CN113722962A - 一种基于颗粒流分析的边坡排水管淤堵模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于颗粒流分析的边坡排水管淤堵模拟方法，包括以下步骤：获取边坡所在区域的土样，根据土样确定土样的颗粒级配、颗粒密度、土样孔隙率、土样阻尼参数；选取边坡排水管的一个截面为单元体，根据土样的颗粒级配、颗粒密度、土样孔隙率、土样阻尼参数生成边坡排水结构模型；施加重力使边坡排水结构模型在自重作用下沉积达到平衡状态；将达到平衡状态的边坡排水结构模型进行流体网格单元划分，对边坡排水结构模型顶部的流体网格单元施加均匀的流体速度，模拟渗流排水过程。本发明可以清楚地再现土颗粒对边坡排水管的渗流淤堵情况，对于解决边坡排水管渗流淤堵问题可提供直观参考，对于解决岩土工程领域的边坡稳定有着重要意义。

Description

一种基于颗粒流分析的边坡排水管淤堵模拟方法
技术领域
本发明涉及岩土工程的仿真模拟技术领域，具体涉及一种基于颗粒流分析的边坡排水管淤堵模拟方法。
背景技术
边坡排水管一般选用PVC管，在边坡排水管的外壁通常会包裹上一层土工织布。在边坡排水管的使用过程中，可能会出现土工织布被土壤颗粒渗流淤堵的情况，这样边坡土壤中的水就不能进入PVC管，会造成排水不畅，从而导致发生滑坡灾害。因此需要在设计和施工前对边坡排水管进行土工织布淤堵情况的模拟，以便于及早发现问题，为边坡排水管渗流淤堵的问题解决提供直观参考。
颗粒流离散元分析是基于细观力学来看待所研究的介质对象，将现实地质体、工程结构处理为颗粒体的组合，结构面及内部缺陷等不连续特征通过节理接触模型来表征，针对颗粒体受力变形等力学行为进行描述；采用接触算法搜索颗粒体接触条件并计算接触受力状态，当接触出现屈服形成剪切滑动或张开时，颗粒体发生运动位移(平动、转动)甚至破坏现象。
现在亟需一种通过颗粒流离散元分析来模拟边坡排水管渗流淤堵的方法。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提出一种基于颗粒流离散元分析的边坡排水管淤堵模拟方法，可以清楚地再现土颗粒对边坡排水管的渗流淤堵情况，对于解决边坡排水管渗流淤堵问题可提供直观参考，对于解决岩土工程领域的边坡稳定有着重要意义。
本发明采用的技术方案如下：
第一方面，提供了一种基于颗粒流分析的边坡排水管淤堵模拟方法，包括以下步骤：
获取边坡所在区域的土样，根据土样确定土样的颗粒级配、颗粒密度、土样孔隙率、土样阻尼参数；
选取边坡排水管的一个截面为单元体，根据土样的颗粒级配、颗粒密度、土样孔隙率、土样阻尼参数生成边坡排水结构模型；
施加重力使边坡排水结构模型在自重作用下沉积达到平衡状态；
将达到平衡状态的边坡排水结构模型进行流体网格单元划分，对边坡排水结构模型顶部的流体网格单元施加均匀的流体速度，模拟渗流排水过程。
进一步的，生成边坡排水结构模型，包括：
用圆环颗粒模拟土工织布；
根据土样的颗粒级配将颗粒设计半径作同比例缩小，确定边界条件，使颗粒集合体达到土工织布孔隙率；
对颗粒集合体赋予土样的颗粒密度和土样阻尼参数；
定义颗粒集合体与墙体为线性接触模型，定义颗粒集合体中的颗粒之间为线性粘结模型，得到边坡排水结构模型。
进一步的，定义颗粒集合体与墙体为线性接触模型时，赋予接触法向刚度和切向刚度。
进一步的，定义颗粒集合体中的颗粒之间为线性粘结模型时，赋予接触法向刚度和切向刚度、摩擦系数，以及抗拉强度、粘聚力、内摩擦角。
进一步的，采用筛分法对土样进行级配情况的确定，得到土样的颗粒级配。
进一步的，采用环刀法测得土样的颗粒密度。
进一步的，设定循环步数和速度清零阈值，当平均不平衡力比值小于1‰时，边坡排水结构模型在自重作用下沉积达到平衡状态。
第二方面，提供了一种电子设备，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序；
当一个或多个程序被一个或多个处理器执行，使得一个或多个处理器实现第一方面提供的基于颗粒流分析的边坡排水管淤堵模拟方法。
