一种管涌现象的数值分析方法
【专利摘要】本发明公开了一种管涌现象的数值分析方法，包括步骤：基于流体动力学相似准则结合介质对流体的相间力作用项，获得渗透变形相似准则；基于渗透变形相似准则结合颗粒流方法建立细观颗粒模型；所述模型满足重力水平与原型一致，以及颗粒级配缩放且保持相同孔隙率条件下随机生成骨架及填充颗粒；对模型进行管涌过程模拟，在模型内填充颗粒达到平衡状态或骨架颗粒发生破坏时将模型内参数信息输出；将所述渗透变形相似准则与模型内参数信息结合获得实际数值，反馈至原型以分析管涌现象。本发明符合达西和非达西定律，在同时存在两种流态时模型均能够对原型进行真实描述，克服了常规模型或离心试验不能实现颗粒粒径与模型同比缩放的难题、分析准确。
【专利说明】一种管涌现象的数值分析方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种管涌现象的数值分析方法，属于土木工程【技术领域】。
【背景技术】
[0002]中国是世界上遭受洪水灾害最为严重的国家之一，长江中下游平原区洪灾尤为频繁、严重。堤防的破坏包括管涌、漫顶、崩岸和整体失稳等各种形式，大量洪灾资料表明，堤基管涌危害最大，堤坝发生管涌破坏时，渗流场具有强烈的空间特性，目前对管涌发展过程的渗流场空间性状方面的研究较少，归其原因，一方面，因为当前对管涌发生机理的认识还不够深入；另一方面，由于工程水力条件的复杂性，对渗流场的分析较为困难。
[0003]当前，工程界和理论界对管涌问题的研究多偏重于对土的抗渗性能方面研究，然而随着管涌研究工作的开展，对渗流场具有强烈的时空特性已逐渐达成一种共识。如能描述渗流过程中材料几何特性和水力特性的复杂变化，得到水头、水力梯度、颗粒位移场和孔隙率等量的动态变化，则将为管涌过程的研究提供强有力的支持。
[0004]本发明之前，对管涌的研究分为理论研究、室内试验以及数值试验研究，而渗透变形试验中一般假定渗流过程符合达西定律，当域内出现非达西渗流时，采用常规模型或离心模型获得的结论与原型存在一定的偏离。在离心试验中，如采用缩小的颗粒粒径进行试验会面临一个问题:原型颗粒直径范围在砂土范围内，而粒径与模型长度比尺同比缩小后，粒径可能已经处于粘土范围，而粘土和砂土中发生渗流现象时，土与水之间的作用力面临较大的差别，粘土表面可能存在强弱结合水的作用，而砂土中则不会存在这种情况，也即采用同比缩小粒径的方法虽然机理上实现了相似，但是细观范畴的物理、化学作用的影响很可能使得结果和预期差别较大；同时采用缩尺关系选择，在保证模型与原型级配相似的同时并不能消除原型土与模型之间的力学性质差异；特别是在选用满足特定条件的流体时面临较大的困难。针对管涌的数值分析大多采用有限元模拟渗流场，连续性方法对管涌发生前相对稳定渗流阶段的模拟可行，当达到临界状态后，无法考虑颗粒流失引起的土体几何特性和水力特性相互影响的这种复杂水土相互作用，故无法全面解释管涌发生机理。管涌产生过程中复杂的水土相互作用决定了管涌的发展是一个非线性的动态过程，目前尚无公认的最合适的研究方法与理论。已有学者开始尝试利用显微摄像可视化跟踪技术结合数字图像识别分析手段，对砂土管涌的整个过程进行跟踪记录，从细观层面揭示水土相互作用贯穿于管涌发展的全过程，然而该技术仅局限于室内试验层面，对于实际管涌渗透破坏过程的分析尚不具备适应性。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种准确便捷的、能真实反映实际管涌渗透破坏过程的一种管涌现象的数值分析方法，基于现有流体动力学相似准则，考虑达西-非达西状态下介质与流体间的相间力作用，基于完备的多孔介质流体动力学方程推导渗透破坏相似准则，给出砂土发生渗透变形时遵循的相似准则，使得当计算区域内出现达西、非达西渗流，或域内同时存在该两种流态时模型均能够对原型进行真实描述。
[0006]本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题:
[0007]—种管涌现象的数值分析方法，包括以下步骤:
[0008]步骤(1)、基于流体动力学相似准则结合介质对流体的相间力作用项，通过引入扩展的D-B-F方程考虑渗流的达西-非达西效应，获得砂土发生渗透变形时遵循的相似准则；
[0009]步骤(2)、基于渗透变形相似准则结合颗粒流方法建立与原型相似的细观颗粒模型；所述细观颗粒模型满足重力水平与原型一致，以及在细观颗粒模型中按照与原型相同的颗粒级配曲线将原型土样颗粒按渗透变形相似准则缩放且保持相同孔隙率条件下随机生成骨架及填充颗粒；
[0010]步骤(3)、对所述细观颗粒模型进行管涌过程模拟，在模型内填充颗粒达到平衡状态或骨架颗粒发生破坏时将模型内参数信息输出；
[0011]步骤(4)、将所述渗透变形相似准则与模型内参数信息结合获得实际数值，并将实际数值反馈至原型，以分析管涌现象。
[0012]进一步地，作为本发明的一种优选技术方案:所述步骤(1)砂土发生渗透变形时
遵循的相似准则为:
【权利要求】
1.一种管涌现象的数值分析方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤(1)、基于流体动力学相似准则结合介质对流体的相间力作用项，通过引入扩展的D-B-F方程考虑渗流的达西-非达西效应，获得砂土发生渗透变形时遵循的相似准则； 步骤(2)、基于渗透变形相似准则结合颗粒流方法建立与原型相似的细观颗粒模型；所述细观颗粒模型满足重力水平与原型一致，以及在细观颗粒模型中按照与原型相同的颗粒级配曲线将原型土样颗粒按渗透变形相似准则缩放且保持相同孔隙率条件下随机生成骨架及填充颗粒； 步骤(3)、对所述细观颗粒模型进行管涌过程模拟，在模型内填充颗粒达到平衡状态或骨架颗粒发生破坏时将模型内参数信息输出； 步骤(4)、将所述渗透变形相似准则与模型内参数信息结合获得实际数值，并将实际数值反馈至原型，以分析管涌现象。
2.根据权利要求1所述管涌现象的数值分析方法，其特征在于:所述步骤(1)砂土发
生渗透变形时遵循的相似准则为:
3.根据权利要求1或2所述管涌现象的数值分析方法，其特征在于:所述步骤(2)中细观颗粒模型按渗透变形相似准则缩放满足:颗粒粒径与模型同比缩放和流体密度与模型尺寸同比缩放、粘滞系数比尺为模型比尺的平方。
4.根据权利要求3所述管涌现象的数值分析方法，其特征在于:所述步骤(3)中模型内参数变化数据包括模型内颗粒速度、应力分布、流量、流速、压力数据。
5.根据权利要求1所述管涌现象的数值分析方法，其特征在于:所述步骤(4)将所述渗透变形相似准则与模型内参数变化数据结合获得与原型一致的临界水力梯度，并参照通过渗透变形相似准则获得的与惯性时间一致的时间比尺分析管涌过程。
【文档编号】G06F19/00GK104021277SQ201410202868
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年5月14日 优先权日:2014年5月14日
【发明者】倪小东, 赵帅龙, 王媛 申请人:河海大学