数值分析的水力压裂压力隧道衬砌基于2 p-iksph方法

文摘

为了研究水分胁迫下的断裂机制隧道衬砌的压力耦合,基于传统的平滑粒子流体动力学(SPH)方法,固体水粒子交互方法,和粒子损失转换算法提出了实现水力压裂过程中,也被称为2 p-iksph方法。“粒子域搜索方法”,“生与死粒子方法,”和“群体歧视搜索法”也提出了实现复杂的模拟开挖过程,衬里,水工隧洞的操作。以Guzeng液压隧道为工程实例,隧道衬砌在不同条件下的水力压裂数值模拟。结果表明:(1)2 p-iksph方法可以动态地反映围岩的应力波传播过程和隧道衬砌的损伤过程。(2)内壁损伤主要发生在拱顶和拱脚。(3)关键内部水压力随隧道埋深的增加和衬里的厚度,但增加然后减少围岩等级的增加。研究结果可以提供一些参考的优化设计隧道衬砌和强化的类似项目。与此同时,开发3 d并行程序基于2 p-iksph将是未来的研究方向。

1。介绍

与能源发展战略的实施在中国西部,一些高大坝已经建成。然而,大多数的项目已建成高山之间,所以安全稳定运营的长途液压隧道在复杂应力条件下已成为一个困难的问题(1,2]。水工隧洞的一个重要组成部分,衬砌结构不仅可以保证围岩的稳定和限制变形(3),但也减少粗糙度,改善水流条件,减少水头损失(4]。然而,操作复杂的地质条件下,原位应力和内部水压,衬砌结构将不可避免地裂缝,这将导致严重的内部水外渗。与此同时,裂缝的存在导致衬砌结构的应力再分配。应力集中的技巧,这将很容易导致灾难(5,6]。因此,隧道衬砌的损伤机制的理解在水分胁迫下耦合将为隧道衬砌的设计提供指导和强化以及确保隧道安全稳定的操作压力。

实地调查是最直接的方式来评估隧道衬砌的损伤程度。然而,它只能进行当隧道为空时,它的缺点是长时间,高风险,和小观察范围。与此同时,大部分的观察结果是衬失败后,所以不能直接描述整个破坏过程。虽然开发了各种方法来检测衬砌结构损伤,比如水下车辆(7),可以不进行隧道的极限状态,其探测范围相对较小,设备非常昂贵。各种观察技术也已提出,如声波法(8)和microseismic-acoustic发射方法(9),它可以定量检测区段的损害,但检测精度和范围仍然有限。室内地质模型试验可以弥补这个缺点10];然而,小型试验和工程实践之间的相似性仍然是一个需要解决的难题。同时,实验成本太高的色散测试结果也大。

“第三种方法”的科学研究11),数值模拟不仅可以动态地反映隧道衬砌的故障特征但也澄清其内部机制,近年来已迅速发展。有限元法(FEM)是最早的措施,研究水分胁迫衬砌结构的耦合损伤(12],但特殊的治疗方法应该被应用到裂纹技巧,和复杂的裂缝网络的网将极其扭曲的(13,14]。离散单元法(DEM)可获得分析域成粒子,和不同的粒子的相互作用实现了各种接触模型(15],它避免了网格划分。然而,它的介观参数众多,没有实际意义,这是不方便适用于工程实践(16]。最近新数值等措施的数值流形方法(NMM) [17),相场法(18),Peridynamics (PD) (19),和质点方法(MPM) [20.)都有其独特的优势在处理故障建模的隧道衬砌,但也存在局限性。元素内的裂纹技巧不能NMM方法(21]。债券型PD方法有一些理论缺陷,导致泊松比是常数(22]。相场法仍然有一些问题在处理多个裂缝传播(23]。MPM法需要匹配的材料通过背景网格点(24]。

