一种复杂裂隙岩体地下水防渗数值模拟的网格剖分方法

本发明属于地下水防渗数值模拟，尤其涉及一种复杂裂隙岩体地下水防渗数值模拟的网格剖分方法。

背景技术：

1、裂隙岩体防渗对于边坡、地下工程及基础岩土体的承载能力有显著的制约作用，地下水防渗是裂隙岩体防渗中的一个关键考虑因素。尤其在地下工程中，地质存在大量的断层和随机节理裂隙，大多数小尺度裂隙深埋于岩体内部而无法直接观测，其空间分布非常复杂、数量众多、尺度各异、几何与物理参数存在不确定性。为了了解裂缝网络如何影响流体的流动和输运，催生了不同的方法来模拟裂隙岩石的流动，其中，离散裂缝网络模型通过明确地使用从地质现场调查中获得的信息来表示单个特征的几何形状和性质，对单个裂缝进行网格化计算，并在得到的网络上明确求解渗流方程，实现了精细化模拟。而复杂裂隙岩体的网格剖分在岩土体工程多场耦合数值模拟中扮演着重要角色，网格剖分质量直接决定了多场耦合数值模拟的计算结果和效率。

2、通过数值离散方法，建立高质量的共形网格是模拟地下水流动情况的重要前提，由于复杂裂隙的存在，模型离散生成共形网格非常困难，并且易出现病态网格，病态网格的存在增加了数值模拟的误差，并导致奇异点的出现。生成高质量的共形网格不仅能提升计算结果的精度，还可以在一定程度上简化计算，提高计算速度。学者们在模型共形网格剖分方面进行了大量研究，文献《a gabriel-delaunay triangulation of 2d complexfractured media for multiphase flow simulations》通过放松模型中的约束来避免不良网格的生成，但未解决复杂的网络模型，详见mustapha，2014a；mustapha&dimitrakopoulos，2011。文献《a multi-level adaptive mesh refinement for anintegrated finite element/level set formulation to simulate multiphase flowswith surface tension》通过向低质量网格添加点来细化网格，然而这会导致数值计算耗时长或者计算不收敛的问题，具体参见ngo,l.c.,&choi,h.g.(2020).a multi-leveladaptive mesh refinement for an integrated finite element/level setformulation to simulate multiphase flows with surface tension.computers andmathematics with applications,79(4),908–933。

3、综上，现有技术主要存在的问题有：(1)网格剖分考虑约束不能解决复杂裂隙模型的离散；(2)形成高质量的网格需要耗费一定的计算时间，并且大程度的改变了裂隙约束的原本路径，因此难以实现地下水防渗的精细化模拟，导致计算结果不精确。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种复杂裂隙岩体地下水防渗数值模拟的网格剖分方法。

2、本发明解决所述技术问题采用如下的技术方案：

3、一种复杂裂隙岩体地下水防渗数值模拟的网格剖分方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

4、步骤1：构建复杂裂隙岩体几何模型，模型的边界和模型中的地质断层或随机节理裂隙均视为线图形，根据线图形的位置关系获得模型的二维固定点；

5、步骤2：对线图形进行离散处理，得到模型的一维固定点和一维约束；将模型的二维固定点和一维固定点均作为节点，计算节点间的距离；若节点间的距离小于最小特征拒判距离，则将两个节点合并为一个；修正被合并节点的连接方式，同时修正模型的一维约束；

6、步骤3：以最小网格尺寸为间距，在模型区域内均匀布置节点，根据节点的位置概率删除部分节点；根据德洛内三角剖分方法，由被保留的节点生成三角网格，并对三角网格的节点进行位置调整；再考虑模型的一维约束，由位置调整后的所有节点以及模型边界，使用考虑约束的德洛内三角剖分方法生成三角网格，得到网格集合t0；

7、步骤4：计算三角网格的质量得分，通过减少和增加节点的方式优化网格；

8、步骤4.1：根据式(6)计算网格集合t0中各个三角网格的质量得分，若三角网格的质量得分小于质量评估阈值，则是低质量三角网格；

9、

10、其中，q表示三角网格的质量得分，rin表示三角网格的内切圆半径，rout表示三角网格的外接圆半径，a,b,c分别表示三角网格的三条边长；

11、步骤4.2：删除所有低质量三角网格的最大内角对应的节点，再由当前被保留节点重新生成三角网格，得到网格集合t1；

12、步骤4.3：根据式(6)计算网格集合t1中所有三角网格的质量得分，将三角网格的质量得分视为三角网格中心位置的质量得分，对于网格集合t1中的低质量三角网格δ1，低质量三角网格δ1的中心位置记为点o1，通过插值方法得到网格集合t0中与点o1位置相同的点o0的质量得分，若点o1的质量得分低于点o0的质量得分，则恢复步骤4.2中相应被删除的节点；再由当前被保留节点重新生成三角网格，得到网格集合t2；

13、步骤4.4：根据式(6)计算网格集合t2中所有三角网格的质量得分，对于网格集合t2中的低质量三角网格，在低质量三角网格的中心位置增加一个节点，再由当前被保留的节点重新生成三角网格，得到网格集合t3；

14、根据式(6)计算网格集合t3中所有三角网格的质量得分，若质量得分大于等于质量评估阈值，则保留三角网格；若质量得分低于质量评估阈值，则删除低质量三角网格所有的边，此时与被删除低质量三角网格共边的三角网格剩余的边共同形成一个多边形空白区域，在该多边形空白区域内重新生成三角网格，直至重新生成的三角网格的质量得分大于等于质量评估阈值；至此，完成复杂裂隙岩体地下水防渗数值模拟的网格剖分。

15、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

16、1.在模型离散方面，根据最小特征拒判方法对间距小的两个节点进行合并，节省计算成本；在节点合并过程中考虑几何因素，确保模型边界不被改变以及线图形的长度、倾角以及连通性，避免生成劣质网格，同时将裂隙线段上的节点合并到模型边界的节点上，在保障模型边界位置的同时，解决边界位置劣质网格问题。在生成网格后进行质量评估，并通过减少和增加节点的方式优化网格，进一步保证模型中网格的整体质量。本发明考虑的约束，不仅有固定点的约束，更包括线段约束。

17、2.在数值模拟方面，本发明只进行局部约束的修正，不仅保证了模型的整体原型，而且能够解决复杂裂隙网络模型的离散问题，相较于传统的全局近似约束和增加节点数量方法，本发明的网格质量高，避免裂隙被截断，使得模拟结果更加接近真实结果，因此能够更加真实地模拟地下水渗流的非连续性和非均匀性，为更精确的计算地下水防渗效率提供高精度计算模型。对于裂隙网络信息，本发明从地质勘探图中获取裂隙的尺寸、走向、倾角等数据，根据实际情况构建复杂裂隙岩体几何模型。