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申请/专利权人：天津大学

摘要：本发明公开了一种凌汛变水位耦合冻土特征驱动的堤防渗流险情模拟方法，构建凌汛期变水位耦合冻土特征驱动的堤防渗流险情模拟模型，该模型包括堤防渗流分析模型、堤防断面渗流场‑应变场耦合的土体变形安全分析模型和凌汛期变水位耦合冻土特征驱动的堤防渗流稳定性分析模型，利用堤防边坡稳定安全系数实现堤防渗流险情演化过程的模拟分析，选取堤防险情指标进行凌汛期堤防渗流险情演化规律分析，辨识凌汛期堤防渗流险情演化过程中关键点的孔隙水压力、XY‑位移和稳定性安全系数，定量化评估堤防渗流险情的边坡稳定性阈值。与现有技术相比，本发明实现了结合凌汛期实际水位变化与冻土厚度情况的堤防渗流险情精确模拟。

主权项：1.一种凌汛变水位耦合冻土特征驱动的堤防渗流险情模拟方法，其特征在于，包括：S1，基础资料收集处理与规范化整编；S2，根据收集的基础资料进行待模拟区域的凌汛变水位与冻土特征分析，包括设置变水位特征和冻土特征的组合表示堤防渗流险情变化过程，获得凌汛期变水位与冻土特征分析结果；S3，进行凌汛期堤防渗流险情模拟情景设定，根据冻土特征分析结果确定模拟堤防冻土厚度，根据凌汛变水位特征分析结果确定模拟边界条件，包括水力边界条件、应力边界条件和应变边界条件；S4，进行凌汛期变水位耦合冻土特征驱动的堤防渗流险情模拟模型构建，以冻土堤防断面尺寸、划分断面网络、设置的材料力学参数、水力参数和模拟边界条件作为堤防渗流险情模拟模型的输入，结合基础资料数据和凌汛变水位与冻土特征分析结果确定堤防土体类型、基本力学参数和水力参数，利用堤防边坡稳定安全系数实现对堤防渗流险情演化过程的模拟分析；所述堤防渗流险情模拟模型构建具体包括以下过程：4.1，将二维饱和流动的控制方程作为堤防渗流分析模型，表达式为： 式中，H表示总水头，kx和ky分别表示x和y方向渗透系数，t表示时间，mw表示储水曲线斜率，γw表示水的容重，Q表示单位体积内的水的增量或损失，不考虑Q的影响；通过有限元方法对所述堤防渗流分析模型进行求解，基于达西定律和水量平衡方程，描述地下水流动；4.2，建立堤防断面渗流场-应变场耦合的土体变形安全分析模型：根据堤防渗流分析模型模拟的堤防渗流险情演化过程，分析凌汛变水位耦合冻土特征驱动下的堤防变形，得到堤防断面渗流场-应变场耦合的土体变形安全分析模型，包括：1有限元耦合分析的单元平衡方程，表达式为：[K]{Δδ}+[Ld]{uw}＝{ΔF}式中，[K]表示单元刚度矩阵，{Δδ}表示节点位移向量，[Ld]表示堤防断面渗流场-应变场耦合矩阵，{uw}表示单元孔隙水压力向量，{ΔF}表示作用在单元上的外力增量向量；2有限元耦合分析的流动方程，表达式为： 式中，β表示耦合系数，描述土体变形对渗流的影响，[Lf]表示渗流耦合矩阵，Δt表示时间步长，[Kf]表示渗流水力传导率矩阵，ω表示松弛系数，[MN]表示渗流质量矩阵，{Δuw}表示孔隙水压力增量向量，{Q}|x+ΔM表示在位置x+ΔM处的外部渗流，{uw}||x表示在当前位置x处的孔隙水压力向量； 式中，E表示弹性模量，v表示泊松比，KB表示体积模量，h表示渗流分析的土层厚度，R表示渗流阻力系数；3二维断面变形有限元方程的表达式为：∫A[B]T[C][B]dA{α}＝bt∫ANTdA+pt∫LNTdL式中，[C]表示本构矩阵，[B]表示应变-位移矩阵，N表示插值函数行矢量，{α}表示插值函数列矢量，A表示单元边界的面积，T表示矩阵转置，L表示单元边界长度；4应变-位移矩阵的表达式为： 式中，N表示形函数矩阵，用于在节点处对位移进行插值，Ni表示第i个节点的形函数，对于8节点6面体单元，N＝{N1,N2,N3,…,N8}；由此得到堤防结构的二维平面应力-应变关系；4.3，以4.2构建的堤防断面渗流场-应变场耦合的土体变形安全分析模型为基础，建立凌汛期变水位耦合冻土特征驱动的堤防渗流稳定性分析模型：在渗流-应变耦合有限元模拟基础上，定义潜在的滑移面区域，采用Morgenstern-Price法，选取半正弦函数作为条间力函数满足力矩平衡和力的平衡，经过迭代过程改变条间剪力和法向力比值，最终得到不同潜在滑移面的安全系数，关注最小安全系数以及相应的滑动面对堤防边坡稳定性进行评估分析，堤防边坡稳定安全系数的表达式为： 式中，∑Ti表示剪应力之和，Σ[cΔli+Ni-uiΔlitanφ'e]表示抗剪强度之和，c表示土体粘聚力，Ni、Ti、ui、li分别表示第i个土条上的法向力、切向力、孔隙水压力、滑移面长度，φ'e表示土体的有效内摩擦角；S5，进行凌汛期堤防渗流险情演化过程模拟：5.1，堤防渗流计算分析模拟过程：输入初始边界条件，模拟初始最低水位条件下堤防内部的渗流，根据凌汛期的实际水位变化过程与冻土厚度，考虑将不同凌汛变水位过程与不同冻土厚度两两组合，在堤防临水侧设置多种变速率的水位边界条件，通过渗流分析计算不同工况下水流在堤防土体中的分布和变化情况；5.2，堤防应力变形情况模拟过程：确定土体的应力、应变边界条件，结合渗流分析计算结果，考虑水流孔隙水压力对堤防应力状态的影响，模拟各工况下土体的应力和变形情况；5.3，堤防边坡稳定性变化情况模拟过程：分析水位变化过程中堤防内部可能存在的滑移面，确定滑移面入口、出口的位置和范围；在渗流分析和渗流-应力应变耦合分析的基础上，结合极限平衡理论分析，模拟计算变水位和冻土特征耦合下的边坡安全系数变化过程，识别边坡安全系数最低的关键滑移面以及潜在的失稳区域和渗流险情；S6，进行凌汛期堤防渗流险情演化规律分析：选取堤防险情指标进行凌汛期堤防渗流险情演化规律分析，辨识凌汛期堤防渗流险情演化过程中关键点的孔隙水压力、XY-位移和稳定性安全系数，定量化评估堤防渗流险情的边坡稳定性阈值。

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