（水工结构工程专业论文）水工渗流数值分析软件与裂隙网络的计算机图形处理.pdf

摘要 论文题目：水工渗流数值分析软件与裂隙网络的计算机图形处理 学科专业：水工结构工程 研究生：王科锋 指导教师：柴军瑞教授 摘要 签名： 签名： 随着计算机技术的快速发展，水工渗流数值分析方法也更加成熟。无论是研发、设计 还是施工人员，都更多地考虑岩体的渗流分析，然而目前还没有一个很好的通用软件。开 发一套程序结构合理、易于理解、便于操作、能分析水工各种渗流问题的专业软件具有十 分广阔的应用前景。本文在何萌开发的水工渗流数值分析软件v i s u a ls e e p a g e a n a l y s i s1 0 基础上，遵循软件工程的基本思想，以软件工程设计软件的原则为指导，采用v i s u a lb a s i c 与f o r t r a n 混合编程继续进行开发，形成水工渗流数值分析软件v i s u a ls e e p a g ea n a l y s i s 1 1 。 岩体裂隙网络渗流模型相对接近实际，计算出来的结果也更可靠。近年来，裂隙网络 模拟也越来越受到更多研究人员的关注。但是，当裂隙较多时工作量很大。目前裂隙网络 渗流数值计算完全可以通过计算机程序来实现，然而得到连通裂隙网络却是个繁杂的手工 操作过程，因此目前迫切需要解决的问题是实现裂隙网络的计算机图形处理。本文采用 v i s u a lb a s i c 读取图形文件，通过数据结构的图形遍历算法来实现计算机处理及自动剖分。 本文所做的主要工作包括以下几方面： 1 实现m o n t e c a r l o 模拟裂隙网络图的计算机处理、自动剖分与编号，并保存节点、 线元信息，为下一步渗流分析和耦合分析提供准确数据，提高了效率，大大降低了工作量； 2 为已经编译好的渗流数值分析程序编写可视化外壳程序，并依次添加了改进遗传 算法实现帷幕参数优化、二维渗流场与应力场耦合及完善二维裂隙网络稳定非稳定渗流分 析： 3 完成计算数据的屏幕显示，实现v i s u a lb a s i c 和s u r f e r 软件的接口，并自动绘制等 值线图形： 4 采用v i s u a lb a s i c 中的通用对话框读入前处理生成的文件信息，与软件界面输入 相结合，灵活的实现文件的格式转化、整合及保存，使得软件更方便实用。 本论文以实际工程为例，由工程坝址区岩体地质结构几何要素模拟裂隙网络图形，然 后进行计算机处理输出节点线元信息，并直接应用于二维裂隙网络稳定与非稳定渗流数值 分析中，进行了整个过程的应用演示，验证软件的实用性。 关键词：渗流数值分析；混合编程；裂隙网络模拟；图形遍历；图形处理 西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：t h es e e p a g en u m e r i c a la n a l y s i ss o f t w a r eo f h y d r a u l i ce n g i n e e r i n ga n dg r a p h i cp r o c e s s i n gl n f a r a c t u r en e t w o r kb yc o m p u t e r m a j o r ：h y d r o - p o w e re n g i n e e r i n g n a m e = k e f e n gw a n g s u p e r v i s o r = p r o f j u n r u ic h a i a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： 一 t h es e e p a g en u m e r i c a la n a l y s i so fh y d r a u l i ce n g i n e e r i n gi sb e a o m i n gm o r ea n dm o r e m a t u r e rb yt h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y t h es e e p a g ea n a l y s i si nr o c km a s ss h o u l d b ec o n s i d e r e db yo n to n l yr e s e a r c h e r sa n dd i s i g n e r s , b u ta l s ob u i l d e r , y e tt h e r eh a sn o ta a l l p u r p o s es o f t w a r e s od e v e l o p i n gas o f t w a r e ，w h i c hi sl o g i c a l 、c o m p r e h e n s i b l e 、m a n i p u l a t i v e a n dc a nb ea p p l i e dt oa n a l y s et h es e e p a g eq u e s t i o n si nh y d r a u l