基于非线性本构的土石坝地震永久变形仿真方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了基于非线性本构的土石坝地震永久变形仿真方法和系统，属于水利工程技术领域。现有的混凝土坝变形预测方案，通过深度学习模型，对混凝土坝的变形量进行预测，其预测准确不高，会存在较大误差，不利于推广使用。本发明专利技术的基于非线性本构的土石坝地震永久变形仿真方法，通过构建二维平面有限元网格模型、土石坝稳定性仿真分析模型、非线性弹塑性动力学本构模型、变形评估模型，实现土石坝地震变形的准确仿真，可以有效摆脱对大坝变形观测历史数据的依赖，并能充分考虑土体在地震循环载荷激励下的剪切模量衰减和塑性流动特性，从而有效提高土石坝地震动力学响应的数值计算精度，方案科学、合理，误差小，利用推广使用。利用推广使用。利用推广使用。

【技术实现步骤摘要】
基于非线性本构的土石坝地震永久变形仿真方法和系统


[0001]本专利技术涉及基于非线性本构的土石坝地震永久变形仿真方法和系统，属于水利工程


技术介绍

[0002]土石坝是一种由土或石料就地取材填筑而成的坝型，其可建在软弱岩层或深厚冲积层上。土石坝对地形、地质和气候条件的良好适应性使其能够在气候恶劣、工程地质条件复杂和高地震烈度的地区广泛应用。
[0003]地震会导致土石坝产生永久变形，过大的永久变形会导致出现防渗系统损伤和破坏、坝体出现裂缝、安全超高不足等问题；边坡滑动体的永久变形会导致边坡出现滑移失稳等问题。统计数据表明，约25%的土石坝失事是由边坡滑移失稳导致。
[0004]进一步，中国专利（公布号：CN111191191A）公开了一种精准预测混凝土坝变形效应的组合模型的构建方法，具体是一种基于差分整合移动平均自回归模型和粒子群优化的支持向量机模型的混凝土坝多尺度变形组合预报模型，其包括以下内容：利用大坝变形观测历史数据，在建立逐步回归模型的基础上，采用精准预测混凝土坝变形的组合预报模型，基于支持向量机模型在非线性时间序列领域中优异的处理能力，结合粒子群算法的参数寻优特长，以解决现有预报模型存在的小样本、非线性、过拟合等问题，同时也为其他水工建筑物变形预报模型的构建提供了一种便捷高效的新方法。
[0005]上述方案通过构建一种深度学习模型，并利用大坝变形观测历史数据，对混凝土坝的变形量进行预测。但由于这类深度学习模型的预测准确性，主要取决于用于模型训练的数据，是否足够多，是否具有代表性，数据本身是否具有一定的规律性。因此当用于模型训练的历史数据，数量比较少，不具有代表性，并且规律性不强时，深度学习模型的预测结果会存在较大误差。
[0006]因而，如果将上述方案应用在土石坝地震场景中，一方面会存在很难获取足够量的土石坝地震变形历史数据的问题；另一方面由于每次地震的时空分布可能会有较大不同，从而导致土石坝地震变形历史数据的代表性、规律性不强；同时，土石坝的结构强度也会随着时间的变化进行变化，因此如果采用上述方案对土石坝地震变形量进行预测，会导致预测结果失真，进而存在较大的预测误差，无法实现对土石坝地震变形的准确仿真，不利于推广使用。

