[发明专利]一种基于离散单元法的覆盖型岩溶塌陷灾变演化模拟方法

说明书

本发明属于地质灾害机理研究领域，公开了一种基于离散单元法的覆盖型岩溶塌陷灾变演化模拟方法，利用离散元数值方法对覆盖型岩溶塌陷机理及灾变演化过程进行分析，从微观角度上揭露岩溶塌陷全过程，包括：裂纹形成、颗粒剥落、土洞形成、土洞扩张、覆盖层塌陷等；分析塌陷过程中覆盖层土体颗粒的位移、裂纹的发展趋势、系统不平衡力的变化情况等，以真实反映出外界营力作用下灾变主体(覆盖层土体)的多场变化特征。本发明运用离散元数值模拟方法得出覆盖型岩溶塌陷的临界土洞平衡高度和土洞开始形成的临界地下水流速度，并与理论结果进行对比，其模拟结果可为岩溶塌陷地质灾害的勘察处治、防灾减灾工作提供可靠依据。

技术领域

本发明属于地质灾害机理研究领域，尤其涉及一种基于离散单元法的覆盖型岩溶塌陷灾变演化模拟方法。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：

覆盖型岩溶塌陷灾害，因其具有隐蔽性、突发性、不确定性、机理复杂性等特点，导致预防、治理岩溶塌陷灾害十分困难。为了减少岩溶塌陷灾害的发生，对覆盖型岩溶塌陷进行分析十分必要。

岩溶塌陷数值模拟方法主要有限单元法、有限差分法、积分方程法和分界单元法。其中采用最多的是有限差分法——FLAC3D。FLAC3D是依据于连续介质力学理论数值模拟方法，往往是把分析体当成一个整体来分析，在分析土洞周围土体应力、应变问题上具有较好的模拟效果，但灾害体为非连续介质时，有限差分法则无法模拟。岩溶塌陷过程中，土体大位移、颗粒迁移、裂纹发展及土体崩落等现象及问题是有限差分数值模拟无法解决的，且无法得到覆盖层土体从裂纹发展——土洞形成——覆盖层塌陷等一系列离散过程和塌陷的临界阈值。现阶段，前人已用离散单元数值模拟方法在山体滑坡、工程爆破等领域进行过诸多探索；但鲜有文献运用离散元方法分析讨论岩溶塌陷的演化微观过程及灾变阀值等问题。

综上所述，现有技术存在的问题是：

对于覆盖型岩溶塌陷问题而言，之前的分析及模拟方法(如有限单元法、有限差分法等)几乎全部是基于连续介质理论的数值模拟方法。该类方法以“连续介质力学”为理论基础，仅仅能够模拟覆盖型岩溶区盖层土体(土洞)的整体大变形、挠曲和塑性流动等力学行为；但土洞的盖层土体由破碎的固体颗粒组成，土的宏观变形主要不是由于颗粒本身变形，而是由于颗粒间位置即排列方式的变化造成的，以上传统的数值模拟方法无法体现土颗粒的动态迁移、潜蚀以及崩解过程。

现有技术中，对粒状集合体的破裂和裂纹发展问题、以及颗粒的流动(大位移)问题的微观力学程序颗粒流PFC(Particle Flow Code)，还没有建立覆盖型岩溶塌陷数值模型，无法模拟土洞的扩张、颗粒的剥落、地表的塌陷，从而导致不能从微观角度上分析岩溶塌陷过程中土体颗粒的位移、裂纹的扩展等问题；不能定量化地揭示覆盖型岩溶塌陷的影响因素(地质条件、外界营力)，求解初始土洞形成、地表塌陷的临界阀值，也没有与理论值进行对比分析，无法为治理岩溶塌陷灾害提供理论依据。

覆盖型岩溶系统内的土洞，在其破坏过程中，不仅存在挠曲、塑性流动等基于连续介质假设的大变形力学行为；同时也存在土洞下表面土颗粒潜蚀、迁移、崩落等基于非连续介质假设的力学行为，但传统的基于“连续介质力学理论”数值模拟方法无法对这些力学行为进行刻画。

解决上述技术问题的意义：

解决上述技术问题后，带来的意义为：基于“非连续介质力学理论”，利用离散单元法进行模拟，从微观角度通过颗粒结构的微观参数研究来分析材料的宏观力学行为，不仅可以模拟塌陷体连续状态下及非连续状态下的变形特性，更可以揭示塌陷体由连续体到非连续体的渐进破坏过程，对丰富岩溶塌陷的理论研究体系有着重要理论意义，同时对于覆盖型岩溶区塌陷地质灾害的勘察处治、防灾减灾也有着重要的社会价值。

发明内容