i ce n g i n e e r i n g s ，h a sav e r yw i d e f o r e g r o u n d o nt h eb a s i so fs e e p a g en u m e r i c a la n a l y s i ss o f t w a r ev i s u a ls e e p a g ea n a l y s i s 1 0 d e v e l o p e db yh em e n g ，f o l l o w i n gt h ee l e m e n t a r yt h o u g h t sa n df u n d a m e n t a l so fs o f t w a r e e n g i n e e r i n g ，t h ed e v e l o p m e n t o fs e e p a g en u m e r i c a l a n a l y s i s s o f t w a r ev i s u a l s e e p a g e a n a l y s i s l 1h a s b e e np r o c e e d e db yv i s u a lb a s i ca n df o r t r a nm i x e d - l a n g u a g ep r o g r a m m i n g r e c e n ty e a r s ，t h ef r a c t u r en e t w o r ks e e p a g em o d e li sc a t c h i n gr e s e a r c h e r s e y e sm o r ea n d m o r e ，b e c a u s eo fi t sa c c o r d i n g 晰mt h ef a c ta n dc r e d i b l er e s u l t s b u tt h ed e m e r i ti st h a tt h e w o r k l o a dw i ni n c r e a s ew i t ha m o u n t so ft h ef r a c t u r e p r e s e n t l y , t h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o ni n f r a c t u r en e t w o r kc a nb ea c c o m p l i s h e da b s o l u t e l yb yc a l c u l a t i o n a lp r o g r a m m s ，b u tt h e a c h i e v e m e n to fc o n n e c t e df r a c t u r en e t w o r k si sam u l t i f a r i o u sm a n u a lp r o c e s s ，s oh o wt or e a l i z e c o m p u t e rp r o c e s s b e c o m e st h eq u e s t i o nn e e dt ob er e s o l v e di m m i n e n t l y i nt h ep a p e r , t h ep r o g r a m sp r o g r a m m e db yv i s u a lb a s i c ，a r ea p p l i e dt or e a dg r a p h i c sf i l e s ， t h ec o m p u t e rp r o c e s sa n da u t o m a t i cg e n e r a t i o na r ea c c o m p l i s h e db yt r a v e r s a la l g o r i t h m so f g r a p h i c s t h em a i nr e s e a r c h e sa sf o l l o w s ： 1 、t h ec o m p u t e rp r o c e s s 、a u t o m a t i cg e n e r a t i o na n dn u m b e r i n go ft h es i m u l a t e df r a c t u r e n e t w o r kg r a p h i c sh a v eb e e na c h i e v e d ，t h e nt h ei n f o r m a t i o no ft h en o d e sa n de l e m sh a v eb e e n s a v e d ，t o o a l lo ft h e mc a np r o v i d ee x a c td a t a sw i t ht h ef u r t h e rs e e p a g ea n a l y s i sa n dc o u p l e d c a l c u l a t i o n 2 、t h ev i