[发明专利]一种基于二维有限元的非侵入式随机渗流分析方法

权利要求书

1.一种基于二维有限元的非侵入式随机渗流分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，建立确定性非饱和渗流分析模型

S1：根据地质资料，建立有限元模型；

S2：对有限元模型细分饱和区和非饱和区；

S3：非饱和参数拟定；

S4：确定需要随机渗流分析的材料；

第二步，基于中点法的非高斯随机场离散；

S5：确定参数的分布类型；

S6：选取自相关函数；

S7：根据S6中的自相关函数进行中点法非高斯随机场离散流程；

S8：基于确定性分析模型的随机场离散；

第三步，非侵入式随机渗流分析；

S9：进行非侵入式随机渗流计算，获取流速、孔隙压力、水头的计算结果；

第四步，后处理获取渗流安全控制指标及安全状态评估；

S10：渗流安全控制指标提取；

S11：渗流安全状态评估。

2.根据权利要求1所述的一种基于二维有限元的非侵入式随机渗流分析方法，其特征在于，所述的步骤S1中，建立有限元模型，具体如下：

(1)利用Abaqus CAE，根据土石坝的地质资料建立二维实体模型，并完成有限元网格划分；

(2)在Abaqus CAE的载荷模块中，根据资料设置上下游初始水头边界条件以及下游坝体表面的排水边界条件。

3.根据权利要求1所述的一种基于二维有限元的非侵入式随机渗流分析方法，其特征在于，所述的步骤S4确定需要随机渗流分析的材料，具体如下：

(1)对于渗透系数K相差超过两个数量级的材料，渗透系数大的非防渗材料对随机渗流的影响忽略不计，仅考虑渗透系数小的材料的随机渗流特性；

(2)Van Genuchten模型中的两个参数a、m是非饱和随机渗流分析的参数，其决定材料的渗流特性。

4.根据权利要求1所述的一种基于二维有限元的非侵入式随机渗流分析方法，其特征在于，所述的S3非饱和参数拟定方式如下：

(1)非饱和渗流材料的细湿特性通过土水特征曲线进行描述，采用土-水特征曲线为Van Genuchten模型；

(2)针对渗透系数K，处于非饱和渗流状态的材料，其也是有关饱和度的函数，如式(1)；

K＝K_SAT·S_e^μ(1)

其中，K_SAT为饱和时的渗透系数，μ为经验系数，S_e为有效饱和度。

5.根据权利要求1所述的一种基于二维有限元的非侵入式随机渗流分析方法，其特征在于，步骤S2中对复杂岩土工程的有限元模型内的多组材料细分饱和区和非饱和区，并确定非饱和渗流控制方程的具体方法为；

(1)复杂岩土工程的渗流以非饱和渗流为主，所建的有限元模型需对工程内的材料按饱和、非饱和区域进行划分，其中心墙堆石坝内的心墙、过渡层、堆石体为非饱和区，坝基内的基岩、帷幕灌浆则为饱和区；

(2)对非饱和态的材料给予属性时，在Abaqus CAE属性模块中需要给出孔隙压力与饱和度之间的关系，其关系可通过土-水特征曲线(SWCC曲线)获取，采用表达式如(2)的VanGenuchten模型；

其中，为土的体积含水率函数，为基质吸力，S_e为饱和度，a表示土-水特征曲线拐点对应的吸力，n表示土-水特征曲线拐点处斜率，m＝1-1/n，基质吸力与孔隙压力可看为相反数；

(3)对于坝体中的非饱和态材料，利用式(3)表示非饱和渗流所用的渗流控制方程；

其中，为水头，K_X为水平渗透系数，K_y为垂直渗透系数，C为容水度；

(4)将上述材料分区、材料参数赋加、边界条件施加以及有限元网格离散后获取的有限元模型，导出为符合Abaqus CAE计算格式的，包含各单元及节点信息的INP格式文件，该文件内即为确定性渗流分析模型。