CN113338218A - 泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法 - Google Patents
泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113338218A CN113338218A CN202110906152.8A CN202110906152A CN113338218A CN 113338218 A CN113338218 A CN 113338218A CN 202110906152 A CN202110906152 A CN 202110906152A CN 113338218 A CN113338218 A CN 113338218A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- model
- debris flow
- dem
- slurry
- flexible protection
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 66
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 125
- 239000002002 slurry Substances 0.000 claims abstract description 75
- 239000011435 rock Substances 0.000 claims abstract description 46
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 23
- 230000001808 coupling effect Effects 0.000 claims abstract description 14
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 9
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims abstract description 8
- 238000011439 discrete element method Methods 0.000 claims description 53
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 30
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 30
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 25
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 21
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 21
- 238000013016 damping Methods 0.000 claims description 19
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 18
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 18
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 16
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 13
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 9
- 230000010354 integration Effects 0.000 claims description 9
- 239000004575 stone Substances 0.000 claims description 8
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 claims description 7
- 230000004913 activation Effects 0.000 claims description 6
- 239000013618 particulate matter Substances 0.000 claims description 6
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims description 5
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 4
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 claims description 3
- 230000009191 jumping Effects 0.000 claims description 3
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 claims description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 239000013049 sediment Substances 0.000 description 9
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 7
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 1
- 238000009533 lab test Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000012821 model calculation Methods 0.000 description 1
