Flac3D流固耦合計算初始滲流場設置方式探討

梁 坤

(河北省石家莊水文勘測研究中心，石家莊 050000)

0 引 言

降雨發生時，雨水沿邊坡不斷下滲，邊坡表層土體逐漸飽和，土體自重增加，孔隙水壓力增大，有效黏聚力和有效應力降低，土體抗剪強度減小，發生剪切滑移破壞。由此可以看出，降雨入滲是建立在初始狀態下的入滲過程，降雨條件下均質土邊坡的變形和穩定性變化與初始孔壓場的分布密切相關。大量學者對均質土邊坡在降雨條件下的穩定性進行了研究。陳育民等認為FLAC3D擁有強大的流固耦合功能，他們特別提倡采用FLAC3D進行相關流固耦合分析[1]。該數值模擬軟件尤其受到學者們的青睞。初始孔壓場的設置是一個普遍關注的問題，學者們在建模時，對初始孔壓場的設置均未有特別說明或專門設節討論。Liakopoulos砂柱試驗作為經典試驗，已為眾多學者所認可，并被用來作為對其所構建數學模型的驗證。SCHREFLER等兩度使用Liakopoulos砂柱試驗對其所開發的滲流數值解法進行驗證，并證明了其提出的數值解法的正確性，推動了滲流計算力學的發展[2-3]。吳俊杰等分析了土體不完全飽和時，土中基質吸力對邊坡穩定性的影響，指出降雨作用影響邊坡穩定性正式由于土體在降雨作用下逐漸飽和，土中基質吸力消失的緣故[4]。謝強等通過FISH語言開發了FLAC3D的非飽和滲流模塊，并采用土質邊坡的穩定性進行了驗證[5-6]。蔣中明等采用FLAC3D軟件自行開發了不完全飽和滲流計算模塊，對軟件邊坡的穩定性進行了研究[7-8]。鄧思遠等結合前人研究成果，對FLAC3D的流固耦合模塊計算原理進行了討論[9]。

文章利用Flac3D數值模擬軟件對Liakopoulos砂柱試驗中的重力排水試驗的初始孔壓場的兩種設置方法進行了探討，比較了模型配置與不配置流體計算模式下的兩種方法設置的初始孔壓場的計算結果。通過對結果的視覺呈現效果的比較分析，發現采用“zone gridpoint initial pore-pressure”的方法對初始孔壓場進行設置在后續模擬計算過程中視覺呈現效果較好且不會給使用者帶來困擾，建議采用該方法，結論可為學者們采用Flac3D軟件進行流-固耦合模擬設置初始孔壓場時提供參考。

1 Flac3D流固耦合簡介

Flac3D是基于有限差分方法進行的數值計算軟件，能夠進行土質、巖石和其它材料的三維結構受力特性模擬和塑性流動分析。通過調整三維網格中的多面體單元來擬合實際的結構。單元材料可采用線性或非線性本構模型，在外力作用下，當材料發生屈服流動后，網格能夠相應發生變形和移動(大變形模式)。Flac3D采用了顯式拉格朗日算法和混合-離散分區技術，用于數值研究連續三維介質達到平衡或穩定塑性流動時的力學行為。觀察到的反應一方面來自于一個特定的數學模型，另一方面來自于一個特定的數值實現，能夠非常準確地模擬材料的塑性破壞和流動。由于無須形成剛度矩陣，因此，基于較小內存空間就能夠求解大范圍的三維問題，被廣泛應用于各種復雜的巖土工程項目的數值分析中。

巖土工程問題大多涉及地下水，Flac3D軟件由于其具有強大的流固耦合功能而廣泛受到從事巖土工程研究的學者們青睞，但是流固耦合又是Flac3D中最為復雜的功能，主要用于解決完全飽和或處于地下水位以下土層的滲流問題。Flac3D可以模擬流體在多孔介質中的流動，如地下水在砂土地層中的滲流，模擬中忽略毛細作用，將地下水位以上區域孔壓設置為0。

