吉林大学学报(地球科学版)

• 地球探测与信息技术 • 上一篇    下一篇

隧道地震预报波场的有限元数值模拟

王朝令1, 2,刘争平2,黄云艳1,黄显彬1   

  1. 1.四川农业大学土木工程学院,成都611830;
    2.西南交通大学土木工程学院,成都610031
  • 收稿日期:2013-12-12 出版日期:2014-07-26 发布日期:2014-07-26
  • 作者简介:王朝令(1980-),男,讲师,博士,主要从事地震波场数值模拟、隧道超前预报预报研究,E-mail:wong81010@gmail.com
  • 基金资助:

    国家自然科学基金项目(40874051)

Wavefield Modeling Based on the Finite Element Method for the Tunnel Seismic Prediction

Wang Zhaoling1, 2, Liu Zhengping2, Huang Yunyan1, Huang Xianbin1   

  1. 1.College of Civil Engineering, Sichuan Agriculture University, Chengdu611830, China;
    2.College of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu610031, China
  • Received:2013-12-12 Online:2014-07-26 Published:2014-07-26

摘要:

在勘探地球物理领域中,能快速、有效地数值模拟2D和3D的地震全波场,包括同时模拟P波、S波、面波多分量波场特征的软件并不是很多;但在结构力学领域中,已有多种成熟的多波多分量有限元数值模拟大型商用软件用于求解弹性本构方程,如ANSYS,PLAXIS等。从方程结构来看,弹性本构方程与完全弹性波动方程相比,只多一项对时间的一阶微分项--阻尼项。因此,调整合理的介质参数--Rayleigh系数,令阻尼项近似为0,弹性本构方程就蜕化为完全弹性波动方程。隧道地震波场是在岩体中传播,具有弹性参数较好、无常规地震勘探中覆盖层等低速带干扰等的优点,采用ANSYS软件对隧道地震波场进行数值模拟,研究了频散、阻尼与吸收边界等数值模拟的相关技术。针对介质吸收,比较了数值模拟中有无阻尼的时间记录和波场快照,对隧道地震预报来说,将阻尼系数设定为0是一种合理的假设;比较了实例中不同网格长度与频散的关系,当网格长度小于波长的1/π倍时,才能消除频散;通过由波方程的推导,引入了黏弹性边界条件,通过实例计算证明它可以有效地吸收边界反射;最后对隧道地震预报进行了实例计算,算例表明采用ANSYS软件可以有效地模拟隧道复杂地质条件下全波场的激发传播过程。

关键词: 数值模拟, ANSYS, 有限元, 隧道地震预报, 地震波场, 阻尼, 频散, 边界条件

Abstract:

In the field of exploration geophysics, the software packages that can fast and efficiently simulate 2D and 3D seismic full-wavefield, including simultaneously simulate P-wave, S-wave, and surface wave  are not very much.  In the structure mechanics, however, many sophisticated commercial software packages based on the finite element method including ANSYS and PLAXIS for  multi-wave and multi-component have been employed for the solutions of the elastic constitutive equations.  Compared to  the complete elastic wave equations, the elastic ones  include a damping term,  which is a firstorder differential term time. Therefore, by  adjusting  the parameter of  the medium, that is, the Rayleigh coefficient to make the damping to zero, the elastic constitutive equations will degenerate into full elastic wave equation. The wavefields propagating in  the rocks of a  tunnel are free of the disturbance of low velocity resulting from  the cover layer in the conventional seismic exploration. We simulated the wavefields of the tunnel seismic prediction  using the ANSYS software, and researched the  dispersion, damping and absorbing conditions etc. in the numerical modeling. For medium  absorption,  we compared time records and snapshots of the wavefields in the numerical simulation for the cases with and without the damping. In the tunnel seismic prediction, setting the damping to  zero is a reasonable assumption. By comparing  the relation of different grid length and dispersion in the numerical example, we find that the dispersion disappears when the mesh size is smaller than the wavelength of 1/π. By introducing  a viscoelastic boundary condition deduced from the wave equation,  boundary reflections can be effectively absorbed. Finally, an numerical example of the tunnel  seismic prediction shows that the  usage of the ANSYS software can effectively simulate the propagation of  waves in the complicated geological conditions.

Key words: numerical modeling, ANSYS, FEM, tunnel seismic prediction, seismic wavefield, damping, dispersion, boundary condition

中图分类号: 

  • P631.4
[1] 张波, 曹洪恺, 孙建孟, 张鹏云, 闫伟超. 稠油热采地层阵列感应测井响应特性数值模拟[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2018, 48(4): 1277-1286.
[2] 殷长春, 杨志龙, 刘云鹤, 张博, 齐彦福, 曹晓月, 邱长凯, 蔡晶. 基于环形扫面测量的三维直流电阻率法任意各向异性模型响应特征[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2018, 48(3): 872-880.
[3] 曾昭发, 霍祉君, 李文奔, 李静, 赵雪宇, 何荣钦. 任意各向异性介质三维有限元航空电磁响应模拟[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2018, 48(2): 433-444.
[4] 阮大为, 李顺达, 毕亚强, 刘兴宇, 陈旭虎, 王兴源, 王可勇. 内蒙古阿尔哈达铅锌矿床构造控矿规律及深部成矿预测[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2017, 47(6): 1705-1716.
[5] 谭家华, 雷宏武. 基于GMS的三维TOUGH2模型及模拟[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2017, 47(4): 1229-1235.
[6] 马中良, 郑伦举, 赵中熙. 不同边界条件对油页岩原位转化开采的影响及启示[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2017, 47(2): 431-441.
[7] 尹崧宇, 赵大军, 周宇, 赵博. 超声波振动下非均匀岩石损伤过程数值模拟与试验[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2017, 47(2): 526-533.
[8] 姜艳娇, 孙建孟, 高建申, 邵维志, 迟秀荣, 柴细元. 低孔渗储层井周油藏侵入模拟及阵列感应电阻率校正方法[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2017, 47(1): 265-278.
[9] 高建申, 孙建孟, 姜艳娇, 崔利凯. 侧向测井电极系结构影响分析及阵列化测量新方法[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2016, 46(6): 1874-1883.
[10] 朱传华, 王伟锋, 王青振, 李玉坤. 非均质储层三维构造应力场模拟方法[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2016, 46(5): 1580-1588.
[11] 严家斌, 皇祥宇. 大地电磁三维矢量有限元正演[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2016, 46(5): 1538-1549.
[12] 杨海燕, 岳建华, 徐正玉, 张华, 姜志海. 覆盖层影响下典型地-井模型瞬变电磁法正演[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2016, 46(5): 1527-1537.
[13] 孙建国. 高频渐近散射理论及其在地球物理场数值模拟与反演成像中的应用——研究历史与研究现状概述以及若干新进展[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2016, 46(4): 1231-1259.
[14] 王常明, 常高奇, 吴谦, 李文涛. 静压管桩桩-土作用机制及其竖向承载力确定方法[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2016, 46(3): 805-813.
[15] 刘海飞, 柳杰, 高寒, 郭荣文, 童孝忠, 麻昌英. 五极纵轴激电测深三维有限元正演模拟[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2016, 46(3): 884-892.
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