土石坝施工运输系统元胞自动机模糊仿真模型研究
基于可变模糊理论的土石坝安全风险评价研究
基于可变模糊理论的土石坝安全风险评价研究
杨超
【期刊名称】《水利科学与寒区工程》
【年(卷),期】2024(7)6
【摘要】本文针对土石坝安全风险实际情况构建评价体系,并基于组合赋权法确定指标权重,利用可变模糊理论建立土石坝安全风险评价模型,最后进行实证分析。
结果表明,建立的评价体系具有适用性和科学性。
研究结果对提高水库大坝管理水平具有重要促进作用。
【总页数】4页(P45-48)
【作者】杨超
【作者单位】黔西南州兴源水利电力勘察设计有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TV641
【相关文献】
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土石坝三维地质建模及有限元分析研究的开题报告
土石坝三维地质建模及有限元分析研究的开题报告一、选题背景土石坝是一种常见的土木工程构筑物，由于具有良好的节能环保性能，近年来逐渐得到推广和应用。
土石坝的建设需要考虑很多因素，其中包括地质条件等。
在坝体建设过程中，很重要的一步是进行地质建模和有限元分析，以确定建设方案和评估坝体的稳定性。
二、研究目的本研究旨在探究土石坝三维地质建模及有限元分析的方法和技术，以提高工程建设的可行性和可靠性。
具体研究目的如下：1. 了解土石坝的基本构成和常见问题，明确研究重点。
2. 掌握土石坝地质建模的基本原理和方法，实现三维建模。
3. 掌握有限元分析的基本原理和方法，对土石坝进行稳定性分析。
4. 对实际工程数据进行模拟和分析，验证研究成果的可靠性和实用性。
三、研究内容本研究涉及的主要内容包括：1. 土石坝的概念、分类和应用，以及常见问题和安全隐患的分析。
2. 土石坝三维地质建模的原理、方法和工具，包括对地质数据的处理和建模。
3. 有限元分析的基本原理和方法，包括软件的使用和分析结果的解读。
4. 运用三维地质建模和有限元分析方法，对实际工程数据进行模拟和分析，评估工程的稳定性和可行性。
5. 研究成果的总结和归纳，提出进一步深入研究的方向和建议。
四、研究方法本研究采用理论分析和实验模拟相结合的方法，建立三维地质模型，并运用有限元方法对土石坝进行分析。
具体研究方法如下：1. 数据收集：收集土石坝的建设和运维数据，包括地质、环境等相关数据。
2. 地质建模：将收集到的地质数据进行处理和整理，利用三维建模软件进行建模。
3. 有限元分析：运用有限元软件对土石坝进行稳定性分析和评估。
4. 结果分析：对分析结果进行解读和分析，总结评估坝体的稳定性和可行性。
五、研究意义开展土石坝三维地质建模及有限元分析研究，对于提高土石坝建设的可行性和可靠性，具有重要的意义和价值。
具体表现在以下几个方面：1. 提高土石坝工程的稳定性和安全性，减少事故的发生率。
土石坝渗流性态分析的IAO－XGBoost集成学习模型与预测结果解释
２０２３年１０月水 利 学 报ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ第５４卷 第１０期文章编号：０５５９－９３５０（２０２３）１０－１１９５－１５收稿日期：２０２３－０４－２２；网络首发日期：２０２３－０９－２６网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２３０９２５．１２３５．００２．ｈｔｍｌ基金项目：国家自然科学基金雅砻江联合基金项目（Ｕ１９６５２０７）作者简介：余红玲（１９９４－），博士生，主要从事大坝渗流性态分析研究。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｕｈｏｎｇｌｉｎｇ＠ｔｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ土石坝渗流性态分析的ＩＡＯ－ＸＧＢｏｏｓｔ集成学习模型与预测结果解释余红玲，王晓玲，任炳昱，郑鸣蔚，吴国华，朱开渲（天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 ３０００７２）摘要：针对现有土石坝渗流数值模拟方法计算效率较低、难以实时分析大坝渗流性态，而现有基于机器学习算法建立的代理模型又存在模型可解释性较差的问题，提出土石坝渗流性态分析的ＩＡＯ－ＸＧＢｏｏｓｔ集成学习模型，并基于Ｓｈａｐｌｅｙ加性解释（ＳＨａｐｌｅｙＡｄｄｉｔｉｖｅｅｘＰｌａｎａｔｉｏｎ，ＳＨＡＰ）理论对预测结果进行解释。
在采用多地质体自动建模方法和ＣＦＤ技术对大坝渗流场进行计算分析的基础上，基于改进的天鹰（ＩｍｐｒｏｖｅｄＡｑｕｉｌａＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ＩＡＯ）算法优化极限梯度提升（ｅＸｔｒｅｍｅＧｒａｄｉｅｎｔＢｏｏｓｔｉｎｇ，ＸＧＢｏｏｓｔ）集成学习算法中的ｎ＿ｅｓｔｉｍａｔｏｒｓ、ｍａｘ＿ｄｅｐｔｈ和ｌｅａｒｎｉｎｇ＿ｒａｔｅ等超参数，进而建立基于ＩＡＯ－ＸＧＢｏｏｓｔ集成学习算法的大坝渗流性态指标预测模型，以揭示上下游水位和坝基地层渗透系数等输入特征变量与渗流性态指标模拟值间的复杂非线性映射关系。
