CN115358111A - 一种基于dfm模型的蓄水期库岸裂隙岩体边坡稳定性模拟分析方法、设备及介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于DFM模型的蓄水期库岸裂隙岩体边坡稳定性模拟分析方法、电子设备以及存储介质，首先，对库区裂隙岩体边坡进行地质调查，获取岩体及控制性裂隙结构面力学参数及渗透系数；其次，采用匹配型非结构化网格对库区边坡的有限元数值计算模型进行网格划分，其中裂隙采用无厚度平面单元，岩石基质采用实体单元；然后，基于DFM模型，建立“裂隙面应力—裂隙开度—渗透系数”之间的耦合关系，并基于COMSOL Multiphysics软件进行二次开发实现蓄水期库岸裂隙岩体边坡变形数值模拟，得到不同蓄水工况下的边坡安全系数，实现蓄水过程中库岸裂隙岩体边坡稳定性的评价分析。本发明在考虑岩石基质渗透特性的同时，又可以显式的模拟库岸边坡内的裂隙渗流特征。

Description

一种基于DFM模型的蓄水期库岸裂隙岩体边坡稳定性模拟分 析方法、设备及介质

技术领域

本发明属于水利水电工程或岩土工程防灾减灾技术领域，具体涉及一种基于DFM模型的蓄水期库岸裂隙岩体边坡稳定性模拟分析方法、设备及介质。

背景技术

我国高坝大库大多位于西南高山峡谷地区，经过河谷深切以及褶皱山系等地质构造作用，两岸岸坡内普遍发育有断层、层间以及层内错动带等软弱结构面，极大增加了边坡失稳的可能性。与完整岩块相比，枢纽区大规模断层和贯穿性的层内、层间错动带具有良好的透水性，是枢纽区地下水渗流的主干网络，对水库蓄水过程中地表水-地下水的交互以及枢纽区水文地质条件的演变起着关键性的控制作用。从地下水渗流场分析的角度考虑，当结构面法向与切线方向的尺寸比率远小于1时，这些结构面可以被统称为裂隙。因此，开展蓄水过程中裂隙岩体边坡稳定性模拟分析具有重要的实际意义。

近年来，为了描述裂隙岩体的渗流应力耦合行为，国内外学者发展了不同的数学模型。按照裂隙岩体渗流特性的不同，可细分为等效连续介质(Equivalent Continuum，EC)模型、双重介质(Dual Porosity，DP)模型、离散裂隙网络(Discreted Fracture Network，DFN)模型和离散裂隙-基质(Discreted Fracture-Matrix，DFM)模型。EC模型不考虑裂隙的物理结构和几何分布情况，而是将裂隙岩体等效为均匀连续介质，当岩层呈现较强非均质性或渗流路径受控于主要裂隙时，该模型会产生较大的误差。DP模型考虑了孔隙和裂隙之间的流量交换，且在一定程度上刻画了裂隙的优先流现象。但在进行瞬态或者非恒定渗流分析时，孔隙介质和裂隙介质之间的流量交换难以确定。DFN模型虽然能够真实地描述裂隙对岩体渗流特性的影响，但未考虑岩石基质的渗透特性以及基质系统和裂隙系统之间的流量交换。考虑到上述三种模型的局限性，DFM模型应运而生，其在显式模拟裂隙渗流特征的同时，又可以考虑岩石基质系统的渗透特性，适合模拟大尺度裂隙。且该方法将裂隙隐含到控制方程中，前处理时无需考虑裂隙开度，与裂隙精细化模拟相比，可有效降低网格离散难度，简化求解过程，广泛应用于裂隙岩体地下水渗流与溶质运移、地热资源开发、非常规油气开采等领域。

发明内容

本发明第一个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种基于DFM模型的蓄水期库岸裂隙岩体边坡稳定性模拟分析方法，以从裂隙渗流、岩体渗流和裂隙变形的角度揭示蓄水过程中库岸边坡变形及稳定性动态演化过程，并克服现有数值计算中裂隙岩体边坡网格剖分困难的问题。

为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：

一种基于DFM模型的蓄水期库岸裂隙岩体边坡稳定性模拟分析方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

S1、获取库区裂隙岩体边坡地质及控制性裂隙结构面信息，确定地层岩体及裂隙结构面空间分布、力学参数及渗透系数，建立库岸边坡几何模型；

S2、将非连续的裂隙结构面离散为无厚度平面单元，地层岩体离散为实体单元，并采用离散裂隙-基质(DFM)模型理论对几何模型进行有限元网格剖分；

S3、基于比奥有效应力原理及Barton-Bandis节理模型，建立“裂隙面应力—裂隙开度—渗透系数”之间的函数关系式，通过COMSOL Mulyiphysics二次开发实现库岸边坡蓄水过程中渗流应力耦合的数值求解；

