一种基于离散单元法的覆盖型岩溶塌陷灾变演化模拟方法技术

本发明专利技术属于地质灾害机理研究领域，公开了一种基于离散单元法的覆盖型岩溶塌陷灾变演化模拟方法，利用离散元数值方法对覆盖型岩溶塌陷机理及灾变演化过程进行分析，从微观角度上揭露岩溶塌陷全过程，包括：裂纹形成、颗粒剥落、土洞形成、土洞扩张、覆盖层塌陷等；分析塌陷过程中覆盖层土体颗粒的位移、裂纹的发展趋势、系统不平衡力的变化情况等，以真实反映出外界营力作用下灾变主体(覆盖层土体)的多场变化特征。本发明专利技术运用离散元数值模拟方法得出覆盖型岩溶塌陷的临界土洞平衡高度和土洞开始形成的临界地下水流速度，并与理论结果进行对比，其模拟结果可为岩溶塌陷地质灾害的勘察处治、防灾减灾工作提供可靠依据。

【技术实现步骤摘要】
一种基于离散单元法的覆盖型岩溶塌陷灾变演化模拟方法
本专利技术属于地质灾害机理研究领域，尤其涉及一种基于离散单元法的覆盖型岩溶塌陷灾变演化模拟方法。
技术介绍
目前，业内常用的现有技术是这样的：覆盖型岩溶塌陷灾害，因其具有隐蔽性、突发性、不确定性、机理复杂性等特点，导致预防、治理岩溶塌陷灾害十分困难。为了减少岩溶塌陷灾害的发生，对覆盖型岩溶塌陷进行分析十分必要。岩溶塌陷数值模拟方法主要有限单元法、有限差分法、积分方程法和分界单元法。其中采用最多的是有限差分法——FLAC3D。FLAC3D是依据于连续介质力学理论数值模拟方法，往往是把分析体当成一个整体来分析，在分析土洞周围土体应力、应变问题上具有较好的模拟效果，但灾害体为非连续介质时，有限差分法则无法模拟。岩溶塌陷过程中，土体大位移、颗粒迁移、裂纹发展及土体崩落等现象及问题是有限差分数值模拟无法解决的，且无法得到覆盖层土体从裂纹发展——土洞形成——覆盖层塌陷等一系列离散过程和塌陷的临界阈值。现阶段，前人已用离散单元数值模拟方法在山体滑坡、工程爆破等领域进行过诸多探索；但鲜有文献运用离散元方法分析讨论岩溶塌陷的演化微观过程及灾变阀值等问题。综上所述，现有技术存在的问题是：对于覆盖型岩溶塌陷问题而言，之前的分析及模拟方法(如有限单元法、有限差分法等)几乎全部是基于连续介质理论的数值模拟方法。该类方法以“连续介质力学”为理论基础，仅仅能够模拟覆盖型岩溶区盖层土体(土洞)的整体大变形、挠曲和塑性流动等力学行为；但土洞的盖层土体由破碎的固体颗粒组成，土的宏观变形主要不是由于颗粒本身变形，而是由于颗粒间位置即排列方式的变化造成的，以上传统的数值模拟方法无法体现土颗粒的动态迁移、潜蚀以及崩解过程。现有技术中，对粒状集合体的破裂和裂纹发展问题、以及颗粒的流动(大位移)问题的微观力学程序颗粒流PFC(ParticleFlowCode)，还没有建立覆盖型岩溶塌陷数值模型，无法模拟土洞的扩张、颗粒的剥落、地表的塌陷，从而导致不能从微观角度上分析岩溶塌陷过程中土体颗粒的位移、裂纹的扩展等问题；不能定量化地揭示覆盖型岩溶塌陷的影响因素(地质条件、外界营力)，求解初始土洞形成、地表塌陷的临界阀值，也没有与理论值进行对比分析，无法为治理岩溶塌陷灾害提供理论依据。覆盖型岩溶系统内的土洞，在其破坏过程中，不仅存在挠曲、塑性流动等基于连续介质假设的大变形力学行为；同时也存在土洞下表面土颗粒潜蚀、迁移、崩落等基于非连续介质假设的力学行为，但传统的基于“连续介质力学理论”数值模拟方法无法对这些力学行为进行刻画。