1、初级培训教程,RFPA2D-Flow渗流版,主要内容, RFPA-Flow渗流版简介 岩石（岩体）渗流力学特性及基本原理介绍 RFPA-Flow渗流版功能按钮与工具条介绍 RFPA-Flow渗流版分析问题的流程 工程中有关渗流问题的RFPA模拟计算,一、RFPA-Flow渗流版简介,RFPA-Flow渗流版简介, RFPA-Flow渗流版:是继RFPA基本版推出的，利用该版本可进行岩石（体）基本渗流特性的模拟研究，亦可进行水工中岩石（体）流固耦合问题的数值计算分析，如可开展水力水电工程中各类坝体渗流场、孔隙压力场、微震时空展布等特征的计算分析，对承压水煤层开采等工程中的突水等突发性地质灾害的预
2、测预报。,观看岩石水压致裂全过程,水压致裂演化全过程,几个有关渗流的事例,大坝基础破坏与相应的渗流场,破坏模式,声发射,水流矢量场,加载过程中的载荷、渗透性及声发射演化,二、岩石（岩体）渗流力学特性及基本原理介绍,岩石（岩体）渗流力学特性,岩石作为天然地质材料，内部赋存着大量的孔隙、裂隙，这些缺陷结构 的存在不但改变了岩石的力学性质，而且严重影响着岩体的 渗透特性。 岩石是低渗透性的材料，可以认为其不透水，但破裂失稳过程中随着裂纹的萌生、扩展和贯通，其渗透率发生重大的变化。一些工程事 故中，如矿井突水、坝体溃决等，还有水压致裂问题，岩体破坏前是不透水的 （或低渗透的），渗流应力耦合效应不明显。
3、但应力和水压诱发新的损伤过程中，随着裂纹的扩展，应力场、渗流场以及损伤演化过程调整、迁移以及相互作用十分显著，并将导致岩体失稳。由此可见，研究岩石块体的力学性质、渗透性质对于工程岩体的渗流稳定性分析、设计具有重要的理论意义和实用价值。,岩石（岩体）的孔隙特征,(a)良好顺序的沉积矿床的高孔隙结构,(b)由矿物碎屑充满的低孔隙结构,岩石的孔隙性通常用孔隙率n表示。对于大裂隙不发育的砂岩、蚀变花岗岩、风化带岩体及超固结的岩体，孔隙性的描述一般与土体大致相同，可按多孔介质处理，描述孔隙性的指标为孔隙率，即式中：n为岩石的孔隙率；Vp为岩石中孔隙、 裂隙所占的体积；V为岩石的总体积。孔隙率是衡量岩石工
4、程质量的重要物理性质指标之一。岩石的孔隙率反映了孔隙和裂隙在岩石中所占的百分率，孔隙率越大，岩石中的孔隙和裂隙就越多，岩石的力学性能就越差。,岩石（岩体）的渗透特征, 岩体中的水只能沿连通孔隙或裂缝渗透。岩石的渗透性大小可用渗透系数衡量，它主要决定于岩石孔隙的大小、方向及其相互连通情况。 渗透率(permeability)是岩体介质特征的函数，它描述了岩体介质的一种平均性质，表示岩体介质传导流体的能力。对于均匀各向同性多孔介质而言，其渗透率为：,式中：k为多孔介质渗透率；d为岩土体颗粒的有效粒径；c为比例常数。, 渗流-损伤耦合方程, 当单元的应力状态或者应变状态将满足某个给定的损伤阈值时，单
5、元开始损伤，损伤单元的弹性模量为：,式中：D为损伤变量；E和Eo分别为损伤单元和无损伤单元的弹性模量，这些参数假定都是标量。 下面以单轴压缩和拉伸本构关系为例，介绍单元的渗透率-损伤耦合方程。,单元渗透率-损伤耦合方程,单元渗透率-损伤耦合方程,三、RFPA-Flow渗流版功能按钮 与工具条介绍,渗流边界条件,动态问题,基本工具条,New新建,Open打开,Save保存,Print打印,Copy复制,Zoom缩放,Full Screen全屏显示,Mesh dividing网格划分,Boundary conditions边界条件,Control conditions控制条件,Self defin
6、ing系统自定义,Seepage boundary conditions渗流边界条件,Run step by step单步运行,Auto run 自动连续运行,Stop run强制停止运行,作图工具条,Draw by mouse 鼠标键盘输入切换,Material property 材料类型选择,Select area 区域选择,Rectangle 矩形,Circle圆,Line单直线,Double line 双直线,Polyline 多线,Polygon 任意多边形,Compositematerial 复合材料,Closed Arc 封闭弧,Arc圆弧,Anchor支护,复合材料增强 介质颗
7、粒设置,显示工具条,Shear stress剪应力图,Max. principal stress最大主应力图,Min. principal stress最小主应力图,Elastic弹性模量图,Acoustic Emission声发射图,e/AE弹模和声发射图,Load-step curve 载荷与加载步曲线,AE curve 声发射曲线,Area AE圈定声发射图,Multi-Element Information 多单元信息,Slide play幻灯播放,Displacement vector 位移矢量图,Stress vector 应力矢量图,Seepage information渗流多单