技术实现思路

[0007]针对上述问题或上述问题之一，本专利技术的目的一在于提供一种通过构建二维平面有限元网格模型、土石坝稳定性仿真分析模型、非线性弹塑性动力学本构模型、变形评估模型，对坝体工况数据进行处理，得到土石坝网格信息；并根据拟静力有限元超载法，对土石坝网格信息进行处理，得到土石坝体的静态滑动信息；再结合土体在地震循环载荷激励下的剪切模量衰减和塑性流动特性，计算土石坝动力学响应，得到土石坝的动态加速度场；并
根据静态滑动信息，对动态加速度场进行处理，得到准确的土石坝永久变形量，从而实现土石坝地震变形的准确仿真，方案科学、合理，误差小，利用推广使用的基于非线性本构的土石坝地震永久变形仿真方法。
[0008]针对上述问题或上述问题之一，本专利技术的目的二在于提供一种通过设置二维平面有限元网格模块、土石坝滑动仿真模块、非线性弹塑性动力学本构模块、变形评估模块、边坡稳定系数计算模块，对坝体工况数据进行处理，得到土石坝网格信息；并根据拟静力有限元超载法，对土石坝网格信息进行处理，得到土石坝体的静态滑动信息；再结合土体在地震循环载荷激励下的剪切模量衰减和塑性流动特性，计算土石坝动力学响应，得到土石坝的动态加速度场；并根据静态滑动信息，对动态加速度场进行处理，得到准确的土石坝永久变形量以及边坡稳定性系数时程曲线，从而实现基于非线性本构模块的土石坝地震变形和稳定性的准确仿真，方案科学、合理，误差小，利用推广使用的基于非线性本构的土石坝地震永久变形仿真系统。
[0009]针对上述问题或上述问题之一，本专利技术的目的三在于提供一种可以有效摆脱对大坝变形观测历史数据的依赖，并通过非线性弹塑性动力学本构模型，充分考虑土体在地震循环载荷激励下的剪切模量衰减和塑性流动特性，以表征地震的时空分布，从而有效提高土石坝地震动力学响应的数值计算精度的基于非线性本构的土石坝地震永久变形仿真方法和系统。
[0010]针对上述问题或上述问题之一，本专利技术的目的四在于提供一种采用静动力学结合的方法计算边坡潜在滑动体屈服加速度和滑动体地震永久变形，给出边坡稳定性系数的时间历程曲线，能够满足规范要求，能够有效证明土石坝地震稳定性的基于非线性本构的土石坝地震永久变形仿真方法和系统。
[0011]为实现上述目的之一，本专利技术的第一种技术方案为：基于非线性本构的土石坝地震永久变形仿真方法，包括以下内容：获取某个土石坝的坝体工况数据；利用预先构建的二维平面有限元网格模型，对坝体工况数据进行处理，得到土石坝网格信息；通过预先构建的土石坝稳定性仿真分析模型，并根据拟静力有限元超载法，对土石坝网格信息进行处理，得到土石坝体的静态滑动信息；根据静态滑动信息，使用预先构建的非线性弹塑性动力学本构模型，结合土体在地震循环载荷激励下的剪切模量衰减和塑性流动特性，计算土石坝动力学响应，得到土石坝的动态加速度场；利用预先构建的变形评估模型，并根据静态滑动信息，对动态加速度场进行处理，得到土石坝的永久变形量，实现基于非线性本构的土石坝地震永久变形仿真。
[0012]本专利技术经过不断探索以及试验，通过构建二维平面有限元网格模型、土石坝稳定性仿真分析模型、非线性弹塑性动力学本构模型、变形评估模型，对坝体工况数据进行处理，得到土石坝网格信息；并根据拟静力有限元超载法，对土石坝网格信息进行处理，得到土石坝体的静态滑动信息；再结合土体在地震循环载荷激励下的剪切模量衰减和塑性流动特性，计算土石坝动力学响应，得到土石坝的动态加速度场；并根据静态滑动信息，对动态加速度场进行处理，得到准确的土石坝永久变形量，从而实现土石坝地震变形的准确仿真，
方案科学、合理，误差小，利用推广使用。
[0013]因而，本专利技术可以有效摆脱对大坝变形观测历史数据的依赖，并通过非线性弹塑性动力学本构模型，充分考虑土体在地震循环载荷激励下的剪切模量衰减和塑性流动特性，以表征地震的时空分布，从而有效提高土石坝地震动力学响应的数值计算精度。
[0014]进一步，本专利技术利用二维平面有限元网格模型、土石坝稳定性仿真分析模型，得到土石坝网格信息以及静态滑动信息，对土石坝的结构特征进行表征，进一步提高土石坝地震变形的仿真精度。
[0015]作为优选技术措施：二维平面有限元网格模型的构建方法如下：S1：获取坝体工况数据；所述坝体工况数据包括土石坝施工数据或除险加固数据；S2：对土石坝施工数据或除险加固数据进行处理，得到土石坝的二维平面几何单元；二维平面几何单元为关于坝基结构或/和砂砾石覆盖层结构或/和粘土心墙结构或/和砂壳结构的计算单元；S3：将二维平面几何单元划分为若干个二阶四边形网格，完成用于结构有限元计算的二维平面有限元网格模型的构建。