进一步地，将ＩＡＯ－ＸＧＢｏｏｓｔ集成学习算法与可解释机器学习框架ＳＨＡＰ理论相结合，挖掘影响大坝渗流性态指标预测结果的关键特征，并解释特征变量对渗流性态指标预测的影响。
土石坝动力离心模型试验颗粒流数值模拟
土石坝动力离心模型试验颗粒流数值模拟杨贵;何敦明;刘汉龙;王年香【摘要】The meso-mechanical simulation was performed based on the dynamic centrifugal model tests on Chang he Dam. The dynamic response (acceleration and displacement) and failure modes of Changhe Dam under different earthquakes and centrifugal accelerations were analyzed. The bi-axial shaking table model tests on Changhe Dam were also simulated and analyzed. The simulated results show that the numerical simulations agree with the results of the dynamic centrifugal model tests. The failure mode of dam body caused by earthquakes is the local sliding failure at the dam crest. The response on the dam slope at the same height is larger than that on the core wall. With the increase of the peak value of earthquake acceleration, the magnification coefficient of acceleration decreases, and the failure mode of dam body remains unchanged. With the increase of the centrifugal acceleration, the magnification coefficient of acceleration also decreases, and the settlement of dam crest decreases.%以长河坝离心模型试验为基础,开展颗粒流细观数值模拟研究,分析大坝在不同地震加速度和离心加速度下的动力响应(加速度和位移)和破坏模式,并对长河坝双向振动台模型试验进行了数值模拟分析.数值模拟结果表明:数值模拟规律与离心振动台试验规律基本一致,坝体的地震破坏模式为坝顶局部滑动破坏;同一高程坝坡位置的动力响应大于心墙位置;随着地震加速度峰值的增大,坝体加速度放大系数减小,坝体破坏模式不变;随着离心加速度的增大,坝体加速度放大系数减小,坝顶沉降减小.【期刊名称】《河海大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(039)003【总页数】6页(P296-301)【关键词】土石坝;动力离心模型试验;加速度;位移;数值模拟【作者】杨贵;何敦明;刘汉龙;王年香【作者单位】河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏,南京,210098;河海大学岩土工程科学研究所,江苏,南京,210098;江苏省交通运输厅航道局,江苏,南京,210004;江苏省交通运输厅航道局,江苏,南京,210004;河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏,南京,210098;河海大学岩土工程科学研究所,江苏,南京,210098;南京水利科学研究院岩土工程研究所,江苏,南京,210024【正文语种】中文【中图分类】TV32+3我国位于世界两大地震带(环太平洋地震带与欧亚地震带)之间，地震区域广阔而分散，地震频繁而强烈，主要发生在中西部及西南地区.“5.12”地震以后，大坝的抗震稳定性分析受到广泛关注.离心振动台模型试验是近年来迅速发展起来的一项高新技术，能够真实模拟原型应力场，反映土体在实际应力条件下的动力特性，被公认为研究岩土工程地震问题最为有效、最为先进的试验技术[1].