CN112131802A - 一种基于近场动力学的裂隙岩体渗流模拟方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于近场动力学的裂隙岩体渗流模拟方法及系统，包括：基于近场动力学构建包括固体层和流体层的裂隙岩体流‑固耦合模型，根据岩体材料和岩体体积将裂隙岩体流‑固耦合模型离散为多个物质点；对固体层求解得到物质点固体键的伸长率，判断物质点固体键的伸长率是否满足破坏条件，并得到岩体局部损伤程度；对流体层求解得到流体层的裂隙渗透率，将根据裂隙渗透率得到的孔隙水压力作为下一次迭代时间步中固体层的初始条件，直至完成裂隙岩体渗流过程，得到岩体局部损伤情况，输出全过程模拟裂隙岩体渗流。实现裂隙岩体在流‑固耦合作用下渗流行为的有效模拟。

Description

一种基于近场动力学的裂隙岩体渗流模拟方法及系统
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，特别是涉及一种基于近场动力学的裂隙岩体渗流模拟方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
天然岩体中赋存有大量的孔隙和裂隙，在地下水渗流作用下，不仅降低了岩体的强度，也加剧了裂隙的扩展。在岩土工程活动中，裂隙岩体渗流是诱发围岩失稳、结构破坏、岩体坍塌等地质灾害的重要因素之一，科学认识裂隙岩体流-固耦合作用机制，是地质灾害防控的理论基础与科学依据。数值模拟具有可视化强、重复性好的优势，建立高效的裂隙岩体流-固耦合数值分析方法，可为直观展示裂隙岩体渐进破坏过程、揭示裂隙岩体耦合破坏机制提供有效的研究手段。
近场动力学(Peridynamics)作为一种新兴的数值计算理论，不仅在模拟固体材料非连续变形破坏方面具有独特的优势，在地下水渗流模拟方面也具有较高的求解能力。虽然目前近场动力学在均质材料变形破坏与多孔介质渗流模拟方面取得了较好的研究基础，但是，在裂隙岩体渗流方面尚缺乏有效的模拟理论与计算方法，而且现有方法难以实现在流体压力驱动条件下裂隙岩体流-固耦合破坏过程的模拟。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于近场动力学的裂隙岩体渗流模拟方法及系统，通过将近场动力学在模拟固体材料非连续变形破坏与地下水渗流两方面的优势相结合，构建了包括固体层和流体层的裂隙岩体流-固耦合模型，并且采用显式-隐式迭代求解方法，实现裂隙岩体在流-固耦合作用下渗流行为的有效模拟。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种基于近场动力学的裂隙岩体渗流模拟方法，包括：
基于近场动力学构建包括固体层和流体层的裂隙岩体流-固耦合模型，根据岩体材料和岩体体积将裂隙岩体流-固耦合模型离散为多个物质点；
对固体层求解得到物质点固体键的伸长率，判断物质点固体键的伸长率是否满足破坏条件，并得到岩体局部损伤程度；
对流体层求解得到流体层的裂隙渗透率，将根据裂隙渗透率得到的孔隙水压力作为下一次迭代时间步中固体层的初始条件，直至完成裂隙岩体渗流过程，得到岩体局部损伤程度，输出全过程模拟裂隙岩体渗流。
第二方面，本发明提供一种基于近场动力学的裂隙岩体渗流模拟系统，包括：
离散模块，用于基于近场动力学构建包括固体层和流体层的裂隙岩体流-固耦合模型，根据岩体材料和岩体体积将裂隙岩体流-固耦合模型离散为多个物质点；
求解模块，用于对固体层求解得到物质点固体键的伸长率，判断物质点固体键的伸长率是否满足破坏条件，并得到岩体局部损伤程度；
迭代模块，用于对流体层求解得到流体层的裂隙渗透率，将根据裂隙渗透率得到的孔隙水压力作为下一次迭代时间步中固体层的初始条件，直至完成裂隙岩体渗流过程，得到岩体局部损伤程度，输出全过程模拟裂隙岩体渗流。
第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成第一方面所述的方法。
第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成第一方面所述的方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过将近场动力学在模拟固体材料非连续变形破坏与地下水渗流两方面的优势相结合，构建了包括固体层和流体层的裂隙岩体流-固耦合模型，应用有效应力原理建立反映固体变形的本构力函数，应用立方定律建立反映流体渗流路径的基本控制方程，通过固体层与流体层之间的交互作用实现裂隙岩体流-固耦合模拟。
本发明采用显式-隐式迭代求解方法，固体层采用隐式的自适应动态松弛方法进行准静态求解，流体层采用显式的直接求解方法进行求解，并且在每一次固体求解迭代时间步中，嵌套流体求解迭代时间步，显著提高了计算效率。
