本技術(shù)涉及工程設(shè)計(jì)，尤其涉及基于裂隙與基質(zhì)網(wǎng)格的非達(dá)西滲流應(yīng)力耦合仿真方法。

背景技術(shù)：

1、在水利水電工程中，壩區(qū)巖體在蓄水前就賦存于獨(dú)特的水文地質(zhì)條件下，水庫蓄水后，受水巖互饋及耦合作用，高水頭對(duì)原先水文地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生了劇烈擾動(dòng)，引起壩區(qū)應(yīng)力重新分布。壩基巖石是一個(gè)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的多相介質(zhì)體系，由巖塊體和巖層中的斷裂、軟弱夾層、錯(cuò)動(dòng)帶等結(jié)構(gòu)面組成，巖塊體主要為巖石基質(zhì)和原生或次生孔隙，巖層中軟弱結(jié)構(gòu)面主要為裂隙，在高滲壓作用下，壩區(qū)巖體裂隙水流動(dòng)不再滿足達(dá)西滲流定律，而是呈現(xiàn)出非達(dá)西滲流特征。

2、傳統(tǒng)裂隙巖體滲流應(yīng)力耦合研究大都基于等效連續(xù)介質(zhì)模型開展的，等效連續(xù)介質(zhì)模型在宏觀滲流分析時(shí)具有較大的優(yōu)越性，計(jì)算相對(duì)較簡單，但當(dāng)裂隙尺度較大時(shí)，裂隙巖體應(yīng)按不連續(xù)介質(zhì)考慮。例如專利cn118095122a中一種基于真實(shí)粗糙裂隙的模型構(gòu)建與非達(dá)西滲流仿真方法中僅僅是針對(duì)不同巖石類型及裂隙粗糙程度的裂隙巖體非線性滲流指標(biāo)，未考慮離散裂隙和連續(xù)基質(zhì)內(nèi)容。

3、離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型可以較好地描述裂隙巖體的非均勻性和各向異性，其缺點(diǎn)在于未考慮巖塊的透水性，且較難全面獲取巖體中裂隙分布、走向和幾何特征等參數(shù)，造成裂隙的生成、單元剖分和數(shù)值計(jì)算的工作量非常大。實(shí)際上，裂隙巖體是由離散裂隙和連續(xù)基質(zhì)組成，裂隙巖體的滲流應(yīng)力耦合研究既需要考慮巖塊的水力耦合過程，又要考慮裂隙的水力學(xué)性質(zhì)，特別是在高水頭作用下巖體裂隙滲流會(huì)呈現(xiàn)明顯的非線性特征。嵌入式裂隙網(wǎng)絡(luò)模型優(yōu)勢在于通過定義計(jì)算裂隙和基質(zhì)之間的流量交換實(shí)現(xiàn)耦合迭代計(jì)算，大幅提升了計(jì)算效率，可以較好地描述裂隙巖體滲流及力學(xué)行為，較方便地刻畫了巖體裂隙非達(dá)西優(yōu)先流現(xiàn)象，近年來發(fā)展迅速，具有廣闊的應(yīng)用前景。

4、本發(fā)明將裂隙巖體視為由基質(zhì)和天然裂隙組成的混合系統(tǒng)，裂隙水流動(dòng)和基質(zhì)滲流視為相對(duì)獨(dú)立的體系，通過基質(zhì)-裂隙流量交換實(shí)現(xiàn)基質(zhì)與裂隙水流的耦合運(yùn)動(dòng)，基于有限單元法基本原理，采用嵌入式裂隙-基質(zhì)系統(tǒng)模型，發(fā)展了一種裂隙-基質(zhì)混合介質(zhì)數(shù)值求解模型及方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本技術(shù)提供如下技術(shù)方案：

2、根據(jù)本發(fā)明第一方面，本發(fā)明請(qǐng)求保護(hù)一種基于裂隙與基質(zhì)網(wǎng)格的非達(dá)西滲流應(yīng)力耦合仿真方法，包括：

3、輸入仿真基質(zhì)網(wǎng)格，根據(jù)裂隙的屬性信息建立仿真裂隙網(wǎng)格，獲取所述仿真裂隙網(wǎng)格與所述仿真基質(zhì)網(wǎng)格的網(wǎng)格單元相交參考信息；