目前该技术已在地震破坏机制、抗震设计计算、数值模型验证等方面显示出巨大的优越性，并取得良好的效果[2-5].离心振动台由于模型箱尺寸较小很难进行较大尺寸模型的模拟.二维颗粒流程序PFC2D，属于离散单元法的一种，采用圆盘来模拟颗粒介质的运动及其相互作用，土体之间的相互作用通过颗粒之间的接触模型来表达，通过设定细观参数来实现材料的宏观力学性质，目前在岩土工程的多个领域都得到了广泛的应用[6-9].土石坝作为一种典型的散粒体材料集合体，可方便地采用该程序进行数值模拟，并能够获得坝体在地震荷载作用下的动力特性及坝体的破坏特征.本文以长河坝动力离心模型试验为基础进行数值模拟，主要研究水平向加速度作用下大坝的动力响应，同时开展各种影响因素对模型试验结果影响的数值模拟分析.1 动力离心模型试验振动台模型箱尺寸为700mm×200mm×42.5mm(长×宽×高)，模拟长河坝在地震荷载作用下坝体在坝顶加固和未加固情况下的动力特性和破坏模式.根据动力离心模型试验的相似理论，定义任一物理量 x的原型值与模型值之比为ηx，通过相似转换可得到离心模型振动台模型相似律[5].模型试验模型比例ηl=1400，试验过程中按平面问题进行考虑，试验布置如图1所示[5].离心机加速度40g，加载波形为正弦波，峰值加速度 9.52g，振动频率132.8Hz，振动历时0.75s.模拟长河坝在100 a超越概率2%地震条件下的动力响应.图1 模型试验布置Fig.1 Layout of mode tests长河坝筑坝材料共有10多种，在模型中要全部模拟很困难，根据试验目的，选择对影响坝体变形和稳定起决定作用的堆石料、覆盖层料和心墙料进行模拟.动力离心模型试验中堆石料最大粒径为10mm，心墙料最大粒径为2mm，覆盖层料最大粒径为2mm，模型密度比例ηρ=1.采用脆性胶将上下游坝坡面黏结，使坡面不再呈散粒状，而具有一定的黏结力，以模拟大块堆石料的咬合力.2 细观数值模拟方法动力离心模型试验在试验过程中按平面问题进行考虑，因此可以采用二维颗粒流程序PFC2D进行数值模拟分析.坝体的基本单元为圆盘单元，数值模拟主要步骤为:细观参数确定;坝体模型生成和地震荷载施加.2.1 细观参数确定数值模拟过程中颗粒之间接触模型的选择对试验结果有较大影响.与原型相比，模型试验和数值模拟过程中堆石料尺寸较小，颗粒之间的咬合力降低.模型试验过程中采用脆性胶将上下游坝坡面进行黏结，使坡面堆石料不再是散粒状，而具有一定的黏结力，达到模拟大块堆石的咬合力.数值模拟过程中采用线性接触模型进行材料模拟，通过设定颗粒之间的黏结强度(法向黏结强度bn和切向黏结强度bs)来实现较大颗粒之间的咬合力和心墙颗粒之间的黏结力.数值模拟过程中若按材料原始级配进行模型生成，颗粒数目较多，计算效率较低，因此在建模过程中堆石料、心墙料和覆盖层料的最大和最小粒径均设为5mm和4mm，颗粒直径在最大和最小颗粒之间服从高斯分布，通过调整细观接触参数，使得数值模拟的材料与原试验材料力学性质基本一致[10].颗粒之间的细观接触参数如表1所示.表1 颗粒流数值模拟参数Table 1 Parameters for simulation of PFC2D土样名称kn/MPa ks/MPa fu n bs/Pa bn/Pa ρs/(kg◦m-3)堆石料 500 50 0.6 0.22100心墙料 50 5 0.6 0.2 250 250 2200覆盖层 50 5 0.6 0.2 200 200 21002.2 土石坝模型生成根据振动台模型坝的尺寸建立二维土石坝模型，坝高171mm，坝顶宽12mm，覆盖层厚度43mm.数值试样的生成过程一般是先建立模型框架，在其内部根据试验级配生成颗粒组，通过循环迭代消除模型内部的不平衡力.由于本次模拟的模型比较复杂，因此建模过程有所不同，通过颗粒产生时的“阴影”功能，采用分块建模的方式来完成，如图2所示.模型坝颗粒总数为4502.模型箱通过外围的墙体来进行模拟.为监测坝体在地震荷载作用下的动力响应，在模型中通过设定8个监测点来测定坝体的动力响应，监测点的布置位置如图3所示.考虑到每个颗粒较小，且在运动过程中各种不确定性因素较多可能会影响试验的结果，模拟中采用测点附近的多个颗粒的动力响应平均值来描述该测点地动力响应.关于颗粒加速度的获得，采用PFC内置的FISH语言进行编程，根据牛顿第二定律进行求解.图2 土石坝计算模型Fig.2 Model for earth-rockfill dams图3 坝体监测点分布Fig.3 Distribution of monitoring points in dam2.3 地震荷载施加二维颗粒流软件PFC2D可以方便地对墙体施加任意方向的位移和速度，而不能对墙体直接施加加速度，对于振动问题一般通过定义模型墙体沿指定方向随时间变化的速度来解决.鉴于此，需要对振动台输入的加速度时程进行转换，变成速度与时间的变化曲线，再通过内置的FISH语言施加到墙体上.图4为模拟过程中模型输入的加速度时程曲线和坝顶测点1处的加速度时程曲线.