本文改进的水分胁迫耦合数值方法提出了基于SPH,叫做两阶段改善内核平滑粒子流体动力学(2 p-iksph),实现水资源压力耦合损伤分析隧道衬砌。与先前的研究相比,水分胁迫耦合可以在固体一组方程,计算,减少了计算量,提高计算效率。法和固体水粒子的相互作用粒子损失转换算法提出了实现水力压裂过程。“粒子域搜索法”提出了实现一代又一代的水粒子,衬里粒子,粒子和挖掘。“群体歧视搜索法”提出了实现应用水粒子和裂隙水压力的粒子。“生与死粒子法”提出了实现复杂的隧道开挖过程,衬里和操作。基于Guzeng压力隧洞的工程背景,数值模拟的关键内部水压力和隧道衬砌在不同条件下的失效模式。研究结果可以提供一些参考隧道衬砌的理解失败的机制,保证隧道的安全运营。

2。2 p-iksph的基本原则

2.1。控制方程

对于每个粒子在2 p-iksph,需要满足以下方程,即(1)连续性方程,动量方程(2),(3)能量方程,和(4)运动方程可以表示如下(25,26]: 在哪里是基本粒子的密度,计算时间步长,是基本粒子的质量,是基本粒子的速度,是基本粒子的位置,是基本粒子的总应力张量,是基本粒子的能量,剪切应力张量的基本粒子,应变张量的基本粒子,T是人工粘性部分,它可以减少非物理振荡在计算(27),而W是IKSPH方法的核函数,它可以表示如下(28]: 在哪里是平滑的长度,它通常是作为两个粒子之间的距离,然后呢的比例是基本粒子距离和平滑的长度吗 。

2.2。固体本构方程

包括两个部分:(1)静水压力(2)剪切应力 ,可以写成 在哪里p可以通过计算获得固体状态方程(26]: 在哪里Hugoniot曲线函数,是格吕奈森参数。

剪切应力率可以更新由以下方程: 在哪里是压力率张量,剪切模量,R是扭张量,是应变张量,它可以表示为

在方程(6)是扭张量,它可以写成

3所示。在2 p-iksph水分胁迫耦合损伤的治疗方法

3.1。固体水的相互作用

邻近的固体颗粒和水粒子,粒子的水适用于一个力固体颗粒。不同的形式的先前的研究27),水的流动特性的粒子不再被认为是本文简化计算过程。水分胁迫交互图所示1;可以看到,水和固体颗粒之间的正常的单位向量可以表示为 在哪里我代表了固体粒子和j代表水的粒子。=x_j−x_我;=y_j−y_我;和 。方向和正常的单位向量之间的余弦x设在n_x,我以及y设在可以写成

然后,水的压力组件颗粒固体颗粒可以写成

3.2。固体水断裂准则

平滑的内核函数的推导 在2 p-iksph控制方程(1)控制不同的粒子之间传输的信息。当固体颗粒损害发生在介观尺度,设置的值 为0会反映脆性断裂特征。因此,骨折马克变量ξ介绍了2 p-iksph程序。当粒子受损ξ=0;否则,ξ=1 (29日],IKSPH粒子的脆性断裂如图2。采用莫尔-库仑准则与张力截止: 在哪里和最大拉应力和剪切应力的破坏面,是粒子的抗拉强度,是粒子的凝聚力,φ是粒子的内摩擦角。在我们的模拟,当压力组件满足方程(12),拉伸断裂发生了第一次,如果方程(12)是不满意,那么程序将判断方程(13)满足,这意味着剪切破坏。然后,我们可以获得平滑的内核函数的改进形式的推导过程,可以写成 在哪里是改进的形式2 p-iksph的内核函数的导数。因此,2 p-iksph控制方程可以写成

4所示。详细的治疗2 p-iksph

4.1。粒子域搜索方法

在地下岩石力学数值模拟中,一代又一代的开挖和隧道衬砌应被分别处理。在本节中,提出了“粒子域搜索法”,如图3,详细步骤如下:(1)定义的几何位置开挖部分和隧道衬砌。圆形状的开挖部分T_我可以由中心点x_{“透明国际”}和它的半径r_{“透明国际”}。隧道衬砌l_我可以由中心点x_李,内半径l_如果和外半径l_bi。(2)生成的一系列“搜索粒子”T_我和l_我。应注意的是,这些“搜索粒子”应该分配均匀,和两个邻近的“搜索粒子”之间的距离应小于实粒子之间的最小间距。(3)一个搜索半径d每一个“搜索粒子。“一般情况下,d应该超过平均实粒子之间的间距。对于那些真正的粒子半径内d,挖掘或衬里属性目标粒子。

