一种尾矿坝初期坝裂缝发生与扩展的数据仿真方法

摘要

本发明提供了一种尾矿坝初期坝裂缝发生与扩展的数据仿真方法，该水力劈裂发生与扩展的数值仿真方法通过结合比奥固结理论，来推到和建立用于描述水力劈裂发生和扩展过程的有限元数值仿真模型，以此对水力劈裂发生和扩展过程进行全面的和高效的预测判断，从而保证尾矿坝的运行安全性。

说明书

技术领域

本发明涉及尾矿坝水力工程的技术领域，特别涉及一种尾矿坝初期坝裂缝发生与扩展的数据仿真方法。

背景技术

水力劈裂是尾矿坝工程中人们最为关注，同时也是最有争议的问题之一。水力劈裂会导致大坝防渗体的破坏从而造成灾难性的后果。水库的蓄水压力能否在心墙的上游表面造成裂缝，进而形成集中渗水的通道并导致大坝的破坏，时至今日在工程和学术界仍有疑问和争论。为了准确地确定水力尾矿坝中水力劈裂的发生状态，需要对水力劈裂的发生状态和演变状态进行有效的和准确的预测判断，但是目前针对水力劈裂的发生状态和演变状态进行有效的和准确的预测判断通常是基于弥散裂缝理论而建立的，这种方式并不能全面地和高效地进行相应的预测判断。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种尾矿坝初期坝裂缝发生与扩展的数据仿真方法，该水力劈裂发生与扩展的数值仿真方法包括如下步骤：步骤S1，构建关于尾矿坝的有限元方程，以此计算得到关于该尾矿坝对应水力劈裂的位移、应力和孔压场；步骤S2，根据该水力劈裂的位移、应力和孔压场，计算得到关于该水力劈裂的主应力参数；步骤S3，根据该水力劈裂的主应力参数，对该尾矿坝进行抗拉伸强度判断处理；步骤S4，根据该拉绳强度判断处理的结果，进行针对尾矿坝处于开裂状态或者处于未开裂状态的不同模式处理；可见，该水力劈裂发生与扩展的数值仿真方法通过结合比奥固结理论，来推导和建立用于描述水力劈裂发生和扩展过程的有限元数值仿真模型，以此对水力劈裂发生和扩展过程进行全面的和高效的预测判断，从而保证尾矿坝的运行安全性。