图4 加速度曲线Fig.4 Curves of acceleration3 模拟结果分析3.1 坝体地震加速度反应图5为坝体中心位置加速度放大系数与坝高的关系，相对坝高是指测点高程与坝基高程之差与坝体高度的比值，负值代表该点位于坝基之下，即覆盖层中.从图5可知，在相对坝高小于0.6时，加速度反应放大不明显，靠近坝体中上部，加速度反应增大较快，在坝顶附近最大.加速度分布规律与SL203—97《水工建筑物抗震设计规范》[11]规定的设计烈度为7度时，坝顶地震加速度放大系数相似.与动力离心模型试验结果相比其放大倍数有所降低，但分布规律保持不变.图6为模型试验和数值模拟结果对应于图3中相同高程不同位置测点(2与6，3与7，4与8)加速度变化曲线.从图6可以看出，上游坝坡的加速度反应大于坝轴线处的坝体加速度反应，随着相对坝高的增大，两者之间的差值逐渐减小.数值模拟结果与模型试验结果在测点位置较高时，基本吻合，在测点位置较低时差异较大，模型试验结果小于数值模拟结果.这可能与数值模拟过程中测点8处存在悬浮颗粒有关，从而导致该处的加速度反应较大，比值偏大.图5 加速度放大系数与坝高的关系Fig.5 Relationship between magnification coefficient of acceleration and dam height图6 加速度反应Fig.6 Responses of acceleration3.2 坝体地震位移图7为坝体内测点(1，3和5)的水平位移和垂直位移时程曲线，水平位移正值代表向右，垂直位移负值代表向下.从图7可以看出，坝体在地震结束后存在残余变形，其变化规律与有限元计算结果基本一致.坝顶垂直沉降为1.04mm左右，根据动力离心模型试验的相似律反算到原型坝的垂直沉降约为145cm，与动力离心模型试验测得的结果反算到原型坝的变形161cm基本相当.3.3 坝体地震破坏模式图8为坝体上游坝坡不同部位检测颗粒在地震荷载作用下在空间的位置变化曲线，图8(a)中数字为颗粒的编号，图8(b)中的坐标以检测颗粒的初始位置为零点，向左和向下运动为负.从图8可以明确看出坝体在动力荷载作用下颗粒的运移过程:上游坝顶处的颗粒运动轨迹线角度小于坝坡倾角，表面颗粒是由坝坡内部向下运动，坝坡中心处的颗粒和坡角处颗粒的运动轨迹线倾角均大于坝坡倾角，表明颗粒是向坝体外部运动，即坝体的破坏模式为坍塌破坏.与动力离心模型试验结果和孔宪京等[12]的堆石坝振动台模型试验结果基本一致，图9为地震荷载结束后坝体轮廓，与真实的大坝在地震荷载作用下的破坏形态略有不同，坝体底部向两侧膨胀.这可能与模型试验过程中未考虑库水压力的作用和坝体填筑密度较高有关.图7 坝体动位移Fig.7 Dynamic displacements of dam图8 颗粒运移Fig.8 Transport of particles图9 坝体变形示意图Fig.9 Dam deformation4 影响因素分析根据前面的研究成果可以看出，数值模拟结果与模型试验结果基本一致.在此基础上充分利用数值模拟的优点，开展数值模型研究，分析堆石尺寸、峰值加速度、离心加速度和加速度方向变化对试验结果的影响.4.1 堆石尺寸堆石料尺寸较大时，颗粒之间的咬合力作用下降比较明显，材料表现出似黏聚力.图10为增设堆石颗粒之间黏结力(bn=bs=200Pa)，其他加载条件不变时坝体在地震结束后的示意图.从图10可以看出，当堆石料内部存在似黏聚力时，坝体的破坏模式仍为坍塌破坏，此时在坝体中上部出现局部颗粒的滑落、翻滚和滑坡.4.2 峰值加速度坝体的动力响应与输入的峰值加速度大小密切相关，开展不同峰值加速度输入情况下坝体的动力响应研究对研究坝体的动力变形特性有很大的作用.数值模拟过程中输入地震波波形为正弦波，荷载频率132.8 Hz，振动时间0.75s，加速度峰值分别为9.52g，11.40g和13.31g.表2为坝体在不同加速度下的动力响应，从表2可以看出，随着输入加速度的增大，坝顶垂直位移逐渐增大，水平位移也逐渐增大，而坝顶加速度放大系数逐渐减小.模拟结果与动力离心模型结果基本一致，只是坝顶加速度放大系数较小.坝体的破坏模式保持不变，仍为坍塌破坏.图10 考虑堆石尺寸后坝体变形示意图Fig.10 Damdeformation considering size of rockfill materials表2 坝体动力响应Table 2 Dynamic responses of dam峰值加速度坝顶垂直位移/mm坝顶水平位移/mm坝顶加速度放大系数9.52g 1.04 0.66 2.81 11.4g1.27 0.732.63 13.31g 1.40 0.786 2.454.3 离心加速度离心振动台试验通过高速旋转增加模型的重力，使模型土体产生与原型土体相似的自重应力，此时模型的变形及破坏机制与原型相似，从而达到直接模拟复杂的岩土工程问题的目的.实际工程中受试验仪器本身条件的限制，很难达到预期的模型尺寸和所需的离心加速度，试验过程中会适当降低离心加速度.