一种管线渗漏致塌模拟仿真预警方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及一种管线渗漏致塌模拟仿真预警方法和系统，首先收集实际工况模拟仿真数据；其次，根据实际工况模拟仿真数据建立离散元

【技术实现步骤摘要】
一种管线渗漏致塌模拟仿真预警方法和系统


[0001]本专利技术属于道路塌陷试验仿真
，具体涉及一种管线渗漏致塌模拟仿真预警方法和系统。

技术介绍

[0002]现有技术中地下基础设施常处于“超负荷”运行状态，由于即有地下基础设施的建设标准不满足目前城市发展需求，因此常出现地下设施损坏情况。地下管线破损就是其中的典型案例，即有地下管线多为水泥混凝土管线，在长时间运行下管线接口渗漏现象频发，由于现有探测能力难以满足全管线里程病害快速探测，无法在短时间内精确定位所有管线渗漏点，这便导致管线渗漏浸蚀土体，形成地下病害，并在路面荷载的作用下引起道路塌陷。
[0003]目前，该领域数值模拟方面的研究主要采用离散元法，该方法可研究路面荷载静态或准静态情况下，管线渗漏对土体应力场和位移场的影响规律，但是却忽略了管线内部介质运行对周边土体产生的动力扰动及对渗漏口造成的冲击荷载，而且管线动力扰动和动力冲刷作用对塌陷隐患的形成往往起促进作用(尤其是带压管线)。
[0004]因此，有必要探索道路塌陷动静多相流耦合数值模拟算法。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术存在的上述问题，本专利技术提供一种管线渗漏致塌模拟仿真预警方法和系统，用于解决现有技术中存在的上述问题。
[0006]一种管线渗漏致塌模拟仿真预警方法，包括如下步骤：
[0007]S1.收集实际工况模拟仿真数据；
[0008]S2.根据实际工况模拟仿真数据建立离散元
‑
有限差分
‑
粒子流动静耦合仿真模型；
[0009]S3.采用所述仿真模型进行管线渗漏致塌模拟仿真试验，得到模拟仿真实验结果；
[0010]S4.根据所述模拟仿真试验结果得出极限判别值；
[0011]S5.基于所述极限判别值判断实际工况是否存在道路塌陷风险。
[0012]如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述步骤S1中通过现场调研或实测方法收集实际工况模拟仿真数据，所述模拟仿真数据包括建模参数和环境变量；
[0013]所述建模参数包括道路结构层和地层的厚度、密度、体积模量、剪切模量、内摩擦角、内聚力和单轴抗拉强度；
[0014]所述环境变量包括路面荷载和介质流体的流速。
[0015]如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述步骤S2包括：
[0016]S21.模拟所述道路结构层和地层的非连续特征、模拟地下管线的近均质特征及模
拟介质流体的非稳态流动特征；
[0017]S22.确定仿真模型的边界条件、过渡域及信息链接方式和过渡域宽度；
[0018]S23.根据所述模拟仿真数据、步骤S21和步骤S22建立所述离散元
‑
有限差分
‑
粒子流动静耦合模型。
[0019]如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述仿真模型为1个顶面和底面、4个侧面组成的矩形空间域，边界条件为顶面施加车辆荷载、底面和4个侧面施加固定位移；所述过渡域包括道路结构层
‑
地层过渡域、地层
‑
管线过渡域、管线
‑
介质流体过渡域和地层
‑
介质流体过渡域。
[0020]如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述道路结构层
‑
地层过渡域信息链接方式为道路结构层向地层单向传递；
[0021]所述地层
‑
管线过渡域信息链接方式为地层和管线双向传递；
[0022]所述地层
‑
介质流体过渡域信息链接方式为介质流体向地层单向传递。
[0023]如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述介质流体向地层单向传递的信息为流体冲击荷载和冲击振动应力，所述流体冲击荷载
[0024][0025]上述公式中，σ
a
为流体冲击荷载，ρ0为介质流体密度，v为介质流体的流速；
[0026]所述冲击振动应力的具体表达式如下：
[0027][0028]上述公式中，σ
b
为冲击振动应力，ρ1为地层密度，V为地层体积，v0为波速，L2为地层中某一点距渗漏口的距离。
[0029]如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述步骤S3包括：
[0030]S31:介质流体流速实验：令路面荷载为定值(a+b)/2，令介质流体流速的变化区间为[c，d]，以单位流速为变化梯度模拟介质流体流速变化对道路塌陷的影响；
