本發(fā)明涉及地下工程和巖土工程技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，涉及一種洞穴型巖溶巖體有限元數(shù)值模型的構(gòu)建方法。

背景技術(shù)：

可溶巖除了分布有軟弱結(jié)構(gòu)面以外，還分布有影響巖體穩(wěn)定的巖溶結(jié)構(gòu)體，從而形成了巖溶巖體。巖溶結(jié)構(gòu)體具有不規(guī)則的特性，因此可以認(rèn)為巖溶巖體是一種極不均質(zhì)的巖體。這些巖溶結(jié)構(gòu)體的分布，成為了影響巖體工程力學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定性的主要因素。

巖溶分為洞穴型、裂隙型和管道型三個(gè)形態(tài)，其中洞穴型是指發(fā)育的干溶洞或填充型溶洞，裂隙型是指由各種構(gòu)造裂隙經(jīng)溶蝕形成的巖溶裂隙，管道型是指巖溶裂隙經(jīng)進(jìn)一步溶蝕擴(kuò)大呈匯流的的管道特征。

巖體內(nèi)部由于巖溶發(fā)育而存在缺陷，這些大小不等，位置隨機(jī)、非隨機(jī)的巖溶缺陷的存在，改變了巖體的力學(xué)特性，降低了巖體的承載能力?，F(xiàn)有技術(shù)中，許多研究只是針對(duì)單個(gè)溶洞，只能用來(lái)分析溶洞對(duì)周圍巖體的影響。然而巖溶的形態(tài)大小不同，分布復(fù)雜，當(dāng)前建立的模型并不能準(zhǔn)確地描述巖溶發(fā)育地區(qū)的巖體。

基于上述情況，需要一種能夠準(zhǔn)確地描述巖溶巖體的有限元數(shù)值模型的構(gòu)建方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，同時(shí)由于巖溶分為洞穴型、裂隙型、管道型三個(gè)形態(tài)，本發(fā)明提供了一種能夠準(zhǔn)確地描述洞穴型巖溶巖體的有限元數(shù)值模型的構(gòu)建方法。

本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

洞穴型巖溶巖體數(shù)值模型構(gòu)建方法，其特征在于包括以下步驟：

確定構(gòu)建巖體數(shù)值模型的工程范圍，并對(duì)工程范圍進(jìn)行勘察、鉆探和物探；

(1)獲得體巖溶率或線巖溶率，通過(guò)工程鉆探，獲得溶洞、巖石、溶隙長(zhǎng)度或鉆孔穿過(guò)可溶巖的長(zhǎng)度參數(shù)，并計(jì)算得到體巖溶率或線巖溶率；

(2)獲得溶洞位置范圍，通過(guò)工程勘察和物探，確定溶洞的分布范圍或可溶巖的分布范圍；

(3)獲得溶洞直徑分布規(guī)律，通過(guò)工程勘察獲得溶洞直徑數(shù)據(jù)或巖溶發(fā)育情況，確定該地區(qū)溶洞直徑的分布規(guī)律，獲得其分布特征的概率密度函數(shù)；

(4)建立數(shù)值模型，基于蒙特卡羅法確定溶洞位置、溶洞直徑并生成溶洞，通過(guò)體巖溶率檢驗(yàn)?zāi)Ｐ褪欠穹弦螅?/p>

(5)將巖石物理力學(xué)參數(shù)賦予介質(zhì)區(qū)域，將已知溶洞內(nèi)包含物的物理力學(xué)參數(shù)賦予溶洞區(qū)域，得到所述工程范圍的巖溶巖體有限元數(shù)值模型。

所述獲得體巖溶率是通過(guò)工程地質(zhì)鉆探獲得相關(guān)溶洞體積和巖石總體積，并通過(guò)體巖溶率＝溶洞體積/巖石總體積×100％計(jì)算得到；所述線巖溶率是通過(guò)工程地質(zhì)鉆探獲得相關(guān)溶洞長(zhǎng)度或溶隙長(zhǎng)度、鉆孔穿過(guò)可溶巖的長(zhǎng)度并通過(guò)線巖溶率＝鉆孔所遇溶洞長(zhǎng)度或溶隙長(zhǎng)度/鉆孔穿過(guò)可溶巖的長(zhǎng)度×100％計(jì)算得到。

