CN111797443A - 一种适用于高拱坝谷幅变形的数值模拟方法 - Google Patents

一种适用于高拱坝谷幅变形的数值模拟方法 Download PDF

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孟庆祥
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Abstract

本发明公开了一种适用于高拱坝谷幅变形的数值模拟方法，首先获取坝区地层信息，确定地形地貌及岩层分布信息，建立坝区几何模型；其次对非连续的结构面建立嵌入式离散裂缝模型，并采用正交网格对几何模型进行网格划分；然后对蓄水过程线进行分段线性拟合，确定水荷载的动态施加过程；在考虑水对岩体材料的劣化效应的基础上对软弱结构面的物理力学参数进行修正；最后，对蓄水过程进行嵌入式离散裂缝和扩展有限元模型的联合求解，实现对蓄水期高拱坝谷幅变形的模拟。本发明在网格剖分时不必考虑断层以及错动带的形态，使得网格剖分时的复杂程度大大降低；其次，可以有效的从结构面变形的角度模拟蓄水期高拱坝谷幅变形的产生。

Description

一种适用于高拱坝谷幅变形的数值模拟方法
技术领域
本发明涉及水利水电工程领域，具体涉及一种适用于高拱坝谷幅变形的数值模拟方法。
背景技术
断层、层间及层内错动带在地层中广泛分布，几乎所有的水利水电工程都存在不同规模的软弱结构面。谷幅变形是在特定的地质背景下，由于水库蓄水引起的山体区域性地向河床变形的现象，而且这种变形是一个动态累积的过程。目前针对谷幅变形的研究涌现出不同的研究方法，主要围绕两方面展开：(1)回归与反演；(2)从载荷的角度进行分析，不考虑软弱结构面的变形。虽然能够解释谷幅变形现象，但是内在的机理解释的不够清楚。高拱坝蓄水河谷出现较大幅值的谷幅变形或许跟蓄水导致的软弱结构面的屈服变形有关。因此，有必要从非连续的结构面错动变形的角度揭示谷幅变形现象产生的原因。
软弱结构面为具有一定开度的高渗透带，需进行精细的网格划分，模拟计算量巨大。因此，在谷幅变形数值模拟中，亟待寻找一种既能降低网格划分难度，又能较好的模拟非连续的结构面错动变形方法。
发明内容
发明目的：为了从结构面错动变形的角度揭示高拱坝谷幅变形的机理，并克服现有的数值计算中软弱结构面网格划分困难的问题，本发明提出一种适用于高拱坝谷幅变形的数值模拟方法。
技术方案：一种适用于高拱坝谷幅变形的数值模拟方法，包括如下步骤：
一种适用于高拱坝谷幅变形的数值模拟方法，包括如下步骤：
(1)获取坝区地层信息，确定地形地貌及岩层分布信息，建立坝区几何模型；
(2)对非连续的结构面建立嵌入式离散裂缝模型，并采用正交网格对几何模型进行网格划分；
(3)对蓄水过程线进行分段线性拟合，确定水荷载的动态施加过程；在考虑水对岩体材料的劣化效应的基础上对软弱结构面的物理力学参数进行修正；所述软弱结构面包括断层、层间及层内错动带；
(4)对蓄水过程进行嵌入式离散裂缝和扩展有限元模型的联合求解，实现对蓄水期高拱坝谷幅变形的模拟。
进一步的，步骤(1)包括如下内容：
(1.1)所述岩层分布信息包括断层、层间及层内错动带的分布情况；
(1.2)根据工程实际地质报告，获取地层的物理力学参数。
进一步的，步骤(2)具体包括如下内容：
(2.1)所述非连续的结构面包括断层、层间及层内错动带；
(2.2)对断层、层间、层内错动带采用嵌入式离散裂缝模型，表征结构面对渗流场和应力场的影响；
(2.3)根据几何模型区域的大小，确定各方向的网格尺寸和数量，采用正交网格对几何模型进行剖分，实现对计算区域的空间离散。
进一步的，所述步骤4具体包括如下内容：
(4.1)采用有限体积法(FVM)计算渗流方程，进行渗流情况的真实模拟；所述渗流情况包括基质渗流和裂隙渗流。
(4.2)根据边界载荷和位移的连续性条件，实现嵌入式离散裂缝模型和扩展有限元模型的耦合；
(4.3)采用扩展有限元方法(XFEM)对岩体变形进行水岩耦合计算，表征计算区域内的位移间断特性，实现蓄水期高拱坝谷幅变形的模拟过程。
本发明的有益效果是：1、从非连续的结构面错动变形的角度出发，依据工程区域实际地质条件，对主要断层及层间、层内错动带进行降维处理，实现嵌入式离散裂缝模型和扩展有限元模型的耦合。2、在网格剖分时不必考虑断层以及错动带的形态，使得网格剖分时的复杂程度大大降低。对渗流方程采用有限体积法进行求解，通过窜流函数，刻画断层等不连续面对渗流场的影响。3、同时，对力学方程采用扩展有限元进行求解，实现位移的非连续变形，可以有效的从结构面变形的角度模拟蓄水期高拱坝谷幅变形的产生。
附图说明
图1为本发明实施例的总体流程图；
图2为本发明实施例的网格剖分示意图。
具体实施方式
一种适用于高拱坝谷幅变形的数值模拟方法，包括如下步骤：
(1)获取坝区地层信息，确定地形地貌及岩层分布信息，建立坝区几何模型。
(2)对非连续的结构面建立嵌入式离散裂缝模型，并采用正交网格对几何模型进行网格划分。
(3)对蓄水过程线进行分段线性拟合，确定水荷载的动态施加过程；在考虑水对岩体材料的劣化效应的基础上对软弱结构面的物理力学参数进行修正；所述软弱结构面包括断层、层间及层内错动带。
(4)对蓄水过程进行嵌入式离散裂缝和扩展有限元模型的联合求解，实现对蓄水期高拱坝谷幅变形的模拟。
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明的技术方案。
实施例
一种适用于高拱坝谷幅变形的数值模拟方法，如图1所示，包括：
步骤1、通过工程地质剖面等坝区实际地质资料，确定坝区地形地貌及岩层分布信息，岩层分布信息主要包括断层、层间及层内错动带的分布情况；根据工程实际地质报告，获取地层的物理力学参数；建立坝区几何模型。
步骤2、如图2所示，对断层、层间及层内错动带等大的不连续面采用嵌入式离散裂缝模型，表征结构面对渗流场和应力场的影响；根据几何模型区域的大小，确定各方向的网格尺寸和数量，采用正交网格对几何模型进行剖分，实现对计算区域的空间离散。该过程不需要考虑模型内的层间、层内错动带形态，能够显著降低网格划分的难度。
步骤3、对蓄水过程线进行分段线性拟合，确定水荷载的动态施加过程；在考虑水对岩体材料的劣化效应的基础上对断层、层间及层内错动带等软弱结构面的物理力学参数进行修正。
步骤4、针对基质渗流和裂隙渗流，采用有限体积法计算渗流方程，进行渗流情况的真实模拟；根据边界载荷和位移的连续性条件，实现嵌入式离散裂缝模型和扩展有限元模型的耦合；采用扩展有限元方法对岩体变形进行水岩耦合计算，表征计算区域内的位移间断特性，实现蓄水期高拱坝谷幅变形的模拟过程。