4.2。出生和死亡粒子的方法

实现excavation-lining-operating过程压力隧道,粒子需要删除然后重新激活。在本节中,这里介绍的出生和死亡粒子方法,如图4。对于那些需要“死亡”的粒子(称为“死亡粒子”),粒子域搜索方法是利用在这里寻找目标粒子群,和方程(14)用于这些粒子通过设置“杀死”ξ=0。当激活是必需的,ξ=1,“出生粒子”的压力组件需要被设置为0。

4.3。集团歧视搜索方法

在水力压裂过程的计算,衬里损伤是由水力因素不仅引起的,而且纯机械因素。因此,提出“群体歧视搜索法”在这一节中区分粒子是否损坏是由水压力引起的或纯机械因素;只有通过这种方式我们才能决定是否添加水压力。在图所示的步骤5,可以表示如下:(1)定义数组来存储水粒子群W_我和裂缝粒子组F_我。(2)每个粒子的应力更新后,新损坏的粒子转移到裂缝粒子组F_我暂时的。一个搜索半径d_t给每一个水粒子在吗W_我应该超过2 *实粒子之间的距离。(3)对于那些真正的粒子半径内d_t和归属感F_我,他们是标记为水粒子和转移到W_我。对于那些裂缝粒子,没有水压力应用于他们。

5。工程背景和数值模型

5.1。模型验证

来验证提出的数值方法,一个立方形状的数学模型建立了一个裂缝。模型的大小是1 m×1 m,水力裂缝的长度和一个1米预制在中心内部的水压力1 MPa是行动。1 MPa的围压是在模型方面。图6显示的最大主应力分布计算的模型2 p-iksph本文方法和有限元分析软件。可以看到,2 p-iksph和有限元分析的计算结果是一致的,这表明该方法是准确和合理的。

5.2。工程背景

Guzeng水电站位于母粒的主要流河慕蠡县凉山地区,四川。总装机容量4×43兆瓦,正常水位2215.00米,水库总容量为484000米³。Guzeng水电站导流隧洞位于慕蠡河的右岸总长度为11060.119米。马蹄形隧道衬砌采用,截面尺寸是6.1米×7.8米。

有一系列的地区epimetamorphic沿着Guzeng水电站导流隧洞岩石。从新到旧,奥陶系集团(O1r),奥陶系集团(O1 W),志留纪集团(S1)、石炭纪集团(C1)和三叠纪集团(T3q),如图7。

5.3。计算条件

2 p-iksph模型建立根据Guzeng液压隧道的实际大小,如图8。模型的大小是60 m×60 m,超过5倍的直径隧道,如图8(一个)。整个模型分为300×300的微粒。马蹄形隧道设置中间的模型,如图8 (c)。马蹄形衬里也显示在图8 (d)。

根据Guzeng隧道的工程实践,三个计算条件设置在本节中:答:不同隧道埋深,B:不同衬砌厚度、和C:不同围岩等级,如表所示1。关键的内部水压力和隧道衬砌的失效模式是在我们的仿真计算。应该强调的是,围岩视为均匀弹性介质。衬砌的力学参数是根据这件具体校准。考虑混凝土的随机分布特征属性,这里介绍的两个参数威布尔函数(30.]。 在哪里是粒子的基本力学参数(如弹性模量、抗压强度、凝聚力,等等),基本力学参数的平均值,米是粒子的异质性程度。

通过大量的试验,模拟混凝土的抗压强度为24.6 MPa,这类似于这件混凝土的抗压强度为22.5 MPa。然后校准参数可以用于工程实践。

数值模拟步骤如下:首先,4000步的原位应力平衡进行,第一个1000步的边界应力加载到预定压力和保持不变在3000年以后的步骤。然后,进行隧道的开挖操作在第4000步,衬里是应用在第5000步,添加内部水压力在第6000步。终止时,模拟裂纹传播通过衬里。

