CN111475981B - 一种水库土石坝渗透变形和稳定性的数值模拟方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种水库土石坝渗透变形和稳定性的数值模拟方法及装置，属于土石坝数值分析技术领域，该方法主要包括建立土石坝几何模型，划分单元网格；选定土层的本构模型；建立流‑固耦合分析模型；采用有限差分法建立数值分析平衡方程；所述平衡方程为运动方程和连续性方程；设置模型监测点，采用强度折减法分析土石坝整体稳定性；基于最危险滑动面分析，通过对监测结果的分析，判断土石坝的渗透变形及稳定性。本公开的方法可以通过计算机数值分析的方法研究水库土石坝在不同蓄水位时坝体的变形及稳定性，能够给出渗流条件下坝体的稳定性安全系数及最危险滑动面。
Description
技术领域
本公开属于土石坝数值模拟领域，具体是涉及一种水库土石坝渗透变形及稳定性的数值模拟方法。
背景技术
这里的陈述仅提供与本公开相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
我国水利水电工程发展迅速，水库大坝数量居世界首位。这些大坝在防洪、发电、航运、灌溉、养殖旅游和城市供水等方面起到非常显著的作用，具有不可替代的经济和社会效益。根据《全国病险水库除险加固专项规划》，全国现有水库87076座，其中大型水库445座，中型水库2782座，小型水库8.2万座。由于受当时条件限制，许多工程先天不足，加上管理落后，其中有38019座为病险水库，占其总数的39.2％，其中大多数为土石坝。土石坝是一种采用当地土石料填筑而成的挡水建筑物，具有造价低、施工方便、抗震性能好等特点，但由于工程质量和管理等问题，易出现渗漏、滑坡、地震破坏等问题。根据我国对241座大型水库曾发生的1000个工程安全问题所作的统计,其中有37.1％的安全问题是由于渗流引起的。因此，土石坝的渗流性状是评价大坝的安全的重要因素之一。
土石坝的渗流问题可以归结为以下三类问题:①渗流计算，②渗透变形，③渗流控制。渗流分析的常用方法有流体力学解析法、水力学法、图解法、室内模型试验、数值仿真、自动化监测分析等方法。在一些大型商业软件中都包含了渗流分析模块，但仍存在以下问题：模拟计算中不能很好的考虑流体和固体的耦合问题，或不能很好的控制流-固耦合分析过程；土石坝在渗流情况下的稳定性判别缺乏有效的依据。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本公开为解决有效控制流体和固体的耦合问题提供了一种水库土石坝渗透变形和稳定性的数值模拟方法及装置。
本公开至少一个实施例公开一种水库土石坝渗透变形和稳定性的数值模拟方法，该方法包括以下过程：
建立土石坝几何模型，划分单元网格；
选定土层的本构模型；建立流-固耦合分析模型；采用有限差分法建立数值分析平衡方程；所述平衡方程为运动方程和连续性方程；
设置模型监测点，采用强度折减法分析土石坝整体稳定性；基于最危险滑动面分析，通过对监测结果的分析，判断土石坝的渗透变形及稳定性。
进一步地，土层选定的本构模型为摩尔-库伦模型；模型中涉及的土体力学参数有密度ρ、体积模量K、剪切模量G、粘聚力c和内摩擦角
进一步地，选取的摩尔-库伦模型，建立剪切破坏方程
式中，
σ1为最大主应力，σ3为最小主应力，为内摩擦角，c为粘聚力。
进一步地，体积模量K和剪切模量G与弹性模量E和泊松比μ的换算按照下面的公式
土体弹性模量E与压缩模量Es的换算关系为：
粘聚力c和内摩擦角的确定根据地勘报告中直接剪切试验或三轴试验的结果确定。
进一步地，所述的土石坝几何分析模型的设有边界条件；所述边界条件设置为底面为固定边界，顶面为自由边界，迎水面和背水面采用透水边界，坝体防渗墙设为不透水材料。