所述溶洞分布范圍或可溶巖的分布范圍以溶洞位置概率模型數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為：

其中，ci(i＝1,2,3)是溶洞中心的空間坐標(biāo)，ai、bi(i＝1,2,3)表示巖體空間邊界，r表示[0,1]上的隨機(jī)數(shù)。

所述溶洞直徑分布規(guī)律可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析現(xiàn)場(chǎng)溶洞直徑數(shù)據(jù)獲得，或者通過(guò)巖溶發(fā)育程度選擇分布規(guī)律。

通過(guò)巖溶發(fā)育程度選擇溶洞直徑分布規(guī)律的概率密度函數(shù)是：

其中，α是形狀參數(shù)，β是尺度參數(shù)，d是溶洞直徑，d是最大溶洞直徑，直徑單位為米。

當(dāng)巖溶弱發(fā)育時(shí)，α＝1.5,β＝1.3,0＜d≤4；巖溶中等發(fā)育時(shí)，α＝5.3,β＝1.2,0＜d≤10；巖溶強(qiáng)烈發(fā)育時(shí)，α＝3.7,β＝2.4,0＜d≤15。

所述建立數(shù)值模型是采用有限元軟件內(nèi)置語(yǔ)言進(jìn)行編程，生成符合體巖溶率、溶洞位置和溶洞大小要求的溶洞區(qū)域，包括以下步驟：

第一步：參數(shù)的生成，確定體巖溶率或線巖溶率，設(shè)置模型生成范圍區(qū)間為x米×y米×z米，將巖體區(qū)域ω沿邊劃分為l×h×k個(gè)小區(qū)域δ，對(duì)小區(qū)域進(jìn)行編號(hào)并將其中心坐標(biāo)存入數(shù)組中其編號(hào)對(duì)應(yīng)的位置；將溶洞中心空間坐標(biāo)ci(i＝1,2,3)的確定轉(zhuǎn)化為小區(qū)域編號(hào)的確定，在溶洞位置概率模型得到的條件下由隨機(jī)數(shù)發(fā)生器確定小區(qū)域編號(hào)，以溶洞直徑分布規(guī)律的概率密度函數(shù)得到的分布規(guī)律為準(zhǔn)則生成溶洞直徑的隨機(jī)數(shù)列，并處理為溶洞半徑r的隨機(jī)數(shù)列；

第二步：確定溶洞生成的區(qū)間，設(shè)置一個(gè)過(guò)濾數(shù)組用來(lái)記錄小區(qū)域δ是否可用，過(guò)濾數(shù)組初始元素均為1，在產(chǎn)生溶洞之后將溶洞占用的小區(qū)域?qū)?yīng)的元素值修改為0；在第n個(gè)溶洞產(chǎn)生之后將元素值為1的小區(qū)域收集作為新的抽樣區(qū)間φn，以保證有效溶洞的生成效率；

將溶洞半徑隨機(jī)數(shù)列導(dǎo)入ansys中，如有限元軟件ansys15.0中，在確定第n個(gè)溶洞的位置時(shí)已知其半徑值rn，遍歷抽樣區(qū)間φ，將邊界rn范圍內(nèi)的小區(qū)域?qū)?yīng)的過(guò)濾數(shù)組元素值修改為0；為了避免溶洞交錯(cuò)和后續(xù)網(wǎng)格劃分的健康，設(shè)置網(wǎng)格尺寸elemsize，遍歷生成區(qū)間φ將距離已經(jīng)生成的第i個(gè)溶洞ri+rn+elemsize(0＜i＜n)范圍內(nèi)的小區(qū)域?qū)?yīng)的過(guò)濾數(shù)組元素值修改為0；最后在借助過(guò)濾數(shù)組形成生成區(qū)間φn-1并確定第n個(gè)溶洞的位置；

第三步：生成溶洞并計(jì)算體巖溶率，在確定的位置生成溶洞，計(jì)算此時(shí)已生成的溶洞的體積之和與模型體積的比值，如未達(dá)到體巖溶率的要求，則開始下一個(gè)溶洞的生成，如果已達(dá)到體巖溶率要求，則程序結(jié)束并返回體巖溶率值；或，在生成區(qū)間為0時(shí)，程序結(jié)束并返回體巖溶率值。