本发明在迭代求解过程中，将流体层根据裂隙渗透率计算得到的物质点孔隙水压力作用于固体层裂隙表面的完整键和断裂键，不断更新流体键的裂隙渗透率和固体键的本构力函数，不仅实现了裂隙岩体稳态渗流的模拟，也实现了流体压力驱动条件下裂隙岩体流-固耦合破坏过程的有效模拟。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例1提供的基于近场动力学的裂隙岩体流-固耦合模型示意图；
图2是本发明实施例1提供的基于近场动力学的裂隙岩体渗流模拟方法流程图；
图3(a)-图3(c)是本发明实施例1提供的岩体水力压裂试验模拟结果；
其中：1、固体层，2、流体层，3、裂隙。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明通过将近场动力学在模拟固体材料非连续变形破坏与地下水渗流两方面的优势相结合，构建了近场动力学物质点双重覆盖理论模型，即裂隙岩体流-固耦合模型，该模型应用显式-隐式迭代求解方法计算，在迭代求解过程中，不断更新固体键的本构力函数和流体键的渗透率，实现裂隙岩体流-固耦合作用下力学行为的有效模拟。
本发明提供的一种基于近场动力学的裂隙岩体渗流模拟方法，具体包括：基于近场动力学构建包括固体层和流体层的裂隙岩体流-固耦合模型，根据岩体材料和岩体体积将裂隙岩体流-固耦合模型离散为多个物质点；对固体层求解得到物质点固体键的伸长率，判断物质点固体键的伸长率是否满足破坏条件，并得到岩体局部损伤程度；对流体层求解得到流体层的裂隙渗透率，将根据裂隙渗透率得到的孔隙水压力作为下一次迭代时间步中固体层的初始条件，直至完成裂隙岩体渗流过程，得到岩体局部损伤情况，输出全过程模拟裂隙岩体渗流。不仅实现了裂隙岩体稳态渗流的模拟，也实现了在流体压力驱动条件下，裂隙岩体流-固耦合破坏过程的有效模拟。
下面结合具体实施例来详细说明本发明所提供的基于近场动力学的裂隙岩体渗流模拟方法：
实施例1
本实例采用空心圆柱形试件开展注水试验数值模拟研究，试验半径为25mm，其中间预留一个半径为2mm的注水孔；试件密度为2090kg/m3，弹性模量为5GPa，泊松比为1/3，临界伸长率为0.001，孔隙率不0.5，Biot系数为1.0，流体密度为1000kg/m3，粘滞系数为0.899Pa·s，压缩系数为0.0485；试验注水速率采用压力增量的形式进行，其大小为10kPa/s。
如图1所示为近场动力学物质点双重覆盖理论模型示意图，其中1是固体层，2是流体层，3是裂隙；该模型由固体层1和流体层2共同形成，该模型根据岩体材料和岩体体积被离散成一定数量的物质点，每一个物质点均与距离其一定范围内的其它物质点建立相互作用关系，该相互作用关系用键来表示；
在本实施例中，将所有的键划分为固体键和流体键，分别形成了表征固体力学作用的固体层和表征流体渗流作用的流体层，采用有效应力原理建立反映固体变形的本构力函数，采用立方定律建立反映流体渗流路径的基本控制方程，通过固体层与流体层之间的交互作用实现裂隙岩体流-固耦合模拟。
如图2所示为本实施例提供的基于近场动力学的裂隙岩体渗流模拟方法，采用显式-隐式迭代的求解方法，即，固体层采用隐式的自适应动态松弛方法进行准静态求解，流体层采用显式的直接求解方法进行求解；
在每一次固体求解迭代时间步中，嵌套一定数量的流体求解迭代时间步，并将流体层计算得到的物质点孔隙水压力作用于固体层裂隙表面的完整键和断裂键，并将裂隙视为流体渗流的主要路径；
在迭代求解过程中，不断更新固体键的本构力函数和流体键的渗透率，实现裂隙岩体流-固耦合计算求解。
本实施例提供的基于近场动力学的裂隙岩体渗流模拟方法，其步骤包括：
S1：将裂隙岩体流-固耦合模型离散成一定数量的带有岩体体积信息的物质点，并对所有物质点进行编号；依据物质点坐标和设置的近场范围值，建立所有物质点的邻域矩阵，邻域矩阵中所有物质点与核心物质点之间的相互作用关系称为键；
在本实施例中，每一条键即可以传递固体力学信息，又可以传递流体渗流信息；其中，传递固体力学信息的键组成了固体层，传递流体渗流信息的键组成了流体层；
在本实施例中，设定物质点间距为0.5mm，共离散为7636个物质点；
在本实施例中，近场范围值设置为1.5mm。
S2：固体力学键与流体力学键的存在状态是相互影响的，当固体力学键为完整状态时，流体力学键是断裂的，而当固体力学键断裂后，流体力学键被激活成完整键，即固体力学键与流体力学键不可同时完整存在。
S3：根据天然裂隙几何参数，通过位置检索，判断物质点之间的固体力学键是否穿越天然裂隙；如果穿越天然裂隙，则该固体力学键将发生永久断裂，即物质点之间不再产生相互作用的固体力；与之相反，穿越天然裂隙的流体力学键反而具备了渗流能力，而未穿越天然裂隙的流体力学键不具备渗流能力；每一种键的完整性均可以用标量函数来表示，其中完整键用1表示，断裂键为0表示。