进一步地，流-固耦合分析模型中的流固刚度比为
假定土颗粒不可压缩，α取值为1。
进一步地，数值平衡分析方程中
运动方程为：
式中，F为每个节点所受的合外力，m为节点的质量，a为节点的加速度，为节点的速度，t为计算时间；
连续性方程为：
式中，σij为应力的张量，xj为j方向的坐标，gi为i方向的体力加速度。
进一步地，建立流-固耦合模型，设置流-固耦合分析参数；首先将坝体、坝基设为各向同性的渗流模型，坝体内的防渗墙设为不透水的模型；设置的流体参数有渗透系数k、流体模量Kw、流体密度ρw。
进一步地，所述模型的监测点位设置在坝顶、坝址以及坝中，分别用来监测坝顶竖向、水平位移，坝址的水平位移，以及坝体内部渗流场。
进一步地，采用强度折减法计算大坝边坡稳定性，以数值计算的收敛性为失稳依据，即数值计算迭代到一定步数不收敛时作为失稳判据。
本公开至少一个实施例还公开一种水库土石坝渗透变形及稳定性的数值模拟装置，该装置包括：
几何模型建立模块：用于建立土石坝几何模型，划分单元网格；
有限差分建立模块：用于选定土层的本构模型；建立流-固耦合分析模型；采用有限差分法建立数值分析平衡方程；所述平衡方程为运动方程和连续性方程；
监测点设置模块：用于将监测点设置在坝体上监测参数；
分析模块：采用强度折减法分析土石坝整体稳定性；基于最危险滑动面分析，通过对监测结果的分析，判断土石坝的渗透变形及稳定性。
上述公开的实施例取得的有益效果如下：
本公开的数值模拟方法可以有效的控制流体和固体的耦合问题，同时提供了不同工况下土石坝的渗流模式，为土石坝安全性评价提供了理论依据。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是本公开实施例提供的水库土石坝在渗流作用下的变形分析和稳定性分析流程图；
图2是本公开实施例提供的土石坝建立的几何模型图；
图3是本公开实施例提供的有限差分计算模型；
图4是本公开实施例提供的强度折减法分析流程图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本公开使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
在本公开的的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
正如背景技术所述，目前的土石坝的渗流分析中不能够很好的考虑流体和固体的耦合问题，或不能很好的控制流-固耦合分析过程；土石坝在渗流情况下的稳定性判别缺乏有效的依据，所以本实施例中公开了一种水库土石坝在渗流作用下的变形分析和稳定性分析方法，该方法可以有效的控制流体和固体的耦合问题，同时提供了不同工况下土石坝的渗流模式，为土石坝安全性评价提供了理论依据。本实施例公开的方法主要包括如下步骤：
根据地质勘查资料，确定土石坝截面尺寸、土层分层情况、各土层的土质参数等数据，建立土石坝的几何分析模型，然后划分单元网格，选定本构模型，确定分析参数，设置流-固耦合参数，设置监测点位，最后结果分析综合判断土石坝的变形及稳定性，整体分析流程见图1。
本实施例公开方法具体如下：
(1)根据水库大坝的设计图纸及相关调查测量，确定土石坝分析的几何模型，如图2所示，该模型主要包括土石坝截面尺寸、土层分层情况等。
(2)通过分析地质勘察报告，获得土层的参数数据。其中所涉及的土体参数重点考虑的有土体的密度ρ、土体的粘聚力c和内摩擦角以及土层的压缩模量Es。
(3)建立完模型之后，需要对几何模型进行网格划分，其中单元网格的尺寸大小根据分析场地大小、计算机配置、计算精度等综合确定。
(4)在划分网格后要选定土层的本构模型，本实施例针对本构模型选用的是库尔-库伦模型，基于该模型建立的剪切破坏方程为：
