一种堤身材料渗透系数随机序贯反演方法
阅读说明：本技术 一种堤身材料渗透系数随机序贯反演方法 (Random sequential inversion method for permeability coefficient of embankment body material ) 是由 蒋水华 支欢乐 陈李蓉 黄劲松 周创兵 于 2021-06-30 设计创作，主要内容包括：一种堤身材料渗透系数随机序贯反演方法,首先根据堤防被保护地区的抗洪抢险要求及堤防自身结构特性初步进行分段设计,设置相隔同等距的监测断面,布置若干个竖管渗压计等监测设备。根据堤身材料渗透系数的不确定性,利用水力学或者有限元方法作为进行堤防渗流分析,建立监测点水位、浸润线与材料渗透系数之间的函数关系,再基于极大似然估计方法进行堤身材料渗透系数随机序贯反演分析,利用不同时刻从不同位置处测得的监测数据对堤身材料渗透系数进行随机序贯反演分析,准确确定堤身材料渗透系数取值,并通过设定渗透系数阈值进行抗洪抢险预警。本发明不仅有助于及时发现堤防存在的病险问题,而且可指导堤防管理人员有针对性地开展防洪抢险工作。(A random sequential inversion method for permeability coefficient of dyke body material includes such steps as designing the sections according to the flood-fighting requirement and the structural characteristics of dyke, setting up the monitor sections at equal intervals, and arranging several vertical-tube osmometers. According to the uncertainty of the permeability coefficient of the embankment material, a hydraulics or finite element method is used for carrying out embankment seepage analysis, a functional relation among the water level of a monitoring point, a seepage line and the permeability coefficient of the material is established, random sequential inversion analysis is carried out on the permeability coefficient of the embankment material based on a maximum likelihood estimation method, random sequential inversion analysis is carried out on the permeability coefficient of the embankment material by utilizing monitoring data measured from different positions at different moments, the permeability coefficient value of the embankment material is accurately determined, and flood fighting and early warning are carried out by setting a permeability coefficient threshold value. The invention not only is beneficial to finding out the problem of the dike in time, but also can guide dike management personnel to pertinently carry out flood control and emergency rescue work.)