S4、基于建立的模型求解方法在COMSOL Mulyiphysics有限元软件中分析不同蓄水过程中库岸边坡变形特征，包括渗流场和位移场的变化情况，进而得到不同库水位工况下边坡安全系数，实现蓄水过程中库岸裂隙岩体边坡稳定性的评价分析。

在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤S1中：

库岸边坡地质条件信息包括控制性裂隙结构面和地层岩体空间分布情况；

根据工程实际地质报告，获取地层岩体及裂隙结构面的物理力学参数和渗透系数。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤S2中：

对非连续裂隙结构面采用无厚度平面单元，刻画蓄水过程中岸边坡内的裂隙渗流特征；

对地层岩体采用实体单元，刻画库岸边坡内的基质渗流特征；

基于DFM模型相关理论，采用匹配型非结构化网格，即将裂隙作为内部边界，并以此为约束进行数值模型有限元网格剖分。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤S3中：

S301、依据比奥有效应力原理和Barton-Bandis方程，考虑蓄水过程中裂隙法向闭合和剪切剪胀效应后，裂隙开度随应力的演化方程可由式(1)计算得到：

式中，d_f0为裂隙的初始开度，Δd_n为裂隙的法向闭合量，d_s为剪胀效应引起的裂隙张开，σ_n′为裂隙面的有效法向正应力，K_n0为裂隙的初始法向刚度，d_nmax为裂隙的最大闭合量，如无特殊说明，裂隙的最大闭合量d_nmax＝d_f0，K_s为裂隙的剪切刚度，ψ为裂隙的剪胀角，τ_c为裂隙的剪切强度，τ为裂隙面上的剪切应力；

S302、在小变形和线弹性的假设条件下，蓄水过程中岩石基质的应力应变关系可由式(2)表征：

式中，D_m为岩石基质的弹性张量，ε_m和u_m分别为基质的应变和位移；

S303、水库蓄水过程中岩石基质和裂隙的渗流控制方程可表示为：

式中，

为基质的孔隙率，ρ为水的密度，q_m为基质的汇源项，k_m为基质的渗透率，μ为水的动力粘度，p为水压力，g_z为重力加速度，

为高度差；

式中，d_f为裂隙的水力开度，

为裂隙的孔隙率，ρ为水的密度，q_f表示从基质流入裂隙的流量，q_m为基质的汇源项；

S304、对上述公式(2)、(3)、(4)表达的渗流应力耦合控制方程基于COMSOLMultiphysics软件进行二次开发实现裂隙岩体的渗流应力耦合模型的数值求解。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤S4中：

S401、采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型进行库岸岩体在渗流应力耦合作用下的变形分析；根据边坡近场和远场初始水位边界载荷条件，模拟分析库岸边坡初始渗流场和应力场分布情况，并对边坡内初始位移场进行“清零”；

S402、根据库区实际水位调度过程，对不同库水位工况条件下的库岸边坡渗流场和应力场进行数值模拟分析，得到岸坡岩体位移分布情况；

S403、采用强度折减法获得不同蓄水工况下库岸边坡的安全系数，实现蓄水过程中库岸裂隙岩体边坡稳定性的评价分析。

本发明第二个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种电子设备。

为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：

一种电子设备，所述电子设备包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，所述处理器、通信接口、存储器之间通过通信总线完成相互间的通信，其特征在于：

存储器，所述存储器用于存储计算机程序，

处理器，所述处理器用于执行存储器上所存储的计算机程序以实现前文所述的基于DFM模型的蓄水期库岸裂隙岩体边坡稳定性模拟分析方法步骤。

本发明还有一个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种计算机可读存储介质。

为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：

一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前文所述的基于DFM模型的蓄水期库岸裂隙岩体边坡稳定性模拟分析方法步骤。

本发明提供一种基于DFM模型的蓄水期库岸裂隙岩体边坡稳定性模拟分析方法、电子设备以及存储介质，具体地，首先，对库区裂隙岩体边坡进行地质调查，获取岩体及控制性裂隙结构面力学参数及渗透系数；其次，采用匹配型非结构化网格对库区边坡的有限元数值计算模型进行网格划分，其中裂隙采用无厚度平面单元，岩石基质采用实体单元；然后，基于DFM模型，建立“裂隙面应力—裂隙开度—渗透系数”之间的耦合关系，并基于COMSOL Multiphysics软件进行二次开发实现蓄水期库岸裂隙岩体边坡变形数值模拟，得到不同蓄水工况下的边坡安全系数，实现蓄水过程中库岸裂隙岩体边坡稳定性的评价分析。本发明在考虑岩石基质渗透特性的同时，又可以显式的模拟库岸边坡内的裂隙渗流特征；其次，与裂隙采用实体单元的精细化模拟相比，该方法将裂隙开度隐含到求解方程中，可以降低网格剖分的难度，简化求解过程。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)、与现有库岸裂隙岩体边坡稳定性模拟分析方法相比，本发明有效从裂隙渗流、基质渗流和裂隙变形的角度揭示蓄水过程中库岸边坡变形及稳定性动态演化过程；