6。数值结果

6.1。不同埋深对隧道衬砌的水力压裂

图9显示的最小主应力分布excavation-lining-operating A2的过程条件。可以看到,2 p-iksph方法可以动态地反映围岩的应力波传播过程和隧道衬砌的损伤过程。这也是该方法的优势。

图10显示了失效模式的隧道衬砌在不同埋深处,白色代表了拉伸断裂和红色代表了剪切破坏。可以看到,共同作用下围岩压力和内部的水压力,破坏主要发生在拱顶和拱脚的衬里。深度小于620时,拉伸和剪切复合故障发生在拱脚,但当深度超过620米,拉伸断裂主要发生在拱顶和拱脚。

图11显示了启动和故障内部水压力在不同埋深处。可以看到,关键的内部水压力随埋深的增加,增加的失败率内部水压力远远大于启动内部水的压力。对于浅埋深的情况下,衬砌裂纹萌生后不久就会失败,但是深埋深时,裂纹扩展的过程相对较长。

6.2。不同衬砌厚度对隧道衬砌的水力压裂

图12显示了失效模式的隧道衬砌在不同衬砌厚度。可以看到,拉伸断裂主要发生在拱顶和拱脚瘦的隧道衬砌,对于衬砌厚度从0.6米到0.8米不等,拉伸和剪切复合拱脚发生故障。当厚度是1米,只有拉伸断裂发生在拱顶和拱脚。

图13显示了启动内部水压在不同衬砌厚度和失败。可以看到,关键的内部水压力增加而增加衬砌厚度。应注意的是,当厚度小于0.8米,启动内部水压力和失败之间的差异相对较小,但是当厚度大于1 m,迅速增加的差异。

6.3。不同围岩等级对隧道衬砌的水力压裂

图14显示了不同失效模式下的隧道衬砌围岩的成绩。可以看到,当围岩质量相对较高(如二级),由于围岩的熊很大一部分压力,压力应用于隧道衬砌相对较小,拉伸断裂发生在拱顶和拱脚。的情况下围岩等级III或IV,隧道衬砌的压力相对较大,从纯拉伸断裂和失效模式转换拉伸和剪切复合失败。当围岩的素质很低,应用于隧道衬砌压力非常高,和拱脚上的应力集中,拉伸断裂主要发生的地方。

图15显示了启动和故障内部水压力在不同岩体的成绩。可以看到,当围岩的质量变得更糟的是,关键的内部水压力先增加然后减少,达到最大的岩石年级第四,这表明更要注意衬里的支持当岩体等级高或低。

7所示。讨论

7.1。验证数值模拟

先前的研究较少关注水资源压力耦合隧道衬砌的损伤。由于实地调查的局限性,研究成果主要集中在数值模拟,以及隧道形状简化为圆,但马蹄形隧道主要是用于实践。图16显示了对比仿真结果,仿真结果(31日]。可以看到,损害发生在拱脚,相似的结果(31日,验证了该方法的合理性。

然而,先前的研究只考虑几个条件,失败和不同影响因素并不全面调查。摘要Guzeng液压隧道为工程实践,和不同的埋深等因素,衬砌厚度,并考虑围岩等级。失效模式和关键内部水压力在不同条件下进行,结果可以为衬里的设计提供指导支持和增援。

7.2。应用前景和未来的方向2 p-iksph在岩石工程

摘要固体水粒子交互方法和粒子损失转换算法提出了实现水力断裂过程。一系列的数值方法,如“粒子域搜索方法,”“生与死粒子方法,”和“群体歧视搜索法”也提出了实现复杂的模拟开挖过程,液压隧道衬砌和操作流程。与传统的有限元法相比,该2 p-iksph方法可以动态地反映围岩的应力波传播过程和隧道衬砌的损伤过程,而不需要网格redivision。因此,2 p-iksph方法到岩石力学的应用是有前途的。