本發(fā)明的有益效果：相較于現(xiàn)有的溶洞有限元數(shù)值模型建立方法，本發(fā)明提供的洞穴型巖溶巖體模型可以靈活地描述實(shí)際工程中溶洞的分布特征，更加完整、準(zhǔn)確地描述有溶洞分布的巖溶巖體，具有較強(qiáng)適應(yīng)性，對(duì)于評(píng)價(jià)巖溶區(qū)地基、考察巖溶區(qū)滲漏規(guī)律、研究巖溶區(qū)隧道建設(shè)等方面具有十分重要的意義。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的流程示意圖。

圖2是步驟s104的具體流程示意圖。

圖3是巖溶發(fā)育程度與溶洞直徑分布規(guī)律的對(duì)應(yīng)關(guān)系示意圖，圖中a表示巖溶弱發(fā)育的溶洞直徑分布規(guī)律，b表示巖溶中等發(fā)育的溶洞直徑分布規(guī)律，c表示巖溶強(qiáng)烈發(fā)育的溶洞直徑分布規(guī)律，縱坐標(biāo)表示概率密度，橫坐標(biāo)表示溶洞直徑，單位：米。

圖4是步驟s105的程序框圖。

圖5是選擇域縮減示意圖。

圖6是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的數(shù)值模型圖。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體的描述，本實(shí)施例只用于對(duì)發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的說(shuō)明，但不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)上述發(fā)明的內(nèi)容作出的一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整也屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明洞穴型巖溶巖體數(shù)值模型構(gòu)建方法包括：

確定構(gòu)建巖體數(shù)值模型的工程范圍，并對(duì)工程范圍進(jìn)行勘察、鉆探和物探；

(1)獲得體巖溶率或線巖溶率，通過(guò)工程鉆探，獲得溶洞、巖石、溶隙長(zhǎng)度或鉆孔穿過(guò)可溶巖的長(zhǎng)度參數(shù)，并計(jì)算得到體巖溶率或線巖溶率；

(2)獲得溶洞位置范圍，通過(guò)工程勘察和物探，確定溶洞的分布范圍或可溶巖的分布范圍；

(3)獲得溶洞直徑分布規(guī)律，通過(guò)工程勘察獲得溶洞大小數(shù)據(jù)或巖溶發(fā)育情況，確定該地區(qū)溶洞直徑的分布規(guī)律，獲得其分布特征的概率密度函數(shù)；

(4)建立數(shù)值模型，基于蒙特卡羅法確定溶洞位置、溶洞直徑并生成溶洞，通過(guò)體巖溶率檢驗(yàn)?zāi)Ｐ褪欠穹弦螅?/p>

(5)將巖石物理力學(xué)參數(shù)賦予介質(zhì)區(qū)域，將已知溶洞內(nèi)包含物的物理力學(xué)參數(shù)賦予溶洞區(qū)域，得到所述工程范圍的巖溶巖體有限元數(shù)值模型。

結(jié)合圖1至圖5，對(duì)本發(fā)明方法說(shuō)明如下：

圖1是本發(fā)明的流程示意圖。

步驟s101，對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行勘察、鉆探和物探等，并對(duì)得到的資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

步驟s102，確定該巖溶區(qū)域的體巖溶率。

體巖溶率是評(píng)價(jià)該區(qū)域巖溶發(fā)育程度的核心指標(biāo)?？辈榉椒ㄒ话闶褂勉@探法。體巖溶率＝溶洞體積/巖石總體積×100％，在體巖溶不容易得到時(shí)，可以用線巖溶率代替體巖溶率。線巖溶率＝鉆孔所遇溶洞、溶隙長(zhǎng)度/鉆孔穿過(guò)可溶巖的長(zhǎng)度×100％。

步驟s103，通過(guò)勘察和探測(cè)資料，確定溶洞在地層中的分布范圍。

溶洞發(fā)育在可溶性巖層，溶洞的分布范圍基本上就是可溶性巖層的分布范圍。

由于地質(zhì)復(fù)雜性，溶洞基本呈隨機(jī)均勻分布。確定溶洞位置的ci(i＝1,2,3)是溶洞中心的空間坐標(biāo)，溶洞位置概率模型數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中，ci(i＝1,2,3)是溶洞中心的空間坐標(biāo)，ai、bi(i＝1,2,3)表示巖體空間邊界，r表示[0,1]上的隨機(jī)數(shù)。

