土石坝穿坝涵管裂缝致灾过程的数值模拟方法与流程

本发明涉及水利工程安全评价，具体而言，尤其是涉及一种土石坝穿坝涵管裂缝致灾过程的数值模拟方法。

背景技术：

1、穿坝涵管作为土石坝常见的输水建筑物，其贯穿坝体的结构特点使其成为大坝安全的薄弱环节。在实际工程中，涵管常因基础不均匀沉降或材料老化出现裂缝。当管内高压水通过裂缝渗入坝体时，会引发管土接触面的接触冲刷和内部土体管涌，进而导致坝体内部土体流失、渗透系数改变及渗漏通道形成。因此，研究涵管裂缝渗漏导致大坝损伤灾变的机理及演进过程，对于准确评估坝体渗透稳定性和防范工程险情具有力学研究价值。

2、目前，针对土石坝渗流灾变过程的数值模拟，现有技术多采用连续侵蚀率模型来表征土体颗粒的流失过程。此类方法依赖于复杂的孔蚀试验来标定侵蚀速率等经验参数，且在模拟渗流场时，通常将整个计算域的渗透参数视为静态常量，或采用单一的临界水力坡降阈值进行全局状态判定。然而，在实际的渗透破坏过程中，坝体内部土体、管土接触面以及下游出口处的受力边界条件差异显著，且局部土颗粒的流失会导致周围水力条件的非线性恶化。现有的统一参数模型难以准确捕捉该类薄弱面处各向异性的局部渐进破坏特征，导致对复杂工况下渗透变形扩展速率和空间演化路径的预测精度有限。

3、综上，现有方法在处理复杂边界条件下的渐进式渗透破坏时，难以兼顾局部介质物性动态演化与宏观渗流场重分布的耦合响应机制。因此，亟需研究一种能够刻画局部损伤自加速效应及各向异性破坏特征的数值模拟方法，以提升复杂场景下大坝渗透灾变演进过程预测的可靠性。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种土石坝穿坝涵管裂缝致灾过程的数值模拟方法改进的技术方案。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、一种土石坝穿坝涵管裂缝致灾过程的数值模拟方法，包括：

4、获取穿坝涵管及坝体的初始定解条件，以及预先建立的土体颗粒离散分级与物性参数之间的映射关系；

5、基于初始定解条件和映射关系，在当前时间步下利用各计算单元的当前渗透系数进行非稳定渗流有限元计算，获取各计算节点的渗流水头及各计算单元的形心渗透坡降；

6、根据预设的坝体区域划分，将各计算单元的形心渗透坡降与对应区域的临界渗透坡降进行比较判别，得到判别结果；

7、基于判别结果和映射关系，动态更新满足触发条件的计算单元的当前渗透系数，并记录计算单元的渗透系数调整次数，将更新后的当前渗透系数反馈至下一时间步的非稳定渗流有限元计算中进行闭环迭代；

8、基于渗透系数调整次数，判定坝体内部各计算单元的损伤状态及渗漏通道的贯通情况，输出致灾过程的模拟结果。

9、在一个示例性的实施例中，针对管土接触面区，将各计算单元的形心渗透坡降与对应区域的临界渗透坡降进行比较判别，得到判别结果，具体包括：

10、将位于管土接触面区内的计算单元的形心渗透坡降，矢量分解为沿管壁的切向分量和法向分量；

11、将切向分量与接触面冲刷临界坡降进行对比，并将法向分量与内部管涌临界坡降进行对比；

12、当切向分量大于接触面冲刷临界坡降，或法向分量大于内部管涌临界坡降时，确定判别结果为满足触发条件。

13、在一个示例性的实施例中，建立颗粒等级与临界渗透坡降的映射关系，还包括：

14、当坝体区域划分为下游出口区时，引入下游坝坡面与水平面所成的坡角作为受力平衡参数，以计算考虑土颗粒沿坝坡面下滑破坏趋势的坡面下滑临界坡降。

15、在一个示例性的实施例中，在闭环迭代过程中，根据非稳定渗流有限元计算得到的坝体浸润面的变化情况动态调整时间步长的步长值；

16、其中，在闭环迭代的初期采用第一步长值；当相邻时间步之间的渗流水头变幅小于预设的水头稳定阈值时，判定坝体浸润面趋于稳定，将时间步长增加至大于第一步长值的第二步长值。

17、在一个示例性的实施例中，输出致灾过程的模拟结果，包括：

18、根据各时间步下非稳定渗流有限元计算得到的各计算节点的渗流水头、形心渗透坡降、当前渗透系数以及损伤状态，生成并输出等水头线分布图、渗透坡降等值线图以及坝体损伤分布演进图，以用于提供大坝安全预警信息。

19、本发明的有益效果是：本发明无需复杂试验标定，能够自动呈现破坏回溯演进的物理规律，为大坝安全预警提供评估依据。

1.一种土石坝穿坝涵管裂缝致灾过程的数值模拟方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，预设的坝体区域划分包括内部土体区、管土接触面区以及下游出口区；

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将各计算单元的形心渗透坡降与对应区域的临界渗透坡降进行比较判别时，包括：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，动态更新满足触发条件的计算单元的当前渗透系数，包括：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于渗透系数调整次数，判定坝体内部各计算单元的损伤状态，包括：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，判定坝体内部各计算单元的损伤状态及渗漏通道的贯通情况，还包括：

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，预先建立的土体颗粒离散分级与物性参数之间的映射关系，通过以下方式获取：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，建立颗粒等级与渗透系数的映射关系，具体包括：

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，建立颗粒等级与临界渗透坡降的映射关系，具体包括：

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在进行非稳定渗流有限元计算之前，还包括：