叶尔布兰·瓦黑提 何 祥

（1.哈密市职业安全检验检测中心；2.中冶北方（大连）工程技术有限公司）

边坡工程及地下工程地质条件极为复杂，各种地质界面和结构面相互交织，如何高效、准确地建立复杂地质和工程结构条件下通用三维地质模型，是研究边坡工程、地下工程稳定性问题的基础［1］。将通用三维地质模型和大型数值软件相结合，采用数值计算方法模拟工程施工，是解决采矿工程、岩土工程安全稳定性问题的重要手段。

常见矿业工程软件，如3DMINE、DIMINE、SURPAC等，均采用基于不规则三角网结构（TIN）的三维地质模型数据结构。TIN文件与数值计算网格剖分软件在数据格式方面兼容性较差，不利于实现三维地质模型与数值计算网格剖分的无缝衔接。Rhinoceros软件平台采用NURBS曲面三维数据结构，较TIN数据结构可大大减少数据冗余，且具备多种几何文件输出格式［2］，是作为通用三维地质建模的理想平台。

不同数值计算软件，网格文件采用不同数据格式。数值计算软件几何建模及网格剖分的学习成本较高，工程技术人员常常疲于学习软件基本操作，不利于数值计算方法的应用普及。通用数值计算网格剖分程序Hypermesh不仅可以导入多种几何文件［3］，而且可以输出多种数值软件计算网格和灵活的开发转 换 接 口。Hypermesh可 为ANSYS、ABAQUS、FLAC3D等大型岩土工程数值计算软件构建计算文件或网格文件。

因此，提出基于3DMine进行地质资料整理，利用NURBS曲面建模技术进行通用三维地质模型建立，采用Hypermesh通用数值网格剖分软件进行数值网格剖分的思路。该方法打通了地质建模及数值软件间的文件兼容差的弊端，化繁为简，实现了快速建立工程数值计算模型。

1 常用三维地质模型数据结构

三维地质建模的关键是三维数据结构，三维数据结构指对三维空间数据按照一定的规则进行组织，以精确反应空间实体的集合形态和拓普关系，可分为基于曲面表示的数据结构和基于体元表示的数据结构两大类［4］。其中曲面数据结构有网格结构、形状结构、面片结构（TIN）、参数函数结构（如NUBRS）、解析函数结构等，在地质建模中得到广泛应用。

1.1 基于TIN的三维数据结构

随机三角形格网（TIN）被广泛用于随机分布数据的DTM的建立，特别是Delaunay三角形格网，由于其唯一性和良好的三角形性质而被认为最适宜于表面逼近［5］。基于TIN三角剖分法进行地质体构建，是常见的三维地质模型三维数据结构，可较为精确的模拟地质体形态，得到了广泛的应用。3DMINE、DIMINE、SURPAC等大型矿业工程软件均基于TIN数据结构研发，TIN数据结构的三维地质模型实例如图1所示。但该方法数据存储量大，面片节点多，转化为数值计算网格质量难以控制，难与数值计算软件通用。

1.2 基于NUBRS曲面的三维数据结构

NUBRS曲面建模技术能够比传统网络建模方式更好的控制物体的曲面度，从而创建出更生动、逼真的造型。NUBRS曲面是专门针对三维建模而建立的，具有几何不变性，为进一步边坡、地下工程等地质结构界面、工程对象建模提供了可靠的方法［4］。

Rhinoceros软件平台是采用NUBRS曲面建模的典型代表，其在工业设计等领域解决复杂曲面结构造型方面具备极大地优势。因此，可采用其进行地质结构、工程对象的三维建模，可较TIN数据结构矿业工程软件更好模拟地质界线曲面变化。基于NUBRS曲面地质模型实例见图2。

Rhinoceros软 件 具 备AutoCAD、ACIS、IGES、Parasolid、SolidWorks、STEP等30余种文件格式输出能力，较TIN数据结构可更好为数值计算网格剖分软件提供几何平台。

2 基于NUBRS曲面的通用三维地质建模方法

传统地质勘察资料往往以剖面图、钻孔柱状图的形式存储于dwg、dxf、MapGIS等文件格式中，在建立三维地质模型的过程中，需要对这些资料转化为三维空间数据（线、点）。三维地质建模建模和网格剖分思路见图3所示，主要流程如下。

