基于統一場景的重力壩極端動力災害鏈傳遞混合模擬方法

張社榮,張耀飛,王 超,王梟華

(1.天津大學水利工程智能建設與運維全國重點實驗室,天津 300072; 2.天津大學建筑工程學院,天津 300072)

作為推動新階段水利高質量發展的6條實施路徑之一,智慧水利建設需要以數字化、網絡化、智能化為主線,以數字化場景、智慧化模擬、精準化決策為路徑,具備包含預報、預警、預演、預案在內的“四預”功能體系。其中,如何完成數字化統一場景的搭建,開展高保真的智慧化全過程模擬并輔助決策是智慧水利建設的重點攻關難題。同時,面向2035年的災害事故智慧應急科技發展戰略指出,重大工程的非線性、強耦合行為以及損傷、破壞、倒塌演化全過程的監測、試驗、建模、計算、控制和設計等研究還存在著許多尚未解決而又亟須解決的關鍵科學問題[1],如災害鏈傳遞原理不清晰、缺少能夠支撐統一場景的災害鏈演化仿真工具、多領域仿真工具難以相互集成、多機理模型驅動下的耦合仿真無法形成數據通路等。此外,跨領域、多災種、全流程的風險分析與評估系統研發不足,遠不能滿足未來經濟社會發展對應急管理精準化水平的實際需求。面向大規模災害的計算分析工具欠缺,特別是災損評價的精準化計算方法和工具,無法滿足智慧應急對相關參數精準度的需求。基于多尺度實驗、大計算、大數據的高度融合來研發重大綜合災害耦合實驗和模擬技術,構建具有高度智能化的情景推演和綜合分析平臺,是國家公共安全保障的重大需求[2]。

由于重大綜合災害耦合效應的復雜性,往往無法將涉及多相多場的災害鏈順次進行連續性數值模擬。例如,對于重力壩壩體的極端動力非線性分析結果,盡管可以給出壩體的損毀位置、損毀程度和破壞模式等信息,但對結構損毀后的塊體運動、庫水下泄和洪水演進過程,由于軟件接口及效率限制,很難使用多種數值模擬方法進行統一場景下的連續性模擬。因此,完全依賴數值模擬方法實現樞紐尺度極端工況的動力災害鏈傳遞全過程模擬具有很大難度。同時,對自然災害和極端事故災害的效應場景預演和預測,也不能一味追求可視化的場景表達而忽視災變過程的物理機制。

在計算機圖形學方面,結構的損毀、損毀體的剛體運動、流體性態等都可以很好地用數值模擬軟件模擬表達,然而模擬的精細程度要求越高,這種效果的表達受到的制約越多且耗時越長。因此,精細化尤其是多元耦合(有限元及離散元)情況下的數值模擬方法更易受到計算效率限制,并不適合用于工程尺度和實時模擬。目前,基于物理引擎的模擬方法被很多學者關注。物理引擎[3]是模擬環境中物體運動、場景變化、物體與場景間、物體與物體間交互作用和動力學特性效果的軟件,專門用來模擬場景中復雜的物理運動,如破碎、水流沖擊運動、流體運動等。物理引擎在建筑垮塌全過程視景模擬[4]中已經得到較好的應用,基于物理引擎的建筑物垮塌過程模擬,是蘊含物理力學機制的科學性和可視化表達實時性的統一,給水利水電工程領域自然災害和事故災難的監測與預警、風險評估與預防、應急處置與救援、綜合保障等環節帶來了新的思路。

