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适合于数值模拟的无缝工程地质建模方法

田红  
【摘要】: 随着计算技术的发展,数值模拟已经成为解决岩土工程问题不可或缺的工具。在水利水电工程、采矿工程、交通工程等领域,研究人员利用数值模拟分析尺度大、地质条件复杂、工程结构多样、施工过程繁琐的问题,为工程规划、设计与施工提供了重要帮助。然而,目前的数值模拟技术仍然存在定性分析效果好而定量程度偏低的弱点。影响计算结果可靠性的因素很多,其中计算模型难以真实地反映复杂的地质实际与工程实际是一个重要原因。 三维地质建模技术是刻画地质与工程实际的有力工具,将该技术与数值模拟相结合,可以有效地提高计算结果的可靠性与建模效率。但是,由于存在建模目的、建模方法与数据形式等方面的差异,该技术还不能直接应用于数值模拟中。为此,本文提出一种适合于数值模拟的无缝工程地质建模方法,实现地质建模与数值模拟的紧密结合。 本文系统地阐述了无缝工程地质模型的概念,描述了其拓扑表示方法与数据模型、几何连续条件、拓扑相容条件、几何与地质相容条件。在此基础上,提出了一种基于线框架的无缝建模方法。该方法涉及初始地质与工程界面的模拟、线框架的构建、界面编辑与重构、块体搜索、三维岩体质量分区与工程结构模拟等关键技术。为了改善表面网格质量,保证无缝工程地质模型能够被剖分成具有较高质量的计算网格,本文提出了三维插值曲面的优化剖分方法、奇异单元处理方法、尖角问题解决方法与网格协调方法。 利用本文的方法构建的地质模型能够被直接剖分成几何连续、拓扑相容的四面体网格,并提供给有限元、有限差分等数值模拟软件使用。为了验证方法的有效性,本文以小湾水电站枢纽工程为例,建立无缝工程地质模型,并剖分成四面体网格,然后提供给FLAC~(3D)软件。本文提出的建模方法可以广泛应用于岩体工程的数值模拟中,实现了将地质建模从地质信息的可视化与数字化工具拓展成数值模拟的建模工具。


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