[0031]S32:路面荷载实验：令介质流体流速为定值(c+d)/2，令路面荷载的变化区间为[a，b]，以单位路面荷载为变化梯度模拟路面荷载变化对道路塌陷的影响；
[0032]其中，a和b分别为路面荷载的最小值和最大值，c和d分别为介质流体流速的最小值和最大值，a、b、c和d均通过步骤S1获取。
[0033]如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述步骤S4中极限判别值包括第一极限判别值和第二极限判别值；所述步骤S4包括：
[0034]S41:若步骤S31和步骤S32实验过程中均发生道路塌陷，则输出的第一极限判别值为步骤S31发生道路塌陷时介质流体流速的临界值，第二极限判别值为步骤S32发生道路塌陷时路面荷载的临界值；
[0035]S42:若步骤S31和步骤S32实验过程中均未发生道路塌陷，则输出的第一极限判别值和第二极限判别值均为
‑
1；
[0036]S43:若步骤S31发生道路塌陷且步骤S32未发生道路塌陷，输出的第一极限判别值为步骤S31中发生道路塌陷时介质流体流速的临界值，第二极限判别值为
‑
1；
[0037]S44:若步骤S31未发生道路塌陷且步骤S32发生道路塌陷，输出的第一极限判别值为
‑
1，第二极限判别值为步骤S32发生道路塌陷时路面荷载的临界值。
[0038]如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述步骤S5包括：
[0039]若第一极限判别值和第二极限判别值均为
‑
1，判定该实际工况不存在道路塌陷风险；
[0040]若第一极限判别值或第二极限判别值为其它值的情况下，则判定实际工况存在道路塌陷风险。
[0041]本专利技术还提供了一种管线渗漏致塌模拟仿真预警系统，所述系统包括：
[0042]采集模块，用于采集实际工况中模拟仿真数据；
[0043]模型构建模块，用于根据模拟仿真数据构建离散元
‑
有限差分
‑
粒子流动静耦合模型；
[0044]模拟仿真模块，用于采用所述仿真模型进行管线渗漏致塌模拟仿真试验，得到模拟仿真实验结果；
[0045]结果输出模块，用于根据模拟仿真试验结果本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种管线渗漏致塌模拟仿真预警方法，其特征在于：包括如下步骤：S1.收集实际工况模拟仿真数据；S2.根据实际工况模拟仿真数据建立离散元
‑
有限差分
‑
粒子流动静耦合仿真模型；S3.采用所述仿真模型进行管线渗漏致塌模拟仿真试验，得到模拟仿真实验结果；S4.根据所述模拟仿真试验结果得出极限判别值；S5.基于所述极限判别值判断实际工况是否存在道路塌陷风险。2.根据权利要求1所述的预警方法，其特征在于，所述步骤S1中通过现场调研或实测方法收集实际工况模拟仿真数据，所述模拟仿真数据包括建模参数和环境变量；所述建模参数包括道路结构层和地层的厚度、密度、体积模量、剪切模量、内摩擦角、内聚力和单轴抗拉强度；所述环境变量包括路面荷载和介质流体的流速。3.根据权利要求2所述的预警方法，其特征在于，所述步骤S2包括：S21.模拟所述道路结构层和地层的非连续特征、模拟地下管线的近均质特征及模拟介质流体的非稳态流动特征；S22.确定仿真模型的边界条件、过渡域及信息链接方式和过渡域宽度；S23.根据所述模拟仿真数据、步骤S21和步骤S22建立所述离散元
‑
有限差分
‑
粒子流动静耦合模型。4.根据权利要求3所述的预警方法，其特征在于，所述仿真模型为1个顶面和底面、4个侧面组成的矩形空间域，边界条件为顶面施加车辆荷载、底面和4个侧面施加固定位移；所述过渡域包括道路结构层
‑
地层过渡域、地层
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管线过渡域、管线
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介质流体过渡域和地层
‑
介质流体过渡域。5.根据权利要求3所述的预警方法，其特征在于，所述道路结构层
‑
地层过渡域信息链接方式为道路结构层向地层单向传递；所述地层
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管线过渡域信息链接方式为地层和管线双向传递；所述地层
‑
介质流体过渡域信息链接方式为介质流体向地层单向传递。6.根据权利要求5所述的预警方法，其特征在于，所述介质流体向地层单向传递的信息为流体冲击荷载和冲击振动应力，所述流体冲击荷载的具体表达式如下：上述公式中，σ
a
为流体冲击荷载，ρ0为介质流体密度，v为介质流体的流速；所述冲击振动应力的具体表达式如下：上述公式中，σ
b
为冲击振动...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕祥锋，曹立厅，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：