离散断裂网络Discrete Fracture Network (DFN）[P1]
1 引言
离散断裂网络(DFN)这个概念本身不是新出现的，很早以前就已经出现了，一些搞数学地质的研究人员研究岩体的断裂分布，主要应用在石油工程中。后来一些岩石力学研究人员把DFN引入到离散元，形成所谓的DFN-UDEC, 即首先通过DFN划分块体单元，然后使用UDEC计算应力和变形。在早期，这种耦合不是全自动的，研究人员必须手工调节DFN的形状，然后把数据传输到UDEC。从5.0版本开始，Itasca软件开始内置DFN功能，现在FLAC3D, UDEC, 3DEC和PFC都已内置了DFN，而且命令是互通的。作为本系列第一部分，本文简要描述一下DFN的特性和基本术语。
2 DFN的特性
DFN把岩体内分布的断裂看作是一组离散的有限尺寸的裂隙，在2D空间内它是一组线段，在3D空间内它是一组平盘。DFN模块为生成和处理岩体内的断裂提供了一种非常有效的工具。DFN具有如下特性：
(1) 导入/导出由Itasca软件和Fracman生成的DFN. FLAC3D, 3DEC和PFC产生的DFN文件格式是共享的。Fracman是一个专门生成DFN的先驱软件，Golder Associates的产品，主要由西雅图，休斯顿，温哥华office的一些岩石工程师们研究开发。DFN文件可以是txt或者是XML格式。
(2) 可以增加确定性断裂或者生成随机性断裂。
(3) 断裂之间的相交，断裂与露头/隧道表面以及断裂和钻孔线的相交，扫描线图计算
(4) 簇(clusters)和连通性计算
(5) 断裂简化方法
(6) 定义断裂的力学属性，并且分配这些属性给模型分量
(7) 可视化断裂，露头/隧道迹线图，赤平级射投影图
(8) 使用FISH可以产生，分析和操作DFN
基于上述特性， 可以进行如下应用：
(1) 创建基于现场描述的断裂
(2) 基于2D/1D数据，校正断裂模型
(3) 推导DFN的统计属性
(4) 与产生的力学属性相关的断裂结构分析
(5) 对于力学分析的断裂岩体容易创建数值模型
3 DFN的基本模型分量
DFN的基本模型分量由两个术语组成，一个是断裂(Fractures), 另一个是交点(Intersections)。在讨论如何创建DFN之前，先描述一下这两个术语。
3.1 断裂(Fractures)
断裂用离散的，平面有限尺寸单元来模拟。在3D空间，默认的断裂是圆盘状的，但也可以是平面的凸多边形。在这种情况下，顶点对象指的是平面凸多边形的顶点。在2D空间，断裂是通过线段来模拟的，顶点对象指的是线段的末端。具有已知尺寸和方向的确定性断裂，可以通过fractue create命令或使用FISH中的fracture.create来创建。断裂只能在模型域内产生(model domain)。 例如下面的命令仅产生一条圆盘状的断裂。
;dfn-ex-1.dat
model new
model domain extent -5 5 -5 5 -5 5
;Create a deterministic fracture
fracture create ...
position (1.,1.,1.) ...
dip 45.0 ...
dip-direction 230.0 ...
size 1.0 ...
group '5' ...
dfn 'newDFN'
return
相似的命令
fracture create dip 0 size 1 dfn 'simple'
fracture create dip 40. dip-dir 130. position 0,0,1 size 5
fracture create dip 60. dip-dir 220. position 0,-0.25,1 size 5
fracture create dip 30 dip-direction 90 size 20.0
下图所示的是产生4条断裂，两条水平的，两条垂直的。
下面的命令产生一条2D的断裂。
model new
model domain extent -5 5 -5 5
fracture create ...
position (1.,1.) ...
dip 45.0 ...
size 1.0 ...
dfn 'newDFN'
return
3.2 交点(Intersections)
一个交点是一条断裂与另一个对象相交的结果，另一个对象可以是直线，或者是平面多边形，或者是平面多边形的凸集，或者是另一条断裂。交点对象在2D中是一个点，在3D中是一条线段或者相邻线段的集 合。使用fracture intersections compute命令可以计算出有多少个相交的地方。例如上面显示的4条断裂，就有4个相交的地方。断裂相交被分组到相交集中以便于处理。例如，可以确定断裂之间的相交，也可以确定断裂与钻孔模型之间的相交，以及裂缝和井眼模型之间的相交。这些可以存储在分离的相交集中以供以后处理。
下面的命令首先产生400条断裂，然后计算出1495个交点，如图所示。
model new
model random 10000
model domain extent -5 5 -5 5
;Generate fractures using the default template
fracture generate fracture-count 400
;Compute intersections
fracture intersections compute intersection-set 'all'
return
下面的命令显示了产生的400条断裂与一个巷道边界相交的情况，共产生了88个交点，如下图所示。
model new
model random 10000
model domain extent -5 5 -5 5
; create the geometry
geometry set 'tunnel'
geometry edge create by-position (-4,-4) (-4,1)
geometry edge create by-position (-4,1) (4,1)
geometry edge create by-position (4,1) (4,-4)
; generate the DFN
fracture generate fracture-count 400
; compute intersections
fracture intersection compute with-geometry 'tunnel' intersection-set 'frac_tunnel'
return
总的断裂数和相交数量可以使用下面的FISH语句来获得。在这个例子中，得到的两个数分别是400和88.
[total_number_of_fractures = fracture.num]
[number_of_fracture_intersections = fracture.intersect.num]
4 结束语
本文简介了离散断裂网络DFN的基本特性，特别是两个基本术语：Fractures 和 intersections。下篇文章详细描述随机离散断裂网络的生成方法。
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