針對重大綜合災害耦合模擬問題,國內外學者已經取得了一些研究成果。例如:在情景推演技術方面,美國國土安全部提出了15種重大突發事件情景[5-6];Heginbotham等[7]開展了戰略層面的情景推演研究;鄧青等[2]提出了基于增強的真實操作、虛擬模擬、構造模擬(E-LVC)技術的重大綜合災害耦合情景推演方法,以及多尺度實驗、大規模計算、大數據分析、現場態勢的綜合集成分析方法,實現了虛實增強的重大綜合災害情景的四維建模;杜志強等[8]基于三維粒子系統,進行了雪災模擬與實時繪制;王豪等[9]引入物理引擎技術,構建了崩塌動力學理論與計算機模擬技術之間的對應關系,研發了基于Unity3D的崩塌運動過程三維模擬系統,模擬了崩塌運動過程中撞擊碎裂物理過程;郭晶晶[10]基于破碎動力學,結合PhysX物理引擎和RealFlow流體動力學模擬軟件對水閘倒塌后的水流演進過程進行了場景模擬;張景奎等[11]應用三維可變形離散元程序(3DEC)及其強大的二次開發功能,進行了高拱壩地震災變破壞機理與潰壩仿真分析;王乃欣[12]基于3ds Max、RealFlow等軟件將建筑物模型、三維地面模型等進行融合,再現了土石壩潰口發展、邊坡坍塌、洪水研究的全過程模擬。可見眾多學者已開始對重大綜合災害耦合模擬方法進行探索,但是這些研究大多還停留在對軟件的應用上,對災變過程的物理機制考慮較少,對災害鏈傳遞在模擬過程中的體現較淺,同時在模擬過程中多采用人工方式來建立和修改模型,使得模型的精度較低且建模過程費時費力。此外,物理引擎在流體模擬方面更適合高擬真度視景動畫的生成,與計算流體力學軟件有一定差距,其科學性有待考證。但Zheng等[4]研究證明,物理引擎在塊體碰撞運動模擬過程實時化方面相對于數值模擬工具來說具有更加高效的優勢且較為真實。

鑒于此,本文綜合運用數值模擬工具和物理引擎軟件,提出一種包括極端動力災害-結構破壞-壩頭拋出-庫水宣泄-洪水演進-洪水災害在內的災害鏈傳遞混合模擬方法,以期為災害耦合效應的順次連續性模擬和事故災害的預演預測問題提供可行思路。

1 混合模擬方法及其原理

統一場景是建筑物、自然背景、流場動態等可視化模型的集成體,在此場景下可開展多模擬手段、多屬性、多尺度,多相、多場等情況下災害鏈傳遞過程的混合模擬。本文借助Blender軟件建立統一場景,將數值模擬與物理引擎模擬相結合,明確災害鏈的節點模擬與參數傳遞之間的關系,從而實現貫穿整個災害鏈的物理及力學機制的傳遞與集成,并借助高擬真度的渲染引擎實現統一場景下整個災害鏈傳遞過程的可視化。以重力壩樞紐尺度動力災害鏈傳遞過程仿真為例,首先使用數值模擬工具對極端動力荷載作用下的建筑物進行模擬分析,然后使用物理引擎進行塊體碰撞模擬,并與計算流體力學模擬結果進行場景耦合,完成模型映射、流體模擬及場景渲染。混合模擬方法數據流轉過程見圖1,主要分為數值模擬、物理引擎模擬及災害鏈傳遞混合模擬3部分。

圖1 災害鏈傳遞混合模擬方法數據流轉過程

1.1 數值模擬

本文使用數值模擬工具進行建筑物結構物理場(位移、變形、強度等)及破壞模式、水流流體性態分析。雖然模擬方法為通用方法,但不同數值模擬工具使用方式及原理不同,應根據具體軟件具體分析。

在結構性態分析方面,使用LS-DYNA(SMP R11.1.0)軟件進行混凝土重力壩在爆破荷載作用下的數值模擬,得到極端動力荷載作用下的模擬結果并進行破壞模式分析,確定變形情況、損傷單元位置及壩體斷裂關鍵幀等基本信息,為幾何模型映射及屬性映射建立基礎。具體數值模擬分析方法及原理可參考文獻[13]。

在流體性態分析方面,使用Flow-3D(V11.2)軟件進行三維流體模擬,獲取洪水演進性態。Flow-3D基于流體體積法追蹤液-液或液-固交界面并結合有限差分法求解三維N-S方程,可采用多網格體的方法進行建模,能快速生成流體演進過程并反映流體性態(流量、流速、壓強等),具有模擬速度快、效果好、科學性強、可使用二三維耦合模擬等特點。洪水屬于不可壓縮流體的湍流運動,根據實際情況選用RNGk-ε湍流模型,其主要控制方程參考文獻[12-16]選定。采用truVOF方法追蹤自由表面流動,求解水氣兩相的體積分數連續方程,以此確定自由液面位置,具體原理可參考文獻[17-19]。