S4：基于有效应力原理，构建固体力学键作用函数，即反映固体变形的本构力函数，根据固体力学键的完整性，将固体力学键划分为完整键和断裂键；
完整固体力学键应用有效应力原理构成的本构力函数为：
Figure BDA0002633642770000071
断裂固体力学键受到裂隙水压力的直接作用：
Figure BDA0002633642770000081
其中，Tij为物质点xj对物质点xi的作用力，u为物质点位移，ui和uj为物质点xi和物质点xj的位移，x为物质点坐标，A为近场动力学参数，α为Biot系数，ω为影响函数，m为体积加权系数，y为物质点变形后的坐标，p为物质点孔隙水压力。
S5：基于步骤S4得到的固体力学键表达式，构建近场动力学固体力学运动方程：
Figure BDA0002633642770000082
其中，
Figure BDA0002633642770000083
为物质点xi的领域范围，ρ为材料密度，b为物质点所受的体力密度，
Figure BDA0002633642770000084
为物质点xi的体积。
S6：利用显式的自适应动态松弛算法，通过设置虚拟阻尼和虚拟质量，将近场动力学固体力学运动方程转换成常微分方程形式的运动方程，迭代求解物质点速度和位移：
Figure BDA0002633642770000085
Figure BDA0002633642770000086
其中，n表示第n次迭代，Δt表示时间步长，dn表示第n次迭代计算过程中的动态变化的虚拟阻尼系数，Fn表示第n次迭代计算过程中物质点x的合力，λ表示虚拟对角密度矩阵。
S7：根据固体力学运动方程求解得到的物质点位移和坐标，得到固体力学键的伸长率：
Figure BDA0002633642770000091
当固体力学键的伸长率s超过临界伸长率s0时，则认为该固体力学键发生永久断裂，此时物质点间不再存在相互作用的固体力学力；该过程利用标量函数表示为：
Figure BDA0002633642770000092
其中，s0为键的临界伸长率，表示在一个键上，相互作用的两个物质点间经过一定的相对位移后，当点对的伸长率过超过临界值时，该点对破坏，两物质点间不再相互作用。
S8：当固体力学键断裂后，流体力学键被激活，流体力学键上的裂隙渗透率利用立方定律表示为：
Figure BDA0002633642770000093
其中，d为裂隙间距，可以根据键的伸长来量化。
S9：根据步骤S8所得到的裂隙渗透率，基本近场动力学非局部作用思想构建表征流体渗流作用的物质守恒方程：
Figure BDA0002633642770000094
其中，ρf为流体密度，
Figure BDA0002633642770000095
为裂隙空间体积与物质点体积的比值，Φf为裂隙表面物质点水头，μf为流体粘度，Rf为源汇项，δ为物质点近场范围。
S10：根据步骤S9所建立的流体渗流方程，利用显式求解，得到平衡状态下物质点水头Φf，并换算成物质点的孔隙水压力P。
S11：将步骤S10所得到的物质点孔隙水压力P代入步骤S4，作为下一次迭代时间步中固体层的初始条件，继续求解下一迭代时间步中物质点固体力学键所代表的相互作用力大小，重复步骤S4-S11，直至完成裂隙岩体渗流过程，得到岩体局部损伤情况，输出全过程模拟裂隙岩体渗流。
S12：求解每一迭代时间步中模型的岩体局部损伤，即，在迭代求解过程中，物质点键发生断裂后，剩余完整键的数目与初始键数目的比值：
Figure BDA0002633642770000101
其中，0表示完整状态，而1表示完全损伤状态，0～1之间的数值，即为局部损伤程度的量化表征。
如图3(a)-图3(c)所示为本实施例提供的岩体水力压裂试验模拟结果，在模拟过程中，随着注水压力的逐渐增大，圆孔内壁自然萌生水力裂隙，并逐渐向外扩展，本实施例能够有效模拟岩体水力压裂这种典型的流-固耦合过程。
实施例2
本实施例提供一种基于近场动力学的裂隙岩体渗流模拟系统，包括：
离散模块，用于基于近场动力学构建包括固体层和流体层的裂隙岩体流-固耦合模型，根据岩体材料和岩体体积将裂隙岩体流-固耦合模型离散为多个物质点；
求解模块，用于对固体层求解得到物质点固体键的伸长率，判断物质点固体键的伸长率是否满足破坏条件，并得到岩体局部损伤程度；
迭代模块，用于对流体层求解得到流体层的裂隙渗透率，将根据裂隙渗透率得到的孔隙水压力作为下一次迭代时间步中固体层的初始条件，直至完成裂隙岩体渗流过程，得到岩体局部损伤情况，输出全过程模拟裂隙岩体渗流。
