吉林大学学报(地球科学版)

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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

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[1] 夏英杰, 陈华斌, 陈健, 姚明宇, 杨海. 不同施工参数下深层页岩水力压裂数值模拟[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2026, 56(3): 924-936.
[2] 涂君汕, 陈辉, 邓居智, 陈康, 李焱, 余辉. 水库堤坝对高密度电法的影响及校正技术[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2026, 56(3): 1013-1025.
[3] 束龙仓, 位书静, 澈丽木格, 温中琦, 刘波. 西辽河平原生态输水的地下水响应及不确定性量化[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2026, 56(2): 647-660.
[4] 张阳阳, 杜威. 基于超收敛单元片梯度恢复的自适应有限元法音频大地电磁正演[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2026, 56(2): 673-683.
[5] 黄兴国, 翁央央, 韩丽. 基于广义递归卷积的孔隙黏弹地震波正演模拟[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2026, 56(1): 377-385.
[6] 周柳湘, 余思琴, 陈俊华, 刘城, 陈义, 张鑫鑫, . 潜孔锤与冲击钻机联合钻进工艺成孔碎岩过程数值模拟[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2025, 55(5): 1608-1618.
[7] 苑成旺, 张敏, 张少龙, 秦磊, 郭海洋, 墨海滢, 信旸. 长春地铁基坑支护结构变形与地表沉降特征[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2025, 55(3): 879-892.
[8] 于子望, 卢帅屹, 白林, 郑天琪. CO2地质封存岩石力学问题研究进展[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2025, 55(3): 930-942.
[9] 程瑶, 陆丹丹, 赵龙飞.

微波加热油页岩储层的热响应 [J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2025, 55(2): 387-400.

[10] 刁国君, 何昕.

地铁明挖车站下穿越既有建筑物的局部暗扩挖施工关键技术 [J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2025, 55(2): 536-549.

[11] 李航, 孙宇航, 李佳慧, 李学贵, 董宏丽, .

基于波动方程的地震波数值模拟研究综述 [J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2025, 55(2): 627-645.

[12] 蔺学旻, 肖红琳. 缝洞型储层声波远探测测井响应模拟及应用——以塔河油田碳酸盐岩缝洞型储层为例[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2025, 55(1): 312-327.
[13] 魏虹羽, 李世超, 王伟安. 地球动力学数值模拟算法的应用现状与展望[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2025, 55(1): 98-124.
[14] 吴泽坤, 何来胜, 白晓宇, 麻栋栋, 牛永昌, 赵广, 桑松魁, 闫楠, 张明义. 层状土中静压桩连续贯入现场试验与数值模拟[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2024, 54(4): 1291-1304.
[15] 庞志超, 肖华, 毛晨飞, 陈国军, 梁琬坤, 高明, 张啸. 准噶尔盆地南缘地区含膏质地层岩性特征及测井识别方法[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2024, 54(4): 1419-1431.
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[1] 吴远坤, 刘成林, 于春勇. 松辽盆地双城断陷深层原油成藏模式[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2024, 54(5): 1443 -1456 .
[2] 马荣,石建省,刘继朝. 人工内分泌网络模型在水文地质参数研究中的应用[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2013, 43(3): 914 -921 .
[3] 李宁, 王成文. 东北及邻区晚古生代地层接触关系与佳-蒙地块的形成和演化[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2017, 47(5): 1331 -1340 .
[4] 胡大千,初凤友,姚 杰. 中太平洋YJA海山富钴结壳矿物组成与元素地球化学[J]. J4, 2006, 36(01): 32 -0037 .
[5] 姜 雪, 程日辉,于民凤. 裂谷地层的气候和构造控制:Zscape模型分析与在松辽盆地北安断陷的应用[J]. J4, 2006, 36(01): 54 -0059 .
[6] 李春柏,张新涛,刘 立,任延广,孟 鹏. 布达特群热流体活动及其对火山碎屑岩的改造作用--以海拉尔盆地贝尔凹陷为例[J]. J4, 2006, 36(02): 221 -0226 .
[7] 孟宪纲,薄万举,刘志广,刘勇,畅柳,李朝柱,王子平. 芦山7.0级地震与巴颜喀拉块体中东段的活动性[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2014, 44(5): 1705 -1711 .
[8] 陈欢庆, 梁淑贤, 舒治睿, 邓晓娟, 彭寿昌. 冲积扇砾岩储层构型特征及其对储层开发的控制作用——以准噶尔盆地西北缘某区克下组冲积扇储层为例[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2015, 45(1): 13 -24 .
[9] 贾大成,邢立新, 潘 军, M. J. van Bergen, H. van Roermund. 伊通上地幔剪切带捕虏体中富铝尖晶石的地球化学特征[J]. J4, 2006, 36(04): 497 -502 .
[10] 谢忠雷,杨佰玲,包国章,董德明. 茶园土壤不同形态镍的含量及其影响因素[J]. J4, 2006, 36(04): 599 -604 .