[发明专利]一种基于响应面法的高堆石坝瞬变流变参数反演方法

说明书

本发明公开了一种基于响应面法的高堆石坝瞬变流变参数反演方法。结合坝体材料分区及施工分级情况建立堆石坝三维有限元模型，进行各材料分区堆石体瞬变参数和流变参数的敏感性分析，选取敏感性较强的瞬变参数和流变参数共同作为待反演参数。材料静力模型选用邓肯EB模型，流变模型选用南科院五参数模型。将有限元计算沉降量与计算参数之间的隐性关系用特定形式的响应面函数表示，通过若干次有限元计算求解响应面方程组的待定系数，从而建立沉降量与计算参数之间的非线性映射关系。在此响应面方程的基础上，以计算沉降量与实测沉降量的均方根误差最小为目标函数，采用遗传算法同时反演瞬变参数和流变参数，得到一组最优的计算参数，即为反演结果。

技术领域

本发明属于材料力学技术领域，涉及一种基于响应面法的高堆石坝瞬变流变参数反演方法。

背景技术

合理地评估堆石坝的当前工作性态并准确地预测其时空变形规律是保障堆石坝安全稳定的关键之一。堆石体是面板堆石坝的主要筑坝材料，因此准确确定其材料力学参数是提高堆石坝应力变形预测精度的前提。目前，堆石体力学参数主要通过室内试验和工程类比确定，但是上坝的原型堆石体粒径较大(最大可达800～1200mm)，只能进行缩尺堆石体的室内三轴试验。由于存在缩尺效应，室内试验所得参数无法准确表征原级配堆石体的力学特性。工程类比法预测精度低，只适用于工程重要性等级较低的情况。因此，结合大坝的实测变形资料，对堆石体力学参数进行反演分析已被广泛应用于工程实践中，并成为接近坝体真实材料力学参数的主要方法之一。

反演方法可以分为直接法和间接法两类。岩土工程中的参数反演问题常采用直接法，将材料参数反演问题转化成数学规划的极小值问题，根据反演目的构造目标函数，通过线性规划法、直接迭代法或者矩阵求逆法求其极小值，以获得最优参数组合。在以上这些参数反演过程中，需要进行大量的有限元正问题的求解，由于待反演参数较多，计算效率较低，耗时较长。

响应面法采用计算效率较高的响应面模型来代替有限元分析，有效克服了上述问题并提高了反演分析的效率。目前该方法只能反演堆石体的静力本构模型参数，未考虑堆石体的流变变形，而流变特性是堆石体材料不可忽略的重要特性，因此现有方法不能应用于高堆石坝长期变形的预测。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种综合考虑堆石体的瞬变和流变特性，可同时反演堆石体的瞬变和流变参数的方法，提高了反演效率和精度，有效实现了响应面法在堆石坝反演分析和长期变形预测中的应用。

本发明所采用的技术方案是：一种基于响应面法的高堆石坝瞬变流变参数反演方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：结合大坝施工分级及坝体材料分区建立堆石坝三维有限元模型；

步骤2：使用正交实验设计方法进行各材料分区堆石料瞬变的敏感性分析，选取敏感性较强的瞬变参数和流变参数共同作为待反演参数；

步骤3：材料静力模型选用邓肯EB模型，流变模型选用南科院五参数模型，用特定形式的响应面函数表示计算参数与有限元模拟得到的沉降量之间的非线性关系，通过若干次有限元计算求解该方程的待定系数，从而建立沉降量与计算参数之间的映射关系；

步骤4：采用遗传算法同时反演瞬变参数和流变参数，由响应面方程代替有限元分析，以计算沉降量与实测沉降量的均方根误差最小为目标函数，得到一组最优的计算参数，即为反演结果。

作为优选，步骤1中所述堆石坝三维有限元模型为：在ANSYS中用solid185单元创建的三维有限元模型，在模型中按照坝体材料分区情况赋予不同分区各自的材料参数用于有限元计算。

作为优选，步骤2中选用正交试验设计法对材料瞬变参数参数进行敏感性分析，其具体实现包括以下子步骤：

步骤2.1：选取试验指标。根据参数敏感性分析中试验指标的选取原则，以坝体最大竖直向位移作为参数敏感性分析的主要试验指标。