4、依據(jù)所述仿真裂隙網(wǎng)格與所述仿真基質(zhì)網(wǎng)格選取網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的初始水壓力和初始位移值；

5、采用裂隙非達(dá)西滲流與基質(zhì)滲流時(shí)間步迭代求解，得到水壓力容差，判斷時(shí)間步迭代計(jì)算的收斂性；

6、依據(jù)所述收斂性與時(shí)間步信息，得到非達(dá)西滲流應(yīng)力耦合的求解結(jié)果。

7、進(jìn)一步地，所述輸入仿真基質(zhì)網(wǎng)格，根據(jù)裂隙的屬性信息建立仿真裂隙網(wǎng)格，獲取所述仿真裂隙網(wǎng)格與所述仿真基質(zhì)網(wǎng)格的網(wǎng)格單元相交參考信息，還包括：

8、輸入仿真基質(zhì)網(wǎng)格，依據(jù)所述仿真基質(zhì)網(wǎng)格得到基質(zhì)網(wǎng)格單元和基質(zhì)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)；

9、根據(jù)裂隙的屬性信息建立仿真裂隙網(wǎng)格，依據(jù)所述仿真裂隙網(wǎng)格得到裂隙網(wǎng)格單元和裂隙網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)；

10、獲取所述基質(zhì)網(wǎng)格單元與所述裂隙網(wǎng)格單元的相交參考信息；

11、所述相交參考信息至少包括：

12、邊界條件、材料參數(shù)和控制參數(shù)。

13、進(jìn)一步地，所述依據(jù)所述仿真裂隙網(wǎng)格與所述仿真基質(zhì)網(wǎng)格選取網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的初始水壓力和初始位移值，還包括：

14、依據(jù)所述仿真裂隙網(wǎng)格選取裂隙網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的初始裂隙水壓力；

15、依據(jù)所述仿真基質(zhì)網(wǎng)格選取基質(zhì)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的初始基質(zhì)水壓力和初始基質(zhì)位移。

16、進(jìn)一步地，所述采用裂隙非達(dá)西滲流與基質(zhì)滲流時(shí)間步迭代求解，得到水壓力容差，判斷時(shí)間步迭代計(jì)算的收斂性，還包括：

17、依次求解基質(zhì)網(wǎng)格體系的滲流方程與求解裂隙網(wǎng)格體系的非達(dá)西滲流方程；

18、通過計(jì)算基質(zhì)和裂隙流量交換項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)基質(zhì)和裂隙滲流耦合求解，通過計(jì)算基質(zhì)水壓力和裂隙水壓力容差，判斷時(shí)間步迭代計(jì)算是否收斂。

19、進(jìn)一步地，所述依據(jù)所述收斂性與時(shí)間步信息，得到非達(dá)西滲流應(yīng)力耦合的求解結(jié)果，還包括：

20、采用位移容差判斷時(shí)間步迭代計(jì)算是否收斂，如果收斂，轉(zhuǎn)至下一時(shí)間步計(jì)算，否則轉(zhuǎn)至上一步繼續(xù)迭代計(jì)算；

21、采用自適應(yīng)時(shí)間步長，判斷是否需要重復(fù)上一時(shí)間步的計(jì)算；

22、當(dāng)達(dá)到仿真計(jì)算時(shí)長時(shí)，得到非達(dá)西滲流應(yīng)力耦合的求解結(jié)果。

23、進(jìn)一步地，所述獲取所述基質(zhì)網(wǎng)格單元與所述裂隙網(wǎng)格單元的相交參考信息時(shí)，還包括：

24、給定仿真計(jì)算時(shí)間，設(shè)定初始時(shí)間步長、第一迭代容差、第二迭代容差、第三迭代容差和兩個(gè)迭代步的最大迭代步數(shù)。

25、進(jìn)一步地，依據(jù)所述仿真裂隙網(wǎng)格選取裂隙網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的初始裂隙水壓力以及依據(jù)所述仿真基質(zhì)網(wǎng)格選取基質(zhì)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的初始基質(zhì)水壓力和初始基質(zhì)位移時(shí)，還包括：

