CN113338218A - 泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及边坡地质灾害防护技术领域,涉及一种泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法,包括以下步骤:a)泥石流物性参数确定;b)泥石流物源数值模型构建:采用SPH建立泥石流浆体模型,采用DEM建立多尺度颗粒物模型,采用FEM建立岩石大块体的实体单元模型,采用FEM建立泥石流冲沟的壳单元模型并分区域设置粗糙度参数;c)采用FEM建立柔性防护***的纤维梁单元模型,并设置***结构的内部接触参数;d)建立泥石流浆体‑防护***耦合作用界面;e)整合建立包含浆体、颗粒物、岩石大块体、柔性防护***和冲沟的多尺度多介质耦合的综合反演分析模型。本发明能较佳地实现泥石流柔性拦截过程典型物理现象的综合反演。
Description
技术领域
本发明涉及边坡地质灾害防护技术领域,具体地说,涉及一种泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法。
背景技术
自然灾害严重是我国的基本国情,提升防灾减灾技术水平的研发应用是国家急需。针对冲击速度快、物源丰富的沟谷型泥石流,柔性防护***已在欧美日等发达国家获得大量应用。泥石流柔性拦截过程中典型的物理现象包括:多尺度多介质物源运动、滤水沉渣、防护结构大变形。这是一个复杂的多尺度多介质耦合非线性问题。但是,现有的数值模拟方法还无法实现泥石流柔性拦截过程上述物理现象的综合反演,进而制约了泥石流柔性防护技术的发展。
泥石流柔性拦截的反演模拟有三个关键难题:
1、综合考虑大变形浆体、多尺度颗粒体及岩石碎屑体等的物源耦合作用;
2、考虑***内部滑移、接触、分离及冲击动力响应的离散态柔性防护***模型;
3、综合考虑1、2因素的多场耦合数值模型,其中尤其是泥石流浆体与梁杆模型的流固耦合目前尚是未解难题。
发明内容
(a)泥石流物性参数确定,标定数值模型中浆体、颗粒物、岩石块体的材性参数、体积及位置;
(b)泥石流物源数值模型构建:采用光滑粒子流体动力学方法(SPH:SmoothedParticle Hydrodynamics)建立泥石流浆体模型,采用离散单元方法(DEM:DiscreteElement Method)建立多尺度颗粒物模型,采用有限元方法(FEM:Finite Element Method)建立岩石大块体的实体单元模型,采用FEM建立泥石流冲沟的壳单元模型并分区域设置粗糙度参数;
(c)柔性防护***模型包括支撑结构、钢丝绳、环形网片,采用FEM建立柔性防护***的纤维梁单元模型,并设置***结构的内部接触参数;
(d)建立泥石流浆体-防护***耦合作用界面:泥石流浆体与环形网片的接触为泥石流浆体与防护***的主要接触作用。在环形网片的纤维梁单元节点上建立同位虚拟DEM粒子,用于实现泥石流浆体模型和柔性防护***模型的耦合传力。虚拟DEM粒子仅做为浆体与环形网片的接触界面,其尺寸按绕流阻力等效原则标定;
(e)整合步骤(a)-(d),建立包含浆体、颗粒物、岩石大块体、柔性防护***和冲沟的多尺度多介质耦合的综合反演分析模型,标定计算参数,设置输出结果选项,进行运算,获得计算结果。
作为优选,步骤(d)中,环形网片由若干圆环套结而成,圆环由钢丝盘绕n圈形成,圆环的计算模型即为纤维梁单元模型;将曲杆状的钢丝圆环的接触面离散为若干虚拟DEM粒子,并按绕流阻力等效原则标定粒子尺寸,同时在圆环纤维梁单元模型的节点位置建立同位虚拟DEM粒子,构成泥石流浆体模型和柔性防护***模型的虚拟耦合传力界面;