解决上述技术问题的意义：解决上述技术问题后，带来的意义为：基于“非连续介质力学理论”，利用离散单元法进行模拟，从微观角度通过颗粒结构的微观参数研究来分析材料的宏观力学行为，不仅可以模拟塌陷体连续状态下及非连续状态下的变形特性，更可以揭示塌陷体由连续体到非连续体的渐进破坏过程，对丰富岩溶塌陷的理论研究体系有着重要理论意义，同时对于覆盖型岩溶区塌陷地质灾害的勘察处治、防灾减灾也有着重要的社会价值。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种基于离散单元法的覆盖型岩溶塌陷灾变演化模拟方法。对于覆盖型岩溶塌陷问题而言，之前的分析几乎全部是基于“连续介质理论”的数值模拟方法；而本专利技术的方法，是利用基于“非连续介质”的离散单元法理论，利用PFC软件进行岩溶塌陷的过程模拟。本专利技术以典型覆盖型岩溶塌陷为分析对象，在基本明确致塌要素的基础上，利用离散元数值(PFC)方法对覆盖型岩溶塌陷机理进行分析，从微观角度展示岩溶塌陷全过程，包括：裂纹形成——颗粒剥落——土洞形成——土洞扩张——覆盖层塌陷等；分析塌陷过程中覆盖层土体颗粒的位移、裂纹的发展趋势、系统不平衡力的变化情况等，以真实反映出外界营力作用下灾变主体(覆盖层土体)的多场变化特征。本专利技术运用离散元数值模拟方法得出覆盖型岩溶塌陷的临界土洞平衡高度和土洞开始形成的临界地下水流速度，并与理论结果进行对比，其模拟结果为覆盖型岩溶区塌陷灾害的勘察处治及防灾减灾工作提供依据。本专利技术是这样实现的，一种基于离散单元法的覆盖型岩溶塌陷灾变演化模拟方法，所述基于离散单元法的覆盖型岩溶塌陷灾变演化模拟方法包括：在覆盖型岩溶区典型塌陷的地质结构概化模型基础上，利用颗粒流理论数值模拟方法对土洞的形成过程、覆盖型岩溶的塌陷过程进行模拟，获取初始土洞形成的临界地下水流速度和覆盖型岩溶塌陷的土洞临界平衡高度。进一步，所述基于离散单元法的覆盖型岩溶塌陷灾变演化模拟方法具体包括：第一步，运用PFC模拟渗流模型，结合土体颗粒位移曲线、裂纹增长曲线、不平衡力变化曲线判断是否发生渗流破坏；第二步，利用PFC数值软件模拟土洞初始发育阶段，得到土洞形成的临界地下水流速度，并与理论值作对比；第三步，运用PFC软件对覆盖型岩溶塌陷发展过程进行模拟：对覆盖型岩溶塌陷过程中的应力变化情况进行模拟；对覆盖型岩溶塌陷进行数值模拟，将塌陷过程分为四个阶段：第一阶段，土洞向上扩展，形成第一级土洞；第二阶段，土洞向两侧扩展，形成第二级土洞；第三阶段，土洞继续缓慢发展，覆盖层中多次发生小型坍塌，第三级土洞形成；第四阶段，土洞规模不在扩大，裂纹数目急速上升且形成垂连通面，地表发生塌陷；覆盖型岩溶塌陷过程中的微观现象模拟；利用PFC模拟软件计算土洞最大临界高度，与理论值对比。进一步，第一步包括：应力平衡→应力集中→裂纹形成→裂纹形成连通面→颗粒剥落→应力平衡。进一步，覆盖型岩溶塌陷过程中的微观现象模拟中，包括裂纹扩张、土体颗粒位移、土洞发育、地表塌陷过程的模拟。进一步，离散元的微观耦合力学方程：PFC中流固耦合计算的流动方程、压力方程和求解条件如下：流动方程流体管道相当于一个平行通道，长度为L’、孔径为a，在垂直平面方向上为单位厚度，管道内的流速(单位时间内的体积)为：K‘—传导系数(cm·s-1)；L’—管道的长度(mm)；P2-P1—相邻域的压力差；压力方程周围管道流入每个域的流量和为∑q，在单位时间步长Δt下，流体压力增量Δp(流入为正)为：式中：Kf——流体的体积模数(kPa)；Vd——域的表观体积(mm3)；应用显示求解方法，将流量方程应用于所有的管道，并将压力方程应用于所有的域之间交替求解；假设某个域内存在扰动压力ΔPp，由于扰动流域里的流量可以从式(1)计算得：由水流流入引起的响应压力变化式中：N——域所黏结的管道数；R——域周围颗粒的平均半径(mm)；当两者相等时可求出临界时间步长为：本专利技术的另一目的在于一种实现所述基于离散单元法的覆盖型岩溶塌陷灾变演化模拟方法的计算机程序。