s u a l i z a t i o ns h e l lp r o g r a m so f t h es e e p a g ea n a l y s i sp r o g r a m sw e r ec o m p l e t e d ，a n d t h eo p t i m i z a t i o nc a l c u l a t i o n ，w h i c hp r o g r a m m e db yt h ei m p r o v eg e n e t i ca l g o r i t h m a r ea d d e dt o t h es o f t w a r e ，p e r f e c t i n gt h e2 - dc o u p l i n ga n a l y s i so fs e e p a g ef i e l d s t r e s sf i e l da n dn u m e r i c a l 摘要 a n a l y s i so fs t e a d ya n du n s t e a d ys e e p a g ei nf r a c t u r en e t w o r k 3 、t h ev i s u a l i z a t i o no fc a l c u l a t i o nd a t a s ，t h ei n t e r f a c eb e t w e e nv i s u a lb a s i ca n ds u r f e ra r e a c c o m p l i s h e d ，a n dt h ec o n t o u rm a p sc a n b ed r a w na u t o m a t i c a l l y , t o o 4 、t h ed o c u m e n ti n f o r m a t i o ng e n e r a t e db yp r e p r o c e s sc a nb er e a db yg e n e r a ld i a l o g si n v i s u a lb a s i c ，w h i c hc o m b i n e dw i t ht h ep r i n t , c a l lb eu s e dt or e a l i z ef l e x i b l yt h ef o r m a t t r a n s f o r m a t i o n 、i i n t e g r a t i o na n ds a v eo f t h ef i l e s t h et h o e r ya n dt h o e da r ea p p l i e dt op r a c t i c a le n g i n e e r i n g ，a c c o r d i n gt ot h eg e o m e t r y e l e m e n t so fg e o l o g i c a ls t r u c t u r ei nt h ed a ns i t e ，f a r a c t u r en e t w o r ks y s t e mc a nb ec r e a t e db y m o n t e c a r l om e t h o d t h e nt l l e 恤o u t p u ti n f o r m a t i o no ft h en o d e sa n de l e m sw o u l db ed i s p o s e d ， a n dt h er e s u l t sc a nb ea p p l i e dd i r e c t l yt ot h es e e p a g en u m e r i c a la n a l y s i si nf r a c t u r en e t w o r kb y s t e a d ya n du n s t e a d yf l o w a tl a s t , t h ep r a c t i c a b i l i t yo fs o f t w a r ei sv a l i d a t e db ya p p l y i n gt ot h e p r a c t i c a le n g i n e e r i n g k e yw o r d ：s e e p a g en u m e r i c a la n a l y s i s ；m i x e d l a n g u a g ep r o g r a m m i n g ：f r a c t u r en e t w o r k m o d e l i n g ；t r a v e r s a la l g o r i t h m so fg r a p h i c ；g r a p h i cp r o c e s s i n g 独创性声! 明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，。论文中不包含其他人的研究成果。