步驟s104，確定溶洞直徑的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，具體細(xì)節(jié)見圖2。由于是洞穴型巖溶，溶洞可近似成球體。

圖2是步驟s104的具體流程示意圖。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溶洞直徑數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，得到分布規(guī)律。在沒有現(xiàn)場(chǎng)溶洞直徑的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)采取步驟s204，由該地區(qū)巖溶發(fā)育程度選定巖溶大小分布規(guī)律。

巖溶發(fā)育程度評(píng)定表見表1。巖溶發(fā)育程度與溶洞直徑分布規(guī)律對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖3，溶洞直徑概率密度函數(shù)表達(dá)式為：α是形狀參數(shù)，β是尺度參數(shù)，d是溶洞直徑，d是最大溶洞直徑，直徑單位為米。巖溶發(fā)育程度不同，表達(dá)式參數(shù)不同：巖溶弱發(fā)育時(shí)，α＝1.5,β＝1.3,0＜d≤4；巖溶中等發(fā)育時(shí)，α＝5.3,β＝1.2,0＜d≤10；巖溶強(qiáng)烈發(fā)育時(shí)，α＝3.7,β＝2.4,0＜d≤15。

表1巖溶發(fā)育程度評(píng)定表

步驟s105，使用有限元軟件內(nèi)置語(yǔ)言進(jìn)行編程，生成符合體巖溶率、溶洞位置和溶洞大小要求的溶洞區(qū)域，具體編程細(xì)節(jié)見圖4，對(duì)圖4解讀如下。

第一步：參數(shù)的生成。體巖溶率已在步驟s102中確定。設(shè)置模型生成區(qū)間為x米×y米×z米，將巖體區(qū)域ω沿邊劃分為l×h×k個(gè)小區(qū)域δ，對(duì)小區(qū)域進(jìn)行編號(hào)并將其中心坐標(biāo)存入數(shù)組中其編號(hào)對(duì)應(yīng)的位置。這樣將溶洞中心空間坐標(biāo)ci(i＝1,2,3)的確定轉(zhuǎn)化為小區(qū)域編號(hào)的確定，在步驟s103得到的條件下由隨機(jī)數(shù)發(fā)生器確定小區(qū)域編號(hào)；以步驟s104得到的分布規(guī)律為準(zhǔn)則生成溶洞直徑的隨機(jī)數(shù)列，并處理為溶洞半徑r的隨機(jī)數(shù)列。

第二步：確定溶洞生成的區(qū)間。由于溶洞的產(chǎn)生會(huì)占用空間，使溶洞生成的區(qū)間發(fā)生變化(見圖5)，為提高溶洞產(chǎn)生效率，所以設(shè)置一個(gè)過(guò)濾數(shù)組用來(lái)記錄小區(qū)域δ是否可用。過(guò)濾數(shù)組初始元素均為1，在產(chǎn)生溶洞之后將溶洞占用的小區(qū)域?qū)?yīng)的元素值修改為0。這樣在第n個(gè)溶洞產(chǎn)生之后將元素值為1的小區(qū)域收集作為新的抽樣區(qū)間φn，以保證有效溶洞的生成效率。

將溶洞半徑隨機(jī)數(shù)列導(dǎo)入ansys中，因此在確定第n個(gè)溶洞的位置時(shí)已知其半徑值rn，為防止溶洞超出模型邊界，遍歷抽樣區(qū)間φ，將邊界rn范圍內(nèi)的小區(qū)域?qū)?yīng)的過(guò)濾數(shù)組元素值修改為0。為了避免溶洞交錯(cuò)和后續(xù)網(wǎng)格劃分的健康，設(shè)置網(wǎng)格尺寸elemsize，遍歷生成區(qū)間φ將距離已經(jīng)生成的第i個(gè)溶洞ri+rn+elemsize范圍內(nèi)的小區(qū)域?qū)?yīng)的過(guò)濾數(shù)組元素值修改為0。最后在借助過(guò)濾數(shù)組形成生成區(qū)間φn-1并確定第n個(gè)溶洞的位置。

