一个阶段性的小结: 离散断裂网络DFN

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1 引言

离散断裂网络(DFN)的概念最早出自于数学地质, 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, 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，然后把数据输入到UDEC。从5.0版本开始，FLAC3D, UDEC, 3DEC和PFC都内置了DFN，而且命令是互通的。通过DFN与连续性代码或非连续性代码之间的耦合，可以更真实地模拟岩体中节理裂隙的力学行为或者地下水的流动。

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. UDEC, FLAC3D, 3DEC和PFC产生的DFN文件格式是共享的。Fracman是Golder Associates一个专门生成DFN的软件，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

2 生成确定的DFN

DFN的基本模型分量由断裂(Fractures)和交点(Intersections)组成。断裂用离散的平面有限尺寸单元来模拟。在产生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)。一个DFN是一组断裂。可以同时存在多个DFN，尽管一条断裂只能属于一个DFN。下图所示的是两组确定性的DFN，其中一组DFN是垂直的，另一组DFN是水平的。DFN分组对于计算是有用的，因为可以对不同组设置不同的断裂属性。

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。

总的断裂数和相交数量可以使用下面的FISH语句来获得。

[total_number_of_fractures = fracture.num]

[number_of_fracture_intersections = fracture.intersect.num]

3 生成随机的DFN

通常的情况是我们不能直接确定岩体中断裂的大小、方向和频率,而是使用地质测绘或地球物理技术来断裂的特征。在检查现场数据后，可以确定出断裂尺寸(size)、位置(position)和方向(dip, dip-direction)的边界(domain)。断裂模板(Fracture Template)包含了这些统计参数，使用fracture generate命令产生随机断裂. 断裂模板包含了断裂的大小、位置和方向分布的描述。为了使用断裂模板，采用fracture template create命令。断裂模板是一组断裂的随机表示，能够用来产生任意数目的断裂。

与fractue create命令不同，fracture generate命令从一个统计描述中生成断裂，在生成之前必须首先指定模型域(model domain extent)。如果不指定断裂生成模板，也就是不使用fracture template create命令，那么就使用系统默认的模板。可以使用fracture template modify-default 命令改变默认的模板参数，如果不提供modify关键字，并且模板不是默认值, 那么DFN 可以链接到断裂模板，在满足指定的停止条件之前生成断裂。这些条件包括：

目标断裂数目 (fracture-count);

目标 P10 (p10);

目标密度 (P21 in 2D; P32 in 3D) (mass-density);

目标渗透量 (percolation);

连接阈值处的 DFN (connectivity-threshold);

用户定义的准则 (fish-stop)

此外，在每个断裂生成之后，可以调用用户定义的 FISH 函数来修改断裂，跳过或添加/计算特定数量 (modify)。然后可以使用fracture attribute命令修改断裂特征，使用fracture property命令分配属性。用于接触模型的按照断裂生成顺序分配断裂优势(fracture contact-model命令)。注意：指定的DFN必须不存在或为空。如果未指定DFN，则使用下一个可用ID创建DFN，DFN 名称为 dfn XX，其中 XX 是 ID。

为了生成一个DFN，首先需要使用fracture template create命令指定断裂随机分布的参数，然后使用fracture generate 命令产生出一个DFN。fracture combine 命令用来合并小的断裂。去掉和合并小的断裂有助于划分单元，因为我们的目的是要进行力学计算。三种阻止断裂继续生成的方法。第一种使用mass-density关键字，第二种使用p10关键字，第三种使用fish-stop关键字。

4 DFN 2D和3D命令差异

尽管2D和3D的命令格式相同，但是毕竟一个在二维空间，另一个在三维空间，因此个别命令还是不一样的。本节仅就上面例子中出现的命令简要说明一下二者的区别。(1) geometry

geometry在2D是由线组成的，而在3D是由面组成的，因此

2D: geometry edge create by-position (-5,3) (5,3)

3D: geometry polygon create by-positions (-5,-5,3) (-5,5,3) (5,5,3) (5,-5,3)

(2) fracture.geomp

fracture.geomp10 是geometry线段每单位长度上切割断裂的数目，只在2D上使用；fracture.geomp20 是geometry多边形每单位面积上切割断裂的数目，只能在3D上使用；fracture.geomp21是fracture.geomp20中切割长度的总和，只能在3D上使用。

5 合成岩体SRM和Fracture Contact-Model

使用命令fracture generate和fracture template create可以产生出各种各样复杂的DFN模型。接下来的问题是产生的这些断裂如何与计算模型结合在一起。这是一个非常宽广的话题，必须分别进行讨论，因为不同的计算模型与DFN的耦合方式不同，处理的方法和使用的命令也不同。其中fracture contact-model 是一个只有在PFC中才有的命令，3DEC和FLAC3D没有这个命令。这种把DFN插入到原岩模型的方法，极大地扩展了PFC的使用能力，从而可以更真实地模拟岩体内节理的力学行为。

fracture contact-model命令可以带6个关键字。这个命令的作用是给断裂设置接触模型。为了使使用model关键字指定的接触模型使用断裂几何体，接触模型必须具有属性"dip" (在3D中为"ddir")。使用fracture property 命令为断裂设置的性质提供给接触模型。这些属性是固定的，他们不会集成以前的接触，必须由用户指定才能更改其值。使用conatact-model继承逻辑指定没有在断裂中设置的contact-model 属性。可能有多个断裂切割一个接触。为了唯一地识别合适的接触模型，对DFN和断裂强加一个优先等级。如果多个断裂与接触相交，则首先检查来自最低支配值的 DFN中的断裂。在这些断裂中，具有最低支配值的断裂被确定为接触模型/属性分配的断裂。DFN 优势是使用断开创建、断开生成和断开导入命令指定的。DFN的支配是由 fracture create, fracture generate and fracture import 命令产生的。把一个DFN插入到一个PFC模型中，并且为DFN设置了 “smooth joint"接触模型。

SRM是Synthetic Rock Mass合成岩体。简单地来说，

SRM = Bonded Particle Model   Smooth-Joints

虽然不排除有些岩体是各向同性的，但大多数的岩体呈各向异性。岩体内的裂缝，节理，断层等不连续导致了岩体有可能在原岩内破坏，也有可能沿着不连续面破坏，还有可能是二者联合在一起形成的破坏。在有限元或者FLAC中，使用interface来模拟不连续，显然这种方法有局限性，UDEC和3DEC能够模拟不连续和原岩组成的模型，比使用interface进了一步。而smoothjoint 节理模型能够更好地预测这种破坏机理。建模方法是把断裂信息（即断裂几何形状和特性)叠加到BPM模型上。即BPM对完整岩石建模，通过修改断裂接触点处的接触模型引入断裂的力学行为。由于PFC模型本质上是离散的，因此破坏可能在完整的BPM区域和沿断裂面发生。

首先使用contact cmat default model linearpbond property和 contact cmat default model linearpbond method创建一个原岩模型, 然后使用平滑节理模型(smooth joint model: fracture contact-model model 'smoothjoint' install)产生节理。