一种不同尺度模型间地应力计算结果高精度转换的方法技术

本发明专利技术公开了一种不同尺度模型间地应力计算结果高精度转换的方法，方法中根据有限元基本理论推导了不同模型间应力转换计算公式，可以在反演计算结果数据文件的基础上，实现大范围地应力反演模型应力计算结果向精细计算模型的高精度转换。方法无需因计算模型网格的变化而重新回归计算新网格点的初始应力，为后续计算研究奠定了基础。本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，提高了计算效率，与传统的采用数理统计方法拟合工程区域内的初始应力函数相比，提高了计算的精度和可靠性。

A high precision transformation method for the calculation results of ground stress among different scale models

A method of high precision conversion calculation results of the present invention discloses a different scale model between stress, according to the basic theory of finite element method in different models stress conversion formulas is deduced, the calculation results in the inversion data file, to achieve a wide range of stress inversion model of stress calculation results to high precision model conversion. The method does not need to regress the initial stress of the new grid point because of the change of the computational model grid, which lays the foundation for the subsequent calculation and research. The beneficial effect of the scheme can be seen from the narration of the above scheme, which improves the computation efficiency, and improves the accuracy and reliability of the calculation compared with the traditional initial stress function in the engineering area by using the traditional mathematical statistics method.

【技术实现步骤摘要】
一种不同尺度模型间地应力计算结果高精度转换的方法
本专利技术涉及地下工程领域，尤其涉及一种不同尺度模型间地应力计算结果高精度转换的方法。
技术介绍
岩体初始地应力场反映了地层中存在的天然应力状态，是地下洞室群围岩变形的主要“荷载”。对于地下洞室群围岩变形机理分析、施工方法研究和支护方案优化而言，岩体初始地应力场是地下工程数值模拟与稳定分析的必要条件，所施加的初始地应力场是否真实在很大程度上决定了研究成果的合理性。现场实测地应力是获得地下厂房区域初始应力场最直接有效的途径，但由于岩体成因复杂、影响因素众多，加之场地和试验经费等客观条件的限制，所获取的地应力测量成果往往只能反映有限工程区域的局部应力场，且受测量误差的影响，实测地应力量值通常存在一定程度的离散性。因此，如何利用少量实测数据来反演地下厂房区域的初始地应力场对地下工程的设计和施工具有重要的现实意义。现阶段依据实测资料(应力、位移)对整个工程区域的初始地应力状态进行反演及回归分析方法大致可分为两类：一类为基于现场实测位移数据的位移反分析法，另一类为基于实测地应力数据的应力回归方法。本专利技术结合实测地应力资料，选取第二种方法对初始地应力场进行回归分析。为了得到合理的地应力反演结果，通常需要在较大的范围内进行地应力场反演，而通过上述回归分析所得到的是与网格剖分有关的离散点的初始应力，每当计算网格发生变化时，则需要重新回归计算新网格点的初始应力，使用起来十分不便。为将初始地应力场反演结果应用于所有的施工方法研究和支护设计计算，现阶段多采用数理统计方法，考虑埋深和山体地形地势对初始地应力场的影响，对回归分析所得到的各离散点的初始应力在三维空间中进行拟合，进而得到工程区域内的初始应力函数。采用这种方法，当计算网格发生变化时，只需将新网格点的埋深代入相应的应力函数即可得到该点的初始应力，在一定程度上提高了计算效率。但该方法也存在一定缺陷，即初始地应力函数的拟合只选取了地下厂房区部分截面上少量单元的回归应力值进行拟合，所得到的初始地应力函数及回归拟合应力与实测地应力的误差较大，回归拟合计算得到的地下厂房区的初始应力场的可靠度有待提高。
技术实现思路