[0016]作为优选技术措施：土石坝稳定性仿真分析模型得到土石坝体的静态滑动信本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于非线性本构的土石坝地震永久变形仿真方法，其特征在于，包括以下内容：获取某个土石坝的坝体工况数据；利用预先构建的二维平面有限元网格模型，对坝体工况数据进行处理，得到土石坝网格信息；通过预先构建的土石坝稳定性仿真分析模型，并根据拟静力有限元超载法，对土石坝网格信息进行处理，得到土石坝体的静态滑动信息；根据静态滑动信息，使用预先构建的非线性弹塑性动力学本构模型，结合土体在地震循环载荷激励下的剪切模量衰减和塑性流动特性，计算土石坝动力学响应，得到土石坝的动态加速度场；利用预先构建的变形评估模型，并根据静态滑动信息，对动态加速度场进行处理，得到土石坝的永久变形量，实现基于非线性本构的土石坝地震永久变形仿真。2.如权利要求1所述的基于非线性本构的土石坝地震永久变形仿真方法，其特征在于，二维平面有限元网格模型的构建方法如下：S1：获取坝体工况数据；所述坝体工况数据包括土石坝施工数据或除险加固数据；S2：对土石坝施工数据或除险加固数据进行处理，得到土石坝的二维平面几何单元；二维平面几何单元为关于坝基结构或/和砂砾石覆盖层结构或/和粘土心墙结构或/和砂壳结构的计算单元；S3：将二维平面几何单元划分为若干个二阶四边形网格，完成用于结构有限元计算的二维平面有限元网格模型的构建。3.如权利要求1所述的基于非线性本构的土石坝地震永久变形仿真方法，其特征在于，土石坝稳定性仿真分析模型得到土石坝体的静态滑动信息的方法如下：步骤一，根据初始滑动体屈服加速度、地震作用效应折减系数、材料密度和动态分布系数，计算以体积力形式描述的地震惯性力载荷；步骤二，根据土石坝网格信息，并以坝体自重、坝基自重和地震惯性力载荷为条件，采用摩尔库伦剪切破坏准则，进行非线性结构有限元计算，得到非线性有限元计算结果；步骤三，通过拟静力有限元超载法，判断非线性有限元计算结果是否收敛；若非线性有限元计算结果收敛时，则将初始滑动体屈服加速度增加至第一滑动体屈服加速度；并将第一滑动体屈服加速度赋值给初始滑动体屈服加速度，再返回至步骤一进行计算；若非线性有限元计算结果不收敛时，则获取最后一次计算收敛时，由最大积累塑性形变形成的塑性贯通区和第一滑动体屈服加速度，并执行步骤四；步骤四，根据塑性贯通区，得到一个或多个滑动面的位置信息；根据第一滑动体屈服加速度，得到滑动体屈服加速度；滑动面的位置信息为圆心坐标、半径；或滑动面的位置信息为滑动面曲线，滑动面曲线通过若干个位于滑动面上的特征点形成；步骤五，将滑动面的位置信息和滑动体屈服加速度进行处理，得到土石坝体的静态滑动信息。
4.如权利要求3所述的基于非线性本构的土石坝地震永久变形仿真方法，其特征在于，所述拟静力有限元超载法通过放大地震加速度直至结构破坏来寻找使结构达到临界状态的屈服加速度；塑性贯通区的区域和大小，用于表征土体剪切破坏位置和程度，其获取方法如下：获取计算收敛时的最大积累塑性应变数据；根据最大积累塑性应变数据，绘制云图；在云图上识别出滑动面的左右端点和中间点；根据左右端点和中间点，在土石坝网格信息上查询到对应的节点坐标；根据节点坐标，代入圆方程中，解得滑动面的圆心坐标以及滑动半径；并将与滑动面相对应的滑动体定义为最危险滑动体，实现塑性贯通区的获取。5.如权利要求1所述的基于非线性本构的土石坝地震永久变形仿真方法，其特征在于，非线性弹塑性动力学本构模型为伊万非线性本构模型，其在土结相互作用中考虑土基无限域辐射阻尼，并将地震加速度谱转化为速度输入，用于考虑土基中平面波行波效应；并通过傍轴近似方法计算粘弹性吸收边界处的等效节点应力，再根据等效节点应力，计算得到土石坝的动态加速度场；土石坝的动态加速度场的计算方法如下：步骤41：根据地震动速度输入算法，利用预先构建的土石坝地基有限域模型，将地震加速度谱转化为速度形式作为剪切波在坝基底面和两侧的输入，得到地震波速度波形；步骤42：在土石坝在坝基底面和两侧设置吸收边界有限单元，并根据地震波速度波形，利用对角化方法求解得到边界等效节点应力；步骤43...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭钰，闵皆昇，戴扬，吴健明，
申请(专利权)人：浙江远算科技有限公司，
类型：发明
国别省市：