开采诱导岩质边坡变形破坏的离散元模拟方法及装置

本技术涉及数值模拟，特别涉及一种开采诱导岩质边坡变形破坏的离散元模拟方法及装置。

背景技术：

1、滑坡的发生严重威胁人类的生命财产安全，破坏资源和环境，并制约着我国基础设施的发展。由开采诱导边坡的变形与破坏问题备受岩土工程界等各界的关注。随着科技的进步以及对理论的不断探索，分析开采诱导边坡变形与破坏的方法由早期的极限平衡法发展到了近年来的被广泛应用的数值分析法。岩质边坡中由于结构面的存在，导致岩质边坡的不连续性和不均匀性。尽管人们采用各种方法进行等效和简化，但仍然不能真实地反应岩质边坡的特性，因此基于有限元和有限差分的方法对于非连续性问题的模拟效率不高。

2、之后经过不断地发展，人们对岩质边坡的研究，更多地采用离散元的方法。离散元法可以模拟边坡发生局部失稳破坏后仍能进行计算，进而可以预测到边坡如何进一步发生破坏，滑面形态等，因此在利用数值计算方法分析开采诱导的岩质边坡的变形与破坏问题，常采用能够很好刻画结构面的块体离散元法。

3、但在对开采诱导复杂岩质边坡的变形与破坏进行分析时，如何衡量某个复杂岩质边坡发生变形破坏，或者某个岩质边坡何时发生破坏仍是一个难题。开采诱导岩质边坡发生变形破坏时不像土质边坡发生变形破坏时存在明显的滑动带，并且存在塑性贯通区。因此，本发明提出了新的基于能量分析的离散元方法，用于衡量开采诱导岩质边坡的变形与破坏。该方法不再拘泥于传统的准则，不再需要提前确定潜在滑动面。

4、人们对开采诱导岩质边坡变形破坏以及稳定性进行分析研究，采用的方法主要是定性分析方法和定量分析方法两种。定性分析方法是研究人员根据实际的地质条件、地形地貌等数据资料，对边坡的变形破坏及稳定性进行评价分析。其种定性分析的方法主要包括工程地质类比法、工程地质分析法、赤平极射投影法等。

5、定量分析法是根据研究区域的地形地质特征，建立计算模型，确定计算参数，分析边坡在各种应力作用下的变形破坏及稳定性。相比定性分析方法，定量分析法更快速更精确。常用的定量分析法主要包括极限平衡法和数值模拟法。

6、目前，一些机器学习方法也已经被应用于研究开采诱导边坡的变形与破坏及稳定性，如人工神经网络(artificialneutralnetwork，ann)、支持向量机(supportvectormachine，svm)、高斯过程(gaussian process，gp)等。机器学习具有快速、高效的优点，能同时考虑边坡失稳的多个影响因素，是目前较为流行的一类分析方法。

7、极限平衡法适用于具有单一滑面的岩土体。利用极限平衡方法评价岩质边坡稳定性时，虽然在精度上基本能够满足一般工程的要求，但是这类方法考虑因素较为单一，并不能够展现边坡的变形破坏过程。

8、岩质边坡中由于结构面的存在，导致岩质边坡的不连续性和不均匀性。尽管人们采用各种方法进行等效和简化，但仍然不能真实地反应岩质边坡的特性。基于有限元和有限差分的方法对于非连续性问题的模拟效率不高，对于一些岩质边坡，边坡的结构面参数较低，且岩性较好时，应将岩体视为刚性体，坡体通常因为这些结构面的扩展而失稳，同时，岩块可能发生翘起、倒转、翻滚等现象，这些均属非连续性的研究范畴，有限元软件不能较好的模拟坡体的非连续变形，因此对此类岩质边坡有限元法适用性较差。

9、块体离散元法能够很好地突出岩体中结构面的特征，但需要提前确定潜在滑动面，而对于有些岩质边坡而言，很难确定或者难以衡量某个复杂岩质边坡发生变形破坏的程度。在对开采诱导复杂岩质边坡的变形与破坏进行分析时，如何衡量某个复杂岩质边坡发生变形破坏，或者某个岩质边坡何时发生破坏仍是一个难题。因为开采诱导岩质边坡发生变形破坏时不像土质边坡发生变形破坏时存在明显的滑动带，并且存在塑性贯通区。

10、综上所述，相关技术需提前确定潜在滑动面的位置，而对于部分岩质边坡而言，难以确定或找到明显的潜在滑动面，亟待解决。

技术实现思路

1、本技术提供一种开采诱导岩质边坡变形破坏的离散元模拟方法及装置，以解决对于部分岩质边坡而言，相关技术难以衡量某个复杂岩质边坡发生变形破坏的程度等问题。

2、本技术第一方面实施例提供一种开采诱导岩质边坡变形破坏的离散元模拟方法，包括以下步骤：获取选定的目标区域的概况信息；基于所述概况信息，采用midas/gts软件生成模型，并导入至3dec块体离散元软件中，并在所述3dec块体离散元软件中添加多组关键节理，生成最终计算模型，且获得岩体和结构面的物理力学参数及设置边界条件；利用所述最终计算模型、所述物理力学参数及所述边界条件，采用预设本构模型对岩质边坡进行数值模拟；基于模拟结果，构建关于能量的时间序列，计算重力所做的功的平均值、标准差和变异系数，生成迭代次数与能量变异系数的关系曲线；以及根据所述关系曲线确定岩质边坡发生变形与破坏的时间，并分析和评价所述岩质边坡的变形破坏情况。

