几何篇

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高级数值分析,几何篇
来源: 发布日期:2010-01-27
  

问题的提出: 水电站、交通、地下实验场等领域的生产和科研工作中地下建筑物的特点是形态规则但结构复杂,对这些规则且形态复杂地下结构洞室群的模拟是数值计算的基础。
解决方案: 在领悟3DEC中少数几个命令(如POLY、JSET)以后,建模工作即形同搭积木游戏一般充满乐趣和挑战性,几乎完全依赖于建模人员的把握。

实例一:大型复杂地下厂房洞室群形态的精确模拟(2008)
图 1为某地下厂房引水洞群、发电厂房、母线洞、主变室、尾水调压室、和尾水洞的3DEC模型。
精度:与设计形态的最大误差控制在0.05m以内,完全满足岩体工程数值计算对几何尺寸的精度要求。
效率:建立该模型的实际耗时为24小时,即3个工作日。
技术关键点:
——建模思路:分块拼装是效率、精度、整洁的基本保证;
——利用FISH重复规则部分和相似部分,可极大地提高效率。

 图 1 :大型地下厂房洞室群的精确模拟

实例二:两个大型复杂地下厂房洞室群形态的精确模拟(2005)
某水电站布置两个邻近的地下厂房洞室群,设计中除需要研究地下厂房开挖的稳定性以外,还需要保证两个厂房洞室群之间不存在干扰,即一个模型需要同时包括两个地下厂房。
采用与实例一相同的建模思路和技巧建立的模型如图 2 所示,与实例一不一致地,本例中隐藏建筑物而显示了建筑物周边的围岩、以及围岩中发育的断层和长大结构面。
技术关键:保证模型精度条件下最大限度地保持模型清晰整洁,对3DEC建模技术的灵活把握能力是关键。
完成该模型的实际耗时:4天,即32小时。


图 2 :一个3DEC模型中准确模拟两个地下厂房洞室群及岩体断层

实例三:自然边坡凸起山梁的模拟(2005)
工程背景:某深切河谷自然岸坡形态复杂,边坡面上凸起的山梁稳定性成为工程建设中关心的重点问题之一,需要展开专门的研究工作;
解决途径:采用3DEC建立的模型如图 3所示,该模型长宽均达到3km以上的量级,中间部位包括了研究区域的山梁形态,这一部分采用PGen建模,而外围在Outbox基础上改造而成,提高建模工作效率。
效率:该模型的实际耗时为3天,即24小时。

 

 图 3 :复杂山梁形态的模拟

实例四:结构面控制型边坡的稳定分析(2008)
工程背景:某自然边坡由相对坚硬的火山岩组成,定位的缓倾结构面对边坡稳定起控制作用,边坡具体的破坏模式如整体滑移或解体、以及潜在解体破坏的区域范围与边坡体内随机结构面的响应密切相关,成为研究重点之一。
解决途径:采用3DEC建立的模型如图 4所示,由于缺乏现场结构面统计分布特征,建模时采取了一种新的思路:即给出非常随机的节理分布,研究大型定位结构面变形时不同方位节理的响应方式和程度。实际操作中直接利用地表三角网模型采用FISH建模,保证了主要区域节理发育密度,更好地实现计算目标。模型中包含足够多的节理以后,控制性大规模结构面的滑动变形导致其上部岩体中节理的变形方式(张开、剪切)和影响区域可以得到反映,实现研究目的。
效率:编写和完成FISH、利用FISH完成模型的实际耗时约1小时,修改和重新建立模型仅耗时数分钟。


 图 4:在模拟主要定位结构面基础上体现随机结构面作用的边坡模型

实例五:复杂自然边坡的开挖模拟(2009)
工程背景:因工程边坡在复杂的高陡自然变形基础上开挖而成,工程边坡的变形受到自然边坡和开挖边坡形态等几何因素的影响,研究工作需要比较准确地模拟自然和人工边坡的形态特征,从而准确地反映开挖过程中的荷载变化和主要结构面临空条件的变化。
解决途径:采用3DEC建立的模型如图 5 所示,最重要的工作是根据问题的特点确定建模思路。实际工作中以PGen为基础采用了三种不同方式组合建模的方式。图 5 左表示了自然边坡形态和待开挖区域形态,右图则显示了开挖到一定程度以后人工边坡的形态,断层组合块体在开挖边坡上的出露状态得到了良好反映。
关键技术:确定模型需要反映的重点内容和根据这些重点确定建模思路是最关键的环节,也是建立复杂模型时需要遵守的原则。
效率:在确定工作思路以后,从AutoCAD图形到建立3DEC模型的总耗时为3个工作日。

 图 5 :自然边坡形态和开挖区域形态

实例六:含大量局部采空区的地表转地下开采(2008)
工程背景某矿山工程历史上先完成了露天开采,由于市场价格原因,历史上对边坡内80余处小型高品位矿脉进行了开采,形成大量的采空区。随着近年来国际上矿石价格的走高,工程中需要进行论证矿体全面回采的方案,而历史采空区对开采安全的影响显然尤为重要,建立复杂的数值计算模型是数值论证的基础。
关键技术:这或许是世界上迄今为止几何形态最复杂的3DEC模型(图 6 ),模型不仅需要考虑以前开采的露天边坡形态,还需要考虑遍布边坡体内零星开采的采空区、以及未来开采的规划方案,几何复杂性直接决定了计算稳定性,因此,对3DEC的高度理解和驾驭能力成为关键,从某种程度上讲,建模过程中采取的每一个操作都需要考虑到其岩石力学意义和对计算可能造成的影响,建模过程展现了“行家出手”的风范。
实际耗时:10天。

                                   图 6:复杂大型矿坑边坡和地下开采结合的模拟

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