CN113701988A - 一种冰-岸/坝相互作用力成套监测装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种冰‑岸/坝相互作用力成套监测装置与方法，其中装置包括悬挂在冰层内不同位置若干应变计组、冰无应力计、冰和水温度计；同时也包括岸或坝体内埋设的孔隙压力计、应变计组、温度计以及岸上的气象站和积雪监测设备。方法包括：根据现场冰水‑岸的特征参数建立冰水与库岸或坝分离数值模型，其中冰水‑岸或坝界面设置相互作用非线性正应力和剪应力边界条件，岸或坝建立有限元模型、近岸冰水建立精细有限元‑无限元耦合数值模型。采用多场耦合模型通过数值计算获得多工况下训练和检验样本，构建泛化最优的Transformer模型；应用时基于最优模型和相关实测数据反演冰‑岸界面应力分布，获取冰‑岸界面相互作用。本发明能获得冰‑岸界面拉、压、剪等复杂相互作用。

Description

一种冰-岸/坝相互作用力成套监测装置与方法
技术领域
本发明属于水利水文及气象工程技术领域，涉及一种冰-岸/坝相互作用力监测装置与方法。
背景技术
冰压力指静冰或动冰对建筑物表面的作用力。冬季库面冻结成冰盖，当气温增高时，冰层膨胀对坝面产生的挤压力称为静冰压力；当冰盖破碎发生流冰时，撞击建筑物而产生的压力称为动冰压力。在水利工程建筑中，冰压力是影响水工建筑物安全及闸门正常启闭的重要因素，也是防洪防凌分析的关键因子。目前冰压力监测主要采用埋设界面土压力盒进行监测，但由于仪器本身结构不匹配，加上尺寸效应，使得现有埋设压力盒的方法不仅测不准，也存在仪器错位、使用期短等问题。实际上冰对岸或坝不仅仅是推力作用，也包括拉力和剪切作用，而对于这种复杂的作用，目前尚无有效的监测方法。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种冰-岸/坝相互作用力成套监测装置与方法，理论严密，逻辑严谨，先进实用。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种冰-岸/坝相互作用力成套监测方法，包括如下步骤：
步骤1，构造正四面体空间应变计组和无应变计，所述正四面体空间应变计组包括四条棱边，每个棱边中部安装有一支单向应变计，单向应变计包括两个相对设置的冰锚固圆盘、以及连接在冰锚固圆盘之间的单向应变计传感轴、直线轴向轴承、弹性防冻橡胶薄膜，单向应变计安装在两直线轴承之间并与直线轴向轴承同轴，弹性防冻橡胶薄膜包裹在直线轴向轴承外；无应力计包括外层桶、内层桶以及纵向固定在内层桶内的应变计，内、外层桶之间设置有夹层泡沫，内层桶内容纳有冰或水；
步骤2，在结冰前将正四面体空间应变计组、无应力计和冰/水温计悬挂定位在不同高度，具体范围根据可能结冰厚度范围确定；
步骤3，在尚未结冰前将正四面体空间应变计组、无应变计、孔隙压力计和温度计埋设在库/河岸边边坡或坝体内，具体范围根据冰作用力影响范围确定，同时在库/河岸边设置气象站及雪厚监测设备；
步骤4，构建无线采集网络，每个仪器连接有无线采集装置，能够将采集到的数据通过无线方式进行传输；
步骤5，构建冰水-岸分离式力学模型，冰水-岸分离式力学模型根据现场实测冰的几何参数、力学参数、热学参数及气象参数建立，冰水与库岸分离，分界面设置非线性分布的正应力和剪切应力，通过建立近岸冰水精细有限元-库中无限元耦合数值模型及岸坡/坝精细有限元模型，通过数值计算获得均匀设计多工况下训练和检验样本，将岸/坝应变计、孔隙压力和温度，以及冰应变、温度和水温作为输入，将冰/水-岸相互作用力的非线性分布参数作为输出建立Transformer神经网络模型，经过稳定性和泛化能力检验，最终选择泛化最优神经网络模型；