- 239000011236 particulate material Substances 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
- E02B—HYDRAULIC ENGINEERING
- E02B1/00—Equipment or apparatus for, or methods of, general hydraulic engineering, e.g. protection of constructions against ice-strains
- E02B1/02—Hydraulic models
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
- E02B—HYDRAULIC ENGINEERING
- E02B5/00—Artificial water canals, e.g. irrigation canals
- E02B5/08—Details, e.g. gates, screens
- E02B5/085—Arresting devices for waterborne materials, e.g. gratings
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Civil Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
- Earth Drilling (AREA)
Abstract
本发明涉及边坡地质灾害防护技术领域，涉及一种泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法，包括以下步骤：a）泥石流物性参数确定；b）泥石流物源数值模型构建：采用SPH建立泥石流浆体模型，采用DEM建立多尺度颗粒物模型，采用FEM建立岩石大块体的实体单元模型，采用FEM建立泥石流冲沟的壳单元模型并分区域设置粗糙度参数；c）采用FEM建立柔性防护系统的纤维梁单元模型，并设置系统结构的内部接触参数；d）建立泥石流浆体‑防护系统耦合作用界面；e）整合建立包含浆体、颗粒物、岩石大块体、柔性防护系统和冲沟的多尺度多介质耦合的综合反演分析模型。本发明能较佳地实现泥石流柔性拦截过程典型物理现象的综合反演。
Description
技术领域
本发明涉及边坡地质灾害防护技术领域，具体地说，涉及一种泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法。
背景技术
自然灾害严重是我国的基本国情，提升防灾减灾技术水平的研发应用是国家急需。针对冲击速度快、物源丰富的沟谷型泥石流，柔性防护系统已在欧美日等发达国家获得大量应用。泥石流柔性拦截过程中典型的物理现象包括：多尺度多介质物源运动、滤水沉渣、防护结构大变形。这是一个复杂的多尺度多介质耦合非线性问题。但是，现有的数值模拟方法还无法实现泥石流柔性拦截过程上述物理现象的综合反演，进而制约了泥石流柔性防护技术的发展。
泥石流柔性拦截的反演模拟有三个关键难题：
1、综合考虑大变形浆体、多尺度颗粒体及岩石碎屑体等的物源耦合作用；
2、考虑系统内部滑移、接触、分离及冲击动力响应的离散态柔性防护系统模型；
3、综合考虑1、2因素的多场耦合数值模型，其中尤其是泥石流浆体与梁杆模型的流固耦合目前尚是未解难题。
发明内容
（a）泥石流物性参数确定，标定数值模型中浆体、颗粒物、岩石块体的材性参数、体积及位置；
（b）泥石流物源数值模型构建：采用光滑粒子流体动力学方法（SPH：SmoothedParticle Hydrodynamics）建立泥石流浆体模型，采用离散单元方法（DEM：DiscreteElement Method）建立多尺度颗粒物模型，采用有限元方法（FEM：Finite Element Method）建立岩石大块体的实体单元模型，采用FEM建立泥石流冲沟的壳单元模型并分区域设置粗糙度参数；
（c）柔性防护系统模型包括支撑结构、钢丝绳、环形网片，采用FEM建立柔性防护系统的纤维梁单元模型，并设置系统结构的内部接触参数；
（d）建立泥石流浆体-防护系统耦合作用界面：泥石流浆体与环形网片的接触为泥石流浆体与防护系统的主要接触作用。在环形网片的纤维梁单元节点上建立同位虚拟DEM粒子，用于实现泥石流浆体模型和柔性防护系统模型的耦合传力。虚拟DEM粒子仅做为浆体与环形网片的接触界面，其尺寸按绕流阻力等效原则标定；
（e）整合步骤（a）-（d），建立包含浆体、颗粒物、岩石大块体、柔性防护系统和冲沟的多尺度多介质耦合的综合反演分析模型，标定计算参数，设置输出结果选项，进行运算，获得计算结果。
作为优选，步骤（d）中，环形网片由若干圆环套结而成，圆环由钢丝盘绕n圈形成，圆环的计算模型即为纤维梁单元模型；将曲杆状的钢丝圆环的接触面离散为若干虚拟DEM粒子，并按绕流阻力等效原则标定粒子尺寸，同时在圆环纤维梁单元模型的节点位置建立同位虚拟DEM粒子，构成泥石流浆体模型和柔性防护系统模型的虚拟耦合传力界面；
虚拟DEM粒子尺寸按绕流阻力等效原则确定，即：实际泥石流浆体与柔性网片钢丝
间的耦合作用等效为圆柱绕流，根据绕流阻力相等原则，等效确定虚拟离散DEM粒子球的直
径，等效方法为：
其中，C 1、C 2分别为绕圆柱、绕球时的阻力系数，与流体雷诺数对应，将运动泥石流浆体视作湍流，C 1/C 2取值范围2.0~2.5；A 1、A 2分别为圆柱体、球体发生绕流时在垂直于来流方向的投影面积；m为圆环的钢丝圈数；d为圆环的钢丝直径；l为圆环的钢丝周长；n为圆环的虚拟DEM粒子数，等于圆环纤维梁单元分段节点数，节点数不小于16；r为虚拟DEM粒子半径。
作为优选，步骤（b）中，泥石流浆体模型物性参数包括：密度
、体积
和
核函数系数取值，核函数系数取值通过溃坝模型试验标定；
作为优选，步骤（b）中，多尺度颗粒物模型的物性参数包括：粒径分布
、
堆积体积
、堆积质量
、弹性模量
、泊松比
和粒子间
摩擦系数
，标定方法有：体积密度试验和休止角试验。
作为优选，体积密度试验确定计算模型DEM颗粒物材料密度，基于体积密度相等原则，对给定DEM颗粒物的体积，通过调整DEM颗粒密度，使颗粒物的实际质量和模拟质量相等；
作为优选，DEM颗粒间参数包括滑动摩擦系数和滚动摩擦系数，通过休止角试验测定，采用试算法使计算模型DEM颗粒堆积体休止角与试验实测颗粒物休止角一致，从而确定DEM颗粒材料的内部摩擦系数。