2 模型構建

Liakopoulos砂柱重力排水試驗采用直徑為10cm，高為1m的均勻壓實的Del Monte砂柱，側面由有機玻璃板組成的圓筒環繞而成，底部設置透水石，沿高度在不同位置處設置張力計來連續測量流體張力，如圖1所示。在試驗開始前(t=0-)，在模型的頂部始終保持有水狀態，直到底部水能夠以一定的出滲速率穩定滲出，由此建立穩定滲流狀態。在t=0+時，停止土柱頂部的水源，并讓賦存于土柱中的水在重力作用下通過底部自由地逸出。試驗中連續記錄不同位置處的張力以及底部的瞬時排水速率。

采用邊長為0.05 m的等邊長六面體劃分網格。數值計算以t=0-時的狀態為初始條件，即穩定滲流狀態下的靜水壓力條件，并且處于力學平衡狀態。邊界條件為：試樣頂部、側面為不透水邊界，底部為透水邊界，固定底部孔壓為0；底部為全約束，即x,y,z三個方向的位移均為0，側面為法向約束，即x,y方向的位移為0。

圖1 Liakopoulos砂柱重力排水試驗裝置

3 計算結果

3.1 初始孔壓場生成

模型配置流體計算模式條件下，但是流體計算不打開時，初始孔壓場生成有zone water plane和zone gridpoint initialize pore-pressure兩種方式，在邊界條件、初始應力、材料特性均設置相同的情況下，采用兩種初始孔壓場生成方式，觀察生成初始孔壓場的差別及對計算時間的影響，結果如圖2所示，表明：①兩種生成初始孔壓場的方式生成的初始孔壓場相同，但zone water plane方式有水位面的存在；②其他條件相同的情況下，兩種生成初始孔壓場的方式對計算時間無影響。

(a)zone water plane結果 (b)zone gridpoint initialize pore-pressure結果

3.2 重力排水試驗

保證砂柱頂面持續水流流入砂柱，水流在自重作用下沿砂柱向下滲流，形成穩定滲流后，停止砂柱頂面的水流供應，此時，讓砂柱中的水在自重作用下向下滲出，沿砂柱不同高程處均勻設置10個張力計測壓管，測量不同高程處的張力值，比較上述兩種生成初始孔壓場方式對后續計算過程和結果的影響。

上述2種方式生成初始孔壓場后，經過相同計算時間，孔壓場云圖結果如圖3所示，zone water plane命令生成初始孔壓場后，在后續計算過程中，始終有水位面存在，且水位面位置不發生變化，這與砂柱重力排水試驗水位面在不斷下降的實際情況相悖，水位面的存在始終給用戶一種錯覺：水位面始終在最頂面，沒有變化。這給使用者和讀者都帶來極大的困擾，十分不便于理解。zone gridpoint initialize pore-pressure命令生成初始孔壓場后，在后續計算過程中，沒有水位面存在，且在經過相同的計算時間后，生成的重力排水試驗云圖和zone water plane命令生成初始孔壓場后經過相同的計算時間生成的重力排水試驗云圖相同，計算過程中，不存在水位面，使用者和讀者可根據孔壓云圖的不斷變化分析水位面隨著重力排水試驗進行的變化，這與重力排水試驗的實際情況也更為相符，便于使用者和讀者進行理解，采用Flac3d進行流固耦合模擬時建議采用該方法。

(a) zone water plane結果 (b)zone gridpoint initialize pore-pressure結果

4 結 論

經過模擬計算，得出如下結論：

1)模型配置流體計算模式時，zone gridpoint initial pore-pressure和zone water plane 兩個命令均可用來對模型的初始孔壓場進行設置，這與模型是否打開流體計算模式無關。

2)模型配置流體計算模式，只需要指定材料的干密度，未配置流體計算模式時，需要對位于水位面以上的材料指定干密度，水位面以下的材料指定飽和密度(ρd+ρwθs)。

3)模型配置流體計算模式，且流體計算模式打開時，才需要對流體的屬性進行設置。

4)在其他條件相同的情況下，zone gridpoint initial pore-pressure命令所構建的孔壓場在模型計算時不出現水位面，便于用戶和讀者理解，建議在采用Flac3d軟件進行流固耦合模擬時采用該命令構建初始孔壓場。