式中，
σ1为最大主应力，σ3为最小主应力，为内摩擦角，c为粘聚力。
进一地，本构模型涉及的土体力学参数有密度ρ、体积模量K、剪切模量G、粘聚力c和内摩擦角其中
体积模量K和剪切模量G与弹性模量E和泊松比μ的换算按照下面的公式
进一步的，土体弹性模量E与压缩模量Es的换算关系为：
进一步的，粘聚力c和内摩擦角的确定根据地勘报告中直接剪切试验或三轴试验的数据确定。
(5)根据所建立的土石坝几何分析模型，设置模型的边界条件，边界条件有位移边界条件和孔压边界条件，其中位移边界条件为模型底面为固定边界，顶面为自由边界，迎水面和背水面采用透水边界，坝体防渗墙设为不透水材料；并根据分析工况中的水库高水位和低水位设置土石坝的初始水位作为模型的初始水头。
(6)建立有限差分计算模型；首先是设置流体参数，流体参数有渗透系数k、流体模量Kw、流体密度ρw；渗透系数k可通过室内变水头试验或常水头试验测得；流体模量Kw设置为4℃下纯水的体积模量，数值为2×109Pa；流体密度ρw取4℃下纯水的密度，为1000kg/m3；然后建立流固耦合分析模型，其中将土坝体设置为各向同性的渗流模型，防渗墙设置为不透水模型如图3所示。流固耦合模型中的流固的刚度比为
假定土颗粒不可压缩，α取值为1。
基于上述计算模型，采用有限差分法建立数值分析平衡方程，其中平衡方程分为运动方程和连续性方程。运动方程为：
式中，F为每个节点所受的合外力，m为节点的质量，a为节点的加速度，为节点的速度，t为计算时间。连续性方程为：
式中，σij为应力的张量，xj为j方向的坐标，gi为i方向的体力加速度。
(7)设置监测点位及变量。本实施例中模型的监测点位设置为土石坝的坝顶的竖向、水平位移，坝址的竖向、水平位移，及坝中水位线监测。
(8)采用强度折减法计算大坝边坡稳定性。强度折减计算边坡稳定性的判据一般由三种，分别是(1)以数值的计算收敛性作为失稳判据；(2)以特征部位的位移突变作为失稳判据；(3)以塑性区的贯通作为失稳判据。本实施例采用第一种判据，即数值计算迭代到一定步数不收敛时作为失稳判据，如图4所示。
(9)计算结果后处理分析，包括高水位时坝顶竖向、水平变形；坝址的水平变形；渗流场变化情况；最危险滑动面分析，通过对结果的分析，综合判断土石坝的渗透变形及稳定性。
本实施例公开的方法可以有效分析土石坝在渗流作用下的变形和稳定性，对土石坝的安全评价具有较好的参考价值。
另外，本公开实施例还提供了一种水库土石坝渗透变形及稳定性的数值模拟装置，需要说明的就是，该装置用于执行图1-图4所示实施例的方法，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，具体技术未揭示的，请参照图1-图4所示的实施例。
本公开的数值模拟装置主要包括四大部分，主要是：
几何模型建立模块：该模块主要是用于根据水库大坝的设计图纸及相关调查测量，确定土石坝分析的几何模型，然后对该模型进行划分单元网格；
有限差分建立模块：用于选定土层的本构模型；建立流-固耦合分析模型；采用有限差分法建立数值分析平衡方程；所述平衡方程为运动方程和连续性方程；
监测点设置模块：用于将监测点设置在坝体上用来实现坝顶的竖向、水平位移，坝址的竖向、水平位移，及坝中水位线监测。
分析模块：采用强度折减法分析土石坝整体稳定性；基于最危险滑动面分析，通过对监测结果的分析，判断土石坝的渗透变形及稳定性。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
Claims (7)
1.一种水库土石坝渗透变形和稳定性的数值模拟方法，其特征在于，包括以下过程：
建立土石坝几何模型，划分单元网格；
