自适应非结构网格的滑坡降雨的地电场数值模拟计算方法技术

本发明专利技术公开了一种自适应非结构网格的滑坡降雨的地电场数值模拟计算方法，包括：在滑坡部署ERT监测设备，建立滑坡的几何模型；在几何模型中进行初始的地电场和渗流场三角网格的剖分；建立滑坡降雨入渗控制方程并迭代求解，使初始的渗流场三角网格自适应动态调整至符合后验误差要求，并计算得到所有时刻的饱和度；由渗流场网格节点计算地电场网格的各节点饱和度，再计算得到地电场网格的各单元的电导率；建立三维电源电场的控制方程并迭代求解，遍历电极排列，得到所有时刻的所有点电源的视电阻率，并使初始的电流场三角网格自适应动态调整至符合后验误差要求；进行可视化展示。从而通过数值模拟进行滑坡在降雨过程中的水分的时空演化过程。的时空演化过程。的时空演化过程。

【技术实现步骤摘要】
自适应非结构网格的滑坡降雨的地电场数值模拟计算方法


[0001]本专利技术涉及地球物理监测
，尤其涉及一种自适应非结构网格的滑坡降雨的地电场数值模拟计算方法。

技术介绍

[0002]降雨入渗是导致滑坡破坏的重要诱发因素，有效掌握降雨过程中地下水文运移规律对于认识滑坡破坏的内在机理和进行预警处置至关重要。在降雨过程中，滑坡土体饱和区和非饱和区的水文特性不断发生变化，这个过程即为饱和
‑
非饱和渗流。以往对于饱和
‑
非饱和渗流过程中水的时空演化监测往往是采用部署水文监测传感器的方式，这种基于点的方式一方面只能反映部分位置的水文情况，不一定具有代表性，另一方面往往需要钻孔，不仅价格昂贵，而且破坏了土壤的原生结构和渗流路径。
[0003]由于土壤电阻率与含水率之间的相关性，以电法为代表的地球物理技术也广泛的应用于地下水文环境的探测，比较常用的主要有直流电法，自然电法，瞬变电磁法，探地雷达和核磁共振等。直流电法中比较有代表性的是电阻率层析成像技术(ERT)，该技术通过在地表获取视电阻率影像的方式反映内部环境，通过ERT技术获取的地电场响应可以有效的表征滑坡土体内部水文过程，从而达到监测的目的。其中的核心是中间作为纽带的水电关系，弄清这一点对于理解整个过程至关重要。目前对于水电关系的研究大多是基于经验的，这其中比较有代表性的是Archie公式，但是尚缺乏明确的本构模型，这是因为土壤电阻率参数与土壤结构、含水率、土壤成分等均有关，存在很大不确定性。这种不确定性直接影响了渗流场与地电场之间的联系，很多研究为此开展了很多受控的室内实验。除了实验之外，数值模拟也是一种可以利用的研究方法，但是目前在这方面的研究较少。
[0004]目前有一些研究是通过对模型中部分区域的电阻率不断降低的方式来模拟水分渗流过程。这种方式能够较好的反映渗流过程的地电场响应，但是简化了水分的时空演化过程。且数值模拟基本都是采用固定的结构化网格，这在滑坡研究中是不适用的，一是因为滑坡模型是十分复杂的结构，结构化网格对于这种复杂的结构不具有良好的适应性。二是固定网格对于求解精度的影响十分大，如果初始给定的网格不合适，则求解精度很难提高。

