預(yù)測土石壩樞紐區(qū)滲流場及確定土石壩壩體浸潤面的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于三維精細地質(zhì)模型預(yù)測土石壩樞紐區(qū)滲流場的方法，包括：建立包括不良地質(zhì)體與裂隙的樞紐區(qū)三維地質(zhì)精細模型；基于三維精細地質(zhì)模型建立三維滲流計算網(wǎng)格模型；基于三維精細地質(zhì)模型的土石壩滲流場數(shù)值模擬，根據(jù)確定的連續(xù)性方程、水氣兩相流N-S方程、水氣兩相混合速度方程和混合密度方程、設(shè)置的邊界條件和實際工程的滲透參數(shù)，通過有限體積法進行離散，利用SIMPLE算法進行求解，實現(xiàn)基于三維精細地質(zhì)模型的土石壩滲流場數(shù)值模擬，從而預(yù)測土石壩樞紐區(qū)滲流場，該方法既能精確反映地質(zhì)信息又能準(zhǔn)確模擬出土石壩樞紐區(qū)滲流場。同時，本發(fā)明還公開了利用所獲得的滲流場，采用VOF法確定土石壩壩體浸潤面。
【專利說明】預(yù)測土石壩樞紐區(qū)滲流場及確定土石壩壩體浸潤面的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于水電工程中滲流場數(shù)值模擬領(lǐng)域，涉及基于三維精細地質(zhì)模型的土石 壩滲流場數(shù)值模擬方法。具體講，涉及包括不良地質(zhì)體和裂隙的精細地質(zhì)模型的構(gòu)建方法 和基于精細地質(zhì)模型的土石壩滲流場數(shù)值模擬方法，以及土石壩浸潤面求解方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在水利工程中，水對工程設(shè)施的破壞是影響工程安全最主要的方面。其中地下水 對水利工程的作用不易觀察，而且一經(jīng)發(fā)現(xiàn)就難以挽回，經(jīng)常會給工程帶來重大的安全問 題和經(jīng)濟損失 [1]。因此水利工程對地下水滲流破壞的預(yù)防非常關(guān)鍵。
[0003] 土石壩作為世界壩工建筑中應(yīng)用最廣泛，發(fā)展最快的一種形式，結(jié)構(gòu)簡單，取材方 便。土石壩筑壩的結(jié)構(gòu)形式和材料特性，使得土石壩成為在各種形式的檔水建筑物中，與滲 流關(guān)系最為密切的一種。滲流問題直接關(guān)系到土石壩工程的穩(wěn)定和安全，國內(nèi)外許多潰決 或破壞的土石壩工程，都是由滲流引發(fā)的，所以對土石壩滲流場合理準(zhǔn)確地模擬分析是很 有必要的。本發(fā)明主要解決復(fù)雜地質(zhì)條件下準(zhǔn)確對土石壩滲流場模擬分析方面的問題。
[0004] 國內(nèi)外在滲流場模擬研究中多采用達西定律分析求解滲流場，或利用溫度場與 滲流場等效的原理進行滲流計算，應(yīng)用限制條件多，且無法有效準(zhǔn)確的確定浸潤面的位 置。土石壩滲流屬于有浸潤面的自由滲流，如何簡捷、準(zhǔn)確地確定浸潤面的位置是自由 滲流場分析的關(guān)鍵及難點。目前廣泛采用的方法是有限元固定網(wǎng)格法，包括Bathe和 1〇1081^0；^331'[2]提出的單元滲透矩陣調(diào)整法，〇683；[ [3]提出的剩余流量法，張有天等[4'5]提 出的初流量法以及Jiang等[6]采用的變分不等式方法等，該類方法雖對復(fù)雜區(qū)域的適應(yīng) 性較好，但由于浸潤面位置待定，需要迭代確定，有限元固定網(wǎng)格法影響了滲流場的計算精 度。同時，其計算工作量大，容易產(chǎn)生迭代計算不收斂現(xiàn)象。Jie等[7]提出運用無網(wǎng)格自然 單元法求解帶浸潤面的滲流場，該法雖然計算簡便，精度較高，但求解效率較低且容易產(chǎn)生 積分誤差。楊海英 [8]、鐘小彥[9]、宋永占[1°]、張瑜[11]等曾運用有限體積法和流體體積函數(shù) (volumeoffluid，V0F)法分別對閘壩壩基、輻射井、重力壩壩基、堤防等的滲流場進行分 析。然而目前大壩滲流研究中大多對地質(zhì)條件和壩體細節(jié)進行了較大程度的簡化，尤其是 在壩基方面，未能全面考慮復(fù)雜地質(zhì)條件下的不同巖層地質(zhì)信息、不良地質(zhì)體信息以及滲 控措施等各種因素對滲流場的影響；此外，運用有限體積法和VOF法對土石壩三維復(fù)雜自 由滲流問題的研究鮮見報道。
