CN112507418B - 一种dem-cfd耦合计算中岩土体介质流失的等效计算方法及系统 - Google Patents

一种dem-cfd耦合计算中岩土体介质流失的等效计算方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种DEM‑CFD耦合计算中岩土体介质流失的等效计算方法及系统，包括：获取待测充填型地质构造内部所充填岩土体的试样，生成岩土体的骨架颗粒和细小颗粒；以平行粘结键模型等效代替粘性颗粒的模型，建立离散元与计算流体力学耦合计算模型；进行充填介质岩土体渗流作用下的离散元与计算流体力学耦合计算模型的耦合计算；基于所述计算模型的结果，得到充填介质流失情况。本发明以等效计算的方式模拟了岩土体充填介质的流失过程，提高了计算效率，并通过统计充填介质流失量估算岩土体在充填介质流失后强度降低情况，进而实现岩土体强度随充填介质流失而降低的模拟。

Description

一种DEM-CFD耦合计算中岩土体介质流失的等效计算方法及 系统
技术领域
本发明涉及中岩土体介质流失计算技术领域，尤其涉及一种DEM(离散元)-CFD(计算流体动力学)耦合计算中岩土体介质流失的等效计算方法及系统。
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。
近年来，随着交通路网的纵深拓展，出现了大量的“埋深千米，长度超10公里”的隧道工程，这些隧道工程具有“大埋深、长洞线、高应力、强岩溶、高水压、构造复”等显著特点，工程建设中经常遭遇断层、岩溶等不良地质，导致突水突泥灾害频发，给工程安全建设、人民生命财产保障、生态环境保护等带来了严峻挑战。
隧道突水灾害防控主要包括不良地质超前预报、灾变机理与演化模拟、预测预警与科学决策、动态调控与灾害防治等方面。其中，突涌水灾变机理科学认知与演化过程真实模拟是监测预警与调控决策的理论基础。因此，揭示突涌水灾害的复杂动态演化过程，是控制灾害发生和治理灾害的有效途径。
突涌水灾害按其防突岩土体性质可划分为岩体破裂突涌水与(断层、岩溶管道等充填型地质构造)渗透破坏突涌水。其中，渗透破坏突涌水存在一种类似于管涌的破坏模式，即在地下水渗流作用下，局部细小颗粒率先流失，随着细小颗粒的流失，岩土体内部渗流通道逐渐扩展，较大的颗粒开始流失，从而导致岩土体发生破坏，诱发大体量突涌水灾害。
现有技术尝试通过离散元等数值计算方法对渗透破坏突涌水灾害过程进行模拟，但考虑到离散元计算效率，难以直接在离散元计算模型中建立岩土体中细小颗粒，尤其是颗粒间的黏土颗粒，从而无法准确得到岩土体渗透破坏过程中岩土体介质的流失量，难以实现对渗透破坏突涌水过程的模拟。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种DEM-CFD耦合计算中岩土体介质流失的等效计算方法，能够准确计算渗透破坏突涌水过程中，初期阶段岩土体充填介质的流失量。
为了实现上述目的，在一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种DEM-CFD耦合计算中岩土体介质流失的等效计算方法，包括：
获取待测充填型地质构造内部所充填岩土体的试样，生成岩土体的骨架颗粒和细小颗粒；
基于生成的骨架颗粒和细小颗粒，以平行粘结键模型等效代替粘性颗粒的模型，建立离散元与计算流体力学耦合计算模型；
统计所述离散元与计算流体力学耦合计算模型中的充填介质初始量；
进行充填介质岩土体渗流作用下的离散元与计算流体力学耦合计算模型的耦合计算；统计每一计算步细小颗粒流失量、平行粘结键数量参数的变化，直至所述计算模型平衡；
基于所述计算模型的结果，得到充填介质流失情况。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种DEM-CFD耦合计算中岩土体介质流失的等效计算系统，包括：
用于获取待测充填型地质构造内部所充填岩土体的试样，生成岩土体的骨架颗粒和细小颗粒的装置；
用于基于生成的骨架颗粒和细小颗粒，以平行粘结键模型等效代替粘性颗粒的模型，建立离散元与计算流体力学耦合计算模型的装置；
用于统计所述离散元与计算流体力学耦合计算模型中的充填介质初始量的装置；
用于进行充填介质岩土体渗流作用下的离散元与计算流体力学耦合计算模型的耦合计算；统计每一计算步细小颗粒流失量、平行粘结键数量参数的变化，直至所述计算模型平衡的装置；