本专利技术的另一目的在于一种实现任意一项所述基于离散单元法的覆盖型岩溶塌陷灾变演化模拟方法的信息数据处理终端。本专利技术的另一目的在于一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的基于离散单元法的覆盖型岩溶塌陷灾变演化模拟方法。本专利技术的另一目的在于一种实现所述基于离散单元法的覆盖型岩溶塌陷灾变演化模拟方法的基于离散单元法的覆盖型岩溶塌陷灾变演化模拟控制系统。本专利技术的另一目的在于一种搭载所述基于离散单元法的覆盖型岩溶塌陷灾变演化模拟控制系统的计算机。综上所述，本专利技术的优点及积极效果为：本专利技术通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于离散单元法的覆盖型岩溶塌陷灾变演化模拟方法，其特征在于，所述基于离散单元法的覆盖型岩溶塌陷灾变演化模拟方法包括：在覆盖型岩溶区典型塌陷的地质结构概化模型基础上，利用颗粒流理论数值模拟方法对土洞的形成过程、覆盖型岩溶的塌陷过程进行模拟，获取初始土洞形成的临界地下水流速度和覆盖型岩溶塌陷的土洞临界平衡高度。

【技术特征摘要】
1.一种基于离散单元法的覆盖型岩溶塌陷灾变演化模拟方法，其特征在于，所述基于离散单元法的覆盖型岩溶塌陷灾变演化模拟方法包括：在覆盖型岩溶区典型塌陷的地质结构概化模型基础上，利用颗粒流理论数值模拟方法对土洞的形成过程、覆盖型岩溶的塌陷过程进行模拟，获取初始土洞形成的临界地下水流速度和覆盖型岩溶塌陷的土洞临界平衡高度。2.如权利要求1所述的基于离散单元法的覆盖型岩溶塌陷灾变演化模拟方法，其特征在于，所述基于离散单元法的覆盖型岩溶塌陷灾变演化模拟方法具体包括：第一步，运用PFC模拟渗流模型，结合土体颗粒位移曲线、裂纹增长曲线、不平衡力变化曲线判断是否发生渗流破坏；第二步，利用PFC数值软件模拟土洞初始发育阶段，得到土洞形成的临界地下水流速度，并与理论值作对比；第三步，运用PFC软件对覆盖型岩溶塌陷发展过程进行模拟：对覆盖型岩溶塌陷过程中的应力变化情况进行模拟；对覆盖型岩溶塌陷进行数值模拟，将塌陷过程分为四个阶段：第一阶段，土洞向上扩展，形成第一级土洞；第二阶段，土洞向两侧扩展，形成第二级土洞；第三阶段，土洞继续发展，覆盖层中多次发生小型坍塌，第三级土洞形成；第四阶段，土洞规模不在扩大，裂纹数目急速上升且形成垂连通面，地表发生塌陷；覆盖型岩溶塌陷过程中的微观现象模拟；利用PFC模拟软件计算土洞最大临界高度，与理论值对比。3.如权利要求1所述的基于离散单元法的覆盖型岩溶塌陷灾变演化模拟方法，其特征在于，第一步的模拟过程包括：应力平衡→应力集中→裂纹形成→裂纹形成连通面→颗粒剥落→应力平衡。4.如权利要求1所述的基于离散单元法的覆盖型岩溶塌陷灾变演化模拟方法，其特征在于，覆盖型岩溶塌陷过程中的微观现象模拟中，包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾斌，陈小茜，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：湖北,42