本专利技术是针对现有技术所存在的不足，而提供了一种不同尺度模型间地应力计算结果高精度转换的方法。为了实现上述目的，本专利技术根据有限元基本理论推导了不同模型间应力转换计算公式，可以在反演计算结果数据文件的基础上，实现大范围地应力反演模型应力计算结果向精细计算模型的高精度转换，当计算模型网格发生变化时，无需重新回归计算新网格点的初始应力，为后续计算研究奠定了基础，提高了计算效率；与传统的采用数理统计方法拟合工程区域内的初始应力函数相比，提高了计算的精度和可靠性。具体为，本专利技术为一种不同尺度模型间地应力计算结果高精度转换的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1：综合考虑电站工程地形地质条件、地下洞室布置型式和断面尺寸以及地应力实测点的分布情况等因素对地应力场反演的影响，建立用于初始地应力场反演的大范围地应力反演模型；其中，大范围地应力反演模型考虑断层、软岩等不良地质构造，利用山谷、冲沟等自然分界，模拟范围包括：部分上库、引水隧洞、上游调压室、高压岔管、地下厂房、尾水隧洞、尾水调压室等电站建筑物。步骤2：根据厂区实测初始地应力点及其测值，采用有限单元法，结合多元线性回归方法、神经网络方法或直接反分析法，反演初始地应力场。步骤2具体包括：步骤2-1：将实测初始地应力点划分为2组，即反演点与验证点，前者用于初始地应力场反演，后者用于验证反演所得地应力场的合理性。步骤2-2：根据厂区实测初始地应力点及其测值，采用有限单元法，结合多元线性回归方法、神经网络方法或遗传算法，分别反演初始地应力场，以上三种反演分析方法的基本思想分别为：多元线性回归方法把可能形成初始地应力场的因素作为待定因素，对每一待定因素采用有限元法计算已知点位置的应力值，进而在每一种待定因素计算的应力值与已知实测点地应力值之间建立多元回归方程，用统计分析方法根据残差平方和最小的原则求得回归方程中各自变量系数的最优解，使得计算应力场与实测应力场达到最优拟合以求得工程区的初始地应力场；神经网络方法利用神经网络建立待定的模型边界条件(位移边界、应力边界等)和模型内部实测地应力点位置的应力值之间的非线性映射关系，待映射关系建立完成，即可依据实测地应力通过神经网络获得可采用的模型边界条件，然后利用所获得的边界条件进行有限元计算，即可求得工程区初始地应力场；直接反分析法将计算值和实测值接近距离最小作为目标函数、建立地应力场直接反演数学模型，采用先进的遗传算法进行快速寻优，以获得目标函数的最优解，即地应力场；步骤2-3：基于实测地应力资料验证反演所得初始地应力场的合理性，全面分析和充分论证反演地应力场成果的合理性和可靠性。步骤3：以地下主厂房、主变室和母线洞等为主要研究对象，同时对部分进厂交通洞、部分引水洞和部位尾水洞进行简化处理，建立厂房施工方法和支护措施精细计算模型。其中，精细计算模型的模拟范围包括：主厂房上游、主变室下游、主厂房轴线方向两侧和主厂房底板以下，取3倍厂房高度距离，上部取至地表。步骤4：对精细模型的所有节点进行循环计算，确定每个点在大范围地应力反演模型中所对应的单元号，计算出相应的局部坐标值。步骤4具体包括：步骤4-1：选取物理坐标系(x,y)下大范围地应力反演模型节点的坐标值，将其映射到基准坐标系(ξ,η)下，如图1和图2所示。物理坐标系(x,y)与基准坐标系(ξ,η)之间映射方法如下：坐标映射关系x＝x(ξ,η)y＝y(ξ,η)，对于如图1中4节点四边形单元的坐标映射，由于基准坐标系(ξ,η)中的一点对应物理坐标系(x,y)中的一个相应点，就单元形状的4个角点，其对应的条件xi＝x(ξi,ηi)yi＝y(ξi,ηi)i＝1,2,3,4(1)这表明x方向和y方向各有4个节点条件，如果用多项式来表示坐标映射关系，则x和y方向上可以分别写出各包括有4个待定系数的多项式，即x(ξ,η)＝a0+a1ξ+a2η+a3ξηy(ξ,η)＝b0+a1ξ+b2η+b3ξη(2)式中，待定系数a0,...,a3和b0,...,b3可由节点映射条件(1)来唯一确定。将求出的待定系数回代式(2)，则重写该式为式中，若将物理坐标系(x,y)中的每一个节点坐标值进行排列，并且写成一个矩阵，有进一步可将(3)式写成由此即可实现两个坐标系间的映射。步骤4-2：将精细模型的各单元映射到大模型单元基准坐标系下，如图2所示。步骤4-3：循环全部单元，从而确定精细化模型的每一个单元节点对应在大范围地应力反演模型中的单元号，计算出相应的局部坐标值。步骤5：根据大范围地应力反演模型的地应力计算结果，即单元应力矩阵和节点位移，根据有限元基本理论计算在特定局部坐标下的单元内特定点应力值。步骤5具体包括：步骤5-1：根据有限元法求解得到大范围地应力反演单元内部任意一点的应力转换矩阵：σ＝DBae＝SaeS＝[S1S1…Sn]Si＝DBi(i＝1,2,…m)式中，B＝[B1B2…Bm]，D表示弹性矩阵，B表示应变转换矩阵，S表示应力转换矩阵，m表示单元节点个数。步骤5-2：根据步骤4求解所得的局部坐标值，结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种不同尺度模型间地应力计算结果高精度转换的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1：综合考虑电站工程地形地质条件、地下洞室布置型式和断面尺寸以及地应力实测点的分布情况等因素对地应力场反演的影响，建立用于初始地应力场反演的大范围地应力反演模型；步骤2：根据厂区实测初始地应力点及其测值，采用有限单元法，结合多元线性回归方法、神经网络方法或直接反分析法，反演初始地应力场；步骤3：以地下主厂房、主变室和母线洞等为主要研究对象，同时对部分进厂交通洞、部分引水洞和部位尾水洞进行简化处理，建立厂房施工方法和支护措施精细计算模型；步骤4：对精细模型的所有节点进行循环计算，以确定每个点在大范围地应力反演模型中所对应的单元号，计算出相应的局部坐标值；步骤5：根据大范围地应力反演模型的地应力计算结果，即单元应力矩阵和节点位移，根据有限元基本理论计算在特定局部坐标下的单元内特定点应力值。