[0005] 其次，排水孔的模擬一直是滲流場模擬中的技術(shù)難題，目前常采用的方法有王鐳 等[12]提出的排水子結(jié)構(gòu)法，21^1!等 [13]提出的近似解析解結(jié)合有限元算法，王恩志[14]提 出的"以管代孔"、"以縫代井列"法，胡靜 [15]提出的空氣單元法等。但這些方法大多都是基 于等效原理提出來的，在理論和應(yīng)用方面都有一定的不足。
[0006] 綜上訴述，國內(nèi)外研究的重點在于滲流的計算方法和具體工程應(yīng)用等方面。在土 石壩滲流模擬過程中，鑒于地質(zhì)條件和裂隙的復(fù)雜及不確定性，很難能夠建立準(zhǔn)確的地質(zhì) 及裂隙模型，因此常對實際地質(zhì)條件進行比較大的簡化處理，這顯然會大大降低模擬結(jié)果 的精度。此外，目前滲流計算中常采用的方法是有限元分析方法，將溫度場等效為滲流場， 或采用達西定律求解滲流場，應(yīng)用限制條件多，且無法有效準(zhǔn)確的確定浸潤面的位置。對于 無壓滲流的浸潤自由面的模擬多采用有限元固定網(wǎng)格法，該方法雖對復(fù)雜區(qū)域的適應(yīng)性較 好，但由于浸潤自由面位置是待求的，事先未知，需要迭代確定，有限元固定網(wǎng)格法影響了 滲流場的計算精度。為此，本發(fā)明提出了建立包括不良地質(zhì)體與裂隙的樞紐區(qū)三維地質(zhì)精 細模型的方法，以及基于有限體積法和VOF法的土石壩滲流計算的數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)了對土 石壩復(fù)雜自由滲流場的數(shù)值模擬。
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[0016] [9]鐘小彥.基于多孔介質(zhì)模型和VOF法的滲流場數(shù)值模擬[D].西安：西安理工 大學(xué)，2010。
[0017] [10]宋永占.基于有限體積法的砼重力壩壩基防滲排水措施分析研究[D].蘭州： 蘭州理工大學(xué)，2011。
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[0021] [14]王恩志，王洪濤，王慧明."以縫代井列"--排水孔幕模擬方法探討[J].巖 石力學(xué)與工程學(xué)報，2002, 21(1) :98-101。
[0022] [15]胡靜，陳勝宏.滲流分析中排水孔模擬的空氣單元法[J].巖土力學(xué)，2003， 24(2):281-283。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0023] 為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，準(zhǔn)確地獲悉復(fù)雜地質(zhì)條件下土石壩樞紐區(qū)的滲流場情 況，本發(fā)明提出一種既能精確反映地質(zhì)信息又能準(zhǔn)確模擬出土石壩樞紐區(qū)滲流場的數(shù)值模 擬方法。
[0024] 本發(fā)明一種基于三維精細地質(zhì)模型預(yù)測土石壩樞紐區(qū)滲流場的方法，包括以下步 驟：
[0025] 步驟一、建立包括不良地質(zhì)體與裂隙的樞紐區(qū)三維地質(zhì)精細模型，包括：
[0026] 將水電工程地質(zhì)數(shù)據(jù)分為確定性數(shù)據(jù)和統(tǒng)計性數(shù)據(jù)；對于確定性地質(zhì)數(shù)據(jù)，采用 三維混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造曲面和地質(zhì)體的NURBS(Non-UniformRationalB-Splines) 構(gòu)建樞紐區(qū)巖層、不良地質(zhì)體和滲控結(jié)構(gòu)的三維地質(zhì)模型；對于統(tǒng)計性地質(zhì)數(shù)據(jù)，采用蒙特 卡羅（MonteCarlo)法構(gòu)建巖體三維裂隙網(wǎng)絡(luò)模型；針對三維地質(zhì)模型與巖體三維裂隙 網(wǎng)絡(luò)模型，基于布爾運算分析模型之間的空間位置關(guān)系，對重疊的地質(zhì)體進行布爾差運算， 實現(xiàn)巖層、不良地質(zhì)體以及裂隙網(wǎng)絡(luò)模型在空間位置上的耦合，從而獲得三維精細地質(zhì)模 型；