：与我_ 同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处：，由本人承担一切相关责任 论文作者签名： 学位论文使用授权声明 泐罗年苫月i r 多1 日 、j 一，拼 本人一生建丛鲎耻导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大掣申请博士硕士学位：本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：，1 ) 一已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印，缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后；适用本授权说明) 燃撇：嘲僦名：啤，船z 日 1 绪论 1 绪论 1 1 裂隙岩体渗流发展概述 1 1 1 裂隙岩体渗流 水利工程是控制和调配自然界的地表水和地下水达到除害兴利目的，进行水量的调节 和分配，以满足人民生活和生产对水资源的需要而修建的工程。即为消除水害和开发利用 水资源而修建的工程，它在工农业生产和人民生活中发挥着越来越重要的作用。渗流与稳 定分析成为水利工程计算中的重要组成部分。通过渗流分析，可研究岩体内渗流要素的分 布，从而根据实际情况采取相应措施，以确保工程的安全1 。尤其是在现代高坝工程中， 渗透稳定对工程安全的影响越来越明显，它直接关系到工程的安全以及工程能否充分发挥 效益。渗流力学分析研究内容也涉及到水利水电工程、岩土工程、建筑工程、地下水资源 开发与利用、环境工程、水文地质、工程地质、石油开发、煤炭天然气开发、地热开发、 地震预报与控制、地下工程、以及核废料处理等学科领域，现在渗流力学也已逐渐发展成 具有自己的理论、方法和应用范围的相对独立学科1 2 1 。 水工建筑物，特别是大坝的渗透性成为工程设计、施工及运行管理的最主要的问题乃1 ， 由于渗透引起的大坝的稳定及安全性也显得更为重要。根据对国内外大坝失事实例的分析 可知，几乎所有的大坝工程的失事都和大坝周围的地质有关，而其中很大一部分又与大坝 周围地质体中的渗流有关。例如：1 9 6 4 年巴尔德温山坝( b a l d a i nh j n s ) 由于铺盖与基础接触 面产生渗流破坏而失事；1 9 7 6 年提堂坝( t e t o n ) 由于右岸一个窄段发生渗透破坏，不到6 小时就产生了垮坝事故；1 9 5 9 年法国m a l p a s s e t 拱坝的溃决：1 9 6 3 年意大利v a j o n t 拱 坝库区的大滑坡等都是渗流导致工程失事的典型实例1 4 1 0 根据我国对2 4 座大型水库曾发 生的1 0 0 0 例工程安全问题的统计，其中3 1 7 是由于渗流引起的，这使得渗流对建筑物 的安全和经济合理性的影响成为工程界重视的因素之一5 1 。为满足工程应用领域的需要， 国内外已有不少学者相继从8 0 年代中期开始对裂隙岩体渗流进行试验和理论研究，并在 基本理论、计算方法和应用等方面都得到了极大的发展。近年来，很多国内外学者开始了 这方面的研究工作，并取得了很大方面的进步。 大多数的岩土体情况下，可采用多孔连续介质渗流理论进行渗流分析。但是对于存在 裂隙的土体( 如黄土、裂隙粘土等) 来说，其渗流方法应当采用裂隙岩体分析方法。岩体 裂隙网络是裂隙岩体渗流与应力分析的物理基础1 6 1 。裂隙岩体渗流即裂隙岩体中的流体 通过裂隙的流动，是一种与人类的一些工程活动密切相关的现象，是岩体水力学问题研究 的主要内容之一。将岩体切割的各类结构面不仅是岩体中的软弱面也是岩体中的主要透水 通道，因此对岩体裂隙结构面的研究显得十分重要1 7 1 。但是，由于实际岩体中的裂隙网 络的分布十分复杂，用人为调查方法无法全面的描述岩体系统内的裂隙的展布。自2 0 世 纪5 0 年代开始，许多学者致力于岩体裂隙结构面的研究，并逐渐形成了岩体裂隙网络系 西安理工大学硕士学位论文 统。即先进行岩体露头的裂隙测量，再求裂隙几何要素的概率分布函数，最后采用 m o n t e c a r l o 模拟技术模拟裂隙网络系统。岩体裂隙野外调查经历了产状测量、测线法测 量、窗口测量，从不考虑不连续的形态，发展到要求不连续的迹长、大小、具体位置测量 的过程：其产生和发展基本上和岩体力学的发展是同步的。陈剑平等( 1 9 9 5 ) 噶1 全面地总 结了各国学者对不连续面的几何性质研究的各方面成果9 1 t l o l t l l l t l 2 。从岩体结构统计均 质区划分，不连续面产状数据模拟、产状测量偏校正，不连续面的大小及密度模拟， m o n t e c a r l o 模拟及模型检验等几个方面系统地提出了随机不连续面三维网络的计算机原 理，具有较强的可操作性。 裂隙网络系统是指岩体系统内不同成因类型、不同力学性质、不同规模和不同方法的 裂隙个体在空间上互相交叉构成的网络状系统。裂隙网络系统具有非均质性和各向异性。 由于裂隙网络系统中阻水裂隙的存在，以及裂隙的切穿性差，引起裂隙中水流断续分布。 这些互不相通的裂隙或阻水裂隙的网络称为非连通网络。由于裂隙网络中裂隙的隙宽大小 差异，引起绝大部分水流集中在裂隙较大的少数裂隙内。这种现象被田开铭教授称为“裂 隙水偏流效应 。