1.2 物理引擎模擬

為保證整個災害鏈傳遞過程模擬的完整性與真實性,在開展流體模擬及物理引擎模擬前需將變形、位移、破壞模式等進行多軟件之間大小尺度時間與空間范圍的集成。本文通過開發腳本,在Blender軟件構建的統一場景中重構重力壩數值模擬模型,將結構模擬結束點作為流體模擬初始點,即一種災害的終結(動力災害)作為下一種災害(洪水災害)的起始,搭建災害鏈并完成災害鏈的傳遞過程,在此基礎上進行塊體的剛體動力學及流體沖擊模擬。

物理引擎是一種基于牛頓力學定律的計算機軟件,它能夠近似模擬離散塊體之間的復雜物理行為,其在塊體的大位移分析方面具有占用資源少、快速實時兼具準確性的優勢,物理引擎原理可見文獻[20]。本文使用平滑粒子流體動力學(SPH)算法對水流沖擊下斷裂、破損的壩頭的運動情況進行模擬,可同時獲取壩頭運動狀態及基于物理引擎的水流模擬結果。SPH算法基于拉格朗日粒子法,通過描述粒子的位置、溫度等變量隨時間的變化情況來描述流體運動,設定粒子的物理屬性來模擬流體與其他物體的碰撞響應[21],其基礎理論可見文獻[22]。

1.3 災害鏈傳遞混合模擬

本文涉及災害為極端動力災害及洪水災害,屬于原生災害發生后在短時間內直接觸發次生災害的短期災害鏈范疇[23]。

以爆破作用導致潰壩洪水災害為例,災害鏈的完整鏈條包括極端動力災害-結構破壞-壩頭拋出-庫水宣泄-洪水演進-洪水災害6個方面(以“開始-①-②-③-④-結束”來描述),鏈條頭尾之間通過四節點銜接從而完成災害鏈的傳遞過程。為支撐完整災害鏈傳遞模擬,應針對中間節點①、②、③、④分別采用適合的方法以完成節點模擬及中間核心參數的傳遞(圖2),形成一體化混合模擬方案。

圖2 災害鏈傳遞混合模擬關鍵節點及參數

節點①、③、④使用數值模擬方法完成,節點②使用物理引擎模擬方法完成。節點銜接應重點分析中間核心參量的組成:

a.參數1指極端動力災害作用。

b.參數2指損傷因子。依據節點②壩頭拋出模擬需求,應獲取重力壩壩頭斷裂部位。可借助節點①獲取的損傷因子值判斷單元損傷情況,以損傷單元完全貫穿壩頭為控制條件,獲取斷裂部位。

c.參數3指潰口形狀及位置。潰口形狀及位置受到前置模擬結果影響并且一定程度上決定庫水宣泄的水流過程,因此取該組合為參數3。此結論依據庫水宣泄模擬所采用的數學模型總結而來,應用時應根據選取的實際計算方法具體分析。數學模型和物理實驗同樣是研究洪水過程的一個重要手段[24-27],節點③庫水宣泄模擬需求可根據潰壩流量過程的數學模型確定,水流動態過程可由水庫庫容的連續方程、潰口沖刷規律和潰口水流流動規律來決定。從水量平衡角度出發,可得出潰壩洪水宣泄時的水量平衡方程

(1)

式中:V為水庫庫容;t為時間;Qin為入庫流量;Qout為通過潰口的出流量。對于潰口流動問題,以美國國家氣象局FLDWAV模型[28]為例,其數學模型為

(2)

式中:Cv為行進流速改正系數;Ks為反映潰口下游淹沒情況的改正系數;Cd為流量系數,為一常數;g為重力加速度;R為淹沒指標參數;bs為潰口瞬時底寬;hi、hi+1分別為i、i+1時刻的壩上游水位;hb為潰口底部高程;z為潰口邊坡;Bd為壩趾處河道峽谷寬度;hbm為潰口發展最終高程,本研究中hbm=hb。潰口底部高程及潰口底寬由潰口形狀及位置決定,且受到前置模擬結果的影響,因此取該組合為參數3。本文沿鏈條采用關聯追溯的方式關聯至參數2得到壩體斷裂情況從而確定參數3。關聯追溯指的是從一個依據參數2確定的損傷單元出發,尋找與其有共同結點的其他損傷單元并不斷迭代,將所有相關聯的損傷單元作為整體,并從單元垂直方向的中間位置切分單元,斷裂單元相連接便形成了表面光滑的貫穿裂縫,從而確定參數3所包含的潰口具體位置、底部高程及潰口邊坡等參數。最終根據隨庫水下泄而隨時間發生變化的壩上游水位得到潰口流量過程,傳遞至節點③得到庫水宣泄的數學模型求解結果。本文使用Flow-3D軟件精細化模擬三維形態下的庫水宣泄過程,潰口形狀及尺寸在處理后的三維結構模型中體現,原理可見第1.1節,實現方法可見第2.1節。