2)、采用匹配型非结构化网格将非连续的裂隙结构面离散为无厚度平面单元，岩石基质离散为实体单元，使得网格剖分时的复杂程度大大降低；

3)、同时，本发明能很好地应用于水利水电工程及岩土工程领域复杂地质条件下裂隙边坡稳定性模拟分析，仿真计算效果好。

附图说明

图1为本发明所提供的基于DFM模型的蓄水期库岸裂隙岩体边坡稳定性模拟分析方法的总体流程图。

图2为某库岸边坡几何模型图。

图3为某库岸边坡网格剖分示意图。

图4为DFM模型装配示意图。

图5为模型数值求解流程示意图。

图6为边坡内初始水压力分布情况。

图7为边坡内正常蓄水位时水压力分布情况。

图8为边坡内正常蓄水位时位移场分布情况。

具体实施方式

参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。

一种基于DFM模型的蓄水期库岸裂隙岩体边坡稳定性模拟分析方法，如图1所示，包括：

步骤1、获取库区裂隙岩体边坡地质及控制性裂隙结构面信息，确定岩体及裂隙结构面力学参数及渗透系数，建立库岸边坡几何模型；

图2为西南某水电站上游右岸剖面图，剖面宽度为800m，高度为1000m，主要地质构造为断层(f13、f14)和软弱结构面(J1-J6)。天然河水位和正常蓄水位分别为1630m和1880m。水库蓄水后，远场地下水位从1630m上升到1780m。

步骤2、将非连续的裂隙结构面离散为无厚度平面单元，地层岩体离散为实体单元，并采用离散裂隙-基质(DFM)模型理论对几何模型进行有限元网格剖分；

模型网格划分如图3所示，共包含8533个单元和4407个节点。

步骤3、基于比奥有效应力原理及Barton-Bandis节理模型，建立“裂隙面应力—裂隙开度—渗透系数”之间的函数关系式，通过COMSOL Mulyiphysics实现库岸边坡蓄水过程中渗流应力耦合的数值求解；

图4为离散裂隙基质模型装配示意图，模型二次开发求解流程图如图5所示。

步骤4、基于建立的模型求解方法在COMSOL Mulyiphysics有限元软件中分析不同蓄水过程中库岸边坡变形特征，包括渗流场和位移场的变化情况，进而得到不同情况下边坡的安全系数。

图6和图7绘制了不同水位时边坡内裂隙水压力和孔隙水压力的分布情况。正常蓄水位时边坡的水平向和垂直向位移分布如图8所示。

从图6和图7中可以看出，随着库水位的抬升，裂隙水压力逐渐升高。初始水位时，裂隙水压力的最大值为3.24MPa；当水库蓄水至正常水位(1880m)时，裂隙水压力增至5.432MPa。从图8可以看出，蓄水后边坡最大的水平位移出现在结构面J2和断层f14的出口附近。由于裂隙的变形，边坡的水平位移呈现出明显的不连续特性。

与现有库岸裂隙岩体边坡稳定性模拟分析方法相比，本发明可以有效的从裂隙渗流和裂隙变形的角度揭示蓄水过程中库岸边坡变形及稳定性动态演化过程。

本发明还提供一种电子设备，所述电子设备包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，所述处理器、通信接口、存储器之间通过通信总线完成相互间的通信，存储器，所述存储器用于存储计算机程序，

处理器，所述处理器用于执行存储器上所存储的计算机程序以实现前文所述的基于DFM模型的蓄水期库岸裂隙岩体边坡稳定性模拟分析方法步骤。

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。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前文所述的基于DFM模型的蓄水期库岸裂隙岩体边坡稳定性模拟分析方法步骤。

上述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 (7)

1.一种基于DFM模型的蓄水期库岸裂隙岩体边坡稳定性模拟分析方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

