UDEC实例教程.pdf-资料库

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序言针对岩土体问题开发的 Itasca 数值计算软件 FLAC/FLAC3D、UDEC/3DEC、 PFC2D/PFC3D 无疑赢得了国际范围内最广泛的首肯，已经成为全世界范围内岩土体领域覆盖面最广、用户最多的软件产品，在科学研究和生产实践环节越来越发挥重要的作用。 Itasca 软件的开发最早要追溯到 1971 年 Peter Cundall 院士提出离散元的概念，80 年代初，Itasca 推出的第一款商业化数值计算软件为 UDEC，此后才陆续发展了其他数值计算软件。作为一家以解决超常规工程问题为主的高端技术咨询机构，遍布世界五大洲共 12 个国家的 Itasca 咨询专家和工程师也是 Itasca 软件最忠实的用户，在几十年日复一日地应用这些软件解决复杂现实工程问题的同时，也在应用环节积累了独到的心得和体会，成为 Itasca 标志性技术特长之一。相对于 FLAC/FLAC3D 而言，中国岩土工程界或许对非连续方法程序 UDEC/3DEC、以及 PFC2D/PFC3D 的认识还不是很深入，学术界对非连续方法的成熟性可能还存在一些疑虑。事实上，自 80 年代起，Itasca 专家已越来越广泛地采用非连续方法程序解决复杂的实际工程问题。鉴于这种情况，我们汇总了 UDEC/3DEC 的一些应用实例，分别从模型几何构建、计算策略、特定专题、成果解译等几个环节比较系统地介绍了在 Itasca 内部完成的一些成果。其中的大多数实例来自中国，也出自 Itasca 中国公司技术人员之手，更贴近中国现实地介绍一些具有世界水平的应用成果。实现数值计算工程应用是已经存在的客观现实，实现数值计算工程应用需要丰富的积累，理解并合理选择程序就是基础性环节之一。我们希望这些实例介绍能帮助数值计算人员更全面地认识 UDEC/3DEC 程序，更希望通过更合理地选择和运用程序促进数值计算工程应用整体水平的提高。编者：朱焕春、孟国涛

几何篇之案例一：地下工程规则几何形态的模拟问题的提出: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（孟国涛，2008）图 1 为 9 机 9 洞从左到右包括引水洞群、发电厂房、母线洞、主变室、尾水调压室、和尾水洞的 3DEC 模型。图 1：大型地下厂房洞室群的精确模拟精度：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： 1）建模思路：分块拼装是效率、精度、整洁的基本保证； 2）利用 FISH 重复规则部分和相似部分，可极大地提高效率。 1

实例二：两个大型复杂地下厂房洞室群形态的精确模拟（朱焕春，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。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。 2

几何篇之案例二：复杂地表形态的模拟问题的提出：目前中国西部水电站建设中普遍遇到大型自然高边坡的稳定问题，边坡高度可以达到千米的量级，且形态复杂，而边坡稳定性分析中需要特别突出边坡地形形态特征。解决途径：利用 3DEC 强大且灵活的前处理手段、视问题的具体特点确定不同的建模思路，突出问题。从某个角度上讲，建模并不是简单地对几何形态的再现，而是根据研究目的采取最有效的手段把握问题的主要方面。实例一：自然边坡凸起山梁的模拟（李浩，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。图 3：复杂山梁形态的模拟解决途径：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。 3

实例二：结构面控制型边坡的稳定分析（朱焕春，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。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。 4

实例三：复杂自然边坡的开挖模拟（朱焕春，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。图 5：复杂自然地表和开挖面形态边坡的模拟解决途径：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。 5

几何篇之案例三：地表和地下结合复杂形态的模拟问题的提出：水电工程中进水口建筑物包括自然边坡、开挖边坡、引水洞、引水闸室等，涉及地表和地下两个部分，复杂程度高。矿山开采中经常遇到地表转地下的问题，这涉及到同时对地表露天边坡和地下采场几何形态的模拟，更复杂地，一些矿山历史上曾进行过局部矿体开采，在边坡体内留下很多采空区。解决方案：往往以 3DEC 全三维图形建模工具 PGen 为基本工具，根据问题的具体特点结合 3DEC 命令流建模方式。实例一：水电站进水口边坡和建筑物的模拟（朱焕春，2006）工程背景：某水电站进水口布置在陡峭的河谷岸坡坡下部，工程建设需要对自然边坡坡脚进行开挖，同时在坡体内部还将进行引水洞和闸门井开挖，在自然边坡的敏感地带进行的表面和地下开挖是工程设计中关心的问题之一，研究工作需要同时考虑自然边坡、地表和地下开挖形成的几何形态。关键技术：以 3DEC 建模模块 PGen 为基本手段，与 3DEC 命令流结合的方式建模。建模过程中采取了多种技巧，保证模型的简捷，体现了对程序的驾驭能力。实际耗时：3 天图 6：复杂自然地表和地下建筑物结合的模拟 6

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