切尔内绍夫把裂隙网络分为三类三型，即根据裂隙的定向排列的相互关 系，把裂隙分为系统裂隙网络，多角形裂隙网络和混乱类裂隙网络。一级裂隙末端相互配 置的性质和岩体受裂隙的切穿程度，又将裂隙网络分为连续型、断续型和片断型t 1 3 1 。在 实际中，系统类型裂隙网络较多。随着计算机技术的发展，数值方法在渗流分析中得到越 来越广泛的运用。用蒙特卡洛法( m o m e c a r l om e t h o d ) 进行节理裂隙的模拟引起了广泛关 注，并在实际工程中得到运用，而它与其他数值方法相结合得到发展。它是由冯诺伊曼 ( y o nn e u m a n n ) 和乌拉姆( u l a n ) 提出来的，是将统计过程中所确定的物理状况在计算机上 用随机数进行模拟。根据实际裂隙的测量( 包括裂隙间距、隙宽、迹长、倾向和倾角等) ， 求裂隙几何要素的概率密度分布函数关系，再用蒙特卡洛法模拟，模拟出比较结合实际的 裂隙网络。这种方法称为裂隙网络的生成技术。 裂隙网络模拟技术逐渐推广，应用到三维裂隙模拟、大坝一地质体系统渗流场与应力 场耦合、大坝一地质体系统渗流场与温度场耦合及多场耦合中去。近十多年来，随着西方 工业发达国家核电等核工业的不断发展，常需要大量核废料进行深埋处理。所以，评价核 废料深埋对地下水环境的污染和处理核废料的选址等都要求对裂隙岩体渗流作深入细致 的研究。另外，对于石油二次开采也迫切要求进行裂隙岩体渗流应力问题实验和理论的研 究。其数学模型出现了更精确的离散裂隙岩体模型，使得模拟裂隙岩体渗流得到更深入发 展，即把人为难以勾画的裂隙网络系统通过样区裂隙几何要素的测量，采用m o n t e c a r l o 技术模拟出来，当去除不连通裂隙后，形成连通裂隙网络，把裂隙交叉点作为节点，节点 与节点之间的裂隙称为线单元，各线单元流向共同节点的流量等于零( 稳定流) 或者等于 储存量的变化靓( 非稳定) ，依次建立渗流方程式。 运用实测到的样区裂隙，通过随机模拟技术生成二维裂隙网络。而模拟生成的裂隙网 络图需要形成连通裂隙网络并得到节点坐标、节点编号及线元编号，这是一个繁杂耗时且 2 1 绪论 容易出错的过程。实现用计算机对模拟生成的裂隙网络图形进行处理，并自动生成节点坐 标、节点编号及线元编号等，依次建立节点流量方程式，进行渗流计算，开发实用而简单 的软件系统是一种必要。 1 1 2 岩体渗流数值模型的研究现状 在数学上处理岩体渗流主要有以下三种模型：等效连续介质模型，裂隙网络模型，双 重介质模型。 a 等效连续介质模型 等效连续介质模型是将裂隙中的水流等效平均到整个岩体中，将裂隙岩体模拟为具有 对称渗透系数张量的各向异性连续体，然后利用经典的连续介质理论进行分析。s n o w 钔， l o n gt l s i ，o d a 1 们、张有天1 7 1 和田开铭n 3 1 等都相继对此进行了研究。 等效连续介质模型的突出优点是可以沿用各向异性连续介质理论进行分析，无论在理 论上还是在解题方法上均有雄厚的基础和经验，而且不需知道每条裂隙的确切位置和水力 特性，对于那些不易获得单个裂隙数据的工程问题不失为一个很有价值的工具。对于岩体 稳定渗流，只要岩体渗流的样本单元体积( r e v ) 存在且不是太大，可以采用等效连续介 质模型作渗流分析，孔隙岩体以及破裂岩体一般也都可以作为连续介质处理。对于裂隙岩 体的连续介质模型中的渗流，处理方法是将裂隙中的水流平均到岩体中，从而得到岩体渗 透系数张量。通常确定等效渗透系数张量的方法有：现场压水试验法、反演法、几何形态 法。对于实际岩体，其中的裂隙分布具有随机性，因此首先需对裂隙分布进行统计分析， 将岩体中的裂隙概化成几组典型的裂隙面，然后再利用s n o w 们方法求得等效渗透系数 张量。在实际工程中，由于很难准确测得裂隙系统的几何参数，也不易定量考察裂隙大小 和连通度对岩体渗透系数张量的影响，因此，几何形态法只能确定渗透系数张量的初值， 而最后还需通过水力试验或反演法进行校正。 l o n g 卯对等效连续介质模型的有效性进行进一步的研究，将裂隙岩体模拟为连续介 质需具备两个条件：样本体积存在，即随着试验体的微小增加或减小，等效渗透性只有细 微变化；存在对称的等效渗透系数张量。而衡量裂隙岩体是否具有对称渗透系数张量的方 法是测定其方向渗透率。此外，l o n g 还研究了裂隙几何参数对渗透特性的影响，认为裂 隙方向为随机分布，裂隙宽度为定值，裂隙网络愈密，连通途径愈多，就愈接近某种等效 各向异性连续介质。 b 裂隙网络模型 裂隙网络模型的研究开始于二十世纪八十年代初，许多研究者在解决核废料深埋处理 的渗流问题时，发现传统的等效连续模型很多时候不能满足工程需要，因此转而谋求用离 散的裂隙网络方法来模拟裂隙岩体中的渗流和溶质运移。 裂隙网络模型是在搞清每条裂隙的空间方位、隙宽等几何参数的前提下，以单个裂隙 内水流基本公式为基础，利用流入和流出各裂隙交叉点流量相等的原则建立方程，然后通 过求解方程组获得各裂隙交叉点的水头值。