因此有必要开展不同离心加速度下离心模型试验研究，了解土体动力相应的变化规律.数值模拟输入波形为正弦波，主要参数见表3.表4为不同离心加速度作用下数值模拟结果与模型试验结果.从表4可以看出，随着离心加速度的增大，坝体加速度放大系数减小;坝顶沉降逐渐较小.坝体的破坏模式基本保持不变.数值模拟结果与模型试验结果基本一致.表3 数值模型试验主要参数Table 3 Main parameters for numerical simulation tests离心加速度峰值加速度频率/ Hz振动历时/s 40g 9.52g 132.8 0.75 30g 7.14g 99.6 1.00 20g 4.76g 66.4 1.50 10g 2.38g 33.2 3.00表4 数值模拟与模型试验结果Table 4 Results of numerical simulations and model tests离心加速度数值模拟模型试验坝顶沉降/mm加速度放大系数坝顶沉降/mm加速度放大系数40g 1.04 2.81 1.15 4.16 30g 1.17 2.97 1.19 4.51 20g 1.21 3.14 10g 1.65 3.45 1.31 4.914.4 加速度方向图11 坝顶位移曲线Fig.11 Curves for displacement of dam crest实际的地震问题是一个复杂的三维问题，动力离心模型试验受仪器的限制目前只能进行单向的加速度输入.数值模拟可以方便地进行多向的地震加速度输入，根据前面的研究成果进行长河坝模型试验的双向地震输入研究，研究坝体的动力响应.输入地震波波形为正弦波，荷载频率132.8Hz，振动时间0.75s，水平向加速度峰值为9.52g，竖直向输入为水平向的2/3.图11为坝体在水平向和垂直向动力荷载作用下的坝顶水平位移和垂直位移曲线.从图11可以看出，地震结束后坝顶沉降约为1.31mm，水平位移约为0.56mm.根据动力离心模型试验的相似律进行反算，则得到长河坝的坝顶沉降为184cm，水平位移为78 cm.与单向地震荷载输入相比，坝顶沉降增大，与有限元计算规律基本一致，表明采用颗粒流软件进行土石坝动力离心模型试验数值模拟研究是可行的，可用于分析复杂加载路径下的坝体动力特性.5 结论a.二维颗粒流程序能够模拟土石坝动力离心模型试验，且规律基本一致.b.在坝体同一高程处，坝坡处的动力响应大于心墙处.随着高程的增大，差值逐渐减小.c.随着离心加速度的增大，坝顶沉降和加速度放大系数逐渐减小.参考文献:【相关文献】[1]章为民，赖忠中，徐光明.电液式土工离心机振动台的研制[J].水利水运工程学报，2002(1):63-66.(ZHANG Wei-min，LAI Zhong-zhong，XU Guang-ming.Development of an electrohydraulic shake table for the centrifuge[J].Hydro-Science and Engineering，2002(1):63-66.(in Chinese))[2]ARULANANDAN K，ANANDRAJAH A，ABGHARI A.Centrifuge modeling of soil liquefaction susceptibility[J].Journal of Geotechnical Engineering，1983，109(3):281-300. [3]章为民，日下部治.砂性地基地震反应离心模型试验研究[J].岩土工程学报，2001，23(1):28-31.(ZHANG Wei-min，KUSAKABE O.Dynamic centrifuge model test of sandylayer[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2001，23(1):28-31.(in Chinese)) [4]王年香，章为民.混凝土面板堆石坝动态离心模型试验研究[J].岩土工程学报，2003，25(4):504-507.(WANG Nian-xiang，ZHANG Wei-min.Dynamic centrifuge model test for concreteface rock fill dam[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2003，25(4):504-507.(in Chinese))[5]王年香，章为民，顾行文，等.长河坝动力离心模型试验研究[J].水力发电，2009，35(5):67-70.(WANG Nian-xiang，ZHANG Wei-min，GU Xing-wen，et al.Dynamic centrifuge model test for Changhe dam[J].Water Power，2009，35(5):67-70.(in Chinese))[6]杨贵，刘汉龙，陈育民，等.