步骤（d）中，泥石流浆体模型和多尺度颗粒物模型的耦合控制参数为线弹簧刚度和接触阻尼常数，以上两参数取值范围均为0.1~0.15；
泥石流浆体模型和泥石流冲沟模型之间为点面接触，控制参数为摩擦系数，根据粗糙度不同，取值为0.25-0.6；
多尺度颗粒物模型和泥石流冲沟模型之间为弹簧阻尼接触，其控制参数为摩擦系数，可通过摩擦试验标定；
多尺度颗粒物模型和柔性防护系统模型之间之间为弹簧阻尼接触，其控制参数界面摩擦系数、滚动摩擦系数取值范围均为0.2-0.4，阻尼系数取值范围为0.1-0.15。
作为优选，泥石流物源数值模型和柔性防护系统模型的耦合作用激活时间设置为
两模型接触前的某一时刻；激活时间
根据下述公式进行计算：
其中，s为冲沟长度，v c为泥石流平均流速，H c为泥石流流体水力半径，I c为泥石流
流面坡比降，
为阻力系数。
计算时间步长设置：SPH、DEM和FEM积分方法不同导致积分步有差异，SPH采用跳蛙
法，DEM和FEM采用中心差分法，三者考虑耦合作用时，要求积分步相同，时间步长
取三者的较小值，即：
本发明的有益效果如下：
（1）本发明除了将拦截网等效为纤维梁单元，还基于绕流阻力等效原则，将拦截网离散为虚拟的同位DEM粒子，解决了泥石流浆体模型（SPH）与柔性防护系统模型（FEM）无法耦合传力的计算难题，实现了“阻水、滤水、沉渣”的综合模拟；
（2）本发明还综合“浆体（SPH）、颗粒物（DEM）、岩石大块体（FEM）、柔性防护系统（FEM）和冲沟（FEM）”形成尺度多介质综合模型，进行时域分析，实现了考虑大变形与大滑移、多尺度颗粒群、多相物源介质、多体离散接触纤维梁单元的耦合动力分析，实现了对泥石流柔性拦截过程中的“多尺度多介质物源运动、滤水沉渣、柔性网结构大变形”等关键物理现象综合反演。
附图说明
图1为实施例1中一种泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法的流程图；
图2为实施例2中一种泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法的网环杆单元模型与虚拟DEM粒子模型示意图；
图3为实施例2中一种泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法的浆体模型-柔性防护系统模型耦合模型计算结果示意图；
图4为实施例2中一种泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法的摩擦标定试验模拟示意图；
图5为实施例2中一种泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法的“多尺度多介质物源运动”现象反演结果示意图；
图6为实施例2中一种泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法的“柔性大变形”、“滤水沉渣”反演结果示意图；
图7为实施例2中一种泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法的“沉渣现象”反演结果示意图；
图8为实施例2中一种泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法的“多尺度多介质物源运动、滤水沉渣、结构大变形”综合反演结果示意图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法，其包括以下步骤：
（a）泥石流物性参数确定，标定数值模型中浆体、颗粒物、岩石块体的材性参数、体积及位置；
采用光滑粒子流体动力学方法（SPH：Smoothed Particle Hydrodynamics）建立泥石流浆体模型，采用离散单元方法（DEM：Discrete Element Method）建立多尺度颗粒物模型，采用有限元方法（FEM：Finite Element Method）建立岩石大块体的实体单元模型，采用FEM建立泥石流冲沟的壳单元模型并分区域设置粗糙度参数；
（c）柔性防护系统模型包括支撑结构、钢丝绳、环形网片，采用FEM建立柔性防护系统的纤维梁单元模型，并设置系统结构的内部接触参数；
（d）建立泥石流浆体-防护系统耦合作用界面：泥石流浆体与环形网片的接触为泥石流浆体与防护系统的主要接触作用；在环形网片的纤维梁单元节点上建立同位虚拟DEM粒子，用于实现泥石流浆体模型和柔性防护系统模型的耦合传力；虚拟DEM粒子仅做为浆体与环形网片的接触界面，其尺寸按绕流阻力等效原则标定；
（e）整合步骤（a）-（d），建立包含浆体、颗粒物、岩石大块体、柔性防护系统和冲沟的多尺度多介质耦合的综合反演分析模型，标定计算参数，设置输出结果选项，进行运算，获得计算结果。
泥石流发生时，往往伴随零散的尺寸较大的大岩块，形成较大的冲击作用，反演分析时，可采用有限单元法（FEM）的实体单元进行模拟，即所谓“FEM实体单元”，用以反演类似大岩块的运动与冲击作用；
泥石流往往沿着坡面上的沟槽流动，形成冲沟，反演分析时可采用有限单元法（FEM）的壳单元模拟冲沟或者坡体壁面，即所谓“FEM壳单元”；
防护网系统由型钢、钢丝网、钢绳等杆状结构单元组成，为了模拟杆状结构单元在横截面上应力应变的发展与不均匀分布，需对截面进行纤维化处理，因此其力学单元模型常采用有限元方法种的纤维梁模型，即所谓“FEM纤维梁模型”。相比经典梁单元模型，纤维梁模型在弹塑性力学问题上的计算精度有明显提升。
步骤（d）中，环形网片由若干圆环套结而成，圆环由钢丝盘绕n圈形成，圆环的计算模型即为纤维梁单元模型。将曲杆状的钢丝圆环的接触面离散为若干虚拟DEM粒子，并按绕流阻力等效原则标定粒子尺寸，同时在圆环纤维梁单元模型的节点位置建立同位虚拟DEM粒子，构成泥石流浆体模型和柔性防护系统模型的虚拟耦合传力界面；
环形网片是由若干独立的金属网环相互套结形成的网状结构物，圆环状的金属网环即是所谓的“环形网片的组成单元”；环形网片分析计算时，按有限元方法的原理，必须先建立每个独立的金属圆环的有限元模型才能组集形成环形网片的整体模型，单个金属圆环的有限元模型即所谓“网环模型”，组集形成的网状结构物整体模型即所谓“环形网片模型”。
虚拟DEM粒子尺寸按绕流阻力等效原则确定，即：实际泥石流浆体与柔性网片钢丝