d.參數4指潰口流量過程線。節點③借助Flow-3D軟件可模擬獲取潰口處流量過程線,以供更大尺度場景的節點④洪水演進模擬應用。

e.參數5指淹沒水深、洪峰流量、洪水行進速度、洪水淹沒范圍等洪水災損評估參數,由節點④模擬獲取,可采用Flow-3D、MIKE21等流體動力學模擬手段完成。

2 跨平臺數據流轉程序設計

混合模擬方法及其原理為全流程的多災害順次連續模擬提供了可行思路,但要真正實現災害鏈傳遞的一體化模擬,就要自主編程,通過程序設計開發相應的平臺工具形成完整框架,以解決鏈條中關鍵的數據流轉(參數獲取及傳遞)問題。

2.1 數據流轉程序框架

混合模擬方法的數據流轉程序框架由5個模塊組成:

a.數值模擬。使用數值模擬工具對建筑物進行數值分析,之后根據分析結果確定建筑物失去擋水能力的關鍵幀并提取這一時刻之前每個分析幀的幾何及屬性信息。此數據將用于三維模型重構。

b.三維模型重構及處理。獲取數值模擬結果后,將分析結果每一幀對應的幾何、屬性數據映射至統一場景中進行三維模型重構,最后進行模型處理工作。

c.模型集成。將三維地形模型傳入統一場景后,將重構的三維模型與地形模型相互集成并建立初始狀態水體模型,形成流體動力學模擬場景。

d.流體模擬。混合模擬方法在進行流體模擬時有物理引擎模擬及流體力學軟件模擬兩種途徑。物理引擎模擬將壩頭視為剛體,模擬時不考慮模型內部應力和應變,使用不同介質之間的物理響應來模擬碰撞現象,從而快速獲取其在水流沖擊作用下的運動過程及流體演進過程,即模擬壩頭拋出過程。此方法在流體模擬方面相較于流體力學軟件具有擬真度高且兼具一定準確性的特點,但在科學性方面不占優勢,若需對流體性態及關鍵參數(如淹沒范圍、面積、損失、流量等)進行分析,可選用流體力學軟件開展模擬分析,實際應用時可根據實際需要(擬真度或科學性)靈活選用模擬手段。本研究節點②物理引擎模擬可借助RealFlow軟件,節點③、④的流體模擬(包括庫水宣泄及洪水演進)均選用Flow-3D軟件,此時參數4(流量過程線)為模擬過程產物,也可導入其他軟件中(如MIKE21)進行節點④洪水演進模擬的驗證。物理引擎模擬及流體模擬二者可同步進行與加載。使用物理引擎模擬時設置斷裂壩體的壩頭部分為活動剛體,除水體外的模型設置為被動剛體,水體模型設置為流體發射器,以此方式開展模擬獲取流體網格及剛體運動過程。同時,在Flow-3D軟件中劃分模型網格,完成邊界條件、求解器和初始條件等設定后便可開展流體模擬。模擬可選用湍流模型中的RNGk-ε模型,流體選用20℃下的水流,表面粗糙度可取0.025～0.180cm[22,29-30],網格劃分可使用軟件自帶剖分工具一鍵剖分,采用GMRES隱式求解器計算,設置初始水位及時間步長后開展模擬,若需要輸出某一特定斷面的流體特征值,可在斷面處設置單獨的Flux Surface,以便輸出該斷面的流量、流速、壓強等變化過程。在模擬時若受到性能限制,也可在需要觀察水流細節處采取三維模擬形式,樞紐或流域場景下使用淺水方程模擬,以二三維耦合模擬形式減少計算量和計算時間。但多種維度耦合模擬的方法非本文重點,本研究淹沒過程均以三維模擬的形式完成,以便將Flow-3D及RealFlow軟件模擬結果相銜接。