堆石料动力变形特性的尺寸效应研究[J].水力发电学报，2009，28(5):121-126.(YANG Gui，LIU Han-long，CHEN Yu-min，et al.Research on size effect of rock-fillmaterials ondynamic deformationproperty[J].Journalof Hydroelectric Engineering，2009，28(5):121-126.(in Chinese))[7]周健，王家全，曾远，等.颗粒流强度折减法和重力增加法的边坡安全系数研究[J].岩土力学，2009，30(6):1549-1554. (ZHOU Jian，WANG Jia-quan，ZENG Yuan，et al.Slope safety factor by methods of particle flow code strength reduction and gravity increase[J].Rock and Soil Mechanics，2009，30(6):1549-1554.(in Chinese))[8]CAI M，KAISER P K，MORIOKA H，et al.FLAC/PFC coupled numerical simulation of AE in large-scale underground excavations[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2007，44:550-564.[9]BARDET J P，PROUBET J.Shear-band analysis in idealized granular material[J].Journal of Engineering Mechanics，ASCE，1992，118 (2):397-415.[10]章为民.长河坝水电站砾石土心墙堆石坝筑坝料静动力试验报告[R].南京:南京水利科学研究院，2006.[11]SL203—97 水工建筑物抗震设计规范[S].[12]孔宪京，刘君，韩国城.面板堆石料模型动力破坏试验与数值仿真分析[J].岩土工程学报，2003，25(1):26-30.(KONG Xianjing，LIU Jun，HAN Guo-cheng.Dynamic failure test and numerical simulation of model concrete-faced rockfill dam[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2003，25(1):26-30.(in Chinese))。
基于数字孪生的高海拔高土石坝工程施工管控探索
基于数字孪生的高海拔高土石坝工程施工管控探索作者：***来源：《人民黄河》2023年第12期摘要：为解决高海拔高土石坝工程施工过程复杂、施工周期长等因素引起的施工进度和质量管控难题，采用数字孪生理论与技术体系建立高土石坝工程数字孪生模型，模型包括基于三维ＧＩＳ和ＢＩＭ融合技术建立的表达工程施工动态过程的虚拟模型、基于循环仿真网络和贝叶斯修正技术建立的反馈优化施工方案的进度分析模型、基于物联网和大坝填筑全流程跟踪管理模型建立的大坝填筑质量跟踪和管控模型。
以西南某高海拔地区高心墙土石坝工程为例，对高土石坝工程数字孪生模型开展工程应用。
实践表明：建立的高土石坝工程数字孪生模型可实现高土石坝工程所在地区地形地貌和工程施工进度面貌的三维动态展示，快速追溯出现质量问题的工程部位的施工过程，同时借助现场ＧＰＳ监测和移动端输入等信息采集手段实现平台虚拟模型与现场工程实体模型的双向联动。
关键词：高海拔；高土石坝；数字孪生；施工过程管控；进度分析；质量管控中图分类号：ＴＶ５１２；ＴＰ３９１．９文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．１２．０２２引用格式：杜成波．基于数字孪生的高海拔高土石坝工程施工管控探索［Ｊ］．人民黄河，２０２３，４５（１２）：１２４－１２９．我国水电工程逐步向西南高海拔地区发展，但该地区自然环境恶劣，加之高土石坝工程本身施工过程复杂、填筑材料方量多，使得工程进度、质量管控面临巨大挑战。
因此，如何实现高海拔高土石坝工程施工过程的全面有效管控是当今水电行业需要研究的一项重要课题。
数字孪生是一种数字化理念和技术手段，它以数据与模型的集成融合为核心，在数字空间对物理对象进行精准数字化映射，基于数据整合与分析预测来模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期，实现对工程施工决策的动态优化与验证。
其中，面向的物理对象包括实物、行为、过程，构建孪生体涉及的数据包括实时数据和历史数据，集成的模型涵盖物理模型、机理模型和流程模型等。
土石坝漫顶溃决机理模型及数值模拟方法研究