步骤6，通过无线采集网络获取冰层、库岸实测数据，并对实测数据进行预处理后获取输入样本输入泛化最优神经网络模型，反演冰水-岸界面应力分布，通过面积分获取冰-岸界面相互作用力。
进一步的，所述各类水文气象数据包括：环境风速、风向、气温、冰温、冰层、露点温度、太阳辐射、云量和积雪厚度。
进一步的，所述步骤5中，岸/坝采用水-热-力三场耦合模型，冰考虑热-力两场耦合模型、水采用温度修正的静力平衡方程；数值计算工况根据现场气象条件、冰厚、水位、气温、水温等变化因素的变幅采用均匀设计获得不同的组合，每种组合进行岸/坝数值计算和冰水数值计算，界面应力分布采用迭代法获得
本发明还提供了一种冰-岸/坝相互作用力成套监测装置，包括设置在冰层不同高度的若干正四面体空间应变计组和无应力计，无应力计及每组正四面体空间应变计组均连接有绳缆，缆绳连接至位于冰面上方的支架；所述正四面体空间应变计组包括四条棱边，每个棱边中部安装有一支单向应变计，单向应变计包括两个相对设置的冰(混凝土)锚固圆盘、以及连接在冰(混凝土)锚固圆盘之间的单向应变计传感轴、直线轴向轴承、弹性防冻橡胶薄膜，单向应变计安装在两直线轴承之间并与直线轴向轴承同轴，弹性防冻橡胶薄膜包裹在直线轴向轴承外；无应力计包括外层桶、内层桶以及纵向固定在内层桶内的应变计，内、外层桶之间设置有夹层泡沫，内层桶内容纳有冰或水。
本发明还提供了一种冰-岸/坝相互作用力成套监测装置，还包括构建冰水-岸分离式力学模型，冰水-岸分离式力学模型根据现场冰水-岸或坝几何参数、力学参数、热学参数及气象参数建立，冰水与库岸或坝分离，分界面设置非线性分布的正应力和剪切应力，通过建立近岸或坝冰水域精细有限元-库中无限元耦合数值模型以及岸或坝精细有限元模型，通过数值计算获得正交设计多工况的训练和检验样本，采用Transformer神经网络，最终构建泛化能力最优的预测模型，基于该模型和实测数据，反演冰岸接触界面应力分布，通过面积分获取冰-岸界面相互作用力。
本发明还提供了一种冰-岸/坝相互作用力成套监测系统，采用冰岸或坝相互作用力成套监测装置，还实现如下过程：构建冰水-岸分离式力学模型，冰水-岸分离式力学模型根据现场实测冰的几何参数、力学参数、热学参数及气象参数建立，冰与库岸分离，分界面设置非线性分布的正应力和剪切应力，通过建立近岸区冰水精细有限元-库中无限元耦合数值模型以及岸坡/坝体精细有限元模型，采用多场耦合模型通过数值计算获得正交设计多工况下训练和检验样本，采用Transformer神经网络，最终构建泛化最优神经网络模型，基于模型和实测数据，反演冰水-岸界面应力分布，通过面积分获取冰-岸界面相互作用力
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
1、本发明提供的方法能够精确监测水利工程建筑中的冰岸或坝相互作用力，克服现有监测方法只能测量冰压力且测量不准确的问题，同时也解决了仪器埋设易错位、使用寿命短等问题。
2、本申请采用实测数据和模型分析相结合的方式，通过反演分析测量冰岸或坝相互作用力，理论严密，逻辑合理，先进实用，可信度更高。
附图说明
图1为本发明提供的冰岸或坝相互作用力成套监测现场安装示意图。
图2为正四面体空间应变计组结构示意图。
图3为新型应变计结构示意图，其中(a)为主视图，(b)为(a)的左视图。
图4为无应力计结构示意图。
图5为Transformer神经网络模型构建示意图。
图6为冰与建筑物分离及面力分布示意图。
图7为本发明提供的冰岸或坝相互作用力监测方法整体步骤流程示意图。
附图标记说明：
