专利名称：堆石坝心墙水力劈裂的数值模拟方法
技术领域：
本发明属于岩土工程中流固耦合分析技术领域，是将颗粒离散元与无网格法相结合的一种堆石坝心墙水力劈裂的数值模拟方法。
背景技术：
在众多坝型中，土石坝因其具有广泛的适应性、可就地取材、施工技术简单且抗震性能良好等优点而成为高坝的首选坝型，在坝工建设中得到了极其广泛的应用。特别是近些年，随着我国西南地区水电开发的进一步深入，在建和拟建的200 300m级高土石坝的数量在逐渐地增加。然而在高土石坝的建设中，心墙堆石坝作为土石坝中常用的坝型之一，还存在着一些亟待解决的重要问题，其中心墙的水力劈裂问题是堆石坝设计和建设中倍受关注的焦点之一。
尽管目前已有不少专家和学者通过试验和有限元数值模拟等手段，从宏观的角度研究水力劈裂的发生、发展过程及其力学机理，但至今尚未形成一致的观点，例如应采用哪一个主应力或哪些主应力的组合与心墙前外水压力进行比较作为水力劈裂的判定准则以及心墙水力劈裂常发生的部位等观点，仍存在许多争议。
发明内容
由于目前从宏观的角度研究心墙水力劈裂尚未得到一致的结论，因此本发明采用颗粒离散元与无网格相结合的方法，从细观角度研究水力劈裂的发生、发展过程，从而实现对心墙水力劈裂机理的分析和研究。本发明为堆石坝心墙水力劈裂的数值模拟方法，其步骤如下(I)根据室内平面应变试验获取实际心墙土料的应力应变曲线，建立颗粒离散元双轴数值模型；(2)根据颗粒离散元双轴试验确定的细观力学参数，建立心墙骨架颗粒模型；(3)利用连续介质模型建立流体模型，并对其控制方程进行离散；(4)利用心墙骨架颗粒模型和流体模型模拟水力劈裂(4. I)将颗粒与流体间的相互耦合力、颗粒之间的作用力之和作用于所有颗粒，利用离散元法计算并得到心墙骨架颗粒模型内部颗粒的速度、应力分布及渗透特性；初始计算时，颗粒与流体间的相互耦合力为零；(4. 2)提取步骤(4. I)计算得到的渗透特性，利用全局弱形式的无单元EFG法计算并得到渗流流体的速度、压力及颗粒与流体间的相互耦合力；所述步骤(4. 2)的利用全局弱形式的无单元EFG法对流体进行计算，还包括如下子步骤(4.2. I)选取每一固体颗粒的中心点作为场节点，并利用这组场节点对流体域进行离散；(4. 2. 2)通过离散的节点在流体域内形成用于数值积分的背景网格，将整体计算域划分为若干个积分子域；(4. 2.3)采用无单元EFG法对离散后的控制方程进行数值积分
权利要求
1.一种堆石坝心墙水力劈裂的数值模拟方法，其特征在于包括如下步骤 (1)根据室内平面应变试验获取实际心墙土料的应力应变曲线，建立颗粒离散元双轴数值模型； (2)根据颗粒离散元双轴试验确定的细观力学参数，建立心墙骨架颗粒模型； (3)利用连续介质模型建立流体模型，并对其控制方程进行离散； (4)利用心墙骨架颗粒模型和流体模型模拟水力劈裂 (4. I)将颗粒与流体间的相互耦合力、颗粒之间的作用力之和作用于所有颗粒，利用离散元法计算并得到心墙骨架颗粒模型内部颗粒的速度、应力分布及渗透特性；初始计算时，颗粒与流体间的相互耦合力为零；(4. 2)提取步骤(4. I)计算得到的渗透特性，利用全局弱形式的无单元EFG法计算并得到渗流流体的速度、压力及颗粒与流体间的相互耦合力； (4. 3)判断模型内部是否达到平衡状态，如否，回到步骤(4. I);如是，根据颗粒模型内部是否产生贯穿性裂缝，输出模型内部在指定的心墙上游水压力作用下是否发生水力劈裂的结论，结束模拟过程。
2.如权利要求I所述的堆石坝心墙水力劈裂的数值模拟方法，其特征在于所述步骤(4. 2)的利用全局弱形式的无单元EFG法对流体进行计算，还包括如下子步骤 (4. 2. I)选取每一固体颗粒的中心点作为场节点，并利用这组场节点对流体域进行离散; (4. 2. 2)通过离散的节点在流体域内形成用于数值积分的背景网格，将整体计算域划分为若干个积分子域； (4. 2.3)采用无单元EFG法对离散后的控制方程进行数值积分 —^ r+AtI 式中-A为Ui的移动最小二乘近似，O是MLS形函数，Qj为第j个积分子域； (4. 2. 4)通过循环方式，在每一个背景网格内进行数值积分，从而获得整体系统方程组的系数矩阵； (4. 2. 5)根据实际的上游水位，给心墙骨架颗粒模型施加已知的压力边界条件； (4. 2. 6)求解系统方程组，获得场节点的流速和压力。
3.如权利要求I或2所述的堆石坝心墙水力劈裂的数值模拟方法，其特征在于所述步骤(4. 2)为经步骤(4. I)循环计算m次后，提取第m次计算得到的渗透特性，利用全局弱 形式的无单元EFG法计算并得到渗流流体的速度、压力及颗粒与流体间的相互耦合力；所述m根据计算精度及模拟对象的需要确定。
全文摘要
一种堆石坝心墙水力劈裂的数值模拟方法，包括如下步骤(1)根据室内平面应变试验获取实际心墙土料的应力应变曲线，建立颗粒离散元双轴数值模型；(2)根据颗粒离散元双轴试验确定的细观力学参数，建立心墙骨架颗粒模型；(3)利用连续介质模型建立流体模型，并对其控制方程进行离散；(4)利用心墙骨架颗粒模型和流体模型模拟水力劈裂。本发明根据室内试验获取细观参数，模拟实际心墙土料的力学性能，施加心墙的应力边界条件以及堆石坝上游的实际水压力边界条件，进行数值模拟，从细观角度判定心墙是否发生水力劈裂。根据模拟结果，从施工或设计方面提出改进措施，避免心墙水力劈裂的发生，从而对实际工程具有指导意义。
文档编号G06F17/50GK102799713SQ20121021351
公开日2012年11月28日 申请日期2012年6月26日 优先权日2012年6月26日
发明者周伟, 常晓林, 杨艳, 马刚 申请人:武汉大学