CN111159907A - 一种暴雨作用下的边坡模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种暴雨作用下的边坡模拟方法，具体为：S1：利用OpenFOAM中的不可压缩流程序对暴雨渗流场进行建模，获得暴雨渗流场模型，利用LIGGGHTS建立边坡的土体颗粒模型；S2：将暴雨渗流场模型和土体颗粒模型导入耦合库CFDEM并设置各自的设置耦合时间步长，耦合至边坡稳定或耦合时长达到所设时间步长，获得耦合结果；S3：利用可视化后处理软件Paraview查看和分析耦合结果；其中，在LIGGGHTS中通过稳定判断命令流判断边坡是否稳定。与现有技术相比，本发明具有客观性强、准确性高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及暴雨入渗边坡工况模拟技术，尤其是涉及一种暴雨作用下的边坡模拟方法。
背景技术
随着社会经济水平提高，岩土工程也有了进一步发展，岩土工程数量不断增多，但同时施工难度不断加大，而且还在一定程度上对岩石边坡造成破坏，影响边坡的稳定性，因此需对边坡的稳定性进行分析。在岩土工程中，自然降水对边坡的稳定性影响最大，不同的降水量对边坡的影响也不一样，当雨水渗透到土体中，会促使土体空隙压力逐渐呈上升趋势而土体的应力下降，边坡稳定性下降，在暴雨情况下更为严重。
目前岩土领域数值计算最常用的方法是有限元法，形成了相当成熟的理论体系，但有限元法假定变形连续，因此无法模拟裂缝等断裂问题；另外如果单元遭遇大变形，有限元法的计算结果也不准确，尤其是在模拟土体这种散体材料时，有限元不能真实反映土体颗粒的物理力学性质，因此离散元更适合模拟岩土领域问题。
传统离散元流固耦合模拟如PFC和FLAC耦合、PFC和FLUENT耦合只能模拟流体对颗粒的作用，模拟效果不佳，无法反映真实场景，同时上述软件都只能采用软件内的现有命令流，操作的局限性大，而且模拟的时长和结束条件很大程度上依靠人为主观判断，准确性不高，操作盲目性大。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种暴雨作用下的边坡模拟方法，客观性强、准确性好。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种暴雨作用下的边坡模拟方法，具体为：
S1：利用OpenFOAM中的不可压缩流程序对暴雨渗流场进行建模，获得暴雨渗流场模型，设置速度和压力边界条件，利用LIGGGHTS建立边坡的土体颗粒模型，设置土体参数；
S2：将暴雨渗流场模型和土体颗粒模型导入耦合库CFDEM，所述的土体颗粒模型的耦合时间步长为0.0001，所述的暴雨渗流场模型的耦合时间步长为0.005，在CFDEM项目目录下打开终端，输入./Allrun.sh，耦合至边坡稳定或耦合时长达到所设时间步长，获得耦合结果，过程中将CFD和DEM文件夹中的运行结果导入可视化后处理软件Paraview，查看和分析实时耦合状态；
S3：利用可视化后处理软件Paraview查看和分析耦合结果；
其中，通过改变暴雨渗流场模型的速度和压力边界条件以及边坡坡角进行边坡稳定性分析，所述的速度和压力边界条件对应为暴雨雨水的入渗速度，通过稳定判定命令流判定该特定状态下的边坡是否处于稳定状态。
进一步地，如果在耦合时长达到所设时间步长前边坡稳定并且边坡的位移在安全范围内，判定在对应的暴雨渗流场模型下边坡安全稳定，如果在耦合时长达到所设时间步长前边坡稳定并且边坡的位移超出安全范围，判定在对应的暴雨渗流场模型下边坡失稳，需要加固措施，如果在耦合时长达到所设时间步长后边坡仍未稳定，判定在对应的暴雨渗流场模型下边坡失稳，需要采取加固措施，安全范围由工程规范确定。
其中，在LIGGGHTS中加入稳定判断命令流以判断边坡是否稳定，所述的稳定判断命令流具体为：
当边坡满足以下2个条件即判定为稳定状态：