技术领域
本发明属于水利工程安全领域，特别涉及堤身材料渗透系数随机序贯反演方法。
背景技术
堤防是抵御洪水泛滥的最后一道屏障，是我国防洪工程体系中极其重要的组成部分。建国以来，针对大坝、堤坝等水利工程进行了一系列的重建、除险加固和整治工程，使得我国防洪体系日益完善。然而，大部分堤防是历史上经过多次修建、破坏、再修复加固而逐渐形成，堤身材料复杂且不均匀、堤身质量和材料特性劣化、堤后出现渊溏等，这些不利因素将导致堤防材料参数存在较大的不确定性。为保证堤防渗流、变形及稳定性分析的准确性，合理确定堤身材料取值尤为重要，而汛期堤防的安全运行又直接关系到堤内居民生命和财产安全问题。因此，对堤防进行合理有效的监测、评价、巡查、维护，对于确保堤防运行安全具有十分重要的意义。
在高洪水位下堤防工程系统可能会出现多种病险问题，包括堤防溃决破坏，而实时监测数据能够反映堤防工程在运行乃至超负荷运用情况下的结构状态，通过实时监测数据对堤防工程系统进行反分析，对堤防的结构状态进行实时监测，可预测堤防性能未来的发展趋势，从而及时发现堤防异常迹象，在此基础上制定切实有效的堤防险情应急处理措施，有助于确保堤防工程系统的运行安全。
发明内容
本发明的目的是提供一种堤身材料渗透系数随机序贯反演方法,以更加准确地表征堤身材料参数的不确定性，不仅有助于抗洪人员和防汛物资合理有效的分配，而且有助于指导堤防管理人员的防洪抢险工作。
本发明是通过以下技术方案来实现。
本发明所述的一种堤身材料渗透系数随机序贯反演方法，其特征是按以下步骤：
(1)堤防数据监测点分段设计：
根据堤防抗洪抢险要求以及保护区域重要性，设置相隔同等距离的监测断面，然后在每个监测断面上布置若干个竖管渗压计监测设备，在重要堤段适当缩短竖管渗压计的布设间距，用来实时收集堤身浸润线的变化情况。
(2)堤身渗流分析：
根据堤防基本工程资料，确定堤防工程断面尺寸以及堤身材料渗透系数参数的变化范围等，基于水力学或者有限元方法进行堤身渗流分析，即对于给定的堤防工程系统，求解不同堤身材料渗透系数下的堤身浸润线位置，进而获得浸润线与渗透系数之间的对应关系。
(3)基于极大似然估计方法的渗透系数随机反演分析：
根据堤防基本工程资料以及已有的文献统计资料，确定堤防材料渗透系数先验统计特征(均值、变异系数及概率分布分布等)，利用试验数据及监测资料等多源信息基于极大似然估计方法进行参数随机反演分析，确定堤身材料渗透系数的后验统计信息。
(4)融合时间序列监测数据随机序贯反演分析：
基于当前时间点的竖管测压计监测资料进行渗透系数序贯反演分析，求得当前时间点渗透系数的后验统计信息，将从当前时间点获得的堤身材料渗透系数后验统计信息作为下次序贯反演分析的先验统计信息，重复步骤(3)，重新估计新的堤身材料渗透系数后验统计信息，这一过程直至所收集的时间序列的监测数据融合利用完毕为止。
(5)设定渗透系数阈值：
根据堤防工程等级以及被保护区域的重要程度设定渗透系数阈值，如果出现融合时间序列监测数据随机序贯反演获得的渗透系数超出渗透系数阈值的情况，即表示该监测点所在的堤段即将或已经出现险情，应及时采取有效的堤防险情应急处理措施。
步骤(2)所述的获得浸润线与渗透系数之间的对应关系，按以下方式：
利用水力学方法建立渗透系数与浸润线的关系，见图4，设水流从A'B'面入渗，在上游段内可作为渐变渗流，CI为该段最末的过水断面。渗流从A'B'断面至CI断面的水头差为ΔH＝H1-(a0+H2)，两过水断面间平均渗透流程为Δs＝L+ΔL-m2(a0+H2)，1:m2为下游堤坡坡度。设上游段单宽堤长的平均过水断面面积为A＝0.5(H1+a0+H2)，得到总的单宽渗流量q为
式(1)中，H1为上游水深，H2为上游水深，k为堤身渗透系数，L为断面AG至E点的水平距离，A'B'至AG断面的水平距离为ΔL＝[m1/(1+2m1)]H1，1:m1为上游堤坡坡度，a0为堤防渗出段的高度。由于式(1)中的a0未知，故还不能计算单宽渗流量q，这一问题需要通过对下游段进行分析才能解决。由于堤防下游有水，下游段CIE的渗流应分为两个区域处理，下游水位以上部分是无压渗流，以下部分为有压渗流。根据实际流线情况，可近似地把下游段内的渗流流线看作水平线。
整个下游水面以上部分的单宽渗流流量q1可计算得到：
整个下游水面以下部分的单宽渗流流量q2为：
通过下游段的总单宽渗流流量q为：
联立式(1)和式(4)，可求得堤防的单宽渗流量q和渗出段高度a0。
