[发明专利]一种水闸闸基覆盖层渗透系数反演分析方法

说明书

本发明公开了一种水闸闸基覆盖层渗透系数反演分析方法，建立渗透系数反演分析的目标函数需要采用渗压的计算值和实测值，求解一个以渗透系数为未知变量的优化问题。若采用有限元法计算渗压，既耗时又无法建立显示表达的目标函数，给之后的优化问题的求解造成困难。本发明采用渗压计算值的响应面方程(即以渗压计算值为因变量和需要率定的渗透系数为自变量的函数)代替有限元计算，可以建立显示表达的目标函数，提高参数反演分析的效率。

技术领域

本发明属于水闸渗压监测技术领域，涉及一种水闸闸基覆盖层渗透系数反演分析方法。

背景技术

水闸是修建在河道上的一种低水头挡水建筑物，可用于发电、防洪、灌溉或供水等，是国民经济重要的基础设施之一。在中国西南山区修建了较多的水闸，其中大多数水闸建在透水性强、渗透稳定性差的覆盖层地基上。闸基渗流性态是影响水闸运行安全的关键因素之一，通常在闸基中埋设渗压计进行渗流监测。渗压监测数据可以真实反映闸基渗流性态，但缺点是测点数量有限，只能观测局部渗流情况。采用有限元法进行渗流分析，可以比较真实地模拟闸基的材料组成、各种材料的渗流特性、防渗设施和渗流边界条件等，得到整个计算模型区域内的渗流场，因此，有限元法可以更加全面地分析闸基渗流状态。闸基覆盖层渗透系数的取值对闸基渗流的计算结果影响较大，如果渗透系数取值不合理，则渗流计算结果与实际渗流情况会存在较大差异。根据渗压监测数据率定闸基覆盖层渗透系数(即渗透系数的反演分析)，然后采用率定后的渗透系数进行渗流有限元计算，可使结果更接近实际情况。

目前，水闸闸基覆盖层渗透系数反演分析采用的方法是：在闸基覆盖层渗透系数的可能取值范围内采用某种优化方法(或优化软件)搜索渗透系数的最优值，使采用有限元计算的渗压值和渗压监测值的总体差值最小。渗透系数的每一次搜索，都要进行一次渗流有限元计算。因此，该方法需要进行大量有限元计算，效率较低。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种水闸闸基覆盖层渗透系数反演分析方法，通过构造渗压计算值的响应面方程，代替耗时的有限元计算，减少计算量，提高渗透系数反演分析的效率。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种水闸闸基覆盖层渗透系数反演分析方法，包括以下操作：

1)根据水闸闸基的地质剖面图和闸基防渗布置图，建立闸基平面渗流有限元计算模型；并根据渗压计的埋设位置，在有限元模型中相应位置布置节点；

2)根据水闸闸基的覆盖层地层岩性及其分布，明确覆盖层材料种类以进行其渗透系数反演分析；

3)通过正交试验设计对反演分析的不同材料的渗透系数进行组合；

4)利用有限元软件ANSYS热分析模块进行闸基渗流分析，根据不同的渗透系数组合，计算得到闸基的整体渗流情况，及相应于渗压计埋设处的节点位置渗压；

5)构造渗压计算值的响应面方程如下：

式中，为渗压计算值，是的函数，为覆盖层材料渗透系数的组合，用向量表示；K_i和K_j为第i和第j种材料的渗透系数；a_i、b_ij、c_i和C为响应面方程的系数；n为需要率定渗透系数的材料数量；

根据不同渗透系数组合对应的渗压计算值，通过回归分析确定渗压计算值的响应面方程(1)的系数a_i、b_ij、c_i和C；

6)利用渗压计算值的响应面方程(1)和由渗压计测得的渗压实测值，建立如下渗透系数反演分析的目标函数：