裂隙网络模型的主要研究者有w i t t k e 9 j ，l o u i s 3 西安理工大学硕士学位论文 2 0 1 、毛昶熙2 1 1t 2 2 1 w i l s o n 1 2 3 1 l o n g 11 5 n o r d q v i s t1 2 4 1 d e r s h o w i t z1 2 5 1 万力 2 6 1 王媛 t 2 7 1 矗盘 可 w i t t k e 和l o u i s 首先提出了类似于电路分析中回路法的网络线素法；毛昶熙提出了类 似于水力学中水管网问题的缝隙水力网模型；w i l s o n 和w i t h e r s p o o n 则分别以三角形单元 模拟不规则裂隙的通道或线单元模拟岩体中的裂隙，提出了模拟二维裂隙网络水流的两种 有限元技术。采用三角形单元，是将裂隙中的渗流按二元处理，它能够考虑裂隙交叉点的 水头损失，即偏流效应。而采用线单元是将裂隙中渗流按一元处理，结点少、简单方便是 它的最大优点，因此适用于大型问题。w i l s o n 还通过算例表明裂隙交叉点的水流干扰是 可以忽略的，从而阐明了采用线单元的优越性和可行性。对于三维问题，l o n g 首先提出 了三维圆盘裂隙网络模型，并采用混合解析数值方法对此进行了求解：n o r d q v i s t 等还提 出了三维变隙宽裂隙网络模型；d e r s h o w i t z 则提出了三维多边形裂隙网络模型；万力等将 之其有限元结合，进一步提出了三维裂隙网络的多边形单元渗流模型。 存在于自然界中的岩体，通常都包含有大量不连续分布的结构面。这些结构面的分布 状况对岩体的力学特性起着重要的控制作用。在工程实际中，岩体结构面的分布情况是极 为复杂的，但是从统计意义上讲，反映岩体结构面分布特征的几何参数( 间距、倾向、倾 角、迹长等) 则是服从一定统计规律的。因此我们可以通过现场调查和室内统计分析，建 立结构面几何参数的概率统计模型，进而应用m o n t e c a r l o ( 蒙特卡洛) 随机模拟原理和 方法，在计算机上求得表征结构面分布特征的节理网络图像。模拟出的岩体结构面网络图 并不是岩体节理的真实图像，它只是对真实图像的一个随机抽样。根据m o n t e c a r l o 原理， 随着随机抽样数目的增加，在模拟图像上获得的有关信息的平均值，将逐步逼近该信息的 真实值。 在平面上，裂隙由具有一定张开度的线段来表示，这些线段在平面内相交，就形成了 二维裂隙网络。按照l o u i s 提出的线素法，平面网络由线单元组成，从各线单元流向共同 结点的流量和为零，从而建立方程求解1 2 5 1 。这种模型更接近实际，计算出来的结果更可 靠，但是它存在一个缺点就是需要建立真实裂隙系统而且当裂隙较多时工作量大。随着近 年来计算机的发展，使得裂隙网络数值计算得到很快的发展。我们现在更迫切需要解决的 是模拟图形后的处理工作，本文将对m o n t e c a r l o 模拟裂隙网络图形进行计算机处理与自 动剖分，并输出所要求的节点、线元信息，从而降低工作量。 c 双重介质模型 双重介质模型除考虑裂隙网络外，还将岩块视为渗透系数较小的连续介质，研究岩块 孔隙与岩体裂隙之间的水交换。这种模型接近实际，但数值分析工作量也较大。双重介质 渗流模型是把岩体看作由孔隙和裂隙组成的双重介质空隙结构，孔隙介质和裂隙介质均布 在渗流区域内，形成连续介质系统。在该系统内，孔隙介质储水，裂隙介质导水，由于裂 隙介质的导水作用，在双重介质系统内形成两个水头，即孔隙介质中水头和裂隙介质中水 头，两种介质之间通过水流交换项联系。双重介质可分为狭义双重介质和广义双重介质。 4 1 绪论 狭义双重介质被定义为孔隙介质与裂隙介质共存于一个岩体系统中形成的具有水力联系 的含水介质；而广义双重介质则被定义为等效连续介质与非连续裂隙网络介质共存于一个 岩体系统中形成的具有水力联系的含水介质。这里的连续介质可以是均质各向同性或非均 质各向同性的孔隙介质，也可以是由密集裂隙构成的具有非均质各向异性渗流特点的裂隙 网络介质；非连续介质是连通或部分连通的裂隙网络介质。广义双重介质模型的定义考虑 到裂隙系统的发育特征和分布规律，更重要的是考虑了裂隙岩体渗透机制。王恩志1 根 据岩体裂隙系统发育规律及其渗流特征，提出了双重裂隙渗流原理，将裂隙网络渗流理论 模型变成能详细描述主次裂隙系统渗流机制的裂隙渗流实用模型。 1 1 3 岩体渗流分析方法 渗流力学的研究内容广泛，特别是应用研究设计的领域很多，作为- f - j 理论性与实用 性很强的学科，渗流力学的研究方法有以下几种1 3 0 1 ： a 渗流力学的地质研究方法 由于渗流体及介质( 主要是岩体) 系统均处于一定的地质环境中。对地质环境研究的 一个重要方法就是地质分析法。通过地质分析定性判断介质系统的空隙空间及流体赋存条 件，地质条件等。通过地质条件分析加以合理的概化，再抽象出岩体系统概念模型( 包括 岩体力学概念模型和岩体介质渗流模型) 。 b 室内与野外实验方法 通过实验来揭示岩体内地下水运动机理及岩体渗流与应力的关系，测定岩体力学参 数。室内实验包括试样的渗流力学参数试验和整体渗流模型试验( 一般采用电网络法) 两 大类，野外试验包括确定渗流力学参数的抽压水试验及原位试验。随着测试新技术的应用， 渗流力学实验方法也得到很大的发展。 c 数学模拟方法 由渗透流体的运动规律出发，建立渗流力学的数学模型( 控制方程般为偏微分方程 或偏微分方程组) ，并讨论各种定解条件，( 初始条件和边界条件) 下数学模型的解。