间的耦合作用等效为圆柱绕流，但本方法中泥石流浆体模型（SPH）与网环虚拟模型（DEM）为
球体绕流，根据绕流阻力相等原则，等效确定虚拟离散DEM粒子球的直径，等效方法为： 
其中，C 1、C 2分别为绕圆柱、绕球时的阻力系数，与流体雷诺数对应，将运动泥石流浆体视作湍流，C 1/C 2取值范围2.0~2.5；A 1、A 2分别为圆柱体、球体发生绕流时在垂直于来流方向的投影面积；m为圆环的钢丝圈数；d为圆环的钢丝直径；l为圆环的钢丝周长；n为圆环的虚拟DEM粒子数，等于圆环纤维梁单元分段节点数，节点数不小于16；r为虚拟DEM粒子半径。
目前，泥石流浆体（SPH）与环形网片（FEM梁单元）无法实现直接的接触传力，即无法耦合。针对此，本实施例在圆环模型节点，即所谓同位节点，建立新的离散元（虚拟DEM粒子）。虚拟DEM粒子将从泥石流浆体得到的外部作用力传递给环网模型，实现对浆体的拦阻作用。同时，与圆环无接触区域的泥石流浆体可以渗漏。这样，便有效实现了泥石流浆体与网状结构物的阻水渗水现象模拟，目前的文献报道尚没有方法能有效解决泥石流防护时的渗水阻水现象。
但是，这些新增的离散元客观上是不存在的，只是为了利用其和泥石流浆体的接触传力功能，所以称之为“虚拟”，综合起来称为“同位虚拟DEM粒子”。利用虚拟DEM粒子实现与泥石流浆体的耦合传力时，特别要准确模拟泥石流浆体和圆环（几何上呈柱状）的接触传力面积，因此本实施例基于绕流计算理论，进一步提出了虚拟球状DEM粒子和网状结构物绕流效应的等效换算方法。
要强调的是，网环单元的虚拟DEM粒子间无需设置接触，以避免虚拟DEM粒子对离散态网片的单元间滑移形成卡阻。
步骤（b）中，泥石流浆体模型物性参数包括：密度
、体积
和核函数系数
取值，核函数系数取值通过溃坝模型试验标定；
步骤（b）中，多尺度颗粒物模型的物性参数包括：粒径分布
、堆积体积
、
堆积质量
、弹性模量
、泊松比
和粒子间摩擦系数
，标定方法
有：体积密度试验和休止角试验。
体积密度试验确定计算模型DEM颗粒物材料密度，基于体积密度相等原则，对给定DEM颗粒物的体积，通过调整DEM颗粒密度，使颗粒物的实际质量和模拟质量相等；
DEM颗粒间参数包括滑动摩擦系数
和滚动摩擦系数
，通过休止
角试验测定，采用试算法使计算模型DEM颗粒堆积体休止角与试验实测颗粒物休止角一致，
从而确定DEM颗粒材料的内部摩擦系数。
步骤（d）中，泥石流浆体模型和多尺度颗粒物模型的耦合控制参数为线弹簧刚度和接触阻尼常数，以上两参数取值范围均为0.1~0.15；
泥石流浆体模型和泥石流冲沟模型之间为点面接触，控制参数为摩擦系数，根据粗糙度不同，取值为0.25-0.6；
多尺度颗粒物模型和泥石流冲沟模型之间为弹簧阻尼接触，其控制参数为摩擦系数，可通过摩擦试验标定；
多尺度颗粒物模型和柔性防护系统模型之间之间为弹簧阻尼接触，其控制参数界面摩擦系数、滚动摩擦系数取值范围均为0.2-0.4，阻尼系数取值范围为0.1-0.15。
泥石流发生时，物源包含浆体、密集的不同尺度大小的岩石颗粒体等，这些岩石颗粒体采用离散元（DEM）模拟时，等同于具有不同几何尺度参数（即多尺度）的点集，其与冲沟表面为“点面接触”关系，常用“点面接触模型”模拟；
环形网是由若干独立的金属网环相互套结形成的网状结构物，金属网环之间可接触滑移，接触表面的法线方向和切线方向均具有接触刚度和阻尼，在力学上等效为“弹簧阻尼接触模型”，同样，采用DEM粒子群模拟不同尺度的破碎岩石颗粒群时，岩石颗粒之间也存在接触滑移关系，在力学上也等效为“弹簧阻尼接触模型”，本技术建立了相应的接触滑移关系并明确了接触滑移参数。
由于泥石流混合物（浆体+颗粒体+岩石块体）在冲沟内运动时尚未与柔性防护系
统发生接触，泥石流物源数值模型和柔性防护系统模型的耦合作用激活时间设置为两模型
接触前的某一时刻，以节约计算时间；激活时间
根据经验公式进行计算，如：
其中，s为冲沟长度，v c为泥石流平均流速，H c为泥石流流体水力半径，I c为泥石流
流面坡比降，
为阻力系数。
计算时间步长设置：SPH、DEM和FEM积分方法不同导致积分步有差异，SPH采用跳蛙
法，DEM和FEM采用中心差分法，三者考虑耦合作用时，要求积分步相同，时间步长
取三者的较小值，即：
本方法可以实现泥石流柔性拦截过程典型物理现象的综合反演。
实施例2
本实施例提供一种泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法，反演某次泥石流冲击柔性防护的实验室试验，具体步骤如下：
（1）泥石流物性参数确定，浆体为水，则密度为1000kg/m3，体积为2.87m3；颗粒物质
量为340kg，堆积体积为0.25m3，弹性模量为30GPa，泊松比为0.3，粒径分布
如下表所示：
表1 颗粒物粒径分布
（2）标定泥石流物源数值模型材料本构，建立泥石流物源数值模型。浆体采用SPH(Smooth Particle Hydrodynamics)模拟，粒子间距取0.1m，通过溃坝试验确定浆体模型（SPH）采用MURNAGHAN函数：
其中，
取值7，
取值为1.5×105。
颗粒物采用DEM (Discrete Element Method)模拟，通过体积密度试验，确定多尺
度颗粒模型（DEM）密度为2585kg/m3，通过休止角试验，确定DEM粒子间法向阻尼比
取0.7，切向阻尼比
取0.4。
实验室泥石流冲沟为钢板材料，采用FEM(Finite Element Method)壳单元模拟，宽1.5m，长7m，坡度为35°。
（3）采用FEM纤维梁单元建立柔性防护系统模型。环形网规格为ROCCO7/3/300，网片长2.48m，宽1.48m，钢柱规格HW200。材料模型选用弹塑性材料，网环间的滑动摩擦系数取值0.2；
（4）建立浆体模型（SPH）-柔性防护系统（FEM beam）耦合作用界面，在网环模型的节点位置建立同位虚拟DEM粒子，作为曲杆状网环表观界面的等效耦合作用界面。虚拟DEM粒子尺寸基于绕流阻力等效原则确定，实际泥石流浆体与柔性网片钢丝接触为流体绕流圆柱，浆体模型（SPH）与虚拟DEM粒子接触为流体绕流球体，因此，等效方法为：
其中，C 1、C 2分别为绕圆柱、绕球时的阻力系数，在本模型中C 1/C 2取2；A 1、A 2分别为圆柱体、球体发生绕流时在垂直于来流方向的投影面积；m为网环的钢丝圈数，为7根；d为网环的钢丝直径，为3mm；l为网环的钢丝周长，为300π mm；n为网环的虚拟DEM粒子数，等于网环纤维梁单元分段节点数，为16个。综上可得，虚拟DEM粒子半径r为8mm，见图2。