本发明提供一种尾矿坝初期坝裂缝发生与扩展的数据仿真方法，其特征在于，所述水力劈裂发生与扩展的数值仿真方法包括如下步骤：

步骤S1，构建关于尾矿坝的有限元方程，以此计算得到关于所述尾矿坝对应水力劈裂的位移、应力和孔压场；

步骤S2，根据所述水力劈裂的位移、应力和孔压场，计算得到关于所述水力劈裂的主应力参数；

步骤S3，根据所述水力劈裂的主应力参数，对所述尾矿坝进行抗拉伸强度判断处理；

步骤S4，根据所述拉绳强度判断处理的结果，进行针对尾矿坝处于开裂状态或者处于未开裂状态的不同模式处理；

进一步，在所述步骤S1中，构建关于尾矿坝的有限元方程，以此计算得到关于所述尾矿坝对应水力劈裂的位移、应力和孔压场具体包括，

步骤S101，根据关于流固耦合有效应力的计算模型，确定关于所述尾矿坝的比奥固结理论控制方程组；

步骤S102，对所述比奥固结理论控制方程组进行变换处理，以获得二维比奥固结理论的有限元格式方程组；

步骤S103，对所述二维比奥固结理论的有限元格式方程组进行求解，以计算得到所述水力劈裂的位移、应力和孔压场；

进一步，在所述步骤S101中，根据关于流固耦合有效应力的计算模型，确定关于所述尾矿坝的比奥固结理论控制方程组具体包括，

根据关于流固耦合有效应力的计算模型，确定如下面式(1)-(5)共同组成的所述比奥固结理论控制方程组

σ

ε

在上述式(1)-(5)中，i,j为柯西坐标系的方向；σ

或者，

在所述步骤S102中，对所述比奥固结理论控制方程组进行变换处理，以获得二维比奥固结理论的有限元格式方程具体包括，

对所述比奥固结理论控制方程组进行变换处理，获得如下面式(6)-(10)共同组成的二维比奥固结理论的有限元格式方程组

在上述式(6)-(10)中，{δ}

进一步，在所述步骤S2中，根据所述水力劈裂的位移、应力和孔压场，计算得到关于所述水力劈裂的主应力参数具体包括，

步骤S201，根据所述水力劈裂的位移、应力和孔压场，构建关于所述尾矿坝中压实粘土拉伸状态下的应力应变关系；

步骤S202，根据所述压实粘土拉伸状态下的应力应变关系，确定压实粘土在拉伸状态下应力与应变之间的关系方程；

步骤S203，对所述压实粘土在拉伸状态下应力与应变之间的关系方程进行解算处理，以计算得到关于所述压实粘土的最小有效主应力，以作为所述主应力参数；

进一步，在所述步骤S202中，根据所述压实粘土拉伸状态下的应力应变关系，确定压实粘土在拉伸状态下应力与应变之间的关系方程具体包括，

根据所述压实粘土拉伸状态下的应力应变关系，确定如下面式(11)的压实粘土在拉伸状态下应力与应变之间的关系方程

在上述式(11)中，ε代表应力；σ代表应变；E代表拉伸段初始弹性模量；μ

进一步，在所述步骤S3中，根据所述水力劈裂的主应力参数，对所述尾矿坝进行抗拉伸强度判断处理具体包括，

步骤S301A，从所述水力劈裂的主应力参数中获取尾矿坝关于压实粘土的最小有效主应力；

步骤S302A，将所述最小有效主应力与所述压实粘土的抗拉强度进行对比处理；

或者，

在所述步骤S3中，根据所述水力劈裂的主应力参数，对所述尾矿坝进行抗拉伸强度判断处理具体包括，

步骤S301B，根据所述水力劈裂的主应力参数获得所述水力劈裂的最大主应力F

步骤S302B，根据下面公式(12)计算得到水力劈裂压力u

在上述公式(12)中，u为水力劈裂压力，ρ为尾矿坝击实干密度，δ为土料的抗拉强度，F

步骤S303B，根据下面公式(13)计算得到尾矿坝抗拉伸强度k

在上述公式(13)中，k为尾矿坝抗拉伸强度，u为水力劈裂压力，c为凝聚力，

进一步，在所述步骤S4中，根据所述拉绳强度判断处理的结果，进行针对尾矿坝处于开裂状态或者处于未开裂状态的不同模式处理具体包括，

步骤S401，若所述拉绳强度判断处理的结果指示所述最小有效主应力小于所述压实粘土的抗拉强度，则针对尾矿坝处于未开裂状态进行相应模式处理；

步骤S402，若所述拉绳强度判断处理的结果指示所述最小有效主应力大于或者等于所述压实粘土的抗拉强度，则针对尾矿坝处于开裂状态进行相应模式处理；

进一步，在所述步骤S401中，若所述拉绳强度判断处理的结果指示所述最小有效主应力小于所述压实粘土的抗拉强度，则针对尾矿坝处于未开裂状态进行相应模式处理具体包括，

若所述拉绳强度判断处理的结果指示所述最小有效主应力小于所述压实粘土的抗拉强度，则针对当前尾矿坝重复所述步骤S1-S4，以实现下一个荷载步数值仿真；

进一步，在所述步骤S402中，若所述拉绳强度判断处理的结果指示所述最小有效主应力大于或者等于所述压实粘土的抗拉强度，则针对尾矿坝处于开裂状态进行相应模式处理具体包括，