1-正四面体空间应变计组，2-无应力计，3-冰上表面，4-冰内气泡，5-冰下表面，6-水，7-库(河)岸，8-绳缆，9-单向应变计，10-冰锚固圆盘，11-弹性防冻橡胶薄膜，12-直线轴向轴承，13-单向应变计传感轴，14-内层桶，15-外层桶，16-夹层泡沫，17-冰(或水)，18-不锈钢支架，19-稳定定位拉杆，20-孔隙水压力计、21-埋入式温度计，22-气象站，23-雪厚监测设备。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明构建冰水-岸分离式力学模型，冰水-岸分离式力学模型根据现场实测冰的几何参数、力学参数、热学参数及气象参数建立，冰与库岸分离，分界面设置非线性分布的正应力和剪切应力，通过建立近岸区冰水精细有限元-库中无限元耦合数值模型以及岸坡或坝体精细有限元模型，通过数值计算获得正交设计多工况下训练和检验样本，采用Transformer神经网络，最终构建泛化最优神经网络模型，基于模型和实测数据，反演冰水-岸界面应力分布，通过面积分获取冰-岸界面相互作用力。
具体的说，本发明提供了一种冰-岸或坝相互作用力监测方法，如图7所示，包括如下步骤：
研制如图3所示的新型应变计，并由此构造了如图2所示的正四面体空间应变计组1和如图4所示的无应力计2。如图2所示，正四面体空间应变计组1为正四面体结构，包括四条棱边，每个棱边中部安装有一支单向应变计9。单向新型应变计9的结构如图3所示，包括两个相对设置的冰锚固圆盘10、以及连接在冰锚固圆盘10之间的单向应变计传感轴13、直线轴向轴承12、弹性防冻橡胶薄膜11，单向应变计传感轴13设置在直线轴向轴承12内并与直线轴向轴承12同轴，弹性防冻橡胶薄膜11包裹在直线轴向轴承12外。无应力计2结构如图4所示，包括外层桶15、设置在外层桶内的内层桶14，以及纵向固定在内层桶14内的应变计9，内、外层桶之间设置有夹层泡沫16，内层桶14内容纳有冰(或水)17。需将正四面体空间应变计组1、无应力计2、冰/水温计预先埋设入冰层内，在冰层尚未凝固时，将3组正四面体空间应变计组1连接绳缆，无应力计2和冰/水温计也连接绳缆，绳缆另一头与不锈钢支架18连接。不锈钢支架18固定在库(河)岸7边，位于水(冰)面上方。为了增加不锈钢支架18的稳定性，不锈钢支架远离河岸固定点的远端还与稳定定位拉杆19连接，稳定定位拉杆19另一头固定在库(河)岸7边。绳缆长度可根据冰面调节，同时具有定位和通讯双重功能。将正四面体空间应变计组、无应力计和冰/水温计悬挂定位在不同高度，具体范围根据可能结冰厚度范围确定。
将正四面体空间应变计组9和无应力计2在冰层尚未凝固时在库(河)岸边埋设若干组，同时，在岸边埋设若干组孔隙水压力计20，孔隙压力计，在岸边和冰/水下设置若干埋入式温度计21，具体范围根据冰作用力影响范围确定，在库(河)岸边设置气象站22，并设置雪厚监测设备23。
当冰层形成后，上述结构形成一种冰岸或坝相互作用力成套监测装置，图1为河面及库(河)岸7剖面示意图，河面上覆盖有有一定厚度的冰层，冰层内分布有冰内气泡4。图上可见冰上表面3和冰下表面5，冰下表面5之下为水6。正四面体空间应变计组1悬挂于冰层不同位置，每组正四面体空间应变计组1下连接有绳缆8，绳缆8延伸至冰下表面5。图中，3组正四面体空间应变计组1分别设置在冰上表面3之下、冰层中部和接近冰层底部位置。冰面/水中、岸上均设置有温度计，岸或坝体内埋设的孔隙压力计、应变计组和温度计，岸上设置有气象站。
构建无线采集网络，每个应变计组9连接有无线传输芯片，能够将采集到的数据通过无线方式进行传输。同时，在冰水-岸边和冰面、冰层设置多种传感器，采集冰水-岸边风速、风向、气温、冰温、冰层厚度、积雪厚度等多种数据。这些传感器采集的数据均能够通过无线方式进行传输。