其中，Ep为土体颗粒模型的重力势能，M为土体颗粒模型的质量，Cg为全局稳定临界值，<vmax>100为土体颗粒模型内速度最大的100颗粒的速度平均值，dmax为土体颗粒模型内颗粒的最大直径，Cl为局部稳定临界值。
进一步地，所述的暴雨渗流场模型的流体参数设置过程具体为：设置边界以及边界的速度或压强大小，在transportProperties文件中设置水的运动粘度nu为1.3e-6；所述的边界包括固定边界wall、速度进口边界inlet、压力出口边界outlet和空边界empty；
所述的土体颗粒模型的土体参数设置具体为：atom_style选择granular，pair_style选择gran model hertz tangential history rolling_friction cdt，全局参数中杨氏模量youngsModulus设为5e6，泊松比possionsRation设为0.3，恢复系数coefficientRestitution设为0.75，摩擦系数coefficientFriction设为0.8，滚动摩阻系数coefficientRollingFriction设为0.5。
进一步地，利用Paraview获取耦合结果的位移场图、流场速度场图和渗流力图。
进一步地，所述的耦合结果包括CFD和DEM文件夹中的运行结果。
进一步地，步骤S2中耦合的具体过程为：
S201：利用LIGGGHTS计算颗粒的位置与速度，CFDEM确定每个颗粒所在的单元的体积分数；
S202：利用CFDEM计算流体对粒子的作用力，计算流体与颗粒之间的动量交换项；
S203：根据动量交换项利用OpenFOAM计算流体速度，将流体速度传递给CFDEM，重新计算流体对粒子的作用力并将该作用力传递至LIGGGHTS，重复步骤S201。
与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：
(1)本发明采用LIGGGHTS和OpenFOAM进行耦合，能模拟流体和颗粒的相互作用，能真实反映流场，通过设置暴雨渗流场模型的速度和压力边界条件以及土体颗粒模型的土体参数，实现对暴雨作用下边坡稳定的判定从而实现在不同雨速、不同坡度下边坡稳定性分析，同时加入了稳定判断命令流，可确定计算结束条件和分析任意计算步的边坡稳定性，客观评价边坡的稳定性，以确定条件下的边坡是否满足工程要求，准确性和效率高，同时LIGGGHTS和OpenFOAM软件均为开源软件，拓展性强，操作方便；
(2)本发明在LIGGGHTS中加入稳定判断命令流以判断边坡是否稳定，当边坡满足以下2个判定条件即判定为稳定状态，计算全局和局部的土体颗粒模型是否达到稳定临界值，客观准确地判断任意时间步长下边坡的稳定性，为边坡稳定性分析提供准确实验结果，模拟分析结果的准确性高；
(3)本发明根据在耦合时长达到所设时间步长时边坡是否稳定以及边坡的位移是否在安全范围内进一步判定在对应的暴雨渗流场模型下边坡能够达到安全稳定状态，能够准确判断出暴雨渗流场下的边坡模拟最终结果，准确性好，客观性强。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为暴雨渗流场模型尺寸示意图；
图3为边坡初始图；
图4为初始流场速度场图；
图5为耦合时长达30000步时边坡位移场图；
图6为耦合时长达90000步时的位移场图；
图7为耦合时长达180000步时的位移场图；
图8为耦合时长达270000步时的位移场图；
图9为耦合时长达270000步时渗流力图；
图10为边坡稳定性分析方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种暴雨作用下的边坡模拟方法，如图1，具体为：
S1：利用OpenFOAM中的不可压缩流程序对暴雨渗流场进行建模，获得暴雨渗流场模型，设定初始边坡坡角为50°，如图2，利用LIGGGHTS建立边坡的土体颗粒模型；