网环单元的虚拟DEM粒子间无需设置接触，以避免虚拟DEM粒子对离散态网片的单元间滑移形成卡阻。如图3，无颗粒物的泥浆（SPH）冲击柔性防护系统（DEM）耦合模型计算结果。
（5）建立浆体模型（SPH）-多尺度颗粒模型（DEM）-岩石块体（FEM）-冲沟模型（FEM
shell）- 柔性防护系统模型（FEM beam）多场耦合模型。浆体模型（SPH）-多尺度颗粒模型
（DEM）耦合作用控制参数为线弹簧刚度k S-D和接触阻尼常数z S-D，以上两参数取值均为0.1；
浆体模型（SPH）-冲沟模型（FEM shell）点面接触控制参数为静摩擦系数
和动摩擦系数
，取值均为0；如图4，通过摩擦试验标定，多尺度颗粒模型（DEM）-冲沟模型（FEM shell）摩擦
系数为0.1；多尺度颗粒模型（DEM）- 柔性防护系统模型（FEM beam）的耦合关系中摩擦系数
和滚动摩擦系数
取值均为0.1，阻尼系数
取0.1。
泥石流混合物在冲沟运动时与柔性防护系统无接触关系，则浆体模型（SPH）-多尺
度颗粒模型（DEM）-柔性防护系统模型（FEM beam）的耦合作用发生时间设置为泥石流混合
物即将接触柔性防护系统时刻，该时刻
为2s。
如图5，通过对泥石流物源数值模型-泥石流冲沟FEM壳单元模型耦合模型进行时域分析，模拟物源在冲沟的运动，实现“物源长持时搬运”现象反演；如图6，泥石流物源数值模型-柔性防护系统模型（FEMbeam）耦合实现“柔性大变形”现象反演，同时，基于虚拟DEM粒子的浆体模型（SPH）-柔性防护系统模型（FEM beam）耦合实现“滤水沉渣”反演；如图7，多尺度颗粒模型（DEM）-岩石块体模型（FEM solid）-柔性防护系统模型（FEM beam）耦合实现“沉渣现象”反演，以上共同实现泥石流柔性拦截多现象反演模拟。
同时，该方法同样适用于其他形状网片的泥石流柔性防护系统，具体实施过程与上述过程保持一致，反演模拟结果如图8所示，准确展现了菱形网片的防护系统柔性大变形、滤水沉渣现象。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法，其特征在于：包括以下步骤：
（a）泥石流物性参数确定，标定数值模型中浆体、颗粒物、岩石块体的材性参数、体积及位置；
（b）泥石流物源数值模型构建：采用光滑粒子流体动力学方法SPH建立泥石流浆体模型，采用离散单元方法DEM建立多尺度颗粒物模型，采用有限元方法FEM建立岩石大块体的实体单元模型，采用FEM建立泥石流冲沟的壳单元模型并分区域设置粗糙度参数；
（c）柔性防护系统模型包括支撑结构、钢丝绳、环形网片，采用FEM建立柔性防护系统的纤维梁单元模型，并设置系统结构的内部接触参数；
（d）建立泥石流浆体-防护系统耦合作用界面：泥石流浆体与环形网片的接触为泥石流浆体与防护系统的接触作用；在环形网片的纤维梁单元节点上建立同位虚拟DEM粒子，用于实现泥石流浆体模型和柔性防护系统模型的耦合传力；虚拟DEM粒子仅做为浆体与环形网片的接触界面，其尺寸按绕流阻力等效原则标定；
（e）整合步骤（a）-（d），建立包含浆体、颗粒物、岩石大块体、柔性防护系统和冲沟的多尺度多介质耦合的综合反演分析模型，标定计算参数，设置输出结果选项，进行运算，获得计算结果。
2.根据权利要求1所述的泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法，其特征在于：步骤（d）中，环形网片由若干圆环套结而成，圆环由钢丝盘绕n圈形成，圆环的计算模型即为纤维梁单元模型；将曲杆状的钢丝圆环的接触面离散为若干虚拟DEM粒子，并按绕流阻力等效原则标定粒子尺寸，同时在圆环纤维梁单元模型的节点位置建立同位虚拟DEM粒子，构成泥石流浆体模型和柔性防护系统模型的虚拟耦合传力界面；
虚拟DEM粒子尺寸按绕流阻力等效原则确定，即：实际泥石流浆体与柔性网片钢丝间的耦合作用等效为圆柱绕流，根据绕流阻力相等原则，等效确定虚拟离散DEM粒子球的直径，等效方法为：
其中，C 1、C 2分别为绕圆柱、绕球时的阻力系数，与流体雷诺数对应，将运动泥石流浆体视作湍流，C 1/C 2取值范围2.0~2.5；A 1、A 2分别为圆柱体、球体发生绕流时在垂直于来流方向的投影面积；m为圆环的钢丝圈数；d为圆环的钢丝直径；l为圆环的钢丝周长；n为圆环的虚拟DEM粒子数，等于圆环纤维梁单元分段节点数，节点数不小于16；r为虚拟DEM粒子半径。
3.根据权利要求1所述的泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法，其特征在于：
步骤（b）中，泥石流浆体模型物性参数包括：密度
、体积
和核函数系数取值，核
函数系数取值通过溃坝模型试验标定。
4.根据权利要求1所述的泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法，其特征在于：
步骤（b）中，多尺度颗粒物模型的物性参数包括：粒径分布
、堆积体积
、堆积质
量
、弹性模量
、泊松比
和粒子间摩擦系数
，标定方法有：体
积密度试验和休止角试验。
5.根据权利要求4所述的泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法，其特征在于：体积密度试验确定计算模型DEM颗粒物材料密度，基于体积密度相等原则，对给定DEM颗粒物的体积，通过调整DEM颗粒密度，使颗粒物的实际质量和模拟质量相等。
6.根据权利要求5所述的泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法，其特征在于：
DEM颗粒间参数包括滑动摩擦系数
和滚动摩擦系数
，通过休止角试验测
定，采用试算法使计算模型DEM颗粒堆积体休止角与试验实测颗粒物休止角一致，从而确定
DEM颗粒材料的内部摩擦系数。
7.根据权利要求1所述的泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法，其特征在于：步骤（d）中，泥石流浆体模型和多尺度颗粒物模型的耦合控制参数为线弹簧刚度和接触阻尼常数，以上两参数取值范围均为0.1~0.15；
泥石流浆体模型和泥石流冲沟模型之间为点面接触，其控制参数为摩擦系数，根据粗糙度不同，取值为0.25-0.6；