用于基于所述计算模型的结果，得到充填介质流失情况的装置。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的DEM-CFD耦合计算中岩土体介质流失的等效计算方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明在应用于模拟强风化槽、断层破碎带、岩溶管道等充填型地质构造发生渗透破坏突涌水灾害时，以等效计算的方式模拟了岩土体充填介质的流失过程，提高了计算效率，并通过统计充填介质流失量估算岩土体在充填介质流失后强度降低情况，进而实现岩土体强度随充填介质流失而降低的模拟。
本发明的附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1给出了本发明的等效计算实现的计算流程图；
图2给出了按颗粒级配曲线对岩土体颗粒进行分类的示意图；
图3给出了计算模型示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请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申请的示例性实施方式。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，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
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。
实施例一
在一个或多个实施方式中，公开了一种DEM-CFD耦合计算中岩土体介质流失的等效计算方法，参照图1，具体包括如下步骤：
步骤1：获取待测充填型地质构造内部所充填岩土体的试样，生成岩土体的骨架颗粒和细小颗粒；
具体地，包括如下过程：
步骤1.1：从现场取得强风化槽、断层破碎带、岩溶管道等充填型地质构造内部所充填岩土体试样，进行室内筛分实验，获得岩土体的颗粒级配曲线。
步骤1.2：对岩土体颗粒进行分类。
根据获得的岩土体的颗粒级配曲线，得到岩土体试样颗粒粒径分布特征，将颗粒充填介质按粒径大小分为三类：
(1)岩土体中粒径大于d1，主要承担荷载的骨架颗粒；
(2)岩土体中粒径在d1、d2之间，能够在骨架颗粒孔隙间自由流动的细小颗粒；
(3)岩土体中粒径小于d2，主要存在于岩土体相互接触的骨架颗粒之间，起粘结作用的粘性颗粒。
步骤1.3：生成骨架颗粒及细小颗粒。
根据岩土体颗粒级配曲线生成岩土体的骨架颗粒和细小颗粒。参照图2，设定两个颗粒直径界限为d1、d2，令在曲线中颗粒直径大于d1的为骨架颗粒，颗粒直径在d1、d2之间为细小颗粒。
步骤2：基于生成的骨架颗粒和细小颗粒，以平行粘结键模型等效代替粘性颗粒的模型，建立离散元与计算流体力学耦合计算模型；
具体地，为了提高离散元法的计算效率，计算模型中并不建立粘性颗粒的实际模型，而是采用等效计算的方法，基于PFC软件中的平行粘结模型，以平行粘结键的颗粒间粘结作用等效代替粘性颗粒在岩土体中的粘结作用。
PFC的全称是Particle Flow Code，中文译为颗粒流程序，以牛顿第二定律为理论基础，主要用于研究散粒体或可简化为散粒体的系统的分析。该软件属于离散元(DEM)范畴，应用的领域主要有土木工程、矿业工程、材料工程、食品工程、制药工程及农业等。
离散元与计算流体力学耦合计算模型是用于进行离散元与计算流体力学耦合计算模拟岩土体的渗透破坏过程而建立的；
参照图3，离散元与计算流体力学耦合计算模型包括：由骨架颗粒、细小颗粒以及骨架颗粒间的平行粘结键组成的固体计算域，基于固体计算域范围生成流体计算网格的流体计算域。
图3中，1代表固体计算域初始范围，2代表流体计算域初始范围，3代表初始流体计算网格。
离散元与计算流体力学耦合计算模型建立后，通过开展室内试验对耦合计算模型进行参数标定。具体包括：
步骤2.1：骨架颗粒与细小颗粒标定。
在不考虑岩土体中粘性颗粒条件下，即无粘性的骨架颗粒与细小颗粒，进行宏细观参数标定，根据落料试验和滚筒试验所测得试样的静态、动态休止角α、β宏观指标，标定其颗粒间静摩擦系数μs和滚动摩擦系数μr。
步骤2.2：平行粘结键参数标定。
根据三轴压缩试验和巴西劈裂试验所测得的岩土体试样的弹性模量E、泊松比ν、摩擦系数c、抗压强度σt、抗拉强度σl，标定其平行粘结键的弹性模量Ec、法向刚度kn、切向刚度ks、法向粘结强度σc、切向粘结强度τc，使模型在平行粘结键粘结作用下的强度指标与岩土体试样一致。
步骤2.3：充填介质流失量与岩土体宏观强度标定。
根据以上步骤中建立的模型结合岩土体渗透破坏试验进行一系列参数标定，得到岩土体充填介质流失量与岩土体宏观强度关系表达式，如式(1)：
Figure BDA0002779840620000061
