建立更真实的数值模型(2)：FLAC3D与曲面地形的集成

1. 引言

在上一个笔记《建立更真实的数值模型：FLAC3D导入地形图 (1)》中，讨论了如何使用SketchUp把Google地图导入到FLAC3D中，尽管沿着这条路径走下去还有许多工作要做，但已经迈出了半里长征的第一步，以后会逐步完善这种方法。今天的笔记顺着上一篇的思路但使用了不同的方法---“沙箱创建地形geometry”来讨论如何把一个自由产生的曲面geometry与FLAC3D集成在一起，从而形成复杂地形的三维计算模型。与上一篇描述的流程一样，首先需要在SketchUp内创建地形，然后把地形导入到FLAC3D中。

2. 使用沙箱创建地形geometry

我们的目的是使用沙箱功能在SkecthUp中创建.stl格式的地表形状。废话不讲，按照下面的步骤顺序操作：

【1】启动SketchUp后，建立一个新的文件，首先检查单位设置，参看《建立更真实的数值模型：FLAC3D导入地形图 (1)》，然后从菜单“视图->工具栏”中选择“沙箱”，关闭窗口。

这时工具栏内会出现“沙箱”的工具集，包括7种工具，这7种工具的含义从左到右依次为：

(1) 根据等高线创建沙盒；

(2) 根据网格创建沙盒；

(3) 曲面起伏；

(4) 曲面平整；

(5) 曲面投射；

(6) 添加细部；

(7) 对调角线

如同任何标准的Windows程序一样，沙箱的这些工具你也可以在菜单中找到，如下图所示。

【2】选择“沙箱”工具栏中的第二项“根据网格创建沙盒”，系统出现如下提示

不知道为啥默认的栅格间距定义为3m, 感觉有点太大了，改为2m, (注意这个栅格值最好与后来FLACD3D的网格值设置为一样)然后输入所需表面的长度和宽度，我都输入了50m (注意这个值也应该与后来FLAC3D Block的尺寸对应), 于是形成了如下图所示的平面。

【3】创建完平面后，从沙箱工具栏中选择第三项“曲面起伏”，

并定义平滑的半径。这个半径表示更改曲面时受影响区域的距离。

由于是演示，随便产生一些曲面，如下图所示。

【4】将曲面输出为.stl文件，保存文件名为su-slope.stl，准备将其导入FLAC3D。

3. FLAC3D导入地形geometry

【1】打开FLAC3D程序，首先使用geometry工具输入su-slope.stl，检查这个曲面的坐标，包括x,y,z的坐标范围，这一点非常重要，否则这个曲面不能与FLAC3D 的block正确地衔接在一起。FLAC3D手册关于这一点有非常详细的描述。不过，如果不动手去试验，很难确切理解它表述的意思。

【2】对照着su-slope.stl的坐标范围，写一个FLAC3D的数据文件：

; Created on 6/2/2020 by GeotechWumodel newmodel deterministic onmodel precision 6model random 10000geometry import 'su-slope.stl'  ;importing the surface topography in .stl formatzone create brick size 50 50 10 ...                  point 0 0, 0, -20 ...                  point 1  50, 0, -20 ...                  point 2 0, 50, -20 ...                  point 3 0,0,-10zone group 'Rock'zone generate from-topography geometry-set 'su-slope' segments 10 ratio 1 group 'Sand'

这样便顺利把.stl曲面文件集成到FLAC3D的模型中。

下面简要解释一下这段代码的工作机理：

(1) 首先使用 geometry import 'su-slope.stl'命令把.stl文件导入到FLAC3D中；

(2) zone create brick命令用来产生底部绿色的块体，然后把这部分块体使用命令zone group 'Rock' 定义为一组；

(3) zone generate from-topography geometry-set 'su-slope' segments 10 ratio 1 group 'Sand' 划分曲面单元，并且定义组名。

4. 其它的例子

下面演示的例子均来自FLAC3D手册。

【1】这个例子与上述我们的例子相同。假定我们在SketchUp中产生出一个曲面文件surface1.stl， 使用下面的代码产生FLAC3D模型。这部分没有什么难的地方，应该注意的只是如何设置brick的尺寸和坐标值。

model newgeometry import 'surface1.stl'zone create brick size 50 40 5 ...   point 0 0 0 -4000 ...   point 1 15000 0 -4000 ...   point 2 0 12000 -4000 ...   point 3 0 0 -2000 ...   group 'Layer1'zone generate from-topography ...   geometry-set 'surface1' ...   segments 8 ...   group 'Layer2'

【2】下面这个例子使用了关键字range position-x 0 5000 position-y 0 5000取曲面的一部分。这个也没有什么难理解的， 只是没有想到什么场景下需要这么作。 

model newgeometry import 'surface1.stl'zone create brick size 50 40 5 ...   point 0 0 0 -4000 ...   point 1 15000 0 -4000 ...   point 2 0 12000 -4000 ...   point 3 0 0 -2000 ...   group 'Layer1'zone generate from-topography ...   geometry-set 'surface1' ...   segments 8 ...   ratio 0.6 ...   group 'Layer2' ...   range position-x 0 5000 position-y 0 5000

【3】下面这个例子显示了与geometry set 命令联合建立多个地层。

model newgeometry import 'surface1.stl'geometry set 'surface2'geometry polygon create by-positions ...   0 0 -2000 ...   15000 0 -3500 ...   15000 12000 -3500 ...   0 12000 -2000zone create brick size 50 40 5 ...   point 0 0 0 -6500 ...   point 1 15000 0 -6500 ...   point 2 0 12000 -6500 ...   point 3 0 0 -5000 ...   group 'Rock'zone generate from-topography geometry-set 'surface2' ...   segments 5 ...   ratio 1.0 ...   group 'Sand'zone generate from-topography geometry-set 'surface1' ...   segments 8 ...   ratio 0.8 ...   group 'Clay'

5. 结束语

本文描述了使用SketchUp的沙箱功能建立曲面的几何形状，并且无缝集成于FLAC3D的模型中。显然，这种自由生成的曲面不能代表真实的地形。接下来要作的是从Google地图中提取地形等值线，利用沙箱工具建立地形曲面，然后再集成到FLAC3D模型。