其中,C 1、C 2分别为绕圆柱、绕球时的阻力系数,与流体雷诺数对应,将运动泥石流浆体视作湍流,C 1/C 2取值范围2.0~2.5;A 1、A 2分别为圆柱体、球体发生绕流时在垂直于来流方向的投影面积;m为圆环的钢丝圈数;d为圆环的钢丝直径;l为圆环的钢丝周长;n为圆环的虚拟DEM粒子数,等于圆环纤维梁单元分段节点数,节点数不小于16;r为虚拟DEM粒子半径。
作为优选,体积密度试验确定计算模型DEM颗粒物材料密度,基于体积密度相等原则,对给定DEM颗粒物的体积,通过调整DEM颗粒密度,使颗粒物的实际质量和模拟质量相等;
作为优选,DEM颗粒间参数包括滑动摩擦系数和滚动摩擦系数,通过休止角试验测定,采用试算法使计算模型DEM颗粒堆积体休止角与试验实测颗粒物休止角一致,从而确定DEM颗粒材料的内部摩擦系数。
步骤(d)中,泥石流浆体模型和多尺度颗粒物模型的耦合控制参数为线弹簧刚度和接触阻尼常数,以上两参数取值范围均为0.1~0.15;
泥石流浆体模型和泥石流冲沟模型之间为点面接触,控制参数为摩擦系数,根据粗糙度不同,取值为0.25-0.6;
多尺度颗粒物模型和泥石流冲沟模型之间为弹簧阻尼接触,其控制参数为摩擦系数,可通过摩擦试验标定;
多尺度颗粒物模型和柔性防护***模型之间之间为弹簧阻尼接触,其控制参数界面摩擦系数、滚动摩擦系数取值范围均为0.2-0.4,阻尼系数取值范围为0.1-0.15。
本发明的有益效果如下:
(1)本发明除了将拦截网等效为纤维梁单元,还基于绕流阻力等效原则,将拦截网离散为虚拟的同位DEM粒子,解决了泥石流浆体模型(SPH)与柔性防护***模型(FEM)无法耦合传力的计算难题,实现了“阻水、滤水、沉渣”的综合模拟;
(2)本发明还综合“浆体(SPH)、颗粒物(DEM)、岩石大块体(FEM)、柔性防护***(FEM)和冲沟(FEM)”形成尺度多介质综合模型,进行时域分析,实现了考虑大变形与大滑移、多尺度颗粒群、多相物源介质、多体离散接触纤维梁单元的耦合动力分析,实现了对泥石流柔性拦截过程中的“多尺度多介质物源运动、滤水沉渣、柔性网结构大变形”等关键物理现象综合反演。
附图说明
图1为实施例1中一种泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法的流程图;
图2为实施例2中一种泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法的网环杆单元模型与虚拟DEM粒子模型示意图;
图3为实施例2中一种泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法的浆体模型-柔性防护***模型耦合模型计算结果示意图;
图4为实施例2中一种泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法的摩擦标定试验模拟示意图;
图5为实施例2中一种泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法的“多尺度多介质物源运动”现象反演结果示意图;
图6为实施例2中一种泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法的“柔性大变形”、“滤水沉渣”反演结果示意图;
图7为实施例2中一种泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法的“沉渣现象”反演结果示意图;