S1、获取库区裂隙岩体边坡地质条件及控制性裂隙结构面信息，确定地层岩体及裂隙结构面空间展布、力学参数及渗透系数，建立库岸边坡几何模型；

S2、将非连续的裂隙结构面离散为无厚度平面单元，地层岩体离散为实体单元，并采用离散裂隙-基质模型理论对几何模型进行有限元网格剖分；

S3、基于比奥有效应力原理及Barton-Bandis节理模型，建立“裂隙面应力—裂隙开度—渗透系数”之间的函数关系式，通过COMSOL Mulyiphysics二次开发实现库岸边坡蓄水过程中渗流应力耦合的数值求解；

S4、基于建立的模型求解方法在COMSOL Mulyiphysics有限元软件中分析不同蓄水过程中库岸边坡变形特征，包括渗流场和位移场的变化情况，进而得到不同库水位工况下边坡安全系数，实现蓄水过程中库岸裂隙岩体边坡稳定性的评价分析。

2.根据权利要求1所述的基于DFM模型的蓄水期库岸裂隙岩体边坡稳定性模拟分析方法，其特征在于：所述步骤S1中：

库岸边坡地质条件信息包括控制性裂隙结构面及地层岩体空间分布情况；

根据工程实际地质报告，获取地层岩体及裂隙结构面的物理力学参数和渗透系数。

3.根据权利要求1所述的基于DFM模型的蓄水期库岸裂隙岩体边坡稳定性模拟分析方法，其特征在于：所述步骤S2中：

对非连续裂隙结构面采用无厚度平面单元，刻画蓄水过程中岸边坡内的裂隙渗流特征；

对地层岩体采用实体单元，刻画库岸边坡内的基质渗流特征；

基于DFM模型相关理论，采用匹配型非结构化网格，即将裂隙作为内部边界，并以此为约束进行数值模型有限元网格剖分。

4.根据权利要求1所述的基于DFM模型的蓄水期库岸裂隙岩体边坡稳定性模拟分析方法，其特征在于：所述步骤S3中：

S301、依据比奥有效应力原理和Barton-Bandis方程，考虑蓄水过程中裂隙法向闭合和剪切剪胀效应后，裂隙开度随应力的演化方程可由式(1)计算得到：

式中，d_f0为裂隙的初始开度，Δd_n为裂隙的法向闭合量，d_s为剪胀效应引起的裂隙张开，σ_n′为裂隙面的有效法向正应力，K_n0为裂隙的初始法向刚度，d_nmax为裂隙的最大闭合量，如无特殊说明，裂隙的最大闭合量d_nmax＝d_f0，K_s为裂隙的剪切刚度，ψ为裂隙的剪胀角，τ_c为裂隙的剪切强度，τ为裂隙面上的剪切应力；

S302、在小变形和线弹性的假设条件下，蓄水过程中岩体的应力应变关系可由式(2)表征：

式中，D_m为岩石基质的弹性张量，ε_m和u_m分别为基质的应变和位移；

S303、水库蓄水过程中岩石基质和裂隙的渗流控制方程可表示为：

式中，

为基质的孔隙率，ρ为水的密度，q_m为基质的汇源项，k_m为基质的渗透率，p为水压力，μ为水的动力粘度，g_z为重力加速度，▽z为高度差；

式中，d_f为裂隙的水力开度，

为裂隙的孔隙率，ρ为水的密度，q_f表示从基质流入裂隙的流量，q_m为基质的汇源项；

S304、对上述公式(2)、(3)、(4)表达的渗流应力耦合控制方程基于COMSOLMultiphysics软件进行二次开发实现裂隙岩体的渗流应力耦合模型的数值求解。

5.根据权利要求1所述的基于DFM模型的蓄水期库岸裂隙岩体边坡稳定性模拟分析方法，其特征在于：所述步骤S4中：

S401、采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型进行库岸岩体在渗流应力耦合作用下的变形分析；根据边坡近场和远场初始水位边界载荷条件，模拟分析库岸边坡初始渗流场和应力场分布情况，并对边坡内初始位移场进行“清零”；

S402、根据库区实际水位调度过程，对不同库水位工况条件下的库岸边坡渗流场和应力场进行数值模拟分析，得到岸坡岩体位移分布情况；

S403、采用强度折减法获得不同蓄水工况下库岸边坡的安全系数，实现蓄水过程中库岸裂隙岩体边坡稳定性的评价分析。

6.一种电子设备，所述电子设备包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，所述处理器、通信接口、存储器之间通过通信总线完成相互间的通信，其特征在于：

存储器，所述存储器用于存储计算机程序，

处理器，所述处理器用于执行存储器上所存储的计算机程序以实现权利要求1-5中任意一项所述的基于DFM模型的蓄水期库岸裂隙岩体边坡稳定性模拟分析方法步骤。

7.一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-5中任意一项所述的基于DFM模型的蓄水期库岸裂隙岩体边坡稳定性模拟分析方法步骤。

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