土石坝漫顶溃决机理模型及数值模拟方法研究土石坝在水利、交通、能源等领域具有广泛应用，但其安全问题一直是研究热点和难点。
土石坝漫顶溃决是土石坝破坏的一种典型形式，因此研究土石坝漫顶溃决机理模型及数值模拟方法具有重要意义。
一、土石坝漫顶溃决机理模型土石坝漫顶溃决机理可分为两步骤：首先，泄洪沟不能及时将坝顶来水全部引走，形成坝顶溢流；其次，坝顶溢流贯通坝体、破坏坝体稳定性。
因此，影响土石坝漫顶溃决的因素包括坝型、水文、水位、土石坝性质等多方面内容。
以此为基础，可以建立起土石坝漫顶溃决机理模型。
二、数值模拟方法数值模拟方法可以在不同的仿真条件下对土石坝漫顶溃决过程进行模拟和分析。
具体步骤包括：1.建立数值模型：通过有限元法、有限体积法等建立数值模型，对土石坝的物理特性进行描述。
2.设定边界条件：水文条件、土石坝性质等不同边界条件需求不同的仿真模型，而模拟结果的精度也与模型设置的边界条件有关。
3.仿真模拟：在设定的边界条件下，按照碰撞流或浅水流的方法，通过数值逼近的手段得到土石坝漫顶溃决过程的具体细节，包括水流特性、破坏形态和破坏后坝体稳定性等。
4.仿真结果分析：得到结果后，通过分析结果，可以对土石坝漫顶溃决机理作进一步探讨。
此时，还需要结合实际情况对仿真结果进行验证和修正，以保证模型的准确性。
总体而言，建立模型是模拟的前提，而模拟方法的选择又决定了模拟效果的好坏。
因此，在进行仿真模拟时，还需要对上述步骤进行深入研究，以获得更准确的结果。
总之，土石坝漫顶溃决机理模型及数值模拟方法的研究对土石坝工程安全的保障和水利灾害的防范具有重要意义。
相信在未来的研究中，研究人员们能够进一步推进相关的理论和技术，以提高土石坝的安全性及其在各领域的效益。
心墙堆石坝施工仿真系统研究及应用
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基于元胞自动机的土石坝溃决模拟
第２９卷第７期２ ０ １ １年７月水 电 能 源 科 学Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ ＰｏｗｅｒＶｏｌ．２９Ｎｏ．７Ｊｕｌ．２ ０ １ １文章编号：１０００－７７０９（２０１１）０７－００５３－０４基于元胞自动机的土石坝溃决模拟王占军１，朱 杰２，袁 辉１，刘火箭１（１．南京水利科学研究院，江苏南京２１００２９；２．南京市水利规划设计院有限责任公司，江苏南京２１００１６）摘要：基于元胞自动机理论，结合土石坝实际状况，模拟了导致土石坝溃决的主要要素，建立了土石坝溃决演化模型，并以大洼水库为例，采用该模型模拟了漫顶溃决和渗流破坏引起的土石坝溃决。
结果表明，模拟结果与现场试验结果吻合较好。
关键词：土石坝；元胞自动机；溃决；模拟中图分类号：ＴＶ８；ＴＶ６４１；ＴＶ１３文献标志码：Ａ收稿日期：２０１０－１２－２４，修回日期：２０１１－０２－２８基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０９０９０６６）作者简介：王占军（１９８６－），男，硕士研究生，研究方向为大坝安全，Ｅ－ｍａｉｌ：ｎｈｒｉｗｚｊ＠１２６．ｃｏｍ 土石坝的溃坝模拟对土石坝失事后果的评估和灾害的最小化研究等具有非常重要的意义。
由于土石坝溃决机理复杂，目前主要通过溃坝物理模型试验和数值模拟进行研究。
但溃坝物理模型试验费用较高，且实施难度较大，因此数值模拟成为研究溃坝的主要方法。
数值模拟大致可分为基于参数和基于物理过程两种模拟类型，基于参数的模型主要有ＤＡＭＢＲＫ模型［１］和ＳＭＰＤＢＫ模型［２］，这类模型较简单，仅需输入一些关键参数，使用较方便，但未涉及溃坝机理，计算结果不够精确，仅适用于初步计算；基于物理过程的典型模型主要有ＢＥＥＤ模型［３］、ＢＲＥＡＣＨ模型［４］和ＢＲＥＳ模型［５］等，这类模型结构较复杂，能准确详细地模拟溃坝过程，但均受到当前对土石坝溃坝机理认识程度的限制。
元胞自动机（ＣＡ）是在随机初始条件下，通过构造数学规则来描述系统内部单元间的自组织演化过程的一种建模方法。
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技 进 展
土 石坝 施 工 运 输 系统 元胞 自动 机模 糊 仿 真模 型 研 究
陈先 明 ， 肖焕雄
ｃ Ｉ中 国 长 江 三 峡 开 发 总 公 司工 程 建 设 部 ， 北 宜 昌 胡 ４ ３０ ； 武 汉 大 学 球 利 水 电 学 院 ． ４０ ２ ２ 湖北 武 汉 ４ ０７ ） ３ ０２
作者 简 介 ： 先 明 （９９ ）男 ． 南浏 人 ． 级 工程 ． 士 ， 要从 事水 Ｉ 工程 施 决 策 支 持 系统 研 究 和 项 Ｈ管 １ 降 】６ 一 ， 湖 高 博 主
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但 由于对仿真 影 响不大 ， 故不 予考 虑 ．