26、令時(shí)間步n＝0，選取基質(zhì)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的基質(zhì)水壓力、裂隙網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的裂隙水壓力和基質(zhì)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的位移為基本未知量，給定位移、基質(zhì)水壓力、裂隙水壓力和應(yīng)力時(shí)間步初始值，作為初始基質(zhì)位移、初始基質(zhì)水壓力、初始裂隙水壓力和初始應(yīng)力時(shí)間步。

27、進(jìn)一步地，依次求解基質(zhì)網(wǎng)格體系的滲流方程與求解裂隙網(wǎng)格體系的非達(dá)西滲流方程時(shí)，還包括：

28、依次求解裂隙非達(dá)西滲流方程、基質(zhì)達(dá)西滲流方程和基質(zhì)應(yīng)力平衡方程；

29、令迭代步為0，給定迭代步位移、初始迭代基質(zhì)水壓力、初始迭代裂隙水壓力和應(yīng)力迭代初值；

30、所述通過計(jì)算基質(zhì)和裂隙流量交換項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)基質(zhì)和裂隙滲流耦合求解，通過計(jì)算基質(zhì)水壓力和裂隙水壓力容差，判斷時(shí)間步迭代計(jì)算是否收斂，還包括：

31、求解基質(zhì)達(dá)西滲流方程，計(jì)算孔隙水壓力；

32、求解裂隙非達(dá)西滲流方程，計(jì)算裂隙水壓力；

33、計(jì)算基質(zhì)水壓力容差和裂隙水壓力容差；

34、依據(jù)所述基質(zhì)水壓力和裂隙水壓力的容差與第一迭代容差和第二迭代容差的大小關(guān)系，選擇執(zhí)行應(yīng)力平衡方程求解或繼續(xù)迭代求解裂隙非達(dá)西滲流與基質(zhì)滲流方程；

35、求解應(yīng)力平衡方程時(shí)，計(jì)算位移增量、應(yīng)變?cè)隽亢蛻?yīng)力增量，更新迭代步的位移矢量、應(yīng)變和應(yīng)力張量，計(jì)算位移容差。

36、進(jìn)一步地，采用位移容差判斷時(shí)間步迭代計(jì)算是否收斂，如果收斂，轉(zhuǎn)至下一時(shí)間步計(jì)算，否則轉(zhuǎn)至上一步繼續(xù)迭代計(jì)算時(shí)，還包括：

37、如果所述位移容差小于或等于第三迭代容差，轉(zhuǎn)至下一時(shí)間步計(jì)算；

38、如果所述位移容差大于第三迭代容差且迭代步數(shù)未達(dá)最大值，迭代步數(shù)自增1，轉(zhuǎn)至上一步繼續(xù)迭代計(jì)算。

39、進(jìn)一步地，所述采用自適應(yīng)時(shí)間步長，判斷是否需要重復(fù)上一時(shí)間步的計(jì)算，還包括：

40、如果迭代步數(shù)未達(dá)最大迭代步數(shù)的一半，增大時(shí)間步長；

41、如果所述位移容差大于第三迭代容差且迭代步數(shù)已超過最大值，降低時(shí)間步長，重復(fù)上一時(shí)間步的計(jì)算。

42、本技術(shù)涉及工程設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于裂隙與基質(zhì)網(wǎng)格的非達(dá)西滲流應(yīng)力耦合仿真方法，輸入裂隙和基質(zhì)單元網(wǎng)格、邊界條件、材料參數(shù)和控制參數(shù)等信息；給定基本未知量的初始值和初始應(yīng)力；在每一時(shí)間步依次進(jìn)行基質(zhì)滲流和嵌入式裂隙非達(dá)西流迭代求解，以及基質(zhì)應(yīng)力平衡方程求解；判斷是否收斂，若時(shí)間步計(jì)算未收斂則繼續(xù)進(jìn)行下一步迭代求解；達(dá)到收斂條件后，進(jìn)入下一時(shí)間步求解，直到時(shí)間結(jié)束。本發(fā)明提供了一種高精度、高效率的非達(dá)西滲流應(yīng)力耦合仿真方法，改善了傳統(tǒng)有限元求解時(shí)對(duì)局部結(jié)構(gòu)面建模難度大、效率低、效果不佳等問題，可有效模擬高滲壓下巖體非達(dá)西滲流特征和力學(xué)變形行為。