[发明专利]一种水库土石坝渗透变形和稳定性的数值模拟方法及装置

说明书

本公开涉及一种水库土石坝渗透变形和稳定性的数值模拟方法及装置，属于土石坝数值分析技术领域，该方法主要包括建立土石坝几何模型，划分单元网格；选定土层的本构模型；建立流‑固耦合分析模型；采用有限差分法建立数值分析平衡方程；所述平衡方程为运动方程和连续性方程；设置模型监测点，采用强度折减法分析土石坝整体稳定性；基于最危险滑动面分析，通过对监测结果的分析，判断土石坝的渗透变形及稳定性。本公开的方法可以通过计算机数值分析的方法研究水库土石坝在不同蓄水位时坝体的变形及稳定性，能够给出渗流条件下坝体的稳定性安全系数及最危险滑动面。

技术领域

本公开属于土石坝数值模拟领域，具体是涉及一种水库土石坝渗透变形及稳定性的数值模拟方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本公开相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

我国水利水电工程发展迅速，水库大坝数量居世界首位。这些大坝在防洪、发电、航运、灌溉、养殖旅游和城市供水等方面起到非常显著的作用，具有不可替代的经济和社会效益。根据《全国病险水库除险加固专项规划》，全国现有水库87076座，其中大型水库445座，中型水库2782座，小型水库8.2万座。由于受当时条件限制，许多工程先天不足，加上管理落后，其中有38019座为病险水库，占其总数的39.2％，其中大多数为土石坝。土石坝是一种采用当地土石料填筑而成的挡水建筑物，具有造价低、施工方便、抗震性能好等特点，但由于工程质量和管理等问题，易出现渗漏、滑坡、地震破坏等问题。根据我国对241座大型水库曾发生的1000个工程安全问题所作的统计,其中有37.1％的安全问题是由于渗流引起的。因此，土石坝的渗流性状是评价大坝的安全的重要因素之一。

土石坝的渗流问题可以归结为以下三类问题:①渗流计算，②渗透变形，③渗流控制。渗流分析的常用方法有流体力学解析法、水力学法、图解法、室内模型试验、数值仿真、自动化监测分析等方法。在一些大型商业软件中都包含了渗流分析模块，但仍存在以下问题：模拟计算中不能很好的考虑流体和固体的耦合问题，或不能很好的控制流-固耦合分析过程；土石坝在渗流情况下的稳定性判别缺乏有效的依据。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本公开为解决有效控制流体和固体的耦合问题提供了一种水库土石坝渗透变形和稳定性的数值模拟方法及装置。

本公开至少一个实施例公开一种水库土石坝渗透变形和稳定性的数值模拟方法，该方法包括以下过程：

建立土石坝几何模型，划分单元网格；

选定土层的本构模型；建立流-固耦合分析模型；采用有限差分法建立数值分析平衡方程；所述平衡方程为运动方程和连续性方程；

设置模型监测点，采用强度折减法分析土石坝整体稳定性；基于最危险滑动面分析，通过对监测结果的分析，判断土石坝的渗透变形及稳定性。

进一步地，土层选定的本构模型为摩尔-库伦模型；模型中涉及的土体力学参数有密度ρ、体积模量K、剪切模量G、粘聚力c和内摩擦角

进一步地，选取的摩尔-库伦模型，建立剪切破坏方程

式中，

σ₁为最大主应力，σ₃为最小主应力，为内摩擦角，c为粘聚力。

进一步地，体积模量K和剪切模量G与弹性模量E和泊松比μ的换算按照下面的公式

土体弹性模量E与压缩模量E_s的换算关系为：

粘聚力c和内摩擦角的确定根据地勘报告中直接剪切试验或三轴试验的结果确定。