预测土石坝枢纽区渗流场及确定土石坝坝体浸润面的方法

摘要

本发明公开了一种基于三维精细地质模型预测土石坝枢纽区渗流场的方法，包括：建立包括不良地质体与裂隙的枢纽区三维地质精细模型；基于三维精细地质模型建立三维渗流计算网格模型；基于三维精细地质模型的土石坝渗流场数值模拟，根据确定的连续性方程、水气两相流N-S方程、水气两相混合速度方程和混合密度方程、设置的边界条件和实际工程的渗透参数，通过有限体积法进行离散，利用SIMPLE算法进行求解，实现基于三维精细地质模型的土石坝渗流场数值模拟，从而预测土石坝枢纽区渗流场，该方法既能精确反映地质信息又能准确模拟出土石坝枢纽区渗流场。同时，本发明还公开了利用所获得的渗流场，采用VOF法确定土石坝坝体浸润面。

主权项

一种基于三维精细地质模型预测土石坝枢纽区渗流场的方法，包括：步骤一、建立包括不良地质体与裂隙的枢纽区三维地质精细模型，包括：将水电工程地质数据分为确定性数据和统计性数据；对于确定性地质数据，采用三维混合数据结构、地质构造曲面和地质体的NURBS构建枢纽区岩层、不良地质体和渗控结构的三维地质模型；对于统计性地质数据，采用蒙特卡罗法构建岩体三维裂隙网络模型；针对三维地质模型与岩体三维裂隙网络模型，基于布尔运算分析地质模型与裂隙模型之间的空间位置关系，对重叠的地质体进行布尔差运算，实现岩层、不良地质体以及裂隙网络模型在空间位置上的耦合，从而获得三维精细地质模型；步骤二、基于三维精细地质模型建立三维渗流计算网格模型：通过计算流体力学CFD软件，将包含地层信息、不良地质体信息和裂隙信息的地质数据耦合转化为计算流体力学模型数据，同时，采用贴体网格和局部加密网格划分法将三维精细地质模型转化为三维渗流计算网格模型，用以实现实际地质信息在计算流体力学CFD软件计算模型中的精确表达；步骤三、基于三维精细地质模型的土石坝渗流场数值模拟，包括：3‑1、建立用以土石坝渗流场数值模拟的数学模型，该数学模型包括连续性方程、耦合VOF法的水气两相流N‑S方程、水气两相混合密度方程和混合速度方程；混合速度方程和混合密度方程用以表达渗流场中水气两相的混合速度和混合密度，混合速度方程和混合密度方程均通过渗流阻力源项耦合于水气两相流N‑S方程；其中：连续性方程：$\frac{\partial \rho }{\partial t}+\mathrm{div}\left(\mathrm{\rho u}\right)=0---\left(1\right)$水气两相流N‑S方程：$\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}=f-\frac{1}{\rho }\mathrm{grad}p+v{▿}^{2}u+S---\left(2\right)$式(1)和式(2)中：u是微元断面的平均速度，u与孔隙流体真实速度u'的关系是u＝nu'，n为多孔介质的孔隙率，单位是m/s；t为时间，单位是s；f为单位质量力，单位是N；p为流体微元体上的压力，单位是Pa；ρ为流体密度，单位是m³/s；ν为流体运动粘滞系数，单位是m²/s；S为渗流阻力源项，等于惯性损失项S_i与粘性损失项S_v之和；设S_i＝0，粘性损失项S_v的表达式为：$S_v=-\frac{\mathrm{\rho v}}{\alpha }u---\left(3\right)$式(3)中：为粘性阻力系数，单位是1/m²，其表达式为：$\frac{1}{\alpha }=\frac{g}{\mathrm{Kv}}---\left(4\right)$式(4)中：K为多孔介质的渗透系数，单位是m/s；耦合VOF法后，水气两相共用一套方程，式(1)至式(4)中的ρ和ν不再是常量，而是采用水气两相的混合密度方程和混合速度方程确定的变量，水气两相混合密度方程和混合速度方程的表达式分别为：混合密度方程  ρ＝F_wρ_w+(1‑F_w)ρ_a   (5)混合速度方策  ν＝F_wν_w+(1‑F_w)ν_a   (6)式(5)和式(6)中：ρ_w、ρ_a分别为水、气两种流体的密度，单位是kg/m³；ν_w、ν_a分别为水、气两种流体的运动黏性系数，单位是m²/s；F_w为水的体积分数，单位是无因次；3‑2、确定三维渗流计算网格模型的边界条件，包括：进口边界条件：上游库水淹没部分，取为定水头压力流入边界，根据实际工程确定坝前上游水位，从而确定出上游定水头压力，根据上游库水位设置进口水气两相组分比；出口边界条件：下游边界取为流出边界，将位于下游水位以下部分取为定水头压力流出边界，下游水位以上部分取为自由出水边界，根据下游库水位设置出口水气两相组分比；固体壁面边界条件：按固壁定律处理，所有固壁处的节点均采用无滑移条件处理；3‑3、根据步骤3‑1确定的连续性方程，耦合VOF法的水气两相流N‑S方程，水气两相混合速度方程和混合密度方程，步骤3‑2设置的边界条件，以及根据实际工程确定的渗透参数，通过有限体积法进行离散，利用SIMPLE算法进行求解，实现基于三维精细地质模型的土石坝渗流场数值模拟，从而预测土石坝枢纽区渗流场。