第三方面，提供了一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，计算机程序被处理器执行时实现第一方面提供的基于颗粒流分析的边坡排水管淤堵模拟方法。
由上述技术方案可知，本发明的有益技术效果如下：
根据颗粒大小、孔隙度等参数采用不同的颗粒组合方式，建立边坡排水结构模型，再通过PFC 2D软件使用水-力耦合计算方法开展排水管周边土体渗流及土工布淤堵特性模拟，能直观的反映出水在不连续土颗粒介质中的渗流情况，清楚地再现土颗粒对边坡排水管的渗流淤堵情况，对于解决边坡排水管渗流淤堵问题可提供直观参考，对于解决岩土工程领域的边坡稳定有着重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明实施例的模拟方法流程图；
图2为本发明实施例的土工织布的模拟效果图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
实施例
PFC(Partical Flow Code)是一款采用颗粒流离散单元法作为基本理论背景的数值模拟计算分析软件，使用该软件，在岩土体工程领域的代表性研究课题方面，涵盖了节理岩体和土体的稳定性评价、地下水流动与耦合分析、支护结构模拟和水压致裂等研究。
PFC从根本上区别于建立在宏观连续或非连续介质基础上的岩土体领域传统数值方法。与传统数值模拟软件相比，PFC方法具有十分鲜明的特点：采用牛顿第二定律来控制，按围绕各刚性单元形心的力平衡和力矩平衡来满足；各刚性单元之间不再位移连续，而是允许大变形和断裂分开，可以模拟岩体不连续结构的滑移和开裂。在材料本构关系之中，PFC离散元颗粒流法避开了复杂本构关系的推导，代用刚性单元设置不同种类弹簧和阻尼来反映材料的应力—位移关系。
本实施例提供的基于颗粒流离散元分析的边坡排水管淤堵模拟方法，如图1所示，按照以下步骤进行：
步骤一：获取边坡所在区域的土样，根据土样确定土样的颗粒级配、颗粒密度、土样孔隙率、土样阻尼参数
对边坡所在区域的土样进行提取，带回实验室进行相关材料参数的测定。相关材料参数包括土样的颗粒级配、颗粒密度、土样孔隙率。在具体的实施方式中：
采用筛分法对土样进行级配情况的确定，得到土样的颗粒级配；
采用环刀法测得土样的颗粒密度；
采用现有公式
Figure BDA0003245195860000041
计算出土样的土样孔隙率。
采用现有公式
Figure BDA0003245195860000042
计算出土样的土样阻尼参数。
对于以上数据进行整理汇总，为后续模型的建立提供材料参数依据。
步骤二：选取边坡排水管的一个截面为单元体，根据土样的颗粒级配、颗粒密度、土样孔隙率、土样阻尼参数生成边坡排水结构模型
在具体的实施方式中，采用PFC 2D软件来生成边坡排水结构模型，生成方法具体如下：
1、用圆环颗粒模拟土工织布
用圆环颗粒来模拟土工织布时，不同孔隙率的圆环颗粒对于不同孔径的土工织布；比如：n＝0.1对应孔径0.5mm、n＝0.2对应孔径1mm、n＝0.3对应孔径2mm。在具体的实施方式中，在PFC 2D软件中创建一圈圆环颗粒来模拟土工织布，土工织布的模拟效果如图2所示。
2、根据土样的颗粒级配将颗粒设计半径作同比例缩小，确定边界条件，使颗粒集合体达到土工织布孔隙率
按照不同的土样颗粒级配，将颗粒设计半径作同比例缩小，确定边界条件，在边界内部生成互不重叠的颗粒，使颗粒集合体达到设计孔隙率。在具体的实施方式中，在PFC 2D软件中，确定边界条件为stop，土工织布孔隙率的根据土工织布的设计文件确定。
3、对颗粒集合体赋予土样的颗粒密度和土样阻尼参数
为使建立的边坡排水结构模型更符合真实情况，将经过实测的边坡该区域的土样的颗粒密度和土样阻尼参数赋予给颗粒集合体。
4、定义颗粒集合体与墙体为线性接触模型，颗粒集合体中的颗粒之间为线性粘结模型，得到边坡排水结构模型。
在具体的实施方式中，使用PFC 2D软件定义颗粒集合体与墙体为线性接触模型，并赋予接触ks法向刚度和kn切向刚度；定义颗粒集合体中的颗粒之间为线性粘结模型，同时赋予接触ks法向刚度和kn切向刚度、fric摩擦系数，以及pb_ten抗拉强度、pb_coh粘聚力、内摩擦角pb_fa；得到边坡排水结构模型。在本实施例中，边坡排水结构模型的实质为一堆淤堵在边坡排水管外壁、土工织布上的土样模型。