应该强调的是,外部水压不考虑。原因如下:(1)应用程序的外部水压力在2 p-iksph方法暂时是困难的。(2)埋藏深度浅,外部水的影响很小。为了说明数值模拟的可行性,计算简化。与此同时,实际岩石力学工程通常是一个复杂的三维问题。它已成为共识,2 d模型不能完全代表3 d。然而,3 d模型的计算效率是公认的数值模拟的主要困难。2 p-iksph方法的并行编程的3 d建模工程实践将是未来的发展方向。

8。结论

(1)法和固体水粒子的相互作用粒子损失提出了转换算法,以及水力压裂过程实现。(2)“粒子域搜索方法”,“生与死粒子方法,”和“群体歧视搜索法”提出了实现复杂的开挖过程,衬里和操作流程。(3)水力压裂数值模拟的隧道衬砌进行基于Guzeng项目。损伤主要发生在拱顶和拱脚的隧道衬砌和埋深,衬砌厚度、和岩体质量都有很大的影响的关键内部水的压力。(4)2 p-iksph方法可以动态地反映围岩的应力波传播过程和隧道衬砌的损伤过程,它提供了部分参考类似工程的设计优化和支持。2的并行编程p-iksph将是未来的发展方向。

数据可用性

项目数据用于支持本研究的发现是河海大学限制以保护隐私。数据可从yushuyang_hhu@163.com为研究人员符合标准访问机密数据。

的利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。

确认

作者承认金融支持的国家自然科学基金(批准号U1765204),中央大学的基础研究基金(B210203078)和国家自然科学基金(51409170)。与此同时,作者大大希望表达他们的感谢教授Bi Jing, Wuwen姚,永川Yu IKSPH编程的技术支持。