步骤S4021，针对尾矿坝当前所处的开裂状态，计算获得所述开裂状态对应的裂缝方向；

步骤S4022，根据所述裂缝方向，对所述尾矿坝当前所处的开裂状态进行单元刚度修正处理，以确定相应的步长修正模式；

步骤S4023，根据所述步长修正模式，设定所述尾矿坝当前所处的开裂状态对应的初期孔压场和外荷载；

进一步，在所述步骤S4021中，针对尾矿坝当前所处的开裂状态，计算获得所述开裂状态对应的裂缝方向具体包括，

步骤S40211，根据所述尾矿坝当前所处的开裂状态，确定开裂土体在应力应变关系方面和在渗透特性方面的各向异性特性；

步骤S40212，根据所述开裂土体在应力应变关系方面和在渗透特性方面的各向异性特性，确定渗透系数与法向有效应力之间的关系曲线，以此计算得到所述开裂状态对应的裂缝方向。

相比于现有技术，该水力劈裂发生与扩展的数值仿真方法包括如下步骤：步骤S1，构建关于尾矿坝的有限元方程，以此计算得到关于该尾矿坝对应水力劈裂的位移、应力和孔压场；步骤S2，根据该水力劈裂的位移、应力和孔压场，计算得到关于该水力劈裂的主应力参数；步骤S3，根据该水力劈裂的主应力参数，对该尾矿坝进行抗拉伸强度判断处理；步骤S4，根据该拉绳强度判断处理的结果，进行针对尾矿坝处于开裂状态或者处于未开裂状态的不同模式处理；可见，该水力劈裂发生与扩展的数值仿真方法通过结合比奥固结理论，来推到和建立用于描述水力劈裂发生和扩展过程的有限元数值仿真模型，以此对水力劈裂发生和扩展过程进行全面的和高效的预测判断，从而保证尾矿坝的运行安全性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种尾矿坝初期坝裂缝发生与扩展的数据仿真方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1，为本发明实施例提供的一种尾矿坝初期坝裂缝发生与扩展的数据仿真方法的流程示意图。该水力劈裂发生与扩展的数值仿真方法包括如下步骤：

