[發明專利]堆石壩心墻水力劈裂的數值模擬方法

有效

• 申請號: 201210213516.5
• 申請日: 2012-06-26
• 公開（公告）號: CN102799713A
• 公開（公告）日: 2012-11-28
• 發明（設計）人: 周偉;常曉林;楊艷;馬剛
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 溫珊姍

技術領域

本發明屬于巖土工程中流固耦合分析技術領域，是將顆粒離散元與無網格法相結合的一種堆石壩心墻水力劈裂的數值模擬方法。

背景技術

在眾多壩型中，土石壩因其具有廣泛的適應性、可就地取材、施工技術簡單且抗震性能良好等優點而成為高壩的首選壩型，在壩工建設中得到了極其廣泛的應用。特別是近些年，隨著我國西南地區水電開發的進一步深入，在建和擬建的200～300m級高土石壩的數量在逐漸地增加。然而在高土石壩的建設中，心墻堆石壩作為土石壩中常用的壩型之一，還存在著一些亟待解決的重要問題，其中心墻的水力劈裂問題是堆石壩設計和建設中倍受關注的焦點之一。

盡管目前已有不少專家和學者通過試驗和有限元數值模擬等手段，從宏觀的角度研究水力劈裂的發生、發展過程及其力學機理，但至今尚未形成一致的觀點，例如應采用哪一個主應力或哪些主應力的組合與心墻前外水壓力進行比較作為水力劈裂的判定準則以及心墻水力劈裂常發生的部位等觀點，仍存在許多爭議。

發明內容

由于目前從宏觀的角度研究心墻水力劈裂尚未得到一致的結論，因此本發明采用顆粒離散元與無網格相結合的方法，從細觀角度研究水力劈裂的發生、發展過程，從而實現對心墻水力劈裂機理的分析和研究。

本發明為堆石壩心墻水力劈裂的數值模擬方法，其步驟如下：

（1）根據室內平面應變試驗獲取實際心墻土料的應力應變曲線，建立顆粒離散元雙軸數值模型；

（2）根據顆粒離散元雙軸試驗確定的細觀力學參數，建立心墻骨架顆粒模型；

（3）利用連續介質模型建立流體模型，并對其控制方程進行離散；

（4）利用心墻骨架顆粒模型和流體模型模擬水力劈裂

（4.1）將顆粒與流體間的相互耦合力、顆粒之間的作用力之和作用于所有顆粒，利用離散元法計算并得到心墻骨架顆粒模型內部顆粒的速度、應力分布及滲透特性；初始計算時，顆粒與流體間的相互耦合力為零；

（4.2）提取步驟（4.1）計算得到的滲透特性，利用全局弱形式的無單元EFG法計算并得到滲流流體的速度、壓力及顆粒與流體間的相互耦合力；

所述步驟（4.2）的利用全局弱形式的無單元EFG法對流體進行計算，還包括如下子步驟：

（4.2.1）選取每一固體顆粒的中心點作為場節點，并利用這組場節點對流體域進行離散；

（4.2.2）通過離散的節點在流體域內形成用于數值積分的背景網格，將整體計算域劃分為若干個積分子域；

（4.2.3）采用無單元EFG法對離散后的控制方程進行數值積分

∫ΩjΦ[u^it+Δt-u^itΔt-Qi]dΩj=0]]>

式中：為u_i的移動最小二乘近似，Φ是MLS形函數，Ω_j為第j個積分子域；

（4.2.4）通過循環方式，在每一個背景網格內進行數值積分，從而獲得整體系統方程組的系數矩陣；

（4.2.5）根據實際的上游水位，給心墻骨架顆粒模型施加已知的壓力邊界條件；

（4.2.6）求解系統方程組，獲得場節點的流速和壓力。

（4.3）判斷模型內部是否達到平衡狀態，如否，回到步驟（4.1）；如是，根據顆粒模型內部是否產生貫穿性裂縫，輸出模型內部在指定的心墻上游水壓力作用下是否發生水力劈裂的結論，結束模擬過程。