由于 问题的复杂性，渗流力学的数学模型仅在简单理想的定解条件下有解析解。对于实际应用 来讲，一般要采用近似的数值求解方法( 如有限差分法、有限单元法、边界元法、耦合数 值求解方法等) 还有近些年来许多学者针对所研究问题的不同特点、研究和提出了能集合 上述数值的杂交元法( h y b r i de l e m e n tm e t h o d ) 使实际问题得到更加合理的解决。 d 系统分析方法 进行岩体渗流分析时要体现系统分析思想，即研究岩体渗流问题时要考虑岩体结构特 征，岩体结构对地下水的控制作用，岩体变形对地下水运动的影响，岩体应力场与岩体渗 流场及工程荷载耦合作用下，岩体的变形及破坏特征。评价工程安全时候，要考虑岩体的 应力场分布与地下水渗透力的作用t 3 1 。由于问题的复杂性，渗流力学的研究目前仍存在 一些“灰色地带 。系统分析法就是将渗透流体以及介质看作一个“灰色 系统，分析系 统在输入作用下的输出响应，经数据处理和数学计算，估计出系统的数学模型。 s 西安理工大学硕士学位论文 1 2 水工数值分析应用软件开发的现状 1 2 1 可视化技术 计算机的出现带来了二十世纪的一场重要的技术革命，它的巨大意义在于继实验方 法、理论方法之后引进了第三种科学手段计算。科学计算作为一门工具性、方法性、 边缘性的新学科，已经确立和得到发展，并已在各种科学与工程领域中形成了计算性学科 分支，如计算流体力学，计算力学，计算物理等1 3 1 。 当前科学工程计算领域发展十分迅猛，高性能微处理器、新的硬件体系结构及支撑软 件中的高级技术的发展为建立更复杂的数学模型，进行更复杂的数值计算提供了可能。科 学计算的主要特点是具有很高的数值计算要求和计算过程中产生海量的数字信息；研究人 员的主要任务就是洞察隐含于数据中的规律和特点，从而获得对研究对象的认识和理解。 在科学研究和知识传播中，图形和图像是一种早已广为采用的显示和解释统计数据的基本 手段，但随着时代的发展和科学技术的进步，在许多领域中统计数据量的激增已经远远超 出现有的数据处理能力。面对海量的数据，传统的数值分析方法和辅助显示与解释统计数 据的技术远不足以承担这一工作；科学研究也发现人脑的神经细胞有一半以上用于处理和 理解视觉输入。 因此，人们希望借助一些工具和手段，以直观形象的方式将数据完整、准确地表现出 来，在这种工程需求背景下，可视化技术应运而生。可视化在科学中的应用已经形成“科 学可视化一这一独特学科。科学可视化是一门为计算机辅助可视化而进行工具、技术和系 统地开发有关的科学，它着重研究可使计算机与可视化信息的领悟、利用和传递之间相协 调的人和计算机机理。 可视化( v i s u a l i z a t i o n ) 技术是利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或 图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。它涉及到计算机图形学、 计算机视觉、计算机辅助设计等多个领域，成为研究数据表示、决策分析等问题的综合技 术1 3 2 。1 9 8 7 年，美国国家科学基金会( n s f ) 在一个研讨会的报告中正式给出了科学计算 可视化( v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g ) 的定义、覆盖领域及近期与长期的研究方向。 科学计算可视化是研究如何把科学计算中产生的数字信息转换成直观的、图像和图形信 息，如何将随时间和空间变化的物理现象或物理量形象地呈现在研究者面前，以获得对数 据的理解与洞察。科学计算可视化是计算机图形学和图像处理技术应用于计算科学的学 科。从此可视化从计算机图形学领域中独立出来，成为一个专门的研究领域。可视化作为 - i - j 新兴学科，已广泛地应用于地球科学、太空探测、气象学、海洋学、生物学、医学、 数学、计算流体力学和有限元分析等众多的科学与工程领域，成为科学研究中分析和理解 各种自然现象的强有力的工具1 3 3 11 3 4 1 3 5 。 在岩体裂隙网络的研究过程中，由于地质岩体环境的隐蔽性与复杂多变性、施工过程 中灾害事故的突发性以及对环境影响的控制难度，地下工程施工与管理的难度就必然有别 6 1 绪论 于地面工程。对于地下工程大量复杂信息的了解和掌握更多的是通过数值模拟，虽然图形 可视化已经是一项比较成熟的计算机技术，但是由于裂隙岩体可视化的研究总是和具体的 模拟方法和数学模型研究相结合，因而选择合适的模拟方法和建立合理的数学模型，结合 编程语言进行自主开发是目前渗流数值分析可视化的基本方法。 在进行渗流以及多场耦合分析数值计算的时候，必然存在一个求解方法和速度的问 题。随着研究区域的不断扩大和离散单元的增大，将大量增加计算量，在很多方面出现耗 费较多的时间，由此出现了较快获取求解速度的图形处理与人工智能化剖分的很多应用方 法。从软件的前后处理来说，其研究的内容涉及到了不同的学科，主要包括了计算机图形 学、数据可视化、数据库、混合编程语言、s u r f e r 等很多方面的知识和内容。 