式中，σd、τd为充填介质流失率量到d时的岩土体抗压强度、抗剪强度，nd为充填介质流失率达到d时的模型中粘结键数量，r1d、r2d…rnd为充填介质流失量达到d时模型中各粘结键的粘结半径。
步骤3：统计所述离散元与计算流体力学耦合计算模型中的充填介质初始量；
具体地，统计模型中所有的细小颗粒数量mmi，统计所有平行粘结键数量n0，各平行粘结键粘结半径r1、r2…rn，平行粘结键强度参数：弹性模量Ec、法向刚度kn、切向刚度ks、法向粘结强度σc、切向粘结强度τc。
步骤4：进行充填介质岩土体渗流作用下的离散元与计算流体力学耦合计算模型的耦合计算；统计每一计算步细小颗粒流失量、平行粘结键数量参数的变化，直至所述计算模型平衡；
具体地，耦合模型的计算过程具体包括：
步骤4.1：生成并计算流体域。
由骨架颗粒、细小颗粒以及骨架颗粒间的平行粘结键组成的固体计算域，基于固体计算域范围生成流体计算网格的流体计算域。并根据研究对象特点确立渗流计算参数，计算该时刻渗流场，提取得出的速度场、压力场数据，得到作用在固体颗粒边界上的作用力ξ，如式(2)。
Figure BDA0002779840620000071
式中，▽Pi为沿梯度方向的水头损失，s为流体单元域的孔隙度，k为原始的渗透率。
步骤4.2：计算固体域。
将步骤4.1中得出的作用于固体颗粒边界的作用力作为该时间步的恒定外力施加于颗粒i，求解所有固体颗粒的应力、位移、速度。
步骤4.3：统计细小颗粒流失量。
在PFC软件中通过命令操作顺序读取所有颗粒直径判定为细小颗粒的颗粒位置信息，得到该计算步模型中所有细小颗粒的空间位置，在固体计算域范围之内的视为未流失细小颗粒，而空间位置在固体计算域之外的细小颗粒则判定为流失，统计细小颗粒流失量ml。
步骤4.4：统计平行粘结键参数情况。
在PFC软件中通过命令操作顺序读取所有平行粘结键是否发生断裂的状态信息，得到该计算步模型中所有平行粘结键的状态，把因颗粒间相对距离过大、粘结键受力超过粘结键强度而发生断裂的平行粘结键视为该区域的粘性颗粒发生流失，未发生断裂的粘结键即为该区域粘性颗粒未流失，统计此时平行粘结键的数量、各粘结键的粘结半径以及粘结键强度参数。
步骤4.5：重复步骤4.1-4.4，直至模型整体达到平衡。
在PFC软件计算中，当颗粒之间的平均不平衡力小于设定的计算精度时，计算模型达到平衡。
步骤5：基于所述计算模型的结果，得到充填介质流失情况。
具体地，定义等效充填介质流失量Σ有如下表达式：
Figure BDA0002779840620000081
式中，nl为流失后的平行粘结键数量，r1l、r2l…rml为未断裂的平行粘结键的粘结半径，Ec、kn、ks、σc、τc为平行粘结键的强度参数，ml为细小颗粒流失量。
进一步地，在得到充填介质流失情况后，将充填介质流失量下的平行粘结键数量、各粘结键粘结半径以及各粘结键强度参数代入式(1)，得到充填介质流失后岩土体宏观的抗压强度与抗剪强度值，以估算充填介质流失后岩土体强度的降低情况。
在PFC软件中顺序读取充填介质流失前计算模型的所有平行粘结键的信息，将平行粘结键数量、各粘结键粘结半径以及各粘结键强度参数代入式(1)中，得到充填介质流失前岩土体宏观的抗压强度与抗剪强度值。
分别计算充填介质流失后与流失前的抗压强度、抗剪强度百分比，并取两百分比的平均值，进而得到估算的充填介质流失后岩土体强度降低百分数。
实施例二
在一个或多个实施方式中，公开了一种DEM-CFD耦合计算中岩土体介质流失的等效计算系统，包括：
用于获取待测充填型地质构造内部所充填岩土体的试样，生成岩土体的骨架颗粒和细小颗粒的装置；
用于基于生成的骨架颗粒和细小颗粒，以平行粘结键模型等效代替粘性颗粒的模型，建立离散元与计算流体力学耦合计算模型的装置；
用于统计所述离散元与计算流体力学耦合计算模型中的充填介质初始量的装置；
用于进行充填介质岩土体渗流作用下的离散元与计算流体力学耦合计算模型的耦合计算；统计每一计算步细小颗粒流失量、平行粘结键数量参数的变化，直至所述计算模型平衡的装置；
用于基于所述计算模型的结果，得到充填介质流失情况的装置。
需要说明的是，上述装置的具体实现过程参照实施例一中的方法，为了简洁，不再赘述。
实施例三
在一个或多个实施方式中，公开了一种终端设备，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实施例一中的DEM-CFD耦合计算中岩土体介质流失的等效计算方法。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。
在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。