步骤三：施加重力使边坡排水结构模型在自重作用下沉积达到平衡状态
使用PFC 2D软件对边坡排水结构模型中的颗粒施加重力，设定循环步数和速度清零阈值，在具体的实施方式中，设定cycle2000步，每计算20步进行一次速度清零，当平均不平衡力比值小于1‰，表明边坡排水结构模型在其自重作用下沉积达到平衡状态。
步骤四：将达到平衡状态的边坡排水结构模型进行流体网格单元划分，对边坡排水结构模型顶部的流体网格单元施加均匀的流体速度，模拟渗流排水过程。
在具体的实施方式中，在PFC 2D软件中可编写fish函数，内设置流域对象条目的数目、偏移量，创建流域，生成dom文件；使用call dom命令进行流体网格单元划分。在施加均匀的流体速度时，设置基本参数如ap_zero裂隙宽度、perm渗透常数等；调用dom中的函数并赋值，设置流体边界，以均匀的流体速度模拟渗流排水过程。
当模拟的渗流排水过程达到一定时长后，边坡排水管就会出现渗流淤堵情况，记录下此时土工织布、颗粒集合体的情况，完成对边坡排水管渗流淤堵的模拟。
通过本实施例的技术方案，根据颗粒大小、孔隙度等参数采用不同的颗粒组合方式，建立边坡排水结构模型，再通过PFC 2D软件使用水-力耦合计算方法开展排水管周边土体渗流及土工布淤堵特性模拟，能直观的反映出水在不连续土颗粒介质中的渗流情况，清楚地再现土颗粒对边坡排水管的渗流淤堵情况，对于解决边坡排水管渗流淤堵问题可提供直观参考，对于解决岩土工程领域的边坡稳定有着重要意义。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种基于颗粒流分析的边坡排水管淤堵模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取边坡所在区域的土样，根据所述土样确定土样的颗粒级配、颗粒密度、土样孔隙率、土样阻尼参数；
选取边坡排水管的一个截面为单元体，根据土样的颗粒级配、颗粒密度、土样孔隙率、土样阻尼参数生成边坡排水结构模型；
施加重力使边坡排水结构模型在自重作用下沉积达到平衡状态；
将达到平衡状态的边坡排水结构模型进行流体网格单元划分，对边坡排水结构模型顶部的流体网格单元施加均匀的流体速度，模拟渗流排水过程。
2.根据权利要求1所述的基于颗粒流分析的边坡排水管淤堵模拟方法，其特征在于，生成边坡排水结构模型，包括：
用圆环颗粒模拟土工织布；
根据土样的颗粒级配将颗粒设计半径作同比例缩小，确定边界条件，使颗粒集合体达到土工织布孔隙率；
对颗粒集合体赋予土样的颗粒密度和土样阻尼参数；
定义颗粒集合体与墙体为线性接触模型，定义颗粒集合体中的颗粒之间为线性粘结模型，得到边坡排水结构模型。
3.根据权利要求2所述的基于颗粒流分析的边坡排水管淤堵模拟方法，其特征在于，定义颗粒集合体与墙体为线性接触模型时，赋予接触法向刚度和切向刚度。
4.根据权利要求2所述的基于颗粒流分析的边坡排水管淤堵模拟方法，其特征在于，定义颗粒集合体中的颗粒之间为线性粘结模型时，赋予接触法向刚度和切向刚度、摩擦系数，以及抗拉强度、粘聚力、内摩擦角。
5.根据权利要求1所述的基于颗粒流分析的边坡排水管淤堵模拟方法，其特征在于，采用筛分法对土样进行级配情况的确定，得到土样的颗粒级配。
6.根据权利要求1所述的基于颗粒流分析的边坡排水管淤堵模拟方法，其特征在于，采用环刀法测得土样的颗粒密度。
7.根据权利要求1所述的基于颗粒流分析的边坡排水管淤堵模拟方法，其特征在于，设定循环步数和速度清零阈值，当平均不平衡力比值小于1‰时，边坡排水结构模型在自重作用下沉积达到平衡状态。
8.一种电子设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现权利要求1-7中任一所述的基于颗粒流分析的边坡排水管淤堵模拟方法。
9.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-7中任一所述的基于颗粒流分析的边坡排水管淤堵模拟方法。
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