构建冰水-岸水分离式力学模型，冰水-岸分离式水力学模型根据现场实测冰的几何参数、力学参数、热学参数及气象参数建立(采集各时刻冰水-岸边界正应力和剪切应力场、风速场、风向场、气温场、冰温场、冰厚场、积雪场)，冰与库岸分离，分界面设置正应力和剪切应力场，通过建立近岸冰水精细有限元-库中无限元耦合数值模型及岸坡(坝)精细有限元模型，通过数值计算获得均匀设计多工况下训练和检验样本，将岸(坝)应变计、孔隙压力和温度，以及冰应变、温度和水温作为输入，将冰和水-岸相互作用力的非线性分布参数作为输出建立如图5所示的Transformer神经网络模型，经过稳定性和泛化能力检验，最终构建泛化最优神经网络模型。
冰水-岸分离式水力学模型如下：
1、静力平衡方程
Figure BDA0003177652410000051
Figure BDA0003177652410000052
式中：E，v分别为弹性模量和泊松比。
Figure BDA0003177652410000053
为骨架材料的弹性矩阵，Ts，Ts0分别为材料的温度和参考温度，ρe为材料的密度，fi为体积力分量，当只考虑重力时，有fi＝gi＝(0,0,g)T，其中，g为重力加速度竖向分量，εkl为体积应变，γ为冰的容重，δij为Kronecker符号，αw、αi均为增量有效应力系数，pw、pi为孔隙水压力和冰压力。
2、连续方程：
Figure BDA0003177652410000054
式中，βsw＝φβw+(1-φ)βs
Kw为水的体积模量，βw为水的热膨胀系数，K为体积模量，μ为动力粘度，
Figure BDA0003177652410000055
为孔隙水压力，ρ为固体的密度，m为热应变，ε为固体基质的总应变，t为温度，φ为孔隙率，Ks为固体基质的体积模量，T为温度量。
3、能量平衡方程
Figure BDA0003177652410000061
式中，λeff＝φλw+(1-φ)λs，式中λw、λs分别为流体热传导系数、固体基质热传导系数。ρsCs为固体的热容，
ρwCw为水的热容，Vα为流体的表观速度，
Vα＝φ(Vw-Vs)
式中，Vw为流体速度，Vs为固体骨架的速度，T为温度量
设其满足二次多项式：σ＝A+Bx+Cx2+Dx3。
若假定浮冰表面温度为气温，冰水交界面的温度为冰水达到平衡状态时的温度，并且浮冰表面和冰水交界面之间的温度呈线性分布，则冰盖厚度的变化可由以下公式给定：
Figure BDA0003177652410000062
式中：h为冰盖厚度；t为时间；Tm为冰水交界面的温度；T'α为气温；λ为结冰潜热；ρi为冰的密度；ki为冰的导热系数；Hiα为冰面与大气的热交换系数，Hiα＝10W/(m2.℃)
岸/坝采用水-热-力三场耦合模型，冰考虑热-力两场耦合模型、水采用温度修正的静力平衡方程；数值计算工况根据现场气象条件、冰厚、水位、气温、水温等变化因素的变幅采用均匀设计获得不同的组合，每种组合进行坝(岸)数值计算和冰水数值计算，界面应力分布采用迭代法获得。
通过无线采集网络获取冰层、库岸或坝实测数据，并对实测数据进行误差处理等预处理后获取输入样本，将样本输入泛化最优神经网络模型，反演冰水-岸界面应力分布，通过面积分获取冰-岸或坝界面相互作用，如图6所示。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种冰-岸/坝相互作用力成套监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，构造正四面体空间应变计组和无应变计，所述正四面体空间应变计组包括四条棱边，每个棱边中部安装有一支单向应变计，单向应变计包括两个端部设置的冰锚固圆盘、以及连接在冰锚固圆盘之间的单向应变计传感轴、直线轴向轴承、弹性防冻橡胶薄膜，单向应变计安装在两直线轴承之间并与直线轴向轴承同轴，弹性防冻橡胶薄膜包裹在直线轴向轴承外；无应力计包括外层桶、内层桶以及纵向固定在内层桶内的应变计，内、外层桶之间设置有夹层泡沫，工作时内层桶内容纳有冰或水；