多尺度颗粒物模型和泥石流冲沟模型之间为弹簧阻尼接触，其控制参数为摩擦系数，可通过摩擦试验标定；
多尺度颗粒物模型和柔性防护系统模型之间为弹簧阻尼接触，其控制参数界面摩擦系数、滚动摩擦系数取值范围均为0.2-0.4，阻尼系数取值范围为0.1-0.15。
8.根据权利要求7所述的泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法，其特征在于：
泥石流物源数值模型和柔性防护系统模型的耦合作用激活时间设置为两模型接触前的某
一时刻；激活时间
根据下式公式进行计算：
其中，s为冲沟长度，v c为泥石流平均流速，H c为泥石流流体水力半径，I c为泥石流流面
坡比降，
为阻力系数。
9.根据权利要求8所述的泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法，其特征在于：
SPH、DEM和FEM积分方法不同导致积分步有差异，SPH采用跳蛙法，DEM和FEM采用中心差分
法，三者考虑耦合作用时，要求积分步相同，时间步长
取三者的较小
值，即：
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110906152.8A CN113338218B (zh) | 2021-08-06 | 2021-08-06 | 泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110906152.8A CN113338218B (zh) | 2021-08-06 | 2021-08-06 | 泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113338218A true CN113338218A (zh) | 2021-09-03 |
| CN113338218B CN113338218B (zh) | 2021-10-26 |
Family
ID=77481106
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110906152.8A Active CN113338218B (zh) | 2021-08-06 | 2021-08-06 | 泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113338218B (zh) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113705061A (zh) * | 2021-10-28 | 2021-11-26 | 西南交通大学 | 一种考虑多重非线性的数字化柔性防护系统设计方法 |
| CN114239352A (zh) * | 2021-12-14 | 2022-03-25 | 西南交通大学 | 一种深度积分流体模型和块体系统的流固耦合方法 |
| CN116108727A (zh) * | 2023-04-11 | 2023-05-12 | 西南交通大学 | 泥石流防护网系统的等效阻水渗水膜单元数值计算方法 |
| CN116629082A (zh) * | 2023-04-24 | 2023-08-22 | 西南交通大学 | 环连网离散元模拟方法 |
| CN118780214A (zh) * | 2024-09-11 | 2024-10-15 | 四川大学 | 一种基于sph-dem-fem的沟道型泥石流沿程侵蚀的模拟方法 |
| CN118780214B (zh) * | 2024-09-11 | 2024-11-12 | 四川大学 | 一种基于sph-dem-fem的沟道型泥石流沿程侵蚀的模拟方法 |
Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20000017035U (ko) * | 1999-02-12 | 2000-09-25 | 에릭 발리베 | 자동차의 배전기용 웨이트구조 |
| CN102663827A (zh) * | 2012-03-02 | 2012-09-12 | 天津大学 | 复杂淹没区域风暴潮洪水演进三维动态全过程仿真方法 |
| CN102819650A (zh) * | 2012-08-16 | 2012-12-12 | 同济大学 | 一种岩土材料流滑灾变的计算模拟方法 |
| KR101684427B1 (ko) * | 2016-04-19 | 2016-12-08 | 주식회사 유앤유 | 산사태 및 토석류 원격 모니터링 시스템 및 그 방법 |
| CN106446425A (zh) * | 2016-09-29 | 2017-02-22 | 华东师范大学 | 一种基于视频重建与sph模型的流固交互仿真方法 |
| CN106934185A (zh) * | 2017-04-27 | 2017-07-07 | 中国石油大学(华东) | 一种弹性介质的流固耦合多尺度流动模拟方法 |
| CN107341315A (zh) * | 2017-07-11 | 2017-11-10 | 东北大学 | 采用混合尺度多相流模型对多相流进行预测的方法 |
| CN108330871A (zh) * | 2018-02-09 | 2018-07-27 | 重庆交通大学 | 泥石流沟道桥梁桥墩防护装置及设计方法 |
| CN109033537A (zh) * | 2018-06-29 | 2018-12-18 | 中国农业大学 | 堆石混凝土浇筑过程数值模拟的计算方法和系统 |
| CN109681228A (zh) * | 2018-12-04 | 2019-04-26 | 西南交通大学 | 一种用于隧道洞口落石灾害的立体防护设计方法 |
| CN111475978A (zh) * | 2020-04-03 | 2020-07-31 | 中国地质科学院地质力学研究所 | 一种高位远程滑坡后破坏工程防护效果的预测方法 |
| CN112016224A (zh) * | 2020-07-28 | 2020-12-01 | 西南大学 | 基于sph的土坡滑面分析判定方法、系统、终端及介质 |