实施例一中的DEM-CFD耦合计算中岩土体介质流失的等效计算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。
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DEM-CFD耦合计算中岩土体介质流失的等效计算方法，其特征在于，包括：
获取待测充填型地质构造内部所充填岩土体的试样，生成岩土体的骨架颗粒和细小颗粒；
基于生成的骨架颗粒和细小颗粒，以平行粘结键模型等效代替粘性颗粒的模型，建立离散元与计算流体力学耦合计算模型；
统计所述离散元与计算流体力学耦合计算模型中的充填介质初始量；
进行充填介质岩土体渗流作用下的离散元与计算流体力学耦合计算模型的耦合计算；统计每一计算步细小颗粒流失量、平行粘结键数量参数的变化，直至所述计算模型平衡；
基于所述计算模型的结果，得到充填介质流失情况。
2.如权利要求1所述的一种DEM-CFD耦合计算中岩土体介质流失的等效计算方法，其特征在于，所述生成岩土体的骨架颗粒和细小颗粒的过程包括：
通过对岩土体的筛分试验得到岩土体的颗粒级配曲线；根据岩土体颗粒级配曲线中的颗粒直径，生成岩土体的骨架颗粒和细小颗粒。
3.如权利要求1所述的一种DEM-CFD耦合计算中岩土体介质流失的等效计算方法，其特征在于，以平行粘结键模型等效代替粘性颗粒的模型，具体包括：
以PFC软件中的平行粘结键等效替代粘性颗粒在模型中的粘结作用。
4.如权利要求1所述的一种DEM-CFD耦合计算中岩土体介质流失的等效计算方法，其特征在于，所述离散元与计算流体力学耦合计算模型包括由骨架颗粒、细小颗粒以及骨架颗粒间的平行粘结键组成的固体计算域，以及基于固体计算域范围生成流体计算网格的流体计算域。
5.如权利要求1所述的一种DEM-CFD耦合计算中岩土体介质流失的等效计算方法，其特征在于，在建立离散元与计算流体力学耦合计算模型之后，还包括：
开展室内试验对计算模型的骨架颗粒、细小颗粒以及平行粘结键进行参数标定：
统计模型细小颗粒的初始量以及平行粘结键的初始参数。
6.如权利要求1所述的一种DEM-CFD耦合计算中岩土体介质流失的等效计算方法，其特征在于，统计每一计算步细小颗粒流失量、平行粘结键数量参数的变化，具体过程包括：
获取每一计算步模型中所有细小颗粒的空间位置，将在固体计算域之外的细小颗粒则判定为流失颗粒；
获取每一计算步模型中所有平行粘结键的状态，将发生断裂的平行粘结键视为该区域的粘性颗粒发生流失。
7.如权利要求1所述的一种DEM-CFD耦合计算中岩土体介质流失的等效计算方法，其特征在于，基于所述计算模型的结果，得到充填介质流失情况，具体方法为：
Figure FDA0002779840610000021
其中，nl为流失后的平行粘结键数量，r1l、r2l…rml分别为未断裂的平行粘结键的粘结半径，Ec、kn、ks、σc、τc为平行粘结键的强度参数，ml为细小颗粒流失量，mmi为所有细小颗粒数量，n0为流失前的平行粘结键数量，r1,r2,r3…rn分别为流失前所有的平行粘结键的粘结半径，角标为平行粘结键的序号。
8.如权利要求1所述的一种DEM-CFD耦合计算中岩土体介质流失的等效计算方法，其特征在于，得到充填介质流失情况之后，还包括：
根据流失后的平行粘结键数量、各粘结键粘结半径以及各粘结键强度参数，得到充填介质流失后岩土体宏观的抗压强度与抗剪强度值，以估算充填介质流失后岩土体强度的降低情况。
9.一种DEM-CFD耦合计算中岩土体介质流失的等效计算系统，其特征在于，包括：
用于获取待测充填型地质构造内部所充填岩土体的试样，生成岩土体的骨架颗粒和细小颗粒的装置；
用于基于生成的骨架颗粒和细小颗粒，以平行粘结键模型等效代替粘性颗粒的模型，建立离散元与计算流体力学耦合计算模型的装置；
用于统计所述离散元与计算流体力学耦合计算模型中的充填介质初始量的装置；
用于进行充填介质岩土体渗流作用下的离散元与计算流体力学耦合计算模型的耦合计算；统计每一计算步细小颗粒流失量、平行粘结键数量参数的变化，直至所述计算模型平衡的装置；
用于基于所述计算模型的结果，得到充填介质流失情况的装置。
10.一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，其特征在于，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-8任一项所述的DEM-CFD耦合计算中岩土体介质流失的等效计算方法。
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