[发明专利]一种基于有限元的三维随机渗流场模拟方法及装置

说明书

本发明公开了一种基于有限元的三维随机渗流场模拟方法及装置，属于岩土工程随机渗流场模拟领域，基于有限元网格积分点坐标，将材料的渗透系数与温度场通过UTEMP子程序间接建立联系，能够模拟实现在三维空间上不均匀的三维随机渗流场；为满足材料渗透等级的要求，将渗透系数视为服从均匀统计分布的随机变量，同时可调整自相关函数中的相关长度来反映材料的渗透性质在空间各方向上的相关性。将三维随机渗流场的生成与有限元计算高效结合，可运用于任意复杂形状的三维随机渗流场模型，有效提高了计算能力和效率。有限元计算结果能够真实反映在材料渗透系数不均匀的情况下渗流状态的变化规律，有助于进一步明确模型总渗流量的不确定性来源。

技术领域

本发明属于岩土工程随机渗流场模拟技术领域，更具体地，涉及一种基于有限元的三维随机渗流场模拟方法及装置。

背景技术

水在孔隙介质中的流动称为渗流，水流所占有的空间区域称为渗流场。在岩土工程和水利水电工程中，因水的渗流问题导致的工程事故屡见不鲜。随着时间的推移，山体滑坡、地下隧道坍塌、深基坑垮塌、土石坝溃坝、城市地面下陷等工程事故近年来持续不断，工程的安全问题引起了科研人员和工程师的高度重视。究其根本原因，并非本身的强度不够，很大程度上是由于水流在岩土体结构内的渗流而引起的。由于地质构造的复杂性，岩土体在自然状态下呈现明显的非均质性和各向异性。岩土介质在不同区域的孔隙率存在较大的差异，对过水能力造成一定的影响，使得渗透系数在空间上存在较大的空间变异性。岩土介质渗透系数的不确定性进而导致土体内部的渗流场具有明显的随机性，为工程风险评估带来较大的不确定性。因此，如何真实反演随机渗流场的运动状态具有重要的工程实践和指导意义。

在现有的研究当中，随机场被公认为是表征材料空间不均匀性的有效途径。由于岩土材料的各项参数一般为非负数，为保证随机场产生的值为正值，通常假定渗透系数服从对数正态统计分布。在相近区域，岩土体材料的性质比较接近。根据规范《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)，岩土体渗透性有明确的渗透分级标准，同一类岩土体的渗透系数一般在1～2个数量级范围内。若采用对数正态分布进行模拟，产生的渗透系数随机值将有一部分远远超过这个范围，从某种意义上来说，已经改变了土体的真实性质，这对渗流分析结果无疑将造成较大的影响。因此，在利用随机场来模拟渗透系数的空间变异性进行随机渗流分析时，有必要采取更合适的统计分布，确保渗透系数的随机值在同一类土体渗透系数变化的范围内，以获得更接近实际的数值模拟结果。

此外，在岩土工程实践中，工程中的渗流问题实际上属于复杂的三维空间问题。由于数值方法和技术所限，在一般的土石坝、基坑、隧洞等渗流场分析中通常将其简化为平面应变问题进行研究。基于二维随机渗流场得到的结果能在一定程度上反映渗流的运动状态，但与空间上的实际情况还存在一定的差距。渗流场各个区域的土质条件、边界条件在三维空间各个方向都是动态变化的，二维渗流模型不能充分体现这些特性，使得模拟结果较为粗略。因此，亟需发展一种能够模拟三维随机渗流场的方法，才可能达到对实际复杂情况的有效模拟。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种基于有限元的三维随机渗流场模拟方法及装置，由此解决现有渗流场模拟方法不能有效反映渗流场在三维空间上分布的不均匀性的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于有限元的三维随机渗流场模拟方法，包括：

(1)根据ABAQUS的CAE方式创建三维模型，将所述三维模型导出为INP文件，在所述INP文件中将材料的渗透系数与温度场变量进行关联，加入场变量语句，设置单元输出变量；

(2)利用ABAQUS自带的UTEMP子程序进行参数传递，确定能够进行参数传递的输入输出变量；

(3)假设渗透系数的值服从均匀统计分布，确定渗透系数变化范围的最小值和最大值，在UTEMP子程序自定义区域中利用Fortran语言编写程序，使用修正线性估计法生成三维随机场；