8、元信息,Flow volume 流量分布图,Water head 水位等值线分布图,Security curve 安全系数曲线,Weibull分布函数：,网格划分,Y Length(mm),X length(m): Y方向和X方向的尺寸均为所研究问题的实际尺寸，单位为毫米，建立模型的时候需要将实际尺寸换算成毫米，单元尺寸为实际 尺寸除单元个数。 Rows(Elements),Cols(Elements): 单元列数和行数，单元尺寸的划分原则前面已讲述。 Heterogeneity Index行：为均质度，weibull统计分布函数中的参数m，反映岩石介质的均质性。若模拟地下工程等必须考虑模型本
9、身的重力的工程问题时，需要输入自重的参数，注意自重的单位：N/mm3。 Mean Value: 为单元物理力学参数的平均值。,渗透特性设置,孔隙压力系数(poro-water pressure)：是岩石本身的固有特性，值的大小为0到1之间；当单元完全破坏，成为空气元的时候，该数变成1，即孔隙压力终值。 损伤突变系数(damage mutaion coeff)：是指基元体一旦有损伤，则其渗透性要提高的倍数。 分离系数(separation coeff)：是指基元体在完全破坏后，其渗透性提高的倍数。 耦合系数(coupling coeff)：表征的是应力对材料渗透特性的影响程度。（渗透角度暂时无效
10、）,水平渗透系数,垂直渗透系数,孔隙率,孔隙压力系数,损伤突变系数,分离系数,耦合系数,孔隙压力终值,渗流边界条件设置,如果涉及渗流计算问题，则必须初始化模型的渗流边界条件，主要操作：先按下,再按下渗流边界类型,，选择渗流边界条件：,然后用鼠标在模型边界拉线，鼠标单击结束后，上述对话框中所设置的值就赋予了所选中的边界单元（既然是边界条件，所以注意不要将其设如模型内部）。注意：压力用水头表示，在计算时候要注意单位的换算，1MPa约等于100米水头高。Increment增量正值为增加，负值为减小。,渗流时间选项: 如果计算需要考虑渗流时间问题,需要进行此项设置：,时间选项,Interative T
11、imes：是计算的迭代次数，这个你保持默认值就行，默认值是2。 Times Span(Day)：是时间尺度，即在非稳态计算的时候，每一个计算步所代表的时间，这个计算步就是rfpa控制中的步，我们非稳态计算采用的时间差分法。 Initial Pressure(MPa) ：是整个模型中初始压力，各个单元的。,控制边界条件设置,执行完网格划分命令就要对用户的模拟区进行控制条件赋值。控制条件涉及的是一些基本条件如：求解的类型是平面应力还是平面应变问题；加载总步数、是否为流固耦合等问题以及重力方向等如下图所示：,其中Cavity element 和 Equivalent force两种计算方法，一般计算
12、采用空单元法，如果考虑的问题和分步开挖加支护的话，选择等效节点力法。,Pressure water承压水和Phreatic潜水，是地下水两种不同的埋藏类型 。 承压水(pressure water) ：埋藏在上下两个稳定隔水层之间 。 潜水(phreatic water) ：埋藏在第一个稳定隔水层之上 。,系统自定义 (self define),系统自定义(self define),图片类型和尺寸(Picture Type Size),结果图类型(Type)：此命令主要是定义在模型计算完成后要显示图形的类型和尺寸。根据研究问题的需要将相应的结果图选项上钩上即可。 图形尺寸(Size)：对系统生
13、成的结果图进行大小设置，选Default默认，系统根据窗口大小随机生成。 矢量单元间隔(Vector element intervals)：因为要表示矢量场，用箭头表示矢量的大小方向，箭头方向为矢量方向，箭头长短表示矢量大小。 位移矢量放大系数 (Displacement vector amplified coeff)：为了计算结果显示的我们能更好的看清以说明问题，对原始矢量大小给予适当的放大。 应力矢量放大系数(Stress vector amplified coeff)：解释同位移放大系数。,注：这些参数定义可在计算运行命令之前执行，也可在计算命令之后执行。,显示步(Show step),
14、显示步(Show step)：此命令在设置重画计算结果图时候设置，设置重画计算步的间隔。也可在input redraw step 下面直接输入要重画的计算步，用英文状态下的逗号相隔。 重画(Redraw)：是系统对计算数据进行重新生成图像的操作，原计算数据不变化，只是新生成的结果图将覆盖和上次生成的名称相同的图形。不同于系统重置(reset)。,系统自定义(self define),声发射图设置(AE Picture Setting),声发射圆大小(Type size)：设置声发射圆大小（代表相对能量或震级大小），Amplified radius是指在原能量圆大小的基础上放大的倍数。 所有步(