S2：将暴雨渗流场模型和土体颗粒模型导入耦合库CFDEM，土体颗粒模型的耦合时间步长为0.0001，暴雨渗流场模型的耦合时间步长为0.005，couplingInterval设置为50，结束时间为2.7s，在CFDEM项目目录下打开终端，输入./Allrun.sh，耦合至边坡稳定或耦合时长达到27万步，获得耦合结果，在LIGGGHTS中加入稳定判断命令流以判断边坡是否稳定，如果耦合时长达到27万步之前边坡达到稳定临界条件，则终端显示“Slope is stable！”，如果耦合时长达到27万步后仍未满足边坡的稳定临界条件，则终端显示“Run is over andunstable！”；
S3：将CFD和DEM文件夹中的运行结果导入可视化后处理软件Paraview，查看和分析耦合结果，获得边坡各时间步下的位移场图、流场速度场图和渗流力图，渗流力图为颗粒受到流体作用力矢量图，图3为边坡初始图，图4为初始流场速度场图，图5、图6、图7和图8分别为耦合时长达30000、90000、180000和270000时边坡的位移场图，图9为耦合时长达270000步时渗流力图；
如图10，通过改变暴雨渗流场模型的速度和压力边界条件以及边坡坡角进行边坡稳定性分析，所述的速度和压力边界条件对应为暴雨雨水的入渗速度，通过稳定判定命令流判定该特定状态下的边坡是否处于稳定状态，如果结果显示“Slope is stable！”且边坡的位移在安全范围内，则说明该暴雨作用下边坡安全稳定，如果结果显示“Slope isstable！”，且边坡的位移超出安全范围，则说明边坡在该坡角、该暴雨雨速下，会产生变形等易引起边坡失稳的后果，需要加固措施；如果结果显示“Run is over and unstable！”，即在特定时间步内边坡仍未达到稳定条件，此时边坡变形已较大，说明该状态下边坡无法保持稳定，该边坡需要采取加固措施。加固措施包括减小坡角和增加面层锚杆。
LIGGGHTS是在LINUX系统上运行的基于分子动力学软件LAMMPS改进的开源离散元模拟软件，拓展了颗粒尺度领域的适用性，LIGGGHTS采用C++语言编写，具有良好的并行性能和稳定性，并且具有优秀的编码性和拓展性。LIGGGHT和OpenFOAM均为开源软件，具有更好的自定义拓展能力，能够对流场模型、颗粒接触模型等做自定义修改。
其中，利用稳定判断命令流判断边坡是否稳定，稳定判断命令流具体为：
当边坡满足以下2个条件即判定为稳定状态：
其中，Ep为土体颗粒模型的重力势能，M为土体颗粒模型的质量，Cg为全局稳定临界值，取0.001m2/s3，<vmax>100为土体颗粒模型内速度最大的100颗粒的速度平均值，dmax为土体颗粒模型内颗粒的最大直径，Cl为局部稳定临界值，取0.1；
稳定判断命令流代码如下：
暴雨渗流场模型的流体参数设置过程具体为：设置边界以及边界的速度或压强大小，在transportProperties文件中设置水的运动粘度nu为1.3e-6；边界包括固定边界wall、速度进口边界inlet、压力出口边界outlet和空边界empty；
土体颗粒模型的土体参数设置具体为：atom_style选择granular，pair_style选择gran model hertz tangential history rolling_friction cdt，全局参数中杨氏模量youngsModulus设为5e6，泊松比possionsRation设为0.3，恢复系数coefficientRestitution设为0.75，摩擦系数coefficientFriction设为0.8，滚动摩阻系数coefficientRollingFriction设为0.5。
步骤S2中耦合的具体过程为：
S201：利用LIGGGHTS计算颗粒的位置与速度，CFDEM确定每个颗粒所在的单元的体积分数；
S202：利用CFDEM计算流体对粒子的作用力，计算流体与颗粒之间的动量交换项；
S203：根据动量交换项利用OpenFOAM计算流体速度，将流体速度传递给CFDEM，重新计算流体对粒子的作用力并将该作用力传递至LIGGGHTS，重复步骤S201。