步骤2，在结冰前将正四面体空间应变计组、无应力计和冰/水温计悬挂定位在库(河)水面及不同深度，具体范围根据可能结冰厚度范围确定；
步骤3，在尚未结冰前将正四面体空间应变计组、无应变计、孔隙压力计和温度计埋设在库/河岸边边坡或坝体内，具体范围根据冰作用力影响范围确定，同时在库/河岸边设置气象站及积雪监测设备；
步骤4，构建无线采集网络，每支仪器连接到相应的无线采集装置，采集装置将采集到的数据通过无线方式进行组网传输；
步骤5，构建冰水-岸或坝分离式力学模型，冰水-岸或坝分离式力学模型根据现场实测冰的几何参数、力学参数、热学参数及气象参数建立，冰水与库岸或坝分离，分界面设置非线性分布的正应力和剪切应力，通过建立近岸冰水精细有限元-库中无限元耦合数值模型及岸坡/坝精细有限元模型，通过数值计算获得正交设计选定的多工况下训练和检验样本，将岸/坝应变计、孔隙压力和温度，以及冰应变、温度和水温以及冰的几何和气象参数作为输入，将冰/水-岸相互作用力的非线性分布参数作为输出建立Transformer神经网络模型，经过泛化能力检验，最终选择泛化最优神经网络模型；
步骤6，通过无线采集网络获取冰层、库岸及气象实测数据，并对实测数据进行预处理后作为输入样本输入泛化最优神经网络模型，反演冰水-岸界面应力分布，通过面积分获取冰-岸界面相互作用力。
2.根据权利要求1所述的冰-岸/坝相互作用力成套监测方法，其特征在于，所述各类水文气象以及结构数据包括：冰水-岸边风速、风向、气温、冰温、冰厚、积雪厚度、露点温度、太阳辐射、云量。
3.一种冰-岸/坝相互作用力成套监测方法，其特征在于，所述步骤5中，岸/坝采用水-热-力三场耦合模型，冰考虑生长热-力两场耦合模型、水采用温度修正的静力平衡方程；数值计算工况根据现场气象条件、冰厚、水位、气温、水温、云量及太阳辐射等变化因素的变幅采用正交设计获得不同的组合，每种组合进行岸/坝数值计算和冰水数值计算，界面应力分布采用迭代法获得。
4.一种冰-岸/坝相互作用力成套监测装置，其特征在于，包括设置在冰面不同高度的若干正四面体空间应变计组和设置在冰面上表面之下的无应力计，无应力计及每组正四面体空间应变计组均连接有绳缆，缆绳连接至位于冰面上方的支架；所述正四面体空间应变计组包括四条棱边，每个棱边中部安装有一支单向应变计，单向应变计包括两个相对设置的冰锚固圆盘、以及连接在冰锚固圆盘之间的单向应变计传感轴、直线轴向轴承、弹性防冻橡胶薄膜，单向应变计安装在两直线轴承之间并与直线轴向轴承同轴，弹性防冻橡胶薄膜包裹在直线轴向轴承外；无应力计包括外层桶、设置在外层桶内的内层桶，以及纵向固定在内层桶内的应变计，内、外层桶之间设置有夹层泡沫，内层桶内容纳有冰或水；还包括埋设在库/河岸边边坡或坝体内的正四面体空间应变计组、无应变计、孔隙压力计和温度计，以及在库/河岸边设置的气象站及雪厚监测设备。
5.一种冰-岸/坝相互作用力成套监测系统，其特征在于，采用根据权利要求4所述的冰岸/坝相互作用力成套监测装置，还实现如下过程：构建冰水-岸分离式力学模型，冰水-岸分离式力学模型根据现场实测冰的几何参数、力学参数、热学参数及气象参数建立，冰与库岸分离，分界面设置非线性分布的正应力和剪切应力，通过建立近岸区冰水精细有限元-库中无限元耦合数值模型以及岸坡/坝体精细有限元模型，采用多场耦合模型通过数值计算获得正交设计多工况下训练和检验样本，采用Transformer神经网络，最终构建泛化最优神经网络模型，基于模型和实测数据，反演冰水-岸界面应力分布，通过面积分获取冰-岸界面相互作用力。
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