选定土层的本构模型；建立流-固耦合分析模型；采用有限差分法建立数值分析平衡方程；所述平衡方程为运动方程和连续性方程；
设置模型监测点，采用强度折减法分析土石坝整体稳定性；基于最危险滑动面分析，通过对监测结果的分析，判断土石坝的渗透变形及稳定性；
建立的流固耦合分析模型，其中将土坝体设置为各向同性的渗流模型，防渗墙设置为不透水模型；
所述的土石坝几何分析模型设有边界条件；所述边界条件设置为底面为固定边界，顶面为自由边界，迎水面和背水面采用透水边界，坝体防渗墙设为不透水材料；
所述模型的监测点位设置在坝顶、坝址以及坝中分别用来监测坝顶竖向、水平位移，坝址的水平位移，以及坝体内部渗流场；
数值分析平衡方程中
运动方程为：
式中，F为每个节点所受的合外力，m为节点的质量，a为节点的加速度，为节点的速度，t为计算时间；
连续性方程为：
式中，为应力的张量，/>为/>方向的坐标，/>为/>方向的体力加速度。
2.如权利要求1所述的一种水库土石坝渗透变形和稳定性的数值模拟方法，其特征在于，土层选定的本构模型为摩尔-库伦模型；模型中涉及的土体力学参数有密度 、体积模量K、剪切模量G、粘聚力c和内摩擦角。
3. 如权利要求2所述的一种水库土石坝渗透变形和稳定性的数值模拟方法，其特征在于，
选取摩尔-库伦模型，建立剪切破坏方程
式中，
为最大主应力，/>为最小主应力，/>为内摩擦角，c为粘聚力。
4. 如权利要求2所述的一种水库土石坝渗透变形和稳定性的数值模拟方法，其特征在于：
体积模量K和剪切模量G与弹性模量E和泊松比的换算按照下面的公式
土体弹性模量E与压缩模量的换算关系为：
粘聚力c和内摩擦角的确定根据地勘报告中直接剪切试验或三轴试验的结果确定。
5.如权利要求1所述的一种水库土石坝渗透变形和稳定性的数值模拟方法，其特征在于，流-固耦合分析模型中的流固刚度比为
假定土颗粒不可压缩式，取值为1。
6.如权利要求1所述的一种水库土石坝渗透变形和稳定性的数值模拟方法，其特征在于：采用强度折减法计算大坝边坡稳定性，以数值计算收敛性为失稳依据，即数值计算迭代到一定步数不收敛时作为失稳判据。
7.一种水库土石坝渗透变形及稳定性的数值模拟装置，其特征在于，包括：
几何模型建立模块：用于建立土石坝几何模型，划分单元网格；
有限差分建立模块：用于选定土层的本构模型；建立流-固耦合分析模型；采用有限差分法建立数值分析平衡方程；所述平衡方程为运动方程和连续性方程；
监测点设置模块：用于将监测点设置在坝体上监测参数；
分析模块：采用强度折减法分析土石坝整体稳定性；基于最危险滑动面分析，通过对监测结果的分析，判断土石坝的渗透变形及稳定性；
建立的流固耦合分析模型，其中将土坝体设置为各向同性的渗流模型，防渗墙设置为不透水模型；
所述的土石坝几何分析模型设有边界条件；所述边界条件设置为底面为固定边界，顶面为自由边界，迎水面和背水面采用透水边界，坝体防渗墙设为不透水材料；
所述模型的监测点位设置在坝顶、坝址以及坝中分别用来监测坝顶竖向、水平位移，坝址的水平位移，以及坝体内部渗流场；
数值分析平衡方程中
运动方程为：
式中，F为每个节点所受的合外力，m为节点的质量，a为节点的加速度，为节点的速度，t为计算时间；
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| CN107330191A (zh) * | 2017-06-30 | 2017-11-07 | 暨南大学 | 地下水对地铁盾构隧道施工影响的数值模拟分析方法 |
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2020
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