e.場景渲染。開發腳本將各節點模擬的時間步在統一場景中完成映射及對應,借助Blender軟件的渲染引擎對整個災害鏈傳遞過程進行處理。

2.2 框架實現關鍵點

要實現上述5個模塊的功能,第一個關鍵點在于如何把單一數值模擬工具的結果映射到Blender引擎中完成三維模型重構及屬性映射,可分為幾何模型映射、關鍵幀獲取及屬性映射3個部分,據此完成物理引擎模擬以獲取參數3(潰口形狀及位置),作為后續流體模擬(節點③庫水宣泄與節點④洪水演進模擬)的初始條件;第二個關鍵點是如何將流體沖擊模擬結果與流體性態模擬結果統一集成。

a.幾何模型映射。在進行數值模擬時,使用的模型的形狀不一定是規則的,而物理引擎提供的基礎模型往往是立方體、球體、柱體等規則形狀。雖然能夠在物理引擎中通過編輯網格對剛體形狀進行修改使物理引擎模擬模型的位置、形狀與數值模擬模型相似,但這一步驟無疑增加了工作量。因此提出一種將數值模擬模型直接轉換為物理引擎剛體模型的方法。使用Blender軟件底層Python API進行二次開發完成幾何模型映射。如圖3所示,首先根據數值模擬結果獲取單元及結點數據,單元數據包含結點組成,結點數據包含每個結點的笛卡爾坐標,其中P指結點,F指面。通過觀察數值模擬網格面中結點的組合規律,制作Python腳本將單元及結點數據進行處理后重組為面集合,使用Blender軟件中Python API按照點→線→面建模方式完成模型單元映射,最后將所有單元均進行映射便可得到完整的Blender幾何模型。

圖3 幾何模型映射方法

b.關鍵幀獲取。從災害鏈傳遞角度出發,需要明確極端動力荷載造成的災害與洪水災害之間的鏈接方式。對大壩來說就是要找到壩體失去全部或部分擋水能力而導致洪水災害的時刻,即建筑物完全裂穿的關鍵幀,對應于節點②壩頭拋出的開始時刻。在本混合模擬框架中,通過數值模擬獲取了模型的小變形結果及單元的破壞情況,當破壞單元貫穿壩體模型后,壩頭部分可能會在水流沖擊下拋出,水流會順著潰口流出導致庫水宣泄、洪水演進致災,因此需確定壩體在極端動力荷載作用下完全貫穿的時刻Te及其對應幀,以此作為洪水災害的起始點(物理引擎模擬起始幀)。模型單元是否發生破壞可根據其損傷因子進行判斷,本混合模擬框架認為當單元損傷因子(參數2)大于臨界值時便出現宏觀裂縫并失去作用[31-32](本文損傷因子臨界值參考文獻[33]設置為0.7)。確定損傷因子臨界值后,選取損傷單元完全貫穿壩體的時刻為Te時刻,取其對應幀為物理引擎模擬起始幀。

c.屬性映射及模型處理。在獲取關鍵幀后,需將屬性映射至物理引擎剛體模型中,在此基礎上完成模型處理工作。本混合模擬框架主要涉及的屬性包括變形及損傷因子兩方面,分別反映小變形狀態及單元破壞狀態。將數值模擬的分析幀與Blender軟件中的時間幀相對應,在對應幀處進行該分析幀的幾何模型映射從而完成模型的變形映射。損傷因子是以單元消除的形式呈現,根據損傷因子臨界值找出損傷單元,從面集合中清除組成這些單元的面,重組面集合并重建幾何模型從而完成損傷因子的映射。實際上也可將數值模擬結果中其他無法通過改變幾何形態來表達的屬性,如應力、應變、能量等以不同顏色在幾何模型上顯示從而完成此部分屬性映射,可讀取數值模擬結果每一結點的某一屬性值,在面集合中根據面所包含的結點屬性值設置所有面的漸變色,從而完成此屬性的映射。完成屬性映射后,可根據需要對模型進行進一步處理,如簡化模型從而提高物理引擎模擬性能、從整體模型中擠出懸空單元集合體使模擬更加接近真實情況、切分模型形成斷裂面的同時使得模型斷面更加平滑以方便后續水流沖擊模擬以及流體性態模擬等。使用處理后的模型完成物理引擎模擬(導致節點②壩頭拋出的水流沖擊模擬)以獲取參數3(潰口形狀及位置),作為流體模擬(節點③庫水宣泄與節點④洪水演進模擬)的初始條件。