引用

1. m·沃格尔和h·p·拉斯特,”AlpTransit-safety建筑作为一个挑战:在健康和安全方面很深的隧道施工,“隧道与地下空间技术,15卷,不。4、481 - 484年,2000页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. d p, n . t . Tran诉t·梅·d·霍查,和m . n . Vu“深隧道的时变可靠性分析粘弹性衬垫的汉堡岩石顺序安装,“岩石力学和岩石工程,53卷,不。3、1259 - 1285年,2020页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. m . s . Yamany和大肠Elwakil造型隧道模筑混凝土内衬条件”,结构和基础设施工程,16卷,不。8,1147 - 1160年,2020页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. y y, y, m .徐张h .长,和h·朱,“增量变化的外部效应对隧道衬砌水压力:一个案例研究从教会岩溶隧道,”自然灾害,卷98,不。2、343 - 377年,2019页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. 崔j·s·李,即y . h·李,和h·h·李,“损伤识别隧道班轮基于变形数据,”隧道与地下空间技术,20卷,不。1,第80 - 73页,2005。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. 答:癌症、美国Zlatanic和n . Munfah”结构防火性能的混凝土和喷射混凝土隧道客轮,”结构工程杂志,卷131,不。12日,第1925 - 1920页,2005年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. a . Zarei a . Ashouri s·m·j·Hashemi s . a . s . f . Bushehri e . Izadpanah和y Amini”实验和数值研究水动力性能的遥控车,”海洋工程文章ID 107612卷,212年,2020年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. g .徐董j ., z,“应用声学测试方法在判别地下植物的经济开发区,”地球科学(中国地质大学学报),39卷,不。11日,页。1699 - 1706年,2014年,(在中国)。视图:谷歌学术搜索
9. f·戴、b·李和n .徐”分析损坏的特点植物开挖猴子岩水电站深埋地下工厂,”岩石力学与工程杂志》上,34卷,不。04,页735 - 746,2015,(在中国)。视图:谷歌学术搜索
10. x杜,研究内部的钢筋混凝土衬砌开裂外渗压力隧道河海大学,南京,中国,2008年,(在中国)。
11. 李和c, c .唐·l·李,“分析岩土工程稳定性RFPA强度降低,”岩石力学与工程杂志》上,5卷,不。08年,页1522 - 1530,2006,(在中国)。视图:谷歌学术搜索
12. 高h . g . Chen, y,“水力压裂压力分析隧道衬砌力学参数的基于随机分配的元素,“先进的工程科学,51卷,不。5、60 - 67、2019页。视图:谷歌学术搜索
13. r·布兰科f . v .安图内斯,j·d·科斯塔”3日回顾有限元自适应重啮合裂纹扩展模型的技术,”工程断裂力学卷,141年,第195 - 170页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. x p徐和a .裁缝”的快速裂纹扩展数值模拟脆性固体,”固体的力学和物理学杂志》上,42卷,不。9日,第1434 - 1397页,1994年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. h . Haeri诉Sarfarazi, z . Zheming”调查的样本几何模式我使用土坡断裂韧性,”电脑和混凝土》12卷,第112 - 97页,2017年。视图:谷歌学术搜索
16. j . Hadjigeorgiou k Esmaieli, m .侬,“稳定性分析的垂直挖掘在坚硬的岩石断裂系统融入PFC模型,”隧道与地下空间技术,24卷,不。3、296 - 308年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. y吴建,t·佐佐木,t .小山Hagiwara,杨爱瑾,t . Shimauchi,“最近的洞察分析精度和造型的DDA和NMM实际问题,“地质力学和地球工程,9卷,不。2、97 - 112年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. a . Spetz r . Denzer大肠Tudisco, o . Dahlblom”相场骨折造型多孔岩石的裂纹成核和传播”国际期刊的骨折,卷224,不。1、脉络,2020页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. y,寿,d . x p .周,问:h .钱”动态模型的区域分裂的岩石周围深球形空腔,“国际地质力学杂志,17卷,不。6、文章ID 04016127, 2016。视图:谷歌学术搜索
20. d . z张、马x和p . t . Giguere“质点方法增强了修改形状函数的梯度,”计算物理学杂志,卷230,不。16,6379 - 6398年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. s .杨任x, j·张,“研究液压分裂重力坝基于数值流形方法,”岩石和土力学,39卷,不。08年,3055 - 3070年,2018页。视图:谷歌学术搜索
22. 周x p . y . d .寿、问:h .钱和m . h . Yu”三维非线性强度准则基于微机械方法,如磐石般坚韧的材料”国际岩石力学和采矿科学杂志》上卷。72年,54-60,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. c . Miehe m . Hofacker, f . Welschinger”则独立的相场模型裂纹扩展:健壮的算法实现基于算子分裂,”计算机在应用力学和工程方法,卷199,不。45-48,2765 - 2778年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. 张h·w·k·p·王,z,“动态分析饱和多孔介质质点方法(二):饱和多孔介质和固体之间的动态接触分析,“中国岩土工程杂志》上没有,卷。31日。11日,第1679 - 1672页,2009年。视图:谷歌学术搜索
25. l . d . Libersky和a·g·Petschek”与材料强度平滑粒子流体动力学”,免费的拉格朗日方法的进步卷,395年,第257 - 248页,1990年。视图:谷歌学术搜索
26. l . d . Libersky a·g·Petschek t·c·卡尼j . r . Hipp和f . a . Allahdadi“高应变拉格朗日流体力学,”计算物理学杂志,卷109,不。1,第75 - 67页,1993。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
27. j . Vonneumann和r·d·Richtmyer”方法的数值计算水动力冲击,”应用物理杂志,21卷,不。3、232 - 237年,1950页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
28. j·j·莫纳亨”,与SPH模拟自由表面流”,计算物理学杂志,卷110,不。2、399 - 406年,1994页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
29. y沭阳县、r . Xuhua w . Haijun et al .,“数值模拟液压骨折和自然之间的交互模式基于SPH方法,”阿拉伯科学与工程》杂志上2021年,卷。31日。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
30. w·威布尔”,材料强度的统计理论。”国际岩石力学和采矿科学杂志》上卷。151年,5-44,1939页。视图:谷歌学术搜索
31. f·汉、l .徐和y,“失效分析隧道衬砌结构在内部压力下的水转移,”长江,51卷,不。S1, 149 - 152年,2020页。视图:谷歌学术搜索

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