摘 要：随着计算机技术的进步，数值模拟技术已经被广泛的应用到地质学科里，极大地促进了地质学科的发展，文章介绍了数值模拟的基本原理和特点，介绍了FLAC3D、ANSYS、GMS等软件在岩土工程、地质构造、水文地质等方面的应用。

关键词：数值模拟；地质：FLAC3D；ANSYS；GMS

随着现代科学技术在计算机领域的不断发展，数学模拟和数值模拟技术的地位越来越重要。物理模拟方法有助于人们理解构造变形过程和动力学作用过程，但它存在严重的时空尺度局限性，不能有效地模拟地质构造形态的复杂性、地球介质分布的不均匀性及岩石物理性质的多样性。数值模拟方法可以综合利用地质、地球物理、地球化学等方法的研究成果，建立和模拟不受时空限制的各种地质模型，是现代地球科学研究的重要方法之一。虽然计算机技术的进步推动了数值模拟技术的发展，但是，数值模拟涉及数学、计算机科学、地质学、物理学、化学等大学科的交叉，具有较高的理论深度，这在一定程度上阻碍了数值模拟方法在构造变形研究中的推广应用。

1 数值模拟基本原理

数值模拟是一种计算分析方法，包括有限元法、有限差分法、边界元法、离散元法等，其中最适合用于地质学科数值模拟的主要是有限元法和有限差分法。有限元法：是将连续的求解域离散为有限个单元的组合体，将连续的无限自由度问题离散成以未知场函数的结点值为未知量的有限自由度问题，通过求解高阶代数方程组来求出这些未知量。有限差分法：是通过单元的离散化并得到一组代数方程组来进行求解的，因此它也可以适用于任意形状的研究对象。

2 数值模拟方法特点

（1）通过数值模拟的方法，可以减少设计成本，降低设计风险，缩短设计周期。

（2）在工程应用中，很多情况下无法进行实验，如有采矿问题等，数值模拟内部程序有相应的计算方法，能模拟较复杂过程。

（3）直观性与求解速度，数值模拟直观性不如实验方法好，较抽象，但可以快速得到结果。数值模拟成本低廉，可以任意施加各种方向上的载荷，可以达到实验达不到的条件。数值模拟方法可以对各个区域、各个测点进行应力分析和位移分析。

3 数值模拟技术在地质学科应用现状

在地质学科也引进了数值模拟技术，使地质学科有了突破性发展，以下是几种数值模拟在地质学科中应用的介绍。

3.1 FLAC3D软件的应用

FLAC即连续介质快速拉格朗日分析，它是一种基于拉格朗日差分法的一种显式有限差分程序。基于FLAC3D具有很强的解决复杂力学问题的能力，其在地质学方面的应用范围比较广泛，在其地质研究范围主要集中在以下几个方面：

一是在边坡变形破坏方面[1]，由于传统的方法不能有效的解决边坡破坏问题，使用FLAC3D可以对边坡的应力应变和位移变化进行数值模拟分析，更好地分析边坡的稳定性。二是在岩层倾角对顺倾向边坡地震效应的影响方面[2]，由于现有物理模拟研究中岩层倾角范围较小，不能全面了解岩层倾角对边坡地震效应的影响。利用FLAC3D可以精细模拟岩层厚度，建立地震作用下不同岩层倾角的边坡模型。三是在岩土工程的应用[3]，利用FLAC3D可以分析裂隙岩体的强度、变形和渗透性等特性。

3.2 ANSYS软件的应用

ANSYS具有强大的模拟分析能力，可以使许多复杂的地质问题通过图像呈现出来，使复杂问题简单化，快速的得出结论，加快研究的步伐。目前在地质学方面的应用程度在不断深入，范围也在不断拓宽，主要为以下几个方面应用：一是在地应力的数值模拟[4]，可以针对目前常用的三维地应力场数值模拟方法在维持地应力场分布规律和避免附加位移方面存在的缺陷，进行地应力场模拟方法的比较研究。二是在岩质边坡动力响应分析[5]，可以对不同高度和坡度的岩质边坡进行模态分析和地震加速度时程分析。三是在岩土参数优化反分析和边坡稳定性分析[6]，可以对岩土体参数进行了弹-塑性确定性反分析，借助于APDL实现参数化确定性反分析。四是在爆破地震效应影响因素分析应用[7]，可以通过ANSYS软件进行不同装药条件下爆破震动效应的数值模拟计算。

3.3 GMS软件的应用

地下水模拟系统（GMS）具有强大齐全的地下水模拟功能，几乎囊括了与地下水有关的所有模拟功能，包括地下水随机模拟。GMS不仅具有地下水流模拟、地下水溶质运移模拟的功能，在实现水文地质结构可视化方面功能亦同样突出[8]。

4 结束语

数字模拟在各领域的使用越来越广泛，它的发展离不开数学家、物理学家、计算机技术人才和研究项目的专业人员的共同努力。在地质学科方面还有对资源的研究，例如油藏方面，在地质灾害方面对地震的研究，还有近期在天文方面的研究，首次实现了对百万恒星组成的球状星团的多体模拟，为探测黑洞世界提供了重要线索。数值模拟技术还可能在更多学科方面发挥重要作用，只要我们敢于尝试和实验。

参考文献

[1]曹兰柱，孙成亮，王东，等.FLAC3D 的露天矿边坡变形破坏数值模拟分析[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2016（7）：122-114.

[2]丁梓涵，赵其华，彭社琴，等.岩层倾角对顺倾向边坡地震效应的影响[J].地震工程学报，2015（4）：13-17.

[3]王宏伟，王攀，王永强，等.马钢凹山露天采场南帮边坡监测及稳定性分析[J].金属矿山，2016（3）：89-93.

[4]付金伟，朱维申，张敦福，等.渗流影响下岩石损伤和渐进破裂演化过程的数值试验研究[J].水文地质工程地质，2015（1）：37-41.

[5]张庆莲，侯贵廷，潘校华，等.Termit盆地构造变形的力学机制[J].大地构造与成矿学，2013（3）：65-69.

[6]张学东，言志信，张森.ANSYS在岩质边坡动力响应分析中的应用[J].西北地震学报，2010（6）：32-36.

[7]石长.基于ANSYS的岩土参数优化反分析和边坡稳定性分析[J].南京航空航天大学，2006（6）：142-146.

[8]王丽霞，刘芳，唐泽军.基于GMS的石羊河流域含水层空间结构变化的可视化研究[J].干旱区地理，2011（1）：113-117.

作者简介：胡杨（1983-），男，讲师，主要从事页岩气研究。