d.流體沖擊與性態仿真集成。混合模擬方法中,塊體受流體沖擊后的運動軌跡由物理引擎(RealFlow軟件)模擬完成,流體性態(流場分布,流速、流量、淹沒深度等關鍵參數)由流體力學軟件(Flow-3D)模擬得到,二者需保持模擬同步并在統一場景中完成集成。使用混合模擬方法中的流體模擬模塊分別獲取RealFlow及Flow-3D軟件的模擬結果,并完成在Blender統一場景中的集成。其中RealFlow軟件可直接與Blender軟件完成幀對應過程,即前者模擬幀與Blender渲染幀保持同步。Flow-3D軟件的模擬結果中需要其流體性態模型,使用FlowSight將其導出并完成與Blender渲染幀的對應。通過Python腳本完成流體性態模型的直接讀取,并基于FlowSight導出的流體模型命名格式(模型名_時間步)將物理引擎塊體運動模擬的起始幀與及Flow-3D流體模擬的起始時間步對應時刻保持同步,根據二者模擬時間步長完成幀對照并在每一時間步設置模型的顯隱狀態,從而完成統一場景下物理引擎及Flow-3D軟件模擬結果的集成。

3 案例驗證

3.1 工程概況與模型

為了證明所提出的混合模擬方法的適用性,使用LS-DYNA、Flow-3D數值模擬工具結合物理引擎對混凝土重力壩樞紐尺度極端動力災害鏈傳遞進行全過程模擬。假定混凝土重力壩高120m,正常蓄水位115m,潰口底高程101.22m,橫縫將整個壩結構分成20個獨立運行的壩段,包括4個溢流壩段及16個非溢流壩段。其庫容-水位關系曲線可由下式確定[16]:

Vs(h)=ω0h+ω1h2/2+ω2h3/3

(3)

式中:Vs(h)為水位h對應庫容;ω0、ω1、ω2為庫容曲線系數,本文分別取-37.18、3.54、-0.013。工程水位-庫容關系曲線如圖4所示。潰口底對應庫容為9877.28萬m3,正常蓄水位庫容為12542.09萬m3,陰影部分為庫水位從正常蓄水位下降至潰口底高程時宣泄的水量。

圖4 水位-庫容關系曲線

建立重力壩壩段、水體、空氣、炸藥、地基三維模型,選擇寬15m、高120m的非溢流壩段研究其在水下爆炸作用下的破壞模式,壩體上部網格尺寸200mm,其余部位網格尺寸隨距地基距離的增大而增大。使用600kg TNT炸藥,距離混凝土重力壩上游表面5m且位于水下深度5m處,炸藥及附近水體網格尺寸取100mm,水體網格尺寸隨距炸藥距離的增加而增大,具體模型建立及模擬分析參考文獻[13]進行。

三維地形模型采用該工程樞紐區場景模型,模型中有基本的地形地貌以及廠房、砂石骨料加工系統、橋梁乃至下游移民安置區等建筑物,為重力壩樞紐尺度災害鏈傳遞模擬提供基本場景。

3.2 結果與分析

依據混合模擬方法,首先將LS-DYNA軟件數值模擬得到的壩體結構損傷破壞特征映射到Blender軟件中完成三維模型重構及處理(模型簡化、松散塊擠出、模型切分)工作,之后建立水體模型并與三維地形場景集成,完成場景搭建。此處模型簡化指的是僅保留重構模型最外圍邊界面,將內部面去除,從而有效減少了幾何面的數量,減輕了仿真軟件加載幾何模型的壓力,松散塊擠出及模型切分可參考第2.2節c。其中三維模型重構的關鍵點在于損傷因子臨界值及壩體貫穿關鍵幀的確定,李宇杰等[33]指出損傷因子0.7為混凝土損傷臨界值,而LS-DYNA軟件中有效塑性應變即為損傷因子,本案例在此基礎上根據數值模擬結果中有效塑性應變云圖分布情況進行分析,得到壩體完全貫穿關鍵幀為第42幀,對應時刻為0.2s,在此基礎上完成三維模型重構及處理并開展流體模擬,共分為物理引擎流體沖擊模擬及流體性態數值模擬兩部分。