【技术特征摘要】
1.一种不同尺度模型间地应力计算结果高精度转换的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1：综合考虑电站工程地形地质条件、地下洞室布置型式和断面尺寸以及地应力实测点的分布情况等因素对地应力场反演的影响，建立用于初始地应力场反演的大范围地应力反演模型；步骤2：根据厂区实测初始地应力点及其测值，采用有限单元法，结合多元线性回归方法、神经网络方法或直接反分析法，反演初始地应力场；步骤3：以地下主厂房、主变室和母线洞等为主要研究对象，同时对部分进厂交通洞、部分引水洞和部位尾水洞进行简化处理，建立厂房施工方法和支护措施精细计算模型；步骤4：对精细模型的所有节点进行循环计算，以确定每个点在大范围地应力反演模型中所对应的单元号，计算出相应的局部坐标值；步骤5：根据大范围地应力反演模型的地应力计算结果，即单元应力矩阵和节点位移，根据有限元基本理论计算在特定局部坐标下的单元内特定点应力值。2.根据权利要求1所述的一种不同尺度模型间应力计算结果高精度转换的方法，其特征在于，所述步骤1中的大范围地应力反演模型具体为：考虑断层、软岩等不良地质构造，利用山谷、冲沟等自然分界，模拟范围包括部分上库、引水隧洞、上游调压室、高压岔...

【专利技术属性】
技术研发人员：王槐，袁长安，彭福元，徐卫中，郑德湘，唐然勇，苏超，赵业彬，
申请(专利权)人：国家电网公司，国网新源控股有限公司，重庆蟠龙抽水蓄能电站有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11