技术实现思路

[0005](一)要解决的技术问题
[0006]基于上述问题，本专利技术提供一种自适应非结构网格的滑坡降雨的地电场数值模拟计算方法，解决通过数值模拟进行滑坡在降雨过程中的水分的时空演化过程的问题，且在模拟过程中，采用自适应非结构网格，使得更真实且更适用于反映滑坡在降雨过程中的水分的时空演化过程。
[0007](二)技术方案
[0008]基于上述的技术问题，本专利技术提供一种自适应非结构网格的滑坡降雨的地电场数值模拟计算方法，包括以下步骤：
[0009]S1、在滑坡部署ERT监测设备，采集监测数据，同时对滑坡采集岩石参数和地质资料，通过软件建立滑坡的几何模型；在所述几何模型中通过软件进行初始的地电场三角网格的剖分；
[0010]S2、在所述几何模型中通过软件进行初始的渗流场三角网格的剖分，建立滑坡降雨入渗控制方程并迭代求解，使所述初始的渗流场三角网格自适应动态调整至符合后验误差要求，并计算得到所有时刻的总水头、孔隙水压力、饱和度和体积含水率；
[0011]S3、以所述渗流场网格的网格节点的饱和度数据为基准，通过反距离插值算法计算地电场网格的各节点饱和度，然后由所述地电场网格的各节点饱和度依次计算得到地电场网格的各节点电阻率，地电场网格的各单元的电导率；
[0012]S4、建立三维电源电场的控制方程并迭代求解，根据所述地电场网格的各单元的电导率计算电位，遍历电极排列，得到所有时刻的所有点电源的视电阻率，并使所述初始的电流场三角网格自适应动态调整至符合后验误差要求；
[0013]S5、对所述所有时刻的饱和度、所有时刻的所有点电源的视电阻率进行可视化展示。
[0014]进一步的，所述步骤S2包括：
[0015]S21、在几何模型中通过软件进行初始的渗流场三角网格剖分；
[0016]S22、建立滑坡降雨入渗控制方程，根据三角形单元离散剖分的线性插值形函数和有限元分析，转换成合成的关于总水头的矩阵方程，以初始渗透系数计算得到当前时刻的关于总水头的矩阵方程的矩阵系数K、M、F，并根据隐式差分方程计算下一时刻的总水头H
t+Δt
；
[0017]所述滑坡降雨入渗控制方程：
[0018][0019]边界条件：
[0020][0021]式中，H为总水头，ρ
w
为液体密度，g为重力加速度，k
x
，k
y
，k
z
为x，y，z三个方向上的渗透系数，为土水特征曲线的斜率，θ为体积含水率，μ
a
为空隙气压力，μ
w
为孔隙水压力，μ
a
‑
μ
w
为基质吸力，在饱和状态下等于0；Γ1为已知水头的边界段，H1为已知水头；Γ2为已知流出或者流入流量的边界段，q为边界流量，为边界的法向量；
[0022]所述线性插值形函数：
[0023]式中Δ为三角形单元面积，a
i
＝x
j
y
k
‑
x
k
y
j
，b
i
＝y
j
‑
y
k
，c
i
＝x
k
‑
x
j
，a
j
＝x
k
y
i
‑
x
i
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k
，b
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y
i
，c
j
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‑
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x
j
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i
，b
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＝y
i
‑
y
j
，c
k
＝x
j
‑
x
i
；
[0024]所述有限元分析后的所述滑坡降雨入渗控制方程：
[0025][0026][0027][0028][0029]式中Ω为计算区域，Γ为流量边界，如果节点为边界节点则为1，否则为0；
[0030]所述关于总水头的矩阵方程：
[0031][0032]所述隐式差分方程：
[0033][0034]S23、判断后验误差是否满足要求，若是，则进入步骤S24，若否，则更新渗透系数k
x
，k
y
，k
z
，返回上一步重新计算；
[0035]S24、根据当前时刻的总水头计算当前时刻本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自适应非结构网格的滑坡降雨的地电场数值模拟计算方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、在滑坡部署ERT监测设备，采集监测数据，同时对滑坡采集岩石参数和地质资料，通过软件建立滑坡的几何模型；在所述几何模型中通过软件进行初始的地电场三角网格的剖分；S2、在所述几何模型中通过软件进行初始的渗流场三角网格的剖分，建立滑坡降雨入渗控制方程并迭代求解，使所述初始的渗流场三角网格自适应动态调整至符合后验误差要求，并计算得到所有时刻的总水头、孔隙水压力、饱和度和体积含水率；S3、以所述渗流场网格的网格节点的饱和度数据为基准，通过反距离插值算法计算地电场网格的各节点饱和度，然后由所述地电场网格的各节点饱和度依次计算得到地电场网格的各节点电阻率，地电场网格的各单元的电导率；S4、建立三维电源电场的控制方程并迭代求解，根据所述地电场网格的各单元的电导率计算电位，遍历电极排列，得到所有时刻的所有点电源的视电阻率，并使所述初始的电流场三角网格自适应动态调整至符合后验误差要求；S5、对所述所有时刻的饱和度、所有时刻的所有点电源的视电阻率进行可视化展示。2.根据权利要求1所述的自适应非结构网格的滑坡降雨的地电场数值模拟计算方法，其特征在于，所述步骤S2包括：S21、在几何模型中通过软件进行初始的渗流场三角网格剖分；S22、建立滑坡降雨入渗控制方程，根据三角形单元离散剖分的线性插值形函数和有限元分析，转换成合成的关于总水头的矩阵方程，以初始渗透系数计算得到当前时刻的关于总水头的矩阵方程的矩阵系数K、M、F，并根据隐式差分方程计算下一时刻的总水头H
t+Δt
；所述滑坡降雨入渗控制方程：边界条件：边界条件：式中，H为总水头，ρ
w
为液体密度，g为重力加速度，k
x
，k
y
，k
z
为x，y，z三个方向上的渗透系数，为土水特征曲线的斜率，θ为体积含水率，μ
a
为空隙气压力，μ
w
为孔隙水压力，μ
a
‑
μ
w
为基质吸力，在饱和状态下等于0；Γ1为已知水头的边界段，H1为已知水头；Γ2为已知流出或者流入流量的边界段，q为边界流量，为边界的法向量；所述线性插值形函数：式中Δ为三角形单元面积，a
i
＝x
j
y
k
‑
x
k
y
j
，b
i
＝y
j
‑
y
k
，c
i
＝x
k
‑
x
j
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j
＝x
k
y
i
‑
x
i
y
k
，b
j
＝y
k
‑
y
i
，c
j
＝x
i
‑
x
k
，a
k
＝x
i
y
j
‑
x
j
y
i
，b
k
＝y
i
‑
y
j
，c
k
＝x
j
‑
x
i
；所述有限元分析后的所述滑坡降雨入渗控制方程：
式中Ω为计算区域，Γ为流量边界，如果节点为边界节点则为1，否则为0；所述关于总水头的矩阵方程：所述隐式差分方程：S23、判断后验误差是否满足要求，若是，则进入步骤S24，若否，则更新渗透系数k
x
，k
y
，k
z
，返回上一步重新计算；S24、根据当前时刻的总水头计算当前时刻的孔隙水压力、、体积含水率和饱和度，并继续计算下一时刻直至所有时步的孔隙水压力、体积含水率和饱和度。3.根据权利要求2所述的自适应非结构网格的滑坡降雨的地电场数值模拟计算方法，其特征在于，所述空隙水压力的计算公式为：μ
w
＝ρ
w
g(H
‑
z)，所述体积含水率的计算公式为：所述饱和度等于体积含水率除以已知的孔隙度，式中θ
r
为残余含水率，θ
s
为饱和含水率，a,n,m为模型拟合参...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁光银，白冬鑫，朱自强，张升彪，蒋召杰，彭德明，刘智，
申请(专利权)人：湖南致力工程科技有限公司，
类型：发明
国别省市：