物理引擎模擬使用RealFlow軟件進行。在RealFlow軟件中設置所有模型在不同幀的有效性,有效性是指該模型是否在某一幀參與流體模擬。將破損壩頭部分設置為活動剛體,水體模型設置為流體發射器,其余模型均設置為被動剛體,進行流體動力學模擬獲取水流沖擊過程并生成水體粒子,將每一幀的水體粒子建立流體網格,模擬過程中同步輸出Alembic文件并在Blender中加載,完成流體沖擊及演進的物理引擎模擬。也可使用物理引擎開展洪水演進模擬,其具有模擬速度快、效果好的優點,但物理引擎模擬方法無法進行進一步科學分析。綜合案例需求和各模擬方法特點,本文基于數值模擬方法開展了洪水演進模擬。

流體性態數值模擬使用Flow-3D軟件進行。在Flow-3D軟件中基于Blender軟件生成的實體模型和統一場景開展分析計算,獲取潰口流量過程線并在Blender中與爆破過程集成,完成災害鏈傳遞的完整過程搭建。選用RNGk-ε湍流模型,設置重力場并將流體設置為20℃下的水流。幾何模型為重力壩樞紐場景。

采用六面體結構化網格進行網格劃分,為加快模擬速度,在壩體部位進行網格加密,網格單元邊長為1.8m,地形場景網格邊長為10m,總網格單元數為5544041個,活動網格單元數為2016388個。

模型的進口及出口均采用壓力邊界,設置水庫初始水位115m,下游初始水位0m,上游恒定流量為1000m3/s。模型頂部設置為壓力邊界,大氣壓強為101kPa,水的體積分數設置為0,表示完全是空氣,水面水平,壓力為靜水壓力。將網格嵌入地形內部,與地形相接部分設置為固壁邊界,地形粗糙度設置為0.07cm。模擬時長設置為100s,設置為每0.5s步長保存一次,重置點的時間步長設置為2s,即可在2s的倍數時刻調用存儲的數據繼續進行模擬,防止模擬中斷而導致結果丟失。

鑒于混合模擬方法可彌補單獨使用物理引擎模擬流體缺乏科學性的缺點,對流體模擬結果進行進一步分析研究。在下游河道入口處斷面設置Flux Surface監測面,觀察洪水流量過程(圖5)。由洪水流量過程線可以看出,在爆破災害發生后,下游河道斷面流量驟增,峰值流量達到15850.1m3/s,后逐漸趨于平緩,最終基本穩定在1000m3/s左右,說明此時庫水位已接近潰口底高程。除流量外,也可以借助數值模擬軟件獲取流速、壓強等數據,相比于一維經驗公式方法,二維或三維仿真模擬手段適用性更廣也更為準確。

圖5 下游河道入口洪水流量過程線

最終使用混合模擬方法將數值模擬結果以及物理引擎模擬結果同步集成至統一場景中,實現極端動力災害-結構破壞-壩頭拋出-庫水宣泄-洪水演進-洪水災害導致洪水災害的災害鏈傳遞全過程模擬(圖6)。對統一場景下的洪水宣泄全過程模擬結果進行進一步分析發現,對蓄水重力壩進行爆破后,在爆破作用下貫穿的壩段壩頭部分拋出形成潰口,溢流壩段水流與從潰口宣泄水流匯流后形成洪水,淹沒了部分廠房、橋梁建筑。

在此基礎上可進一步評估財產損失、制定應急處理措施、采取預防手段等,減少災害發生后的生命財產損失。本文所提出的混合模擬方法適用于防洪業務應用場景下的災害鏈連續性模擬,能夠有效獲取洪災仿真預演視景并輔助進行防災減災決策。

4 結 語

從重力壩極端動力災害鏈組成要素出發,借助數值模擬工具及物理引擎軟件設計跨平臺數據流轉程序,提出基于統一場景的重力壩極端動力災害鏈傳遞混合模擬方法,在混凝土重力壩樞紐尺度進行有效性及適用性驗證。結果表明,混合模擬方法能夠有效進行包括極端動力災害-結構破壞-壩頭拋出-庫水宣泄-洪水演進-洪水災害在內的災害鏈傳遞連續性模擬,獲取洪水流量、流速等災損評估參數及洪災仿真預演視景。此外,混合模擬方法是一種通用方法,能夠實現統一場景下的自動化數據流轉,減少中間處理過程,提升應急決策時仿真模擬的時效性。在此方法基礎上可不斷進行拓展,對于各種不同壩型只需明確災害鏈傳遞的關鍵節點,使用數值模擬工具及物理引擎軟件實現數據流轉即可完成模擬,在有災害鏈模擬需求的應用場景下具有良好的發展前景。