一种基于离散元颗粒流模拟岩土渗流力的数值模拟方法及装置

本发明涉及岩土力学工程领域，特别涉及一种基于离散元颗粒流模拟岩土渗流力的数值模拟方法及装置。

背景技术：

1、渗流力又称为渗透力，指的是单位体积流体渗流通过岩土孔隙喉道时对岩土颗粒施加的拖曳力作用。渗流力是岩土工程力学领域重要的研究对象，该力直接作用于岩土的骨架单元体，改变岩土骨架的有效应力状态。渗流力是影响边坡失稳，掌子面破坏，大坝垮塌，水力裂缝扩展轨迹等工程问题的重要因素。研究渗流力作用大小，模拟渗流力对岩石或者土体骨架的作用状态，对于解决工程难题和施工方案进行优化设计至关重要。

2、边界元、有限元、有限差分等连续介质体数值模拟方法，在模拟分析岩土工程领域大变形破坏和渐变破坏等问题时有着非常大的局限性和缺点，而离散元颗粒流方法利用颗粒组装形成岩石，可以最大程度的还原岩土的变形特征和力学响应，因此近些年逐渐成为数值模拟方法的研究热点，然而如何利用离散元颗粒流方法模拟流体渗流过程中渗流力对岩土颗粒的作用鲜有报道，渗流力作用的模拟依旧是离散元颗粒流数值模拟方法需要攻克的难题之一。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于离散元颗粒流模拟岩土渗流力的数值模拟方法及装置，通过本发明能够为岩土工程师提供可靠的数值模拟，对实际工程起到指导意义。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种基于离散元颗粒流模拟岩土渗流力的数值模拟方法，包括如下过程：

4、建立数值岩样模型：利用幂函数分布的粒径级配设置颗粒的粒径，然后在pfc离散元软件中根据实际需要建立所述数值岩样模型；

5、数值岩样模型细观参数的标定：采用linearparallelbond模型对建立的数值岩样模型进行胶结成样，利用实际岩样的力学参数对数值岩样模型的细观参数进行标定，利用实际岩样的渗流控制参数对流固耦合算法的流体域通道开度m进行标定；

6、数值岩样模型渗流网络的生成和边界条件的设置：利用离散元颗粒流方法的流固耦合算法在进行了细观参数标定的数值岩样模型中生成渗流网络，在数值岩样模型中设置流体的注入条件和流出条件；

7、流体渗流过程模拟与渗流力作用施加：按照边界条件，利用设置了渗流网络的数值岩样模型进行流体非稳态渗流过程的模拟，同时将流体渗流过程中渗流力的作用施加给数值岩样模型的颗粒，以模拟渗流力对岩土变形破坏的作用；

8、渗流力作用的监测与工程问题的数值模拟：利用fish函数编写的脚本文件对数值岩样模型所受渗流力的作用大小进行实时监测，当渗流力作用稳定以后进行工程实际问题的数值模拟工作。

9、优选的，对已建立的数值岩样模型中的悬浮颗粒进行处理，使数值岩样模型生成的渗流网络避免产生孔洞；

10、对已建立的数值岩样模型中的悬浮颗粒进行处理的过程包括：

11、利用ball.contactmap函数编写脚本文件判识所有颗粒的接触数量，将接触数量≤2的颗粒判识为悬浮颗粒，然后利用ball.radius函数将所有悬浮颗粒的粒径增大1～1.5倍，保证悬浮颗粒的数量≤5。

12、优选的，利用实际岩样的力学参数对数值岩样模型的细观参数进行标定时，利用pfc软件岩石单轴拉伸和单轴压缩数值模拟实验对数值岩样模型的细观参数进行标定，通过不断的调整细观参数的数值，直到pfc软件岩石单轴拉伸和单轴压缩数值模拟实验测量得到的岩样的力学参数与实际岩样的力学参数之间误差小于预设值为止，数值岩样模型的细观参数标定完成；

13、所述数值岩样模型的细观参数包括拉伸强度pb_ten、内聚力pb_coh、内摩擦系数pb_fa、有效模量pb_emod和刚度比pb_kratio，所述岩样的力学参数包括泊松比ν、杨氏模量e、抗拉强度σt和抗压强度σf。