坐标系如图4所示，得到平坡浸润线y公式如下：
采用上式可绘出浸润线A'C，但因实际浸润线起点为A，故曲线前端A'F应加以修正，从A点作一垂直于上游坡面而又与A'FC相切的弧线AF，则曲线AFC即为所求的浸润线，由此建立起渗透系数与浸润线两者之间的关系。
进一步地，步骤(2)所述的获得浸润线与渗透系数之间的对应关系，也可以按以下方式：
上述所示的浸润线计算方法较为虽然简便，但是仅仅适用于均质堤身的渗流分析，对于复杂的堤防渗流问题，使用GEOSTUDIO软件进行有限元渗流分析，可建立适用性更为广泛的堤防渗透系数与浸润线的关系。
GEOSTUDIO软件涉及有关稳态和瞬态渗流基本定律，其渗流分析公式是基于饱和与非饱和土渗流的达西定律，该定律也可用于非饱和土渗流。非饱和条件下渗流系数不再是常数，而是随着含水量的变化而变化，并且间接地随着孔隙水压力的变化而变化，在GEOSTUDIO软件计算和显示的仅仅是达西流速，可改写为如下形式：
v＝ksi (6)
式中：ks为渗透系数；i为总水头梯度；v为达西流速。达西定律的有限元简化形式为
[K]{H}＝{Q} (7)
式中：[K]为单元特征矩阵；{H}为节点水头向量；{Q}为单元上施加的流量矢量，式(6)和式(7)是渗流分析有限元方程，有限元分析的控制方程为：
式中：H为总水头，kx为x方向上的渗透系数；ky为y方向上的渗透系数；Q为施加的边界流量；t为时间；mw为储水曲线的斜率；γw为水的容重。在GEOSTUDIO软件的SEEP/W模块中，建立堤防工程渗流有限元分析模型、划分有限元网格、定义边界条件，利用渗透有限元分析模型求解浸润线和堤身渗透系数之间的关系。
步骤(3)所述的确定堤身材料渗透系数后验统计特征，按如下方式：
建立浸润线和堤身渗透系数之间的关系之后，即可通过监测数据反演得出当前时间点的渗透系数。在进行渗透系数参数反演之前，需要从文献以及其他实测数据获得关于渗透系数ks的均值μks和协方差矩阵Cks等先验统计信息，建立ks的先验多维联合概率分布为
式中：k1为归一化常数，使得概率密度函数有效，以保证对f(ks)在的整个区域上的积分为1.0。同理，假设测量误差可以用均值为0、协方差矩阵为Cm，在渗透系数ks的条件下，实测的水位值d的似然函数可表示为：
式中：k2为归一化常数，g(ks)为通过确定性渗流分析得到的水位模拟值。根据极大似然原理，后验概率密度f(ks|d)既与先验概率密度f(ks)成正比，又与似然函数f(d|ks)成正比，表示为
f(ks|d)∝f(d|ks)f(ks) (11)
后验估计量可以通过对式(11)进行最大化处理获得，这又等价于使S(x)＝-2lnf(ks|d)最小，其计算表达式为
对于一般的线性预测模型g(ks)＝Yks，后验均值和协方差可以使用以下关系来确定：
堤身材料渗透系数存在较大的不确定性，目前堤身材料渗透系数主要是通过现场压水试验和室内试验获得，如果不考虑这些不确定性，会导致参数取值与现场存在误差。通过随机序贯反演方法不仅可有效利用现场实测数据，而且可考虑工程现场实际条件来确定堤防材料参数取值。最后，当堤身渗透系数大于设定的阈值，应采取堤防险情应急处理措施。表1给出了不同类别土质的渗透系数经验取值范围。
表1不同类别土质的渗透系数经验取值范围
本发明提供了一种堤身材料渗透系数随机序贯反演方法，本方法提供了一种简便的水力学法和一种适用性更强的有限元分析方法，通过这两种分析方法的有机结合，可以快速建立渗透系数和浸润线的关系，利用时间序列监测数据可不断对堤防渗透系数进行序贯反演分析，进而能够更加准确地表征堤身材料参数的不确定性，不仅有助于抗洪人员和防汛物资合理有效的分配，而且有助于指导堤防管理人员的防洪抢险工作。本发明提供了一种堤身材料渗透系数随机序贯反演方法，在某种程度上克服了堤防渗透系数测定方法中存在的数据代表性弱且测定方法较为复杂的缺点，体现了本方法人为干预少、用时少的优点，可以获得更为准确的堤防渗透系数。
附图说明
附图1为堤身材料参数随机序贯反演系统拓扑图。
附图2为堤身材料参数随机序贯反演方法流程图。
附图3为堤身材料参数随机序贯反演框架图。
附图4为堤防渗流计算示意图。
附图5为竖管渗压计布置平面图。
附图6为竖管渗压计布置纵剖面图。
附图7为竖管渗压计剖面图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的说明。
(1)建立堤防数据监测点分段设计：