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ｌ Ｉｌ Ｉ ｌ Ｉ ｌ ｌ ＾ Ｕ Ｚ ３ ４ ５ ６
图 １ 元胞 自动机运输线路表示
１ １ 系统状 态描述 ．
ａ 箭 头状态及 其监 控 参数 ． 头在 每个格 子 上 ． 箭
移 动 ， 取 ３种状 态 ： 有一 个 箭 头 （ 可 ① 向上 、 向下 、 向 右或 向左 ） ② 有两个 箭 头 （ ； 一上一 Ｆ、 同时 向上或 向 下、 一左一 右 、 同时 向左 或 向右 ） ③ 无 箭 头 （ 格 ） ； 空 ． 每个 箭头 有 ５个 监 控 参 数 ： 在 位 置 、 所 累计。 行 时 运 间 、 送物 料性质 或 空车 、 头 类 型 （ 当于车 型 １ 运 箭 相 、
时 间 、 间 和 系 统 行 为 有 机 地 联 系 在 一 起 ， 法 形 空 无
Ｉ ｌｊ ｌ ｌ ｌ 歹 一 ， １ ｌ —Ｉ ｌ ， 一
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在 土石坝施 工 过 程 中 ， 输 系统 起 到 了重要 的 运 作用 拟土石 坝施 工 运 输 系 统是 为 了有 效 地对 该 模 系统进 行组织 协调 ， 并确 定其 有关最 优 配置参 数 ． 在
仿真方法 方面 ， 统 的运 输 系统 仿真 是 基 于 蒙特 卡 传
罗原理 的随机仿 真 方 法 ， 种 仿 真技 术 是 一种 在 纯 这 数学 的环 境下进 行 的假 象 仿 真 ， 法将 运输 系统 的 无
ｌ｛ Ｉｌ
７ ±
象、 直观 和动画式 地 观察 运输 系统 的整个 仿真过 程
在系统 分析方面 ， 传统仿真方法的主要注意力
放在随机性 方 面 ， 并用 纯 随 机 的方法 对 运 输 系统 进 行仿真 事 实上 ， 输 系 统还 与 模 糊 性有 重 要 联 系 ． 运 这种模糊 性主 要表 现在 两方 面 ： 运 输 系统 中有 人 ①
１２ 箭头移动 规 则 ． ａ ．对 于单行 到单行 格子 段 ． 若前 方 格子 有其 他
所 有运输线 路 交叉 点坐标 集 合 为
Ｊ ＝ ｛Ｘ ， ２ ，ｘ ， ）… ，墨 ） （） （ １ｙ ）（ ２ ， （ ， ： ２ 式 中 ：Ｘ ， ） （ 为交 叉 点 ｉ 坐 标 ； 为 施 工运 输 线 的 ｍ
１ 运 输 系统 描 述 方 法
设有 一个 Ⅳ×Ｍ （ ×宽 ） 长 的方形 网格 ， 能 覆 且 盖整个 土石 坝施 工 运输 系统 ． 由于 汽 车行 走 路 线 是 线形 的 ， 当运输 线 路用 一连 串正方 形格 子表示 时 格 子边 民大小 要 能 较好 地 拟 合运 输 线路 ， 图 ｌ所 如 示 ， 中 仙 为汽 车行走 线 路 ． 图
以取代传统 的蒙 特 卡罗仿 真方法 ， 以 自卸 汽车一 并 装
载机运输 系统为 例来 描述 仿真模 型 的建立 ．
ｂ 装 载机 状 态 ． 载机 状 态用 ４个参 数 描述 ： ． 装 所在位 置 、 工作性 质 （ 料 的种 类 ） 装 载 机 类 型 、 物 、 累 计 工作时 间 ｃ 系统 总状 态 ． 统 总 状 态 用 ！个 参 数描 述 ： ． 系 各种 物料 的总量 、 作 总时 间 ． 工 ｄ 格 子 （ 面 ） 态 ． 子 状 态 甩 两 个 参 数 描 ． 路 状 格 述： 格子坐 标 、 双行或 单行 ． 显然 ， 输 系统还 存 在其 他 因素及 其运 行状态 ， 运
行 走 速度 ．
进 行各种 于预活 动 ， 主观 因素将 使 系统具 有模糊性 ；
②运输 系统 非常 复 杂 ， 人们 对 该 系统 的认 识 只处 于
部 分定量 的程度 ．
针对 上 述 两方 面 的情 况 ， 文提 出基 于元 胞 自 本 动机模型 的土 石 坝施 工 运输 系统 模 糊 仿 真方 法 … ，
摘要 ： 对土石 坝施 工运 输 系统存 在 的模糊 性 以及 传 统 的仿 真方 法难 以将 时 间 、 针 空间和 系统行 为有
机 地结合起 来的缺 陷 ， 出 了基 于元胞 自动机模 型 的施 工运 输 系统的模 糊 仿 真方 法 用 离散 型模糊 提
分 布取代 传统 的概 率分布 以适 应 实际数据 较 少或 系统参 数概 率 分 布 难 以确 定的 场合 ， 充分 利 用 并
现 场知识和 经验 ， 用元胞 自动机 模型 描述 土石坝 施 工运 输 系统 ， 运 输 系统 的 时 间 、 间和 系统行 将 空 为有机地联 系在一起 ， 象 、 形 直观 、 确地 完成运 输 系统 的仿真 精
关键 词 ： 土石 坝 ； 运输 系统 ； 模糊仿 真 ； 元胞 自动机 中图分类 号 ：Ｖ １；Ｖ ４ Ｔ ５２Ｔ ６ １ 文献标 识码 ： Ａ 文章 编号 ：０６ ７４ （０２０ —０５０ １０ —６７２０ ）１０ １ ３ １ ｌ 声 －３ － Ｉ