| CN112052587A (zh) * | 2020-09-02 | 2020-12-08 | 中国人民解放军陆军工程大学 | 砂土垫层的三维细观离散体模型密实方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102124218B1 (ko) * | 2018-08-08 | 2020-06-17 | (주)에이알텍 | 열차 선로 환경 분석 장치 |
-
2021
- 2021-08-06 CN CN202110906152.8A patent/CN113338218B/zh active Active
Patent Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20000017035U (ko) * | 1999-02-12 | 2000-09-25 | 에릭 발리베 | 자동차의 배전기용 웨이트구조 |
| CN102663827A (zh) * | 2012-03-02 | 2012-09-12 | 天津大学 | 复杂淹没区域风暴潮洪水演进三维动态全过程仿真方法 |
| CN102819650A (zh) * | 2012-08-16 | 2012-12-12 | 同济大学 | 一种岩土材料流滑灾变的计算模拟方法 |
| KR101684427B1 (ko) * | 2016-04-19 | 2016-12-08 | 주식회사 유앤유 | 산사태 및 토석류 원격 모니터링 시스템 및 그 방법 |
| CN106446425A (zh) * | 2016-09-29 | 2017-02-22 | 华东师范大学 | 一种基于视频重建与sph模型的流固交互仿真方法 |
| CN106934185A (zh) * | 2017-04-27 | 2017-07-07 | 中国石油大学(华东) | 一种弹性介质的流固耦合多尺度流动模拟方法 |
| CN107341315A (zh) * | 2017-07-11 | 2017-11-10 | 东北大学 | 采用混合尺度多相流模型对多相流进行预测的方法 |
| CN108330871A (zh) * | 2018-02-09 | 2018-07-27 | 重庆交通大学 | 泥石流沟道桥梁桥墩防护装置及设计方法 |
| CN109033537A (zh) * | 2018-06-29 | 2018-12-18 | 中国农业大学 | 堆石混凝土浇筑过程数值模拟的计算方法和系统 |
| CN109681228A (zh) * | 2018-12-04 | 2019-04-26 | 西南交通大学 | 一种用于隧道洞口落石灾害的立体防护设计方法 |
| CN111475978A (zh) * | 2020-04-03 | 2020-07-31 | 中国地质科学院地质力学研究所 | 一种高位远程滑坡后破坏工程防护效果的预测方法 |
| CN112016224A (zh) * | 2020-07-28 | 2020-12-01 | 西南大学 | 基于sph的土坡滑面分析判定方法、系统、终端及介质 |
| CN112052587A (zh) * | 2020-09-02 | 2020-12-08 | 中国人民解放军陆军工程大学 | 砂土垫层的三维细观离散体模型密实方法 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| LI X, ZHAO: "A unified CFD‐DEM approach for modeling of debris flow impacts on flexible barriers", 《NTERNATIONAL JOURNAL FOR NUMERICAL AND ANALYTICAL METHODS IN GEOMECHANICS》 * |
| LIU C, YU Z,: "A coupled SPH-DEM-FEM model for fluid-particle-structure interaction and a case study of Wenjia gully debris flow impact estimation", 《LANDSLIDES》 * |
| ZHIXIANG YU: "Nonlinear Numerical Modeling of the Wire-Ring Net for Flexible Barriers", 《SHOCK AND VIBRATION》 * |
| 乔成: "泥石流数值模拟方法研究进展", 《地球科学与环境学报》 * |
| 赵雅娜: "多跨布置式环网柔性被动网结构数值计算方法", 《振动与冲击》 * |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113705061A (zh) * | 2021-10-28 | 2021-11-26 | 西南交通大学 | 一种考虑多重非线性的数字化柔性防护系统设计方法 |
| CN114239352A (zh) * | 2021-12-14 | 2022-03-25 | 西南交通大学 | 一种深度积分流体模型和块体系统的流固耦合方法 |
| CN114239352B (zh) * | 2021-12-14 | 2024-04-30 | 西南交通大学 | 一种深度积分流体模型和块体系统的流固耦合方法 |
| CN116108727A (zh) * | 2023-04-11 | 2023-05-12 | 西南交通大学 | 泥石流防护网系统的等效阻水渗水膜单元数值计算方法 |
| CN116629082A (zh) * | 2023-04-24 | 2023-08-22 | 西南交通大学 | 环连网离散元模拟方法 |
| CN116629082B (zh) * | 2023-04-24 | 2024-05-10 | 西南交通大学 | 环连网离散元模拟方法 |
| CN118780214A (zh) * | 2024-09-11 | 2024-10-15 | 四川大学 | 一种基于sph-dem-fem的沟道型泥石流沿程侵蚀的模拟方法 |