本实施例提出了一种暴雨作用下的边坡模拟方法，本发明采用LIGGGHTS和OpenFOAM进行耦合，既可以模拟流体的作用，又可以将反作用力反馈给流体，模拟出流体受到颗粒阻碍流速、流向的改变，使流场更为真实，能同时加入了稳定判断命令流，可确定计算结束条件和分析任意计算步的边坡稳定性，准确性高，同时LIGGGHTS和OpenFOAM软件均为开源软件，拓展性强，该方法在岩土领域该问题的研究上具有实际意义和价值。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种暴雨作用下的边坡模拟方法，其特征在于，具体为：
S1：利用OpenFOAM中的不可压缩流程序对暴雨渗流场进行建模，获得暴雨渗流场模型，利用LIGGGHTS建立边坡的土体颗粒模型；
S2：将暴雨渗流场模型和土体颗粒模型导入耦合库CFDEM并设置各自的设置耦合时间步长，耦合至边坡稳定或耦合时长达到所设时间步长，获得耦合结果；
S3：利用可视化后处理软件Paraview查看和分析耦合结果；
其中，在LIGGGHTS中通过稳定判断命令流判断边坡是否稳定。
2.根据权利要求1所述的一种暴雨作用下边坡稳定分析方法，其特征在于，所述的稳定判断命令流具体为：
当边坡满足以下2个条件即判定为稳定状态：
其中，Ep为土体颗粒模型的重力势能，M为土体颗粒模型的质量，Cg为全局稳定临界值，<vmax>100为土体颗粒模型内速度最大的100颗粒的速度平均值，dmax为土体颗粒模型内颗粒的最大直径，Cl为局部稳定临界值。
3.根据权利要求1所述的一种暴雨作用下的边坡模拟方法，其特征在于，如果在耦合时长达到所设时间步长前边坡稳定并且边坡的位移在安全范围内，判定在对应的暴雨渗流场模型下边坡安全稳定，如果在耦合时长达到所设时间步长前边坡稳定并且边坡的位移超出安全范围，判定在对应的暴雨渗流场模型下边坡失稳，如果在耦合时长达到所设时间步长后边坡仍未稳定，判定在对应的暴雨渗流场模型下边坡失稳。
4.根据权利要求1所述的一种暴雨作用下的边坡模拟方法，其特征在于，利用Paraview获取耦合结果的位移场图、流场速度场图和渗流力图。
5.根据权利要求1所述的一种暴雨作用下的边坡模拟方法，其特征在于，所述的耦合结果包括CFD和DEM文件夹中的运行结果。
6.根据权利要求1所述的一种暴雨作用下的边坡模拟方法，其特征在于，步骤S2中耦合的具体过程为：
S201：利用LIGGGHTS计算颗粒的位置与速度，CFDEM确定每个颗粒所在的单元的体积分数；
S202：利用CFDEM计算流体对粒子的作用力，计算流体与颗粒之间的动量交换项；
S203：根据动量交换项利用OpenFOAM计算流体速度，将流体速度传递给CFDEM，重新计算流体对粒子的作用力并将该作用力传递至LIGGGHTS，重复步骤S201。
7.根据权利要求1所述的一种暴雨作用下的边坡模拟方法，其特征在于，所述的暴雨渗流场模型的流体参数设置过程具体为：设置边界以及边界的速度或压强大小，在transportProperties文件中设置水的运动粘度；
所述的边界包括固定边界wall、速度进口边界inlet、压力出口边界outlet和空边界empty。
8.根据权利要求1所述的一种暴雨作用下的边坡模拟方法，其特征在于，所述的土体颗粒模型的土体参数包括atom_style、pair_style、全局参数中杨氏模量youngsModulus、泊松比possionsRation、恢复系数coefficientRestitution、摩擦系数coefficientFriction和滚动摩阻系数coefficientRollingFriction。
9.根据权利要求1所述的一种暴雨作用下的边坡模拟方法，其特征在于，所述的土体颗粒模型的耦合时间步长为0.0001，所述的暴雨渗流场模型的耦合时间步长为0.005。
10.根据权利要求1所述的一种暴雨作用下的边坡模拟方法，其特征在于，开始耦合的具体操作为：在CFDEM项目目录下打开终端，输入./Allrun.sh。
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