袁荣
江西省水利规划设计研究院 江西 330029
摘要：当前，在实际的岩土工程之中，地质断层具有复杂性的特征，对于一些复杂的地层，需要使用三维建模才能够实现应有的效果。为了对复杂地质断层进行准确的分析，下面就在单元重构的基础上分析岩土工程复杂断层的建模方式。在进行建模时，并不需要考虑断层，首先需要对分析对象进行独立离散，再使用单元重构的方式将断层进行建模。完成之后，即可将断层结构模型导入计算软件中进行计算，这种方式能够为复杂地质断层的建模提供科学的计算方式。
关键词：单元重构；岩土工程；复杂地质；断层建模方法
1导言
随着我国大型岩土工程向西部和深部扩展，复杂地质体的建模成为人们必须面对的重要问题。其复杂性体现在：地质体由沉积成因的地层、侵入成因的岩体和复杂的褶皱与断层等地质构造组成，这些组成元素之间形成了形态各异的分界面，即地质界面。在岩土工程地质勘探过程中，勘探人员通过区域调查和钻孔等手段可以获取工程地质体和地质界面的三维控制点信息。这些信息包括钻孔、探槽和露头等点数据，也包括地形图、平面地质图和剖面图等图形数据等。在计算机领域，这些控制点被称为离散点数据或散乱点数据。由离散点数据集出发，重构该点集所属的曲面，称为曲面重构。我们针对单元重构的岩土工程复杂地质断层相关内容进行了分析，以供参考。
2岩土工程复杂地质断层界面的几个问题
断层是地质体中受力变形构造等复杂地质界面的代表，是地质体因受力达到一定强度而发生破裂，顺破裂面发生明显位移的一种破裂构造。断层的形成机制在地质上是复杂的，涉及破裂的发生和断层的形成、断层作用与应力状态、岩石力学性质等。安德森等学者根据形成断层的应力状态，将断层分为正断层、逆断层和平移断层。安德森模式被地质学家广泛接受，作为分析解释地表和近地脆性断层的依据。本文的断层面构造按照以下的步骤进行：
2.1收集断层的产状数据，包括断层线、走向、倾向、断距和滑距，其中断层线为断层。其中断层线在平面地质图中以交面线的形式给出，其他数据可以通过断层线与其他地层的关系求取。
2.2首先拟合断层面。断层形成于地层之后，断层的形成机制决定了断层的几何形态和断层上下盘地层的组合模式。
2.3断层作为断层上下盘地层的分割面，不同断盘中地层界面的拟合以断层面为边界。断层天然将地质体分成不同的区块，各个区块中的地层采用各自的拟合处理过程。需要注意的是：同一地层不同区块是不能相通的，不同地层之间的区块之间只能通过断层或者工作区边界来连接。这种分区块拟合的过程在数学上也符合局部插值的思想，既能提高算法的计算效率，也能保证合理的精度。
3建模思路
在建模时，需要分析好对象的格局与布置，建议不考虑断层的模型，以水电站地下洞室的建模为例，虽然工程量较大，洞室情况较为复杂，但是使用OpenGL与AutoCAD等工具能够实现快速化建模。初步建模完成后，需要对模型中的网格进行重构，将考虑断层结构的模型进行离散，根据单元重构算法的具体要求，在进行单元重构的过程中，需要将结构面融入模型之中，考虑到这一点，需要计算出断层的厚度，并对模型进行二次重构，将结构面完全融入模型之中。完成后，即可编写接口程度，将断层模型导入岩土工程软件之中，再使用实体单元进行断层模拟，再对地质断层的稳定性进行分析，这样，即可验证出该种建模方式的可靠性。
4基于单元重构的岩土工程复杂地质断层建模方法
4.1单个结构面的建模方法
首先，采用六面体八节点单元，建立不模拟断层结构的模型；然后，再考虑地质断层的存在。此时，暂不考虑地质断层实际延伸范围，即构成地质断层的结构面都被视为无限延伸的平面，则在不模拟断层的模型中，被结构面穿过的单元，即八节点六面体单元被结构面切割，单元被任意平面切割后的形态如图1所示。
根据如上截面的形态，除图1将原单元划分为两个六面体八节点单元，其他形态截面切割原单元之后会产生多面体，其形态较为复杂，很难识别并对其进行相应的计算。所以，需要对这些多面体添加面内辅助线与体内辅助线，并划分四节点四面体，五节点四棱锥，六节点三棱柱等，能够被识别，能够并使用的单元形态。
借助图2中4种单元形态，通过添加面内和体内辅助线，可实现对图1中的任意平面切割单元后的单元重构。除了图1所示截平面单元在重构后仍为八节点六面体单元，其他类型截平面单元的重构都使用了原模型中没有的单元形态。虽然原单元被重构后，新增单元数目较多，但由于单元重构仅在断层穿过的单元进行，所以重构模型的单元总数增加较少。此外，可以实现结构面存在的全自动单元重构，能够降低建模的难度，也可提高建模速度。
图1 单元被任意平面切割后的形态 图2 单元重构中使用的单元形态
4.2多个结构面的建模方式
在进行断层结构模拟过程中，需要分析断层厚度，还要建立两个以上的结构面模型，这就需要对模型进行多次总结与分析，在整个建模过程中，重点解决非11节点六面体单元平切后的重构问题。在进行重构的过程中，八节点六面体的2，3，4个节点会出现重合的情况，为此，可以将其转化为四节点四面体、六节点三棱柱与五节点四棱锥，在对这些单元进行重构的过程中，需要将其视为八节点六面体单元，并使用先前的储存格式，这样即可完成单元的重构目标。在具体的检查过程中，需要遵循两个标准：单元存储格式中八个节点编号，其中不相同节点编号数量必须要大于三个，也只有三个或者三个以上的节点单元才能够构成平面；其次，要保证单元体积大于零。
4.3重构模型的形态优化方式
地质断层分布具有任意性特点，为保证重构模型计算效果，需要对重构模型的形态进行优化。在不考虑断层情况下，并保证模型八节点六面体单元尽可能接近正六面体，并在其重点部位适当增加网络，使用AutoCAD工具，即可实现对重构模型的单元形态优化。在进行单元重构的过程中，需要对结构面切割单元线段长短边的比例来进行控制，这样才能够实现单元形态的优化，如果未对结构面走向进行科学有效的控制，那么新生产的棱边构成的三角形会过于狭长。为了解决这一问题，需要将控制长短边比的参数引入结构面之中，规定好结构面的单元边长。
5结论
综上所述，在建模的过程中，由于在前期仅仅对断层穿过网格进行重构，因此，模型中单元大多为八节点六面体，四节点四面体单元数量相对较少、为了保证数据的准确性，必须要对完成后的模型进行分析与计算，也只有这样，才能够提升计算结果的精度。该种建模方式为岩土工程复杂地质断层建模的数值分析方式奠定了坚实的基础，但是还存在着一些不足之处，在下一阶段，应该结合层面应力、断层滑动系数进行分析，这样才能够全面的反应出地质断层对于工程的影响。
参考文献：
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论文作者:袁荣
论文发表刊物:《基层建设》2015年28期供稿
论文发表时间:2016/4/6
标签：断层论文; 单元论文; 重构论文; 建模论文; 节点论文; 地质论文; 模型论文; 《基层建设》2015年28期供稿论文;