14、优选的，利用实际岩样的渗流控制参数对流固耦合算法的流体域通道开度m进行标定时，利用pfc软件的达西渗流数值模拟实验，在流体稳态渗流流动条件下对流固耦合算法的流体域通道开度m进行标定；标定过程中调整m的数值直到达西渗流数值模拟实验测量得到的数值岩样模型的渗透率k与实际岩样的渗流控制参数误差小于预设值为止，标定完成。

15、优选的，利用pfc软件的dom函数文件在数值岩样模型中生成渗流网络，设置注入条件为恒定压力pw驱替，流出条件为0mpa固定水压力。

16、优选的，流体渗流过程模拟与渗流力作用施加时：

17、流体在渗流网络中的流动方式为圆管泊肃叶流动，圆管泊肃叶流动满足如下关系：

18、

19、其中，q为流体域的流量，m为流体域通道开度，δp为两个相邻流体域之间的压差，l为流动通道的长度，μ为流体的粘度；

20、流体渗流过程中颗粒所受的渗流力大小如下：

21、

22、其中，fseepageforce为渗流力，p为流体域的孔隙压力，ni为颗粒两个相邻接触点连线段的法向向量，s为颗粒两相邻接触点之间连线段的长度；

23、利用ball.force.app函数在每个循环的时间步将fseepageforce施加给数值岩样模型的颗粒，从而模拟渗流力对岩土变形破坏的作用。

24、优选的，利用fish函数编写的脚本文件对数值岩样模型所受渗流力的作用大小进行实时监测的过程包括：

25、首先在数值岩样模型中选择一区域作为渗流力的监测区域；

26、然后利用ball.list函数遍历渗流力监测区域内的所有颗粒，利用ball.force.app函数将所有颗粒施加的渗流力累加起来，从而得到渗流力监测区域内颗粒所受渗流力总的大小ftot，最后利用history函数对渗流力监测区域内渗流力总的大小ftot进行实时监测。

27、本发明还提供了一种基于离散元颗粒流模拟岩土渗流力的数值模拟装置，包括：

28、数值模拟模块，用于：

29、建立数值岩样模型：利用幂函数分布的粒径级配设置颗粒的粒径，然后在pfc离散元软件中根据实际需要建立所述数值岩样模型；

30、数值岩样模型细观参数的标定：采用linearparallelbond模型对建立的数值岩样模型进行胶结成样，利用实际岩样的力学参数对数值岩样模型的细观参数进行标定，利用实际岩样的渗流控制参数对流固耦合算法的流体域通道开度m进行标定；

31、数值岩样模型渗流网络的生成和边界条件的设置：利用离散元颗粒流方法的流固耦合算法在进行了细观参数标定的数值岩样模型中生成渗流网络，在数值岩样模型中设置流体的注入条件和流出条件；

32、流体渗流过程模拟与渗流力作用施加：按照边界条件，利用设置了渗流网络的数值岩样模型进行流体非稳态渗流过程的模拟，同时将流体渗流过程中渗流力的作用施加给数值岩样模型的颗粒，以模拟渗流力对岩土变形破坏的作用；

33、渗流力作用的监测与工程问题的数值模拟：利用fish函数编写的脚本文件对数值岩样模型所受渗流力的作用大小进行实时监测，当渗流力作用稳定以后进行工程实际问题的数值模拟工作。

34、本发明还提供了一种电子设备，包括：

35、一个或多个处理器；

36、存储装置，其上存储有一个或多个程序；

37、当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现本发明如上所述的基于离散元颗粒流模拟岩土渗流力的数值模拟方法。

38、本发明还提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现发明如上所述的基于离散元颗粒流模拟岩土渗流力的数值模拟方法。

39、本发明具有如下有益效果：

40、本发明建立了一种基于离散元颗粒流模拟岩土渗流力的数值模拟方法，利用该方法能够精准模拟流体渗流过程中渗流力对岩土骨架的作用，从而为分析渗流力作用下岩土变形和破坏，以及为工程实际问题中渗流作用的模拟提供可靠的数值模拟方法。