首先收集堤防工程的水文和地质情况统计资料和工程地质勘察试验资料，同时考虑抗洪抢险要求以及保护区域重要性，根据堤防的初始资料并考虑资金限制，在某一堤防断面上埋设若干个竖管渗压计，以及在相距同等距离的若干个堤防断面上埋设竖管渗压计，在整座堤防上呈矩阵方式埋设竖管渗压计，用来实时收集堤身上相关监测数据的变化情况，将堤防基本工程资料以及实时监测数据储存于数据库模块中。
(2)堤身渗流分析：
根据步骤(1)中收集的堤防基本工程资料，确定堤防工程断面尺寸以及堤身材料渗透系数等，基于水力学或者有限元方法确定监测点水位与堤身材料渗透系数之间的关系，获得不同堤身渗透系数对应的浸润线，这与堤身材料参数随机序贯反演模块中的确定性分析相对应。
(3)基于极大似然估计方法的渗透系数随机序贯反演分析：
根据堤防基本工程资料，确定不同堤防材料参数先验统计信息(均值、变异系数及概率分布类型等)，融合试验数据及监测资料等多源信息，基于极大似然估计方法进行参数随机反演分析确定堤身渗透系数的后验统计特征。
(4)融合时间序列监测数据随机序贯反演分析：
基于当前时间点的竖管测压计监测资料进行渗透系数随机反演分析，求得当前时间点渗透系数的后验统计信息，将从当前时间点获得的堤身材料渗透系数后验统计信息作为下次序贯反演分析的先验统计信息，重复步骤(3)重新估计新的堤身材料渗透系数后验统计信息，这一过程直至所收集的时间序列监测数据融合利用完毕为止。
(5)设定渗透系数阈值：
根据堤防工程等级以及被保护区域的重要程度设定渗透系数阈值，如果出现融合时间序列监测数据进行序贯反演获得的渗透系数超出渗透系数阈值的情况，即表示该监测点所在的堤段即将或已经出现险情，应及时采取有效的堤防险情应急处理措施。
本发明的具体实施示例如下。
赣东大堤上起新干县牛皮山，经樟树、丰城、南昌县市汊，下至南昌市新洲闸，全长137.140km。所述的堤防基础信息、地理空间信息以及监测数据存放于数据库模块，可对相关数据执行查询、输出、处理、管理等工作，堤身材料参数随机序贯反演系统的操作步骤如下：
在数据库模块中输入指令，可查看赣东大堤的基本工程资料、监测信息以及监测仪器布置信息，通过查询可知，在赣东大堤桩号0k+200为起点，该断面上布置3根竖管测压计，在桩号k0+700为第二个监测断面，重复布置3根竖管测压计，以此类推。在同一断面上，第一根测压计布置在临水面距堤顶宽2.5m处，第二根测压计布置在背水面堤顶处，第三根测压计布置在背水面距堤顶宽8.0m处，见图5和图6，竖管测压计剖面图见图7。测点编号从起点开始、从临水面到背水面，依次为IP1-1、IP1-2、IP1-3、IP2-1、IP2-1、IP2-1、IP3-1、IP3-1、……，以此类推。
见图1，输入指令，从数据库调用堤防基本资料和监测数据至随机反演模块，以赣东大堤桩号0k+200为监测断面实施案例，表2为该监测断面5个时间点的监测的数据，IP1-1为桩号0k+200监测断面的第一个监测点，IP1-2为桩号0k+200监测断面的第二个监测点，IP1-3为桩号0k+200监测断面的第二个监测点，然后选择水力学或者有限元方法，输入堤身材料渗透系数先验统计信息(包括均值、变异系数和概率分布类型等)，取初始渗透系数均值为5×10-4m/s、变异系数为0.6、概率分布类型为对数正态分布，作为第一次的堤身材料渗透系数先验统计信息，融合2021年6月1日的水位监测值，然后输出这一时间点的后验统计信息，可得该时间点的渗透系数均值为1.21×10-4m/s、变异系数为0.426，将2021年6月1日这一时间点的后验统计信息作为2021年6月2日的先验统计信息，重复输入至随机反演模块中，直至一段时间序列的监测数据融合利用完毕，赣东大堤桩号0k+200监测断面序贯反演结果见表3。然后点击信息展示模块，输出反演结果，通过融合2021年6月1日至6月5日的水位监测值，获得最终渗透系数反演结果为渗透系数均值为1.06×10-4m/s、变异系数为0.216，随着监测信息的融入，渗透系数均值逐渐趋近于真实值，且变异系数逐渐减小，更加准确的表征堤身材料参数的不确定性，反演结果为整座堤防的堤身材料参数渗透系数，设定预警阈值为1×10-3m/s，判断堤身的渗透系数是否超过阈值，若超过阈值则发出警报。
表2赣东大堤桩号0k+200监测断面水位值
表3赣东大堤桩号0k+200监测断面渗透系数序贯反演结果
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