首先，应对地质勘察基础数据（地形图、地质平剖面图、钻孔数据库）进行解析和工程方案设计资料进行整理，获取曲面建模所需的、等高线、巷道腰线、开挖边界、地层、断层等基础数据。这一步可采用AutoCAD或3DMine等矿业工程软件完成，通常整理为dwg、dxf、点云和数据库格式。

其次，将上一步完成的空间三维点、线数据，导入Rhinoceros平台，采用放样、拉伸、点云生成面等方式建立地形DTM、地质界面（如矿体面、断层面、软弱带等）和工程界面（如巷道面、矿块、边坡开挖边界等），根据后续网格剖分需要建立适当的辅助曲面。

最后，采用由面到体的方式，结合Rhinoceros布尔运算功能，生成地质体、工程三维实体模型。上述方法建立的几何模型还可以直接提供于Hypermesh、ANSYS、ABAQUS等数值计算软件进行网格构建，因此该方法生成的三维地质模型具有通用性。本研究介绍建Hypermesh网格剖分的方法，因此需采用*.x_t格式文件输出几何模型，以便导入Hypermesh软件进行网格剖分。

3 基于Hypermesh的通用网格划分

3.1 Hypermesh网格剖分方法

Hypermesh几何模型的建立是基于Rhinoceros导出的*.x_t格式文件导入成的。几何文集导入Hypermesh后，首先需利用Hypermesh几何清理、缝隙缝合、复杂曲面修补等功能完善实体模型。其次，利用Hypermesh网格划分功能对实体模型进行网格划分，剖分的方式有四面体网格剖分、六面体放个剖分和混合剖分等模式。最后，对剖分完成后需要对网格进行质量检查、连续性检查、调整优化等，以达到需要的精度要求。Hypermesh网格剖分实例见图4。

3.2 数值计算软件程序接口

针对ANSYS和ABAQUS计算文件，可直接在Hypermesh中进行参数赋值、边界条件确定、计算过程确定等，导出相应的计算文件即可。针对FLAC3D计算文件，需导出相应单元节点坐标和单元信息文件，通过编制格式转换软件实现FLAC3D计算网格构建，Hypermesh网格转换为FLAC3D计算网格实例见图5。

将Hypermesh单元、节点文件转换为FLAC3D数值计算网格文件的方法已有较多研究［6-8］。其基本思路是通过对Hypermesh的四面体tetra4、金字塔pyramid5、三棱台penta6、六面体hex8单元节点、单元顺序进行调整，将其转化为FLAC3D网格文件*.flac3d。

3 工程实例

黑沟铁矿是酒钢镜铁山矿主要矿区，其海拔高度约4 000 m，采用露天开采方式生产规模为450万t/a。黑沟矿区东端帮边坡受结构面控制，矿体褶皱端部构造作用明显，在矿岩交界面处易发生顺层面滑坡。2015年8月，东端帮边坡开始出现裂缝，并逐渐发展为连续滑坡周界，威胁矿山正常生产［9］。

采用上述方法建立滑坡区三维地质模型和数值模型，进行滑坡区滑坡机理和稳定性分析，主要模型建立步骤如下。

（1）地质资料解析。结合工程地质勘察，生产勘探等平面图、剖面图等资料，利用Rhinoceros软件进行地层界线、地质构造、地形等控制点建立三维曲面模型，如图6所示。

（2）将建立的界面模型导入Hypermesh软件，在Hypermesh软件中采用布尔运算的方式生成实体模型，并利用其前处理功能进行几何清理、缝隙缝合、复杂曲面修补等。如图7所示。

（3）采用四面体单元划分网格，合理进行质量控制，数值模型尺寸为580 m×515 m×482 m，数值模型共有节点139 699个，单元772 978个。

4 结论

（1）基于Rhinoceros软件平台采用NURBS曲面建模技术构建三维地质模型，能够大大简化TIN结构复杂性，提高建模效率和几何文件的兼容性，满足数值计算对模型的要求。

（2）基于Rhinoceros几何模型，采用Hypermesh进行数值计算网格剖分，打通了地质建模及数值软件间的壁垒，利于实现三维地质模型到数值计算模型的快速转换，大大降低工程技术人员学习软件的成本。

（3）将本研究提出的方法应用于某露天矿边坡开采过程计算网格建模，表明该方法是可靠的和高效的，值得进一步推广。