第三步：生成溶洞并計(jì)算體巖溶率。在確定的位置生成溶洞，計(jì)算此時(shí)已生成的溶洞的體積之和與模型體積的比值。如未達(dá)到體巖溶率的要求，則開始下一個(gè)溶洞的生成；如果已達(dá)到體巖溶率要求，則程序結(jié)束并返回體巖溶率值。(在生成區(qū)間為0時(shí)，程序同樣結(jié)束)

步驟s106，在步驟s105得到的模型中，將巖石物理力學(xué)參數(shù)賦予介質(zhì)區(qū)域，將已知溶洞內(nèi)包含物的物理力學(xué)參數(shù)賦予溶洞區(qū)域，得到洞穴型巖溶巖體有限元數(shù)值模型。

圖6是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的有限元數(shù)值模型圖。

在本實(shí)施例中，首先進(jìn)行步驟s101得到相關(guān)資料。進(jìn)行步驟s102，根據(jù)鉆孔所遇溶洞、溶隙長(zhǎng)度和鉆孔穿過(guò)可溶巖的長(zhǎng)度計(jì)算取該研究地層區(qū)域體巖溶率為3％。

進(jìn)行步驟s103，根據(jù)工程勘察確定溶洞大多分布在地表以下5～26m深度范圍內(nèi)。由于地質(zhì)復(fù)雜性，溶洞基本呈隨機(jī)均勻分布。確定溶洞位置的ci(i＝1,2,3)是溶洞中心的空間坐標(biāo)，溶洞位置概率模型數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中，ai、bi(i＝1,2,3)表示巖體空間邊界；r表示[0,1]上的隨機(jī)數(shù)。

進(jìn)行步驟s104，根據(jù)勘察資料及其巖溶率的取值，確定該研究地層區(qū)域?qū)儆趲r溶弱發(fā)育，因此選定其概率密度函數(shù)數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中，α＝1.5，β＝1.3，d＝4。

需要說(shuō)明的是，本發(fā)明中溶洞大小的分布規(guī)律服從伽馬分布，但本發(fā)明不限于此，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析得到的其他分布也是合理的，例如正態(tài)分布。

進(jìn)行步驟s105。首先，由步驟s103中公式(3)的巖體空間邊界確定巖溶巖體的生成范圍，將巖體區(qū)域沿邊劃分為若干個(gè)小區(qū)域δ，對(duì)小區(qū)域進(jìn)行編號(hào)并將其中心坐標(biāo)存入數(shù)組中其編號(hào)對(duì)應(yīng)的位置。通過(guò)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器選取小區(qū)域編號(hào)，并讀取其中心坐標(biāo)作為即將生成的溶洞中心空間坐標(biāo)ci(i＝1,2,3)。然后，以步驟s104得到的分布規(guī)律為準(zhǔn)則生成溶洞直徑的隨機(jī)數(shù)列，并處理為溶洞半徑r的隨機(jī)數(shù)列。最后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入ansys15.0，運(yùn)行程序進(jìn)行溶洞的生成。

進(jìn)行步驟s106，將巖石物理力學(xué)參數(shù)賦予介質(zhì)區(qū)域，將溶洞內(nèi)包含物的物理力學(xué)參數(shù)賦予溶洞區(qū)域，最終得到該研究地層區(qū)域的巖溶巖體數(shù)值模型。

如圖6所示，圖中長(zhǎng)方體為可溶巖層，圖中各球體是隨機(jī)生成的溶洞區(qū)域。從最終巖溶巖體數(shù)值模型中可以看出，溶洞的參數(shù)由概率密度函數(shù)生成與實(shí)際情況表現(xiàn)出很好的統(tǒng)計(jì)相似性，隨機(jī)大小的溶洞隨機(jī)分布在巖體空間中充分體現(xiàn)了巖體中溶洞的空間分布特征，能完整、準(zhǔn)確的描述巖溶巖體。在該巖溶巖體數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，可以對(duì)該研究巖溶地層的地基穩(wěn)定性、巖體質(zhì)量和地下水滲流規(guī)律等進(jìn)行研究。