120.

[2] 王小兵，孫久運(yùn).地理信息系統(tǒng)綜述[J].地理空間信息，2012(1):25-28.

[3] 趙迎貴，游 勛，岳國(guó)均，等.基于FLAC3D的礦柱回收穩(wěn)定性分析[J].金屬礦山，2014(8)：19-23.

[4] 劉立民，劉漢龍，朱珍徳，等.基于GIS的巖土工程有限元分析系統(tǒng)集成方法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002(S)：1995-1998.

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Research on the Coupling of Mine Slope 3D Visualized Model and Numerical Simulation Based on ArcGIS and FLAC3D

Liu Lingui1Li Xiaoshuang2Li Xiaojun1Cai Yongchang1

(1.College of Civil Engineering, Tongji University;2.Yunnan Phosphate Chemical Group Co.Ltd.)

Taking the slope of a open-pit mine as an example,the 3D stratum visualized model is established,and the coupling of 3D stratum model and slope numerical simulation using FLAC3Dsoftware is realized preliminarily in a simplified transfer method, according to the characteristics of geotechnical engineering,based on the plug-in of ArcGIS software is developed.The coupling method of 3D stratum model and slope numerical simulation using FLAC3Dsoftware take the advantages of the 3D stratum visualized model which could express the geological condition in the research area,it extends the application of the visualized model,avoids the great difficulties of generating precise numerical model from visualized model in mesh shape,material area boundary and fault/joint element and simplifies the pre-process of numerical simulation.The numerical simulation results show that as the mesh size gets refined,the calculation results obtained by the method in this paper gradually approaches the results of precise numerical model,which could satisfy the analysis requirements of geotechnical engineering,therefore,it has good engineering prospects.

ArcGIS, FLAC3D, 3D stratum model, Numerical simulation of slope, Coupling

*“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2011BAB08B01)。

2015-04-07)

劉林貴(1988—)，男，碩士研究生，200092 上海市四平路1239號(hào)。