此处需要说明的是，上述模块对应于实施例1中所述的方法，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例1所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。
在更多实施例中，还提供：
一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例1中所述的方法。为了简洁，在此不再赘述。
应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例1中所述的方法。
实施例1中的方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明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发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于近场动力学的裂隙岩体渗流模拟方法，其特征在于，包括：
基于近场动力学构建包括固体层和流体层的裂隙岩体流-固耦合模型，根据岩体材料和岩体体积将裂隙岩体流-固耦合模型离散为多个物质点；
对固体层求解得到物质点固体键的伸长率，判断物质点固体键的伸长率是否满足破坏条件，并得到岩体局部损伤程度；
对流体层求解得到流体层的裂隙渗透率，将根据裂隙渗透率得到的孔隙水压力作为下一次迭代时间步中固体层的初始条件，直至完成裂隙岩体渗流过程，得到岩体局部损伤程度，输出全过程模拟裂隙岩体渗流。
2.如权利要求1所述的一种基于近场动力学的裂隙岩体渗流模拟方法，其特征在于，根据有效应力原理，对完整固体键和断裂固体键分别构建固体力学键作用函数，并根据固体力学键作用函数构建固体力学运动方程，即：
Figure FDA0002633642760000011
其中，
Figure FDA0002633642760000012
为物质点xi的领域范围，ρ为材料密度，b为物质点所受的体力密度；Tij为物质点xj对物质点xi的作用力，Tji为物质点xi对物质点xj的作用力，ui和uj为物质点xi和物质点xj的位移。
3.如权利要求2所述的一种基于近场动力学的裂隙岩体渗流模拟方法，其特征在于，采用自适应动态松弛方法求解固体力学运动方程，得到物质点速度和位移，根据物质点速度和位移得到固体键的伸长率：
Figure FDA0002633642760000013
4.如权利要求2所述的一种基于近场动力学的裂隙岩体渗流模拟方法，其特征在于，完整固体键的固体力学键作用函数为：
Figure FDA0002633642760000014
断裂固体键的固体力学键作用函数为：
Figure FDA0002633642760000021
其中，A为近场动力学参数，α为Biot系数，ω为影响函数，m为体积加权系数，yi和yj为物质点xi和物质点xj变形后的坐标，Pi为物质点xi孔隙水压力。
5.如权利要求1所述的一种基于近场动力学的裂隙岩体渗流模拟方法，其特征在于，所述判断物质点固体键的伸长率是否满足破坏条件包括：当固体键的伸长率超过临界伸长率时，则固体键发生断裂，当固体键的伸长率未超过临界伸长率时，则固体键未断裂，并通过剩余完整固体键的数目与初始固体键数目的比值得到岩体局部损伤程度。
6.如权利要求1所述的一种基于近场动力学的裂隙岩体渗流模拟方法，其特征在于，固体层的固体键与流体层的流体键不可同时完整存在，物质点固体键断裂后，流体键被激活，采用立方定律，根据裂隙间距得到流体层上的裂隙渗透率。
7.如权利要求1所述的一种基于近场动力学的裂隙岩体渗流模拟方法，其特征在于，根据裂隙渗透率构建流体渗流作用的物质守恒方程，求解物质守恒方程得到平衡状态下裂隙表面物质点水头，将裂隙表面物质点水头换算成物质点的孔隙水压力。
8.一种基于近场动力学的裂隙岩体渗流模拟系统，其特征在于，包括：
离散模块，用于基于近场动力学构建包括固体层和流体层的裂隙岩体流-固耦合模型，根据岩体材料和岩体体积将裂隙岩体流-固耦合模型离散为多个物质点；
求解模块，用于对固体层求解得到物质点固体键的伸长率，判断物质点固体键的伸长率是否满足破坏条件，并得到岩体局部损伤程度；
迭代模块，用于对流体层求解得到流体层的裂隙渗透率，将根据裂隙渗透率得到的孔隙水压力作为下一次迭代时间步中固体层的初始条件，直至完成裂隙岩体渗流过程，得到岩体局部损伤程度，输出全过程模拟裂隙岩体渗流。
9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-7任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-7任一项所述的方法。
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