步骤S1，构建关于尾矿坝的有限元方程，以此计算得到关于该尾矿坝对应水力劈裂的位移、应力和孔压场；

步骤S2，根据该水力劈裂的位移、应力和孔压场，计算得到关于该水力劈裂的主应力参数；

步骤S3，根据该水力劈裂的主应力参数，对该尾矿坝进行抗拉伸强度判断处理；

步骤S4，根据该拉绳强度判断处理的结果，进行针对尾矿坝处于开裂状态或者处于未开裂状态的不同模式处理。

优选地，在该步骤S1中，构建关于尾矿坝的有限元方程，以此计算得到关于该尾矿坝对应水力劈裂的位移、应力和孔压场具体包括，

步骤S101，根据关于流固耦合有效应力的计算模型，确定关于该尾矿坝的比奥固结理论控制方程组；

步骤S102，对该比奥固结理论控制方程组进行变换处理，以获得二维比奥固结理论的有限元格式方程组；

步骤S103，对该二维比奥固结理论的有限元格式方程组进行求解，以计算得到该水力劈裂的位移、应力和孔压场。

优选地，在该步骤S101中，根据关于流固耦合有效应力的计算模型，确定关于该尾矿坝的比奥固结理论控制方程组具体包括，

根据关于流固耦合有效应力的计算模型，确定如下面式(1)-(5)共同组成的该比奥固结理论控制方程组

σ

ε

在上述式(1)-(5)中，i,j为柯西坐标系的方向；σ

优选地，在该步骤S102中，对该比奥固结理论控制方程组进行变换处理，以获得二维比奥固结理论的有限元格式方程具体包括，

对该比奥固结理论控制方程组进行变换处理，获得如下面式(6)-(10)共同组成的二维比奥固结理论的有限元格式方程组

在上述式(6)-(10)中，{δ}

优选地，在该步骤S2中，根据该水力劈裂的位移、应力和孔压场，计算得到关于该水力劈裂的主应力参数具体包括，

步骤S201，根据该水力劈裂的位移、应力和孔压场，构建关于该尾矿坝中压实粘土拉伸状态下的应力应变关系；

步骤S202，根据该压实粘土拉伸状态下的应力应变关系，确定压实粘土在拉伸状态下应力与应变之间的关系方程；

步骤S203，对该压实粘土在拉伸状态下应力与应变之间的关系方程进行解算处理，以计算得到关于该压实粘土的最小有效主应力，以作为该主应力参数。

优选地，在该步骤S202中，根据该压实粘土拉伸状态下的应力应变关系，确定压实粘土在拉伸状态下应力与应变之间的关系方程具体包括，

根据该压实粘土拉伸状态下的应力应变关系，确定如下面式(11)的压实粘土在拉伸状态下应力与应变之间的关系方程

在上述式(11)中，ε代表应力；σ代表应变；E代表拉伸段初始弹性模量；μ

优选地，在该步骤S3中，根据该水力劈裂的主应力参数，对该尾矿坝进行抗拉伸强度判断处理具体包括，

步骤S301A，从该水力劈裂的主应力参数中获取尾矿坝关于压实粘土的最小有效主应力；

步骤S302A，将该最小有效主应力与该压实粘土的抗拉强度进行对比处理。

优选地，在该步骤S3中，根据该水力劈裂的主应力参数，对该尾矿坝进行抗拉伸强度判断处理具体包括，

步骤S301B，根据该水力劈裂的主应力参数获得该水力劈裂的最大主应力FM和最小主应力F

步骤S302B，根据下面公式(12)计算得到水力劈裂压力u

在上述公式(12)中，u为水力劈裂压力，ρ为尾矿坝击实干密度，δ为土料的抗拉强度，F

步骤S303B，根据下面公式(13)计算得到尾矿坝抗拉伸强度k

在上述公式(13)中，k为尾矿坝抗拉伸强度，u为水力劈裂压力，c为凝聚力，

通过上述步骤S301B-S303B，得到尾矿坝抗拉伸强度，进而可以对尾矿坝进行抗拉伸强度判断处理，得到判断处理的结果。

优选地，在该步骤S4中，根据该拉绳强度判断处理的结果，进行针对尾矿坝处于开裂状态或者处于未开裂状态的不同模式处理具体包括，

步骤S401，若该拉绳强度判断处理的结果指示该最小有效主应力小于该压实粘土的抗拉强度，则针对尾矿坝处于未开裂状态进行相应模式处理；

步骤S402，若该拉绳强度判断处理的结果指示该最小有效主应力大于或者等于该压实粘土的抗拉强度，则针对尾矿坝处于开裂状态进行相应模式处理。

优选地，在该步骤S401中，若该拉绳强度判断处理的结果指示该最小有效主应力小于该压实粘土的抗拉强度，则针对尾矿坝处于未开裂状态进行相应模式处理具体包括，

若该拉绳强度判断处理的结果指示该最小有效主应力小于该压实粘土的抗拉强度，则针对当前尾矿坝重复该步骤S1-S4，以实现下一个荷载步数值仿真。

优选地，在该步骤S402中，若该拉绳强度判断处理的结果指示该最小有效主应力大于或者等于该压实粘土的抗拉强度，则针对尾矿坝处于开裂状态进行相应模式处理具体包括，

步骤S4021，针对尾矿坝当前所处的开裂状态，计算获得该开裂状态对应的裂缝方向；

步骤S4022，根据该裂缝方向，对该尾矿坝当前所处的开裂状态进行单元刚度修正处理，以确定相应的步长修正模式；

步骤S4023，根据该步长修正模式，设定该尾矿坝当前所处的开裂状态对应的初期孔压场和外荷载。

优选地，在该步骤S4021中，针对尾矿坝当前所处的开裂状态，计算获得该开裂状态对应的裂缝方向具体包括，

步骤S40211，根据该尾矿坝当前所处的开裂状态，确定开裂土体在应力应变关系方面和在渗透特性方面的各向异性特性；

步骤S40212，根据该开裂土体在应力应变关系方面和在渗透特性方面的各向异性特性，确定渗透系数与法向有效应力之间的关系曲线，以此计算得到该开裂状态对应的裂缝方向。

从上述实施例的内容可知，该水力劈裂发生与扩展的数值仿真方法通过结合比奥固结理论，来推到和建立用于描述水力劈裂发生和扩展过程的有限元数值仿真模型，以此对水力劈裂发生和扩展过程进行全面的和高效的预测判断，从而保证尾矿坝的运行安全性。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。