[發明專利]基于軟塑黃土隧道雙排式群井降水模型的滲流模擬方法

在審

• 申請號: 202011285980.6
• 申請日: 2020-11-17
• 公開（公告）號: CN112364543A
• 公開（公告）日: 2021-02-12
• 發明（設計）人: 宋浩;張曉宇;畢煥軍;曹峰;周泉;夏萬云
• 申請（專利權）人: 中鐵第一勘察設計院集團有限公司
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F17/11
• 代理公司: 西安新思維專利商標事務所有限公司 61114
• 代理人: 李罡

1.基于軟塑黃土隧道雙排式群井降水模型的滲流模擬方法，其特征在于：

所述方法包括以下步驟：

S1、以軟塑黃土作為試驗對象，依據水文地質參數、工程地質參數，建立三維軟塑黃土地質體并離散網格；

S2、以黃土作為彈性材料，有限元網格單元特征分析和滲流模型計算格式建立；

S3、考慮不同降水條件下的網格穩態井模型及地下水位變化；

S4、對建立的地下水滲流與雙排式降水井耦合模型進行求解，并對不同涌水量、滲透系數進行地下水位參數敏感性分析。

2.根據權利要求1所述的基于軟塑黃土隧道雙排式群井降水模型的滲流模擬方法，其特征在于：

步驟S2包括以下步驟：

彈性材料的線彈性分析中使用的基本方程中的平衡方程式如下：

Ku＝p (1)

式中符號定義：K為結構的剛度矩陣，u為位移向量，p為荷載向量或不平衡力向量；

以彈性材料作為模型基礎，在荷載作用下產生的總應變包括彈性應變和塑性應變：

ε＝ε^e+ε^p (2)

式中符號定義ε為總應變，ε^e為彈性應變，ε^p為塑性應變；

應力由應變變化率的彈性部分決定，即標準塑性本構方程：

dσ＝D^e(dε-dε^p)＝D^e(dε-dλa) (3)

式中，D^e為彈性剛度矩陣，微小的應變變化率如下：

dσ＝Cdε-dλCa (4)

采用牛頓-拉普森方法進行迭代計算，使用協調剛度矩陣加快收斂速度：

且，

3.根據權利要求2所述的基于軟塑黃土隧道雙排式群井降水模型的滲流模擬方法，其特征在于：

步驟S3包括以下步驟：

滲流理論的基本方程式如下：

式中符號定義：H為總水頭，k_x為x方向的滲透系數，k_y為y方向的滲透系數，k_z為z方向的滲透系數，Q為流量，θ為體積含水率，t為時間；

該方程意味著任意位置、任意時刻微小體積的流入和流出的變化量與體積含水率的變化量相同，x、y、z方向的流量變化與外部流量之和與體積含水率的變化相同；

標高一定時，對時間的導函數為零，變成下面的方程：

使用加重殘差的伽遼金法表現基本方程的有限元方程式如下：

∫([B]^T[C][B])dV{H}+∫(λN^TN)dV{H}t＝q∫(N^T)dA (10)

式中符號定義：[B]為動水坡度矩陣，[C]為單元滲透系數矩陣，{H}為節點水頭向量，N為形函數向量，q為單元邊上的單位流量λ＝m_wγ_w為非穩定流的阻流項，為隨時間變化的水頭；

非穩定流分析的有限元解是時間的函數，時間的積分使用有限差分方法；有限元方程式使用有限差分法表達如下：

(ωΔt[K]+[M]){H₁}＝Δt((1-ω){Q₀}+ω{Q₁})+([M]-(1-ω)Δt[K]){H₀} (11)

式中符號定義：Δt為時間增量，ω：0-1之間的比值，{H₁}為時間增量結束時的水頭，{H₀}為時間增量開始時的水頭，{Q₁}為時間增量結束時節點流量，{Q₀}為時間增量開始時節點流量，{K}為單元特性矩陣，{M}為單元質量矩陣；

MIDAS/GTS使用后退差分法，該方法的ω取1.0；非穩定流分析的有限元方程式的ω為1.0，所以

(Δt[K]+[M]){H₁}＝Δt{Q₁}+[M]{H₀} (12)。