Claims (6)

1.一种适用于高拱坝谷幅变形的数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)获取坝区地层信息，确定地形地貌及岩层分布信息，建立坝区几何模型；
(2)对非连续的结构面建立嵌入式离散裂缝模型，并采用正交网格对几何模型进行网格划分；
(3)对蓄水过程线进行分段线性拟合，确定水荷载的动态施加过程；在考虑水对岩体材料的劣化效应的基础上对软弱结构面的物理力学参数进行修正；
(4)对蓄水过程进行嵌入式离散裂缝和扩展有限元模型的联合求解，实现对蓄水期高拱坝谷幅变形的模拟。
2.根据权利要求1所述的一种适用于高拱坝谷幅变形的数值模拟方法，其特征在于，步骤(1)包括如下内容：
(1.1)所述岩层分布信息包括断层、层间及层内错动带的分布情况；
(1.2)根据工程实际地质报告，获取地层的物理力学参数。
3.根据权利要求1或2所述的一种适用于高拱坝谷幅变形的数值模拟方法，其特征在于，步骤(2)具体包括如下内容：
(2.1)所述非连续的结构面包括断层、层间及层内错动带；
(2.2)对断层、层间、层内错动带采用嵌入式离散裂缝模型，表征结构面对渗流场和应力场的影响；
(2.3)根据几何模型区域的大小，确定各方向的网格尺寸和数量，采用正交网格对几何模型进行剖分，实现对计算区域的空间离散。
4.根据权利要求1所述的一种适用于高拱坝谷幅变形的数值模拟方法，其特征在于，步骤(3)中，所述软弱结构面包括断层、层间及层内错动带。
5.根据权利要求1所述的一种适用于高拱坝谷幅变形的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤4具体包括如下内容：
(4.1)采用有限体积法计算渗流方程，进行渗流情况的真实模拟；
(4.2)根据边界载荷和位移的连续性条件，实现嵌入式离散裂缝模型和扩展有限元模型的耦合；
(4.3)采用扩展有限元方法对岩体变形进行水岩耦合计算，表征计算区域内的位移间断特性，实现蓄水期高拱坝谷幅变形的模拟过程。
6.根据权利要求5所述的一种适用于高拱坝谷幅变形的数值模拟方法，其特征在于：所述渗流情况包括基质渗流和裂隙渗流。
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