1 2 2 水工软件开发现状 近年来各行各业的面向实用的软件系统的开发工作进展很快t 3 6 1 1 3 7 | ，在水工结构分析 方面1 3 8 1 1 3 9 3 , 面向工程的实用软件或软件系统的开发和应用主要有两个方面，一是针对特 定的工程问题所开发的系统，如边坡、土石坝施工控制，混凝土坝浇筑时的温度控制，隧 洞施工控制等。由于自然条件、结构型式和施工过程的复杂性，同时往往由于监控资料有 限，这类软件的应用目标和对象一般还不得不进一步专用化，如对土石坝，仅用于依据反 馈分析信息，修改断面或控制粘土心墙的施工进度；对混凝土坝的温度控制，分析对象还 仅限于某一种坝型，甚至限定于某一个工程；对隧洞的_ 旌工反馈，分析对象仅限于易出事 故的软岩和相对比较简单的工程和地质条件等。二是作为大型水利工程安全监控系统中的 结构反馈分析子系统。作为运行期系统内部的结构反馈分析子系统，它的分析对象仅限于 观测仪器布置充分的关键部位，基本任务是通过分析结构异常时的转移特性，初步分析结 构是否异常，进一步的判断需要通过综合推理子系统去实现。 上述两方面的软件系统的开发和应用与一般的结构分析软件相比有许多不同的特点。 从实用的角度来说，这种系统的服务对象，将常规结构分析的工况计算扩展到某一具体工 程问题的综合反馈分析，而系统的用户从研发人员扩展到设计和现场施工人员。因而，如 何开发这种面向工程的实用软件系统是一个值得探索的课题，即有必要研究如何利用现代 计算机技术把现有科研成果逐步转化成能直接供设计和施工人员使用的实用工具啪1 。 目前有限元软件已进入商业化的时代，从早期的s a p s 到当前的a n s y s ，a b q u s 都拥有众多的用户。这些软件功能强、使用方便、使用面广。虽然通用有限元软件的发展 已经很成熟了，但是仍然不能包罗万象。特别是在水利工程中，由于岩土材料极其复杂， 而有限元法分析结果的可靠性又直接受这些材料模型的影响，所以目前水利界还没有公认 的通用有限元法应用软件。 在水工渗流数值分析计算方面，目前也还没有一个很好的通用计算软件。因此，开发 一套实用的、并且能分析水工各种渗流问题的软件就具有十分广阔的应用前景。我们要开 发水工渗流数值分析应用可视化软件，为已经编译好的渗流数值分析程序编写可视化外壳 程序，实现语言的混合编程1 4 1 1 同时解决前处理中的人工智能的图形处理及自动化剖分， 7 西安理工大学硕士学位论文 并生成数据文件；解决后处理中的数据自动绘制图形功能。减少大量繁杂的手工或半手工 操作，进一步完善渗流数值分析程序的软件化。 1 2 3 水工渗流数值分析软件开发现状 在传统的水利工程中，f o r t r a n 以其优异的数值计算能力而被广泛运用。可是图形处 理能力差、人机交互界面不佳的缺点限制了f o r t r a n 语言的发展，对其数值计算程序的推 广带来了很大的不便；而v i s u a lb a s i c 是一种可视化的编程工具，其界面设计、数据库管 理等功能十分强大，且简便快捷m 川3 h 棚。避免各自的缺点充分发挥各自的优点，何萌1 将两种语言有机的结合在一起，运用f o r t r a n 和v i s u a lb a s i c 混合编程技术，开发出了界面 友好的水工渗流数值分析应用软件v i s u a ls e e p a g ea n a l y s i s l 0 ，可以完成二维、三维有限 元网格剖分，生成二维裂隙网络模拟图以及进行简单的渗流数值分析。此软件可以很好地 解决某些问题，具有一定的实用价值。他提出的思想与方法也为开发水工渗流数值分析软 件、合理利用前人积累起来的大量f o r t r a n 数值分析程序提供了一条可借鉴的途径。但是， 水工渗流数值分析软件v i s u a ls e e p a g ea n a l y s i s l 0 只是建立了一个雏形，很多需要改进： ( 1 ) 程序界面需要进一步的美化； ( 2 ) 有限元网格剖分程序只能剖分比较规则的几何形状。 ( 3 ) 岩层裂隙的划分单元及单元编号未实现自动化，只能使用手工划分。 ( 4 ) 软件上很多只是预留的空间和接口，仅能进行简单的渗流计算，其界面输入很 有局限性。 1 3 研究目的、方法和内容 1 3 1 研究目的 目前渗流分析的核心在于计算，很多专业人士在其各自领域内都积累了大量的程序及 开发经验。但是各人应用的方法不同，涉及到的研究内容相应也有区别，其解决的问题也 就有所差别。由于绝大多数程序是用f o r t r a n 语言编写，缺乏统一的输入输出格式、图形 前后处理界面较差不便使用等诸多方面原因，使得很多程序只是少数人的“艺术品一。纵 观国际上一些较为流行的大型通用有限元分析软件，如s u p e rs a p ，m a r e ，n a s tr a n , a d i n a 等程序，其核心计算程序均是用f o r t r a n 写成，然后配以专用的前后处理程序。为了更好 的利用前人成熟的核心计算程序，充分利用现有计算机发展的新技术，继续采用混合语言 编程的方法开发水工渗流数值分析软件。 对于图形网格剖分及编号，目前大部分情况是手工操作处理，工作繁杂耗时且容易出 错。针对这种情况，在软件开发前处理中实现人工智能的自动化剖分和图形处理；并使得 生成处理后的数据，运行模型调用f o r t r a n 程序，再由后处理完成结果的显示与查看。分 析计算完全在后台操作，前