图8为实施例2中一种泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法的“多尺度多介质物源运动、滤水沉渣、结构大变形”综合反演结果示意图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容,结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是,实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。
实施例1
如图1所示,本实施例提供了一种泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法,其包括以下步骤:
(a)泥石流物性参数确定,标定数值模型中浆体、颗粒物、岩石块体的材性参数、体积及位置;
采用光滑粒子流体动力学方法(SPH:Smoothed Particle Hydrodynamics)建立泥石流浆体模型,采用离散单元方法(DEM:Discrete Element Method)建立多尺度颗粒物模型,采用有限元方法(FEM:Finite Element Method)建立岩石大块体的实体单元模型,采用FEM建立泥石流冲沟的壳单元模型并分区域设置粗糙度参数;
(c)柔性防护***模型包括支撑结构、钢丝绳、环形网片,采用FEM建立柔性防护***的纤维梁单元模型,并设置***结构的内部接触参数;
(d)建立泥石流浆体-防护***耦合作用界面:泥石流浆体与环形网片的接触为泥石流浆体与防护***的主要接触作用;在环形网片的纤维梁单元节点上建立同位虚拟DEM粒子,用于实现泥石流浆体模型和柔性防护***模型的耦合传力;虚拟DEM粒子仅做为浆体与环形网片的接触界面,其尺寸按绕流阻力等效原则标定;
(e)整合步骤(a)-(d),建立包含浆体、颗粒物、岩石大块体、柔性防护***和冲沟的多尺度多介质耦合的综合反演分析模型,标定计算参数,设置输出结果选项,进行运算,获得计算结果。
泥石流发生时,往往伴随零散的尺寸较大的大岩块,形成较大的冲击作用,反演分析时,可采用有限单元法(FEM)的实体单元进行模拟,即所谓“FEM实体单元”,用以反演类似大岩块的运动与冲击作用;
泥石流往往沿着坡面上的沟槽流动,形成冲沟,反演分析时可采用有限单元法(FEM)的壳单元模拟冲沟或者坡体壁面,即所谓“FEM壳单元”;
防护网***由型钢、钢丝网、钢绳等杆状结构单元组成,为了模拟杆状结构单元在横截面上应力应变的发展与不均匀分布,需对截面进行纤维化处理,因此其力学单元模型常采用有限元方法种的纤维梁模型,即所谓“FEM纤维梁模型”。相比经典梁单元模型,纤维梁模型在弹塑性力学问题上的计算精度有明显提升。
步骤(d)中,环形网片由若干圆环套结而成,圆环由钢丝盘绕n圈形成,圆环的计算模型即为纤维梁单元模型。将曲杆状的钢丝圆环的接触面离散为若干虚拟DEM粒子,并按绕流阻力等效原则标定粒子尺寸,同时在圆环纤维梁单元模型的节点位置建立同位虚拟DEM粒子,构成泥石流浆体模型和柔性防护***模型的虚拟耦合传力界面;
环形网片是由若干独立的金属网环相互套结形成的网状结构物,圆环状的金属网环即是所谓的“环形网片的组成单元”;环形网片分析计算时,按有限元方法的原理,必须先建立每个独立的金属圆环的有限元模型才能组集形成环形网片的整体模型,单个金属圆环的有限元模型即所谓“网环模型”,组集形成的网状结构物整体模型即所谓“环形网片模型”。
虚拟DEM粒子尺寸按绕流阻力等效原则确定,即:实际泥石流浆体与柔性网片钢丝
间的耦合作用等效为圆柱绕流,但本方法中泥石流浆体模型(SPH)与网环虚拟模型(DEM)为
球体绕流,根据绕流阻力相等原则,等效确定虚拟离散DEM粒子球的直径,等效方法为:
其中,C 1、C 2分别为绕圆柱、绕球时的阻力系数,与流体雷诺数对应,将运动泥石流浆体视作湍流,C 1/C 2取值范围2.0~2.5;A 1、A 2分别为圆柱体、球体发生绕流时在垂直于来流方向的投影面积;m为圆环的钢丝圈数;d为圆环的钢丝直径;l为圆环的钢丝周长;n为圆环的虚拟DEM粒子数,等于圆环纤维梁单元分段节点数,节点数不小于16;r为虚拟DEM粒子半径。
目前,泥石流浆体(SPH)与环形网片(FEM梁单元)无法实现直接的接触传力,即无法耦合。针对此,本实施例在圆环模型节点,即所谓同位节点,建立新的离散元(虚拟DEM粒子)。虚拟DEM粒子将从泥石流浆体得到的外部作用力传递给环网模型,实现对浆体的拦阻作用。同时,与圆环无接触区域的泥石流浆体可以渗漏。这样,便有效实现了泥石流浆体与网状结构物的阻水渗水现象模拟,目前的文献报道尚没有方法能有效解决泥石流防护时的渗水阻水现象。
但是,这些新增的离散元客观上是不存在的,只是为了利用其和泥石流浆体的接触传力功能,所以称之为“虚拟”,综合起来称为“同位虚拟DEM粒子”。利用虚拟DEM粒子实现与泥石流浆体的耦合传力时,特别要准确模拟泥石流浆体和圆环(几何上呈柱状)的接触传力面积,因此本实施例基于绕流计算理论,进一步提出了虚拟球状DEM粒子和网状结构物绕流效应的等效换算方法。
要强调的是,网环单元的虚拟DEM粒子间无需设置接触,以避免虚拟DEM粒子对离散态网片的单元间滑移形成卡阻。
体积密度试验确定计算模型DEM颗粒物材料密度,基于体积密度相等原则,对给定DEM颗粒物的体积,通过调整DEM颗粒密度,使颗粒物的实际质量和模拟质量相等;
步骤(d)中,泥石流浆体模型和多尺度颗粒物模型的耦合控制参数为线弹簧刚度和接触阻尼常数,以上两参数取值范围均为0.1~0.15;
泥石流浆体模型和泥石流冲沟模型之间为点面接触,控制参数为摩擦系数,根据粗糙度不同,取值为0.25-0.6;
多尺度颗粒物模型和泥石流冲沟模型之间为弹簧阻尼接触,其控制参数为摩擦系数,可通过摩擦试验标定;
多尺度颗粒物模型和柔性防护***模型之间之间为弹簧阻尼接触,其控制参数界面摩擦系数、滚动摩擦系数取值范围均为0.2-0.4,阻尼系数取值范围为0.1-0.15。
泥石流发生时,物源包含浆体、密集的不同尺度大小的岩石颗粒体等,这些岩石颗粒体采用离散元(DEM)模拟时,等同于具有不同几何尺度参数(即多尺度)的点集,其与冲沟表面为“点面接触”关系,常用“点面接触模型”模拟;
环形网是由若干独立的金属网环相互套结形成的网状结构物,金属网环之间可接触滑移,接触表面的法线方向和切线方向均具有接触刚度和阻尼,在力学上等效为“弹簧阻尼接触模型”,同样,采用DEM粒子群模拟不同尺度的破碎岩石颗粒群时,岩石颗粒之间也存在接触滑移关系,在力学上也等效为“弹簧阻尼接触模型”,本技术建立了相应的接触滑移关系并明确了接触滑移参数。
由于泥石流混合物(浆体+颗粒体+岩石块体)在冲沟内运动时尚未与柔性防护系
统发生接触,泥石流物源数值模型和柔性防护***模型的耦合作用激活时间设置为两模型
接触前的某一时刻,以节约计算时间;激活时间根据经验公式进行计算,如:
本方法可以实现泥石流柔性拦截过程典型物理现象的综合反演。
实施例2
本实施例提供一种泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法,反演某次泥石流冲击柔性防护的实验室试验,具体步骤如下:
表1 颗粒物粒径分布
(2)标定泥石流物源数值模型材料本构,建立泥石流物源数值模型。浆体采用SPH(Smooth Particle Hydrodynamics)模拟,粒子间距取0.1m,通过溃坝试验确定浆体模型(SPH)采用MURNAGHAN函数:
颗粒物采用DEM (Discrete Element Method)模拟,通过体积密度试验,确定多尺