[0027] 步驟二、基于三維精細地質(zhì)模型建立三維滲流計算網(wǎng)格模型：通過計算流體力學(xué) CFD(ComputationalFluidDynamics)軟件，將包含地層信息、不良地質(zhì)體信息和裂隙信息 的地質(zhì)數(shù)據(jù)耦合轉(zhuǎn)化為計算流體力學(xué)模型數(shù)據(jù)，同時，采用貼體網(wǎng)格和局部加密網(wǎng)格劃分 法將三維精細地質(zhì)模型轉(zhuǎn)化為三維滲流計算網(wǎng)格模型，用以實現(xiàn)實際地質(zhì)信息在計算流體 力學(xué)CFD軟件計算模型中的精確表達；
[0028] 步驟三、基于三維精細地質(zhì)模型的土石壩滲流場數(shù)值模擬，包括：
[0029] 3-1、建立用以土石壩滲流場數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)模型，該數(shù)學(xué)模型包括連續(xù)性方程、 耦合VOF(VolumeofFluid)法的水氣兩相流N-S方程、水氣兩相混合密度方程和混合速度 方程；混合速度方程和混合密度方程用以表達滲流場中水氣兩相的混合速度和混合密度， 混合速度方程和混合密度方程均通過滲流阻力源項耦合于水氣兩相流N-S方程；其中：連 續(xù)性方程：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于三維精細地質(zhì)模型預(yù)測土石壩樞紐區(qū)滲流場的方法，包括： 步驟一、建立包括不良地質(zhì)體與裂隙的樞紐區(qū)三維地質(zhì)精細模型，包括： 將水電工程地質(zhì)數(shù)據(jù)分為確定性數(shù)據(jù)和統(tǒng)計性數(shù)據(jù)；對于確定性地質(zhì)數(shù)據(jù)，采用三維 混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造曲面和地質(zhì)體的NURBS構(gòu)建樞紐區(qū)巖層、不良地質(zhì)體和滲控結(jié)構(gòu) 的三維地質(zhì)模型；對于統(tǒng)計性地質(zhì)數(shù)據(jù)，采用蒙特卡羅法構(gòu)建巖體三維裂隙網(wǎng)絡(luò)模型； 針對三維地質(zhì)模型與巖體三維裂隙網(wǎng)絡(luò)模型，基于布爾運算分析地質(zhì)模型與裂隙模型 之間的空間位置關(guān)系，對重疊的地質(zhì)體進行布爾差運算，實現(xiàn)巖層、不良地質(zhì)體以及裂隙網(wǎng) 絡(luò)模型在空間位置上的耦合，從而獲得三維精細地質(zhì)模型； 步驟二、基于三維精細地質(zhì)模型建立三維滲流計算網(wǎng)格模型： 通過計算流體力學(xué)CFD軟件，將包含地層信息、不良地質(zhì)體信息和裂隙信息的地質(zhì)數(shù) 據(jù)耦合轉(zhuǎn)化為計算流體力學(xué)模型數(shù)據(jù)，同時，采用貼體網(wǎng)格和局部加密網(wǎng)格劃分法將三維 精細地質(zhì)模型轉(zhuǎn)化為三維滲流計算網(wǎng)格模型，用以實現(xiàn)實際地質(zhì)信息在計算流體力學(xué)CFD 軟件計算模型中的精確表達； 步驟三、基于三維精細地質(zhì)模型的土石壩滲流場數(shù)值模擬，包括： 3-1、建立用以土石壩滲流場數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)模型，該數(shù)學(xué)模型包括連續(xù)性方程、耦合VOF法的水氣兩相流N-S方程、水氣兩相混合密度方程和混合速度方程；混合速度方程和混 合密度方程用以表達滲流場中水氣兩相的混合速度和混合密度，混合速度方程和混合密度 方程均通過滲流阻力源項耦合于水氣兩相流N-S方程； 其中： 連續(xù)性方程： -+div{pu) -0 ^(1) 水氣兩相流N-S方程： --=/gradp+vV2u+S (2) dtp 式⑴和式⑵中： U是微元斷面的平均速度，u與孔隙流體真實速度u'的關(guān)系是u=nu'，η為多孔介質(zhì) 的孔隙率，單位是m/s; t為時間，單位是s; f為單位質(zhì)量力，單位是N; P為流體微元體上的壓力，單位是Pa; P為流體密度，單位是m3/s; V為流體運動粘滯系數(shù)，單位是m2/S; S為滲流阻力源項，等于慣性損失項Si與粘性損失項Sv之和；設(shè)Si = 0,粘性損失項Sv 的表達式為： Sv=-^u (3) a 式（3)中：·1為粘性阻力系數(shù)，單位是1/m2,其表達式為：a 丄(4) a人V 式（4)中：K為多孔介質(zhì)的滲透系數(shù)，單位是m/s; 耦合VOF法后，水氣兩相共用一套方程，式（1)至式（4)中的P和V不再是常量，而 是采用水氣兩相的混合密度方程和混合速度方程確定的變量，水氣兩相混合密度方程和混 合速度方程的表達式分別為： 混合密度方程P=FwPw+ (I-Fw)Pa (5) 混合速度方策V=FwVw+ (I-Fw)Va (6) 式（5)和式（6)中：Pw、Pa分別為水、氣兩種流體的密度，單位是kg/m3 ;vw、va分別 為水、氣兩種流體的運動黏性系數(shù)，單位是m2/s;FW為水的體積分數(shù)，單位是無因次； 3-2、確定三維滲流計算網(wǎng)格模型的邊界條件，包括： 進口邊界條件：上游庫水淹沒部分，取為定水頭壓力流入邊界，根據(jù)實際工程確定壩前 上游水位，從而確定出上游定水頭壓力，根據(jù)上游庫水位設(shè)置進口水氣兩相組分比； 出口邊界條件：下游邊界取為流出邊界，將位于下游水位以下部分取為定水頭壓力 流出邊界，下游水位以上部分取為自由出水邊界，根據(jù)下游庫水位設(shè)置出口水氣兩相組分 比； 固體壁面邊界條件：按固壁定律處理，所有固壁處的節(jié)點均采用無滑移條件處理； 3-3、根據(jù)步驟3-1確定的連續(xù)性方程，耦合VOF法的水氣兩相流N-S方程，水氣兩相混 合速度方程和混合密度方程，步驟3-2設(shè)置的邊界條件，以及根據(jù)實際工程確定的滲透參 數(shù)，通過有限體積法進行離散，利用SMPLE算法進行求解，實現(xiàn)基于三維精細地質(zhì)模型的 土石壩滲流場數(shù)值模擬，從而預(yù)測土石壩樞紐區(qū)滲流場。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于三維精細地質(zhì)模型預(yù)測土石壩樞紐區(qū)滲流場的方法，其特 征在于，步驟一中，不良地質(zhì)體包括擠壓帶、破碎帶、溶蝕帶和軟弱夾層中的一種或幾種。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于三維精細地質(zhì)模型預(yù)測土石壩樞紐區(qū)滲流場的方法，其特 征在于，步驟三中，根據(jù)實際工程確定的滲透參數(shù)包括壩體、地層及不良地質(zhì)體的透水率和 滲透系數(shù)。
4. 一種確定土石壩壩體浸潤面的方法，其特征在于，利用如權(quán)利要求1或2或3基于三 維精細地質(zhì)模型預(yù)測土石壩樞紐區(qū)滲流場的方法獲得的滲流場，采用VOF法確定土石壩壩 體浸潤面，方法如下： VOF法引入單流體模型來處理多相流問題，對于水氣兩相流流場，設(shè)在同一單元中的 水、氣或者二者的混合體具有相同的速度，即服從同一組動量方程，將水氣兩相的體積函數(shù) 在整個滲流場中都作為單獨變量；在任意一個單元中，水和氣的體積分數(shù)之和等于1，如果 Fw表示水的體積分數(shù)，則氣的體積分數(shù)為I-Fw ;當(dāng)Fw = 1,表示該單元全部為水相所占據(jù)； 當(dāng)Fw =O,表示該單元全部為氣相所占據(jù)；當(dāng)0〈FW〈1，表示該單元為水氣兩相的交界面單元； 水氣兩相共有的壓力、流速等變量都采用體積函數(shù)的加權(quán)平均值來表示； 體積率函數(shù)： 冬+ /nV/.': =O (7) dt 式（7)中：t為時間，單位是s;P為流體密度,單位m3/s;v為流體運動粘滯系數(shù)，單 位是m2/s; 通過求解體積率函數(shù)可以得到空間各處水氣兩相各自的體積分數(shù)，在界面區(qū)域內(nèi)采用 分段線性插值的幾何重建方法得到水氣分界面；土石壩中的滲流是具有浸潤面的自由滲 流，而滲流浸潤面本質(zhì)上是水氣兩相流的分界面，因此可以采用VOF法來獲得碾壓混凝土 壩浸潤面。
【文檔編號】G06F17/50GK104318015SQ201410566742
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月22日
【發(fā)明者】王曉玲, 程正飛, 呂鵬, 周正印, 宋明瑞 申請人:天津大學(xué)