3、可选地，在本技术的一个实施例中，所述基于所述概况信息，采用midas/gts软件生成模型，并导入至3dec块体离散元软件中，并在所述3dec块体离散元软件中添加多组关键节理，生成最终计算模型，包括：根据研究区域的工程报告对实际地质条件进行简化；根据所述目标区域的地质和地形图提取地表等高线，并将所述等高线作为依据，在所述midas/gts软件中生成地表，并进行网格划分；利用预设的接口程序将三角网格生成棱柱，导入所述3dec块体离散元软件中，建立初始地质模型；向所述初始地质模型添加所述多组关键节理组，得到所述最终计算模型。

4、可选地，在本技术的一个实施例中，所述采用预设本构模型对岩质边坡进行数值模拟，包括：采用莫尔-库仑模型，每隔相同预设迭代间隔的sd/mean，绘制每层开挖对应的迭代次数与sd/mean之间的关系，并获取边坡的每个状态的位置与体积。

5、可选地，在本技术的一个实施例中，所述构建关于能量的时间序列，包括：对所有岩块的位置和体积数据进行数据清理；计算重力作用下的能量，构建所述关于能量的时间序列。

6、本技术第二方面实施例提供一种开采诱导岩质边坡变形破坏的离散元模拟装置，包括：获取模块，用于获取选定的目标区域的概况信息；第一生成模块，用于基于所述概况信息，采用midas/gts软件生成模型，并导入至3dec块体离散元软件中，并在所述3dec块体离散元软件中添加多组关键节理，生成最终计算模型，且获得岩体和结构面的物理力学参数及设置边界条件；模拟模块，用于利用所述最终计算模型、所述物理力学参数及所述边界条件，采用预设本构模型对岩质边坡进行数值模拟；第二生成模块，用于基于模拟结果，构建关于能量的时间序列，计算重力所做的功的平均值、标准差和变异系数，生成迭代次数与能量变异系数的关系曲线；以及评价模块，用于根据所述关系曲线确定岩质边坡发生变形与破坏的时间，并分析和评价所述岩质边坡的变形破坏情况。

7、可选地，在本技术的一个实施例中，所述第一生成模块包括：简化单元，用于根据研究区域的工程报告对实际地质条件进行简化；划分单元，用于根据所述目标区域的地质和地形图提取地表等高线，并将所述等高线作为依据，在所述midas/gts软件中生成地表，并进行网格划分；导入单元，用于利用预设的接口程序将三角网格生成棱柱，导入所述3dec块体离散元软件中，建立初始地质模型；添加单元，用于向所述初始地质模型添加所述多组关键节理组，得到所述最终计算模型。

8、可选地，在本技术的一个实施例中，所述模拟模块包括：绘制单元，用于采用莫尔-库仑模型，每隔相同预设迭代间隔的sd/mean，绘制每层开挖对应的迭代次数与sd/mean之间的关系，并获取边坡的每个状态的位置与体积。

9、可选地，在本技术的一个实施例中，所述第二生成模块包括：清理单元，用于对所有岩块的位置和体积数据进行数据清理；计算单元，用于计算重力作用下的能量，构建所述关于能量的时间序列。

10、本技术第三方面实施例提供一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如上述实施例所述的开采诱导岩质边坡变形破坏的离散元模拟方法。

11、本技术第四方面实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上的开采诱导岩质边坡变形破坏的离散元模拟方法。

12、由此，本技术的实施例具有以下有益效果：

13、本技术的实施例可通过选定研究区，获取研究区概况；采用midas/gts软件并根据研究区的地形等高线建立地表，并进行网格划分，通过特定的接口将midas/gts中生成的模型导入3dec(3dimension distinct element code，三维离散单元法程序)块体离散元软件中，在3dec中添加多组关键节理，将模型划分为多个区域并生成最终的计算模型，同时获得岩体和结构面的物理力学参数，设置边界条件；采用本构模型对岩质边坡进行数值模拟；构建关于能量的时间序列，进行开采诱导节理岩质边坡变形与破坏分析。本技术的实施例无需提前确定潜在滑动面的位置，并且综合考虑了岩块的位移与质量，适用于简单和复杂的由开采诱导的节理岩质边坡，以及潜在滑动面位置较难确定的由开采诱导的节理岩质边坡。由此，解决了对于部分岩质边坡而言，相关技术难以衡量某个复杂岩质边坡发生变形破坏的程度等问题。

14、本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。