度颗粒模型(DEM)密度为2585kg/m3,通过休止角试验,确定DEM粒子间法向阻尼比
取0.7,切向阻尼比取0.4。
实验室泥石流冲沟为钢板材料,采用FEM(Finite Element Method)壳单元模拟,宽1.5m,长7m,坡度为35°。
(3)采用FEM纤维梁单元建立柔性防护***模型。环形网规格为ROCCO7/3/300,网片长2.48m,宽1.48m,钢柱规格HW200。材料模型选用弹塑性材料,网环间的滑动摩擦系数取值0.2;
(4)建立浆体模型(SPH)-柔性防护***(FEM beam)耦合作用界面,在网环模型的节点位置建立同位虚拟DEM粒子,作为曲杆状网环表观界面的等效耦合作用界面。虚拟DEM粒子尺寸基于绕流阻力等效原则确定,实际泥石流浆体与柔性网片钢丝接触为流体绕流圆柱,浆体模型(SPH)与虚拟DEM粒子接触为流体绕流球体,因此,等效方法为:
其中,C 1、C 2分别为绕圆柱、绕球时的阻力系数,在本模型中C 1/C 2取2;A 1、A 2分别为圆柱体、球体发生绕流时在垂直于来流方向的投影面积;m为网环的钢丝圈数,为7根;d为网环的钢丝直径,为3mm;l为网环的钢丝周长,为300π mm;n为网环的虚拟DEM粒子数,等于网环纤维梁单元分段节点数,为16个。综上可得,虚拟DEM粒子半径r为8mm,见图2。
网环单元的虚拟DEM粒子间无需设置接触,以避免虚拟DEM粒子对离散态网片的单元间滑移形成卡阻。如图3,无颗粒物的泥浆(SPH)冲击柔性防护***(DEM)耦合模型计算结果。
(5)建立浆体模型(SPH)-多尺度颗粒模型(DEM)-岩石块体(FEM)-冲沟模型(FEM
shell)- 柔性防护***模型(FEM beam)多场耦合模型。浆体模型(SPH)-多尺度颗粒模型
(DEM)耦合作用控制参数为线弹簧刚度k S-D和接触阻尼常数z S-D,以上两参数取值均为0.1;
浆体模型(SPH)-冲沟模型(FEM shell)点面接触控制参数为静摩擦系数和动摩擦系数
,取值均为0;如图4,通过摩擦试验标定,多尺度颗粒模型(DEM)-冲沟模型(FEM shell)摩擦
系数为0.1;多尺度颗粒模型(DEM)- 柔性防护***模型(FEM beam)的耦合关系中摩擦系数和滚动摩擦系数取值均为0.1,阻尼系数取0.1。
泥石流混合物在冲沟运动时与柔性防护***无接触关系,则浆体模型(SPH)-多尺
度颗粒模型(DEM)-柔性防护***模型(FEM beam)的耦合作用发生时间设置为泥石流混合
物即将接触柔性防护***时刻,该时刻为2s。
如图5,通过对泥石流物源数值模型-泥石流冲沟FEM壳单元模型耦合模型进行时域分析,模拟物源在冲沟的运动,实现“物源长持时搬运”现象反演;如图6,泥石流物源数值模型-柔性防护***模型(FEMbeam)耦合实现“柔性大变形”现象反演,同时,基于虚拟DEM粒子的浆体模型(SPH)-柔性防护***模型(FEM beam)耦合实现“滤水沉渣”反演;如图7,多尺度颗粒模型(DEM)-岩石块体模型(FEM solid)-柔性防护***模型(FEM beam)耦合实现“沉渣现象”反演,以上共同实现泥石流柔性拦截多现象反演模拟。
同时,该方法同样适用于其他形状网片的泥石流柔性防护***,具体实施过程与上述过程保持一致,反演模拟结果如图8所示,准确展现了菱形网片的防护***柔性大变形、滤水沉渣现象。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述,该描述没有限制性,附图中所示的也只是本发明的实施方式之一,实际的结构并不局限于此。所以,如果本领域的普通技术人员受其启示,在不脱离本发明创造宗旨的情况下,不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例,均应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法,其特征在于:包括以下步骤:
(a)泥石流物性参数确定,标定数值模型中浆体、颗粒物、岩石块体的材性参数、体积及位置;
(b)泥石流物源数值模型构建:采用光滑粒子流体动力学方法SPH建立泥石流浆体模型,采用离散单元方法DEM建立多尺度颗粒物模型,采用有限元方法FEM建立岩石大块体的实体单元模型,采用FEM建立泥石流冲沟的壳单元模型并分区域设置粗糙度参数;
(c)柔性防护***模型包括支撑结构、钢丝绳、环形网片,采用FEM建立柔性防护***的纤维梁单元模型,并设置***结构的内部接触参数;
(d)建立泥石流浆体-防护***耦合作用界面:泥石流浆体与环形网片的接触为泥石流浆体与防护***的接触作用;在环形网片的纤维梁单元节点上建立同位虚拟DEM粒子,用于实现泥石流浆体模型和柔性防护***模型的耦合传力;虚拟DEM粒子仅做为浆体与环形网片的接触界面,其尺寸按绕流阻力等效原则标定;
(e)整合步骤(a)-(d),建立包含浆体、颗粒物、岩石大块体、柔性防护***和冲沟的多尺度多介质耦合的综合反演分析模型,标定计算参数,设置输出结果选项,进行运算,获得计算结果。
2.根据权利要求1所述的泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法,其特征在于:步骤(d)中,环形网片由若干圆环套结而成,圆环由钢丝盘绕n圈形成,圆环的计算模型即为纤维梁单元模型;将曲杆状的钢丝圆环的接触面离散为若干虚拟DEM粒子,并按绕流阻力等效原则标定粒子尺寸,同时在圆环纤维梁单元模型的节点位置建立同位虚拟DEM粒子,构成泥石流浆体模型和柔性防护***模型的虚拟耦合传力界面;
虚拟DEM粒子尺寸按绕流阻力等效原则确定,即:实际泥石流浆体与柔性网片钢丝间的耦合作用等效为圆柱绕流,根据绕流阻力相等原则,等效确定虚拟离散DEM粒子球的直径,等效方法为:
其中,C 1、C 2分别为绕圆柱、绕球时的阻力系数,与流体雷诺数对应,将运动泥石流浆体视作湍流,C 1/C 2取值范围2.0~2.5;A 1、A 2分别为圆柱体、球体发生绕流时在垂直于来流方向的投影面积;m为圆环的钢丝圈数;d为圆环的钢丝直径;l为圆环的钢丝周长;n为圆环的虚拟DEM粒子数,等于圆环纤维梁单元分段节点数,节点数不小于16;r为虚拟DEM粒子半径。
5.根据权利要求4所述的泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法,其特征在于:体积密度试验确定计算模型DEM颗粒物材料密度,基于体积密度相等原则,对给定DEM颗粒物的体积,通过调整DEM颗粒密度,使颗粒物的实际质量和模拟质量相等。
7.根据权利要求1所述的泥石流柔性防护的多尺度多介质综合反演方法,其特征在于:步骤(d)中,泥石流浆体模型和多尺度颗粒物模型的耦合控制参数为线弹簧刚度和接触阻尼常数,以上两参数取值范围均为0.1~0.15;
泥石流浆体模型和泥石流冲沟模型之间为点面接触,其控制参数为摩擦系数,根据粗糙度不同,取值为0.25-0.6;
多尺度颗粒物模型和泥石流冲沟模型之间为弹簧阻尼接触,其控制参数为摩擦系数,可通过摩擦试验标定;
多尺度颗粒物模型和柔性防护***模型之间为弹簧阻尼接触,其控制参数界面摩擦系数、滚动摩擦系数取值范围均为0.2-0.4,阻尼系数取值范围为0.1-0.15。
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