[发明专利]一种山体中分布式地下设施温度场仿真方法

说明书

技术领域

本发明属于自然地理、热物理学和信息处理交叉的领域，更具体地，涉及一种山体中分布式地下设施温度场仿真方法，用于在渗流效应影响下对含有分布式地下设施的山体进行温度场仿真。

背景技术

裂隙岩体是坝基、边坡、地下洞室等岩体工程中广泛遇到的一类复杂岩体，是由随机分布的裂隙和被裂隙切割的岩块组成的不连续介质，岩石与泥土中有空隙，富含有流动的水介质，称为渗流。

山体温度场的分布受地壳浅层温度分布和热状态的控制，也受岩体工程和外界条件(包括地下水渗流)的影响。理论和实验研究表明，热力的传递(即传热)一般有3种方式:传导、对流和辐射。工程岩体中温度场的分布是以传导和对流为主实现的，地下水本身的渗流运动通过热对流的方式进行了热能转移，从而影响了裂隙岩体的温度场分布；地下水在裂隙岩体中的渗流速度的大小直接控制了岩体温度的变化幅度，因此，渗流对温度的影响是非常明显的。

由于断裂带内存在各种裂隙及破碎的岩石，地下水流在裂隙中沿垂直方向流动，地下水流的温度低于岩体的温度，因此，岩体的温度传递给水流，使水流的温度在流动方向上逐渐升高，进而改变了岩体温度场的分布。通过水流与围岩的热对流交换，水流的温度近似于岩体的温度，在给定的范围内热量达到了平衡状态。

现有的地下物体热仿真方法，只考虑到地下设施在岩石土壤等固体传导下的热场分布，没有考虑到岩石裂隙及其中的流体介质对地下温度场分布的影响，而流体介质使得地下设施与山体的热场交换更快速，在表面表现得更明显，在大型通用有限元分析软件(ANSYS)中，也没有描述岩石裂隙的渗流率参数。

发明内容

本发明认为裂隙岩体是一种具有连续介质性质的物质，即假设裂隙岩体是由空隙性差而导水性强的裂隙系统和空隙性好而导水性弱的岩块所构成的，根据双重介质理论，本发明提出了一种将渗流场等效成山体随机均匀分布的“毛细管”的方法，对在渗流场影响下含有分布式地下设施的山体进行温度场的仿真。

为了实现上述目的，本发明提供了一种山体中分布式地下设施温度场仿真方法，所述方法包括如下步骤：

(1)山体及分布式地下设施的物理特征和温度分布仿真建模：对山体及分布式地下设施进行物理特征建模，根据物理特征模型在地下目标的温度/红外成像仿真平台(Simulation Platform Of Temperature/Infrared Image Formation，SPTIF)中直接对山体和分布式地下设施的几何结构进行物理特征建模，从而建立山体和分布式地下设施的几何模型；

(2)渗流场建模：将渗流场抽象为多根山体中随机均匀分布的细导管，加入到分布式地下设施温度仿真模型中；

(3)对包含分布式地下设施的山体做含有渗流场和不含渗流场的情况下进行温度场仿真。

在本发明的一个实施例中，所述步骤(2)具体包括如下子步骤：

(2.1)对山体数据的数据结构抽象，将整个山体抽象成一个有限节点组成的有层次关系的山体树结构；

(2.2)利用判断点是否在一个封闭多边形里的算法遍历上述生成的山体树结构，生成多根随机细管的底面坐标，得到每根细管的高度，生成毛细管。

在本发明的一个实施例中，所述步骤(2.1)具体包括：

将山体等高线数据分离成17个区域，每个区域在同一海拔高度上，不同区域之间在水平上相互独立，互不交错，在垂直方向具有层次结构，海拔高的区域在垂直方向上的投影包含于海拔低的封闭曲线内；

用多叉树的数据结构对山体进行进一步的抽象，山体树结构的构建方法是，把山体倒过来，每个区域当做一个节点，山底就是树的根节点，若在垂直方向上的投影中上一层对下一层有封闭区间的包含关系，那么下一层就是上一层的子节点。

在本发明的一个实施例中，所述步骤(2.2)具体包括：

随机产生一根“毛细管”的底面坐标，从山体树结构的最低层的节点开始，判断该坐标点是否在该层的所有点组成的封闭曲线内，若在此封闭曲线内，如果该层所在的节点是叶子节点，则“毛细管”的最大高度等于此节点的海拔高度，如果不是叶子节点，则对下一层子节点进行遍历；若不在此封闭曲线内，则对同一海拔的其它节点进行遍历，如果该点不在此海拔高度的所有节点的封闭曲线内，说明该“毛细管”的最大高度等于此节点的父节点的海拔高度；对山体树结构中的所有点遍历，找到所有点对应的最高海拔，即确定了所有“毛细管”对应的高度。

在本发明的一个实施例中，所述步骤(2.2)中判断点是否在一个封闭多边形里的算法具体包括：