15、For all steps)：显示当前所有步的声发射圆。 当前步(For current step)：显示当前单步的声发射圆。 发射圆颜色(AE color)：用声发射圆颜色进行区别单元的破坏是抗拉破坏、抗压破坏、还是抗剪破坏。双击颜色框进行调节。,系统自定义(self define),高级设置(Advanced Setting),主要对破坏后和空气单元的参数进行调整(初学者将词项默认)。分离系数(Detached coeff)：主要为了处理破坏后单元的显示状态，当破坏单元的变形(受拉)达到分离系数指定的变形量时，认为单元已彻底分离，将不在显示此单元，值为1-100。设置为5时，表示当单元的最
16、大变形超过5倍单元原始尺寸时，不再显示此单元。 灰度系数(Gray degree coeff)：是通过去掉高亮度单元来调整总体的亮度范围，值在01之间，其意义为：假设模型单元数为10，000个，灰度系数为0.01，则表示在显示时去掉10，0000.01=100个最亮的个单元级别。 大位移(Large displacement)：是在处理自重问题时，当破坏的单元下落的位移超过设置值时，则认为破坏单元脱离母体单元，值为单元边长的倍数。,系统自定义(self define),变形放大系数(Deformation)：对破模型的尺寸在显示时做放大处理，如有时计算完成后发现模型没有变化则可能是放大系数设置
17、的太小；反之，当计算完成后显示的图形出现全黑时，则有可能是因为放大系数设置过大的缘故。 计算精度系数(Accurate of stress)：表示控制计算精度，如设置为0.0001时，则表示当破坏单元达到总单元数万分之一时，系统不再做当前不的循环计算。,系统自定义(self define),其他设置(Others setting),四、RFPA-Flow渗流版分析问题流程,RFPA计算步骤（三大步）,构造模型（前处理） 1建立工程文档 2网格划分和参数赋值 3插入模型结构 4边界条件 (力、位移、渗流) 5控制条件 (选择渗流问题）,计算 单步运行 连续运行,结果分析 （后处理） 选择渗流图,
18、五、工程中几个渗流问题的RFPA模拟, 孔隙水压力作用下岩石破裂过程RFPA模拟 水压致裂岩石过程的RFPA模拟,RFPA-Flow工程算例（渗流模块）,空隙水压下岩石破裂过程RFPA模拟,试验内容： 考虑孔压作用下岩石的应力-应变曲线 岩石损伤破坏中渗透性的演化规律,孔隙压力对岩石破裂的影响, 对于孔隙和微裂隙中含有重力水的岩石，当其突然受载水来不及排出时，岩石孔隙或裂隙中将产生很高的孔隙压力。这种孔隙压力，减小了岩石颗粒之间的压应力，从而降低了岩石的抗剪强度，甚至使岩石的微裂隙端处由于受拉状态从而破坏岩石的连接。,第1步：模型建立及参数选择,模型：数值模型采用二维平面应力薄板模型。试样模型
19、尺寸80mm50mm ，网个划分为160100个基元 。整个加载过程通过位移加载方式。轴向加载位移增量为s=0.01mm。侧压p2=4Mpa，上下边界孔隙压力p3,p4分别为2.3Mpa,3.8Mpa。左右边界孔隙压力为0。控制步数为100步。 力学性质参数如下表：,表 1 强度准则和相变准则,RFPA数值模型,孔隙压力p4=3.8Mpa,孔隙压力p3=2.3Mpa,侧压p2=4Mpa,侧压p2=4Mpa,轴向位移加载s=0.01mm,第2步：计算,几分钟后,第3步：计算结果分析,N-S曲线、Seepage曲线、AE曲线, 岩石水压致裂过程RFPA数值模拟,试验内容： 含单孔围压作用下岩石水压
20、致裂过程 从孔心到边界应力分布情况 不同均质度时孔边应力分布的指纹图 不同边界压力时破坏裂纹模式、应力分布、流量分布情况,第1步：模型建立及参数选择,模型：为了研究不同均质度时孔边应力分布的光弹图，首先建立一个均匀材料的模型（均质度为100）材料力学参数如下表，再建立一个非均匀材料的模型（均质度为3）。数值模型采用二维平面应力薄板模型。试样模型尺寸100mm100mm ，孔径为5mm。网个划分为100100个基元 。整个加载过程通过压力加载方式。孔压增量为p=1Mpa。水平压力ph=1.0Mpa，垂直压力 pv=4.0Mpa，孔内初始压力为1Mpa.控制步数为50步。力学性质参数如下表：,表 1 强度准则和相变准则,RFPA数值模型,Ph=1.0Mpa,Pv=4.0Mpa,孔内初始压力为1.0Mpa,第2步：计算,几分钟后,第3步：计算结果分析,应力分布指纹图,水压等值线图,水流量图,m=10，计算到第10步的模拟结果图,从孔心到边界应力分布情况,