| CN118780214B (zh) * | 2024-09-11 | 2024-11-12 | 四川大学 | 一种基于sph-dem-fem的沟道型泥石流沿程侵蚀的模拟方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113338218B (zh) | 2021-10-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113338218B (zh) | 泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法 | |
| Zhao et al. | Coupled DEM-CFD investigation on the formation of landslide dams in narrow rivers | |
| Potapov et al. | Liquid–solid flows using smoothed particle hydrodynamics and the discrete element method | |
| Feng et al. | On upscaling of discrete element models: similarity principles | |
| Wang et al. | Particle shape effects in discrete element modelling of cohesive angular particles | |
| Mead et al. | Validation of DEM prediction for granular avalanches on irregular terrain | |
| Gröger et al. | On the numerical calibration of discrete element models for the simulation of bulk solids | |
| Liu et al. | Kinematics and internal deformation of granular slopes: insights from discrete element modeling | |
| CN109033537A (zh) | 堆石混凝土浇筑过程数值模拟的计算方法和系统 | |
| Ballouz et al. | Numerical simulations of collisional disruption of rotating gravitational aggregates: Dependence on material properties | |
| Su et al. | A coupled discrete element and depth-averaged model for dynamic simulation of flow-like landslides | |
| Xing et al. | 3D ejection behavior of different sized particles in the grain-bed collision process | |
| Mead et al. | Characterising the failure and repose angles of irregularly shaped three-dimensional particles using DEM | |
| Fan et al. | Investigation of the vibrating feeding system for sphericity separation of coated fuel particles using DEM | |
| CN109522589A (zh) | 用于模拟管道颗粒两相流动的非解析方法及电子设备 | |
| O'Sullivan et al. | Experimental validation of particle-based discrete element methods | |
| Ravichandran et al. | Micro-scale modeling of saturated sandy soil behavior subjected to cyclic loading | |
| Nan et al. | A viscoelastic model for flexible fibers with material damping | |
| Cui | Developing a virtual test environment for granular materials using discrete element modelling | |
| Blackmore et al. | New mathematical models for particle flow dynamics | |
| Liu et al. | A hybrid LBM-DEM numerical approach with an improved immersed moving boundary method for complex particle-liquid flows involving adhesive particles | |
| Zhao | Modelling of crack growth using a new fracture criteria based peridynamics | |
| Leonardi et al. | Multiphase debris flow simulations with the discrete element method coupled with a lattice-Boltzmann fluid | |
| Nguyen et al. | Numerical investigation of force transmission in granular media using discrete element method | |
| Murray et al. | Increasing granular flow rate with obstructions |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |