基于元胞自动机原理的土石坝溃决分析方法

本发明属于水利工程，具体涉及一种基于元胞自动机原理的土石坝溃决分析方法。

背景技术：

1、诱发大坝溃决的因素复杂，后果严重，因此加强对土石坝溃决模型的研究有重要意义。

2、堤坝的破坏类型，主要包括漫顶、冲蚀与坝坡失稳。土石坝由于其筑坝材料与结构特点，常见的溃决形式为渐溃——这种溃坝模式的特点是坝体随着洪水演进过程逐渐破坏，稳定性随时间逐渐丧失且破坏持续时间较长。造成土石坝溃坝的原因多种多样，包括但不限于渗流、土料特性、溃口形态、破坏位置、水流特征、溃决程度以及溃坝发展过程。不同土石坝失效的原因也不尽相同。例如相较于均质土坝，面板堆石坝更容易受近源地面运动的影响而发生破坏。由此可见，土石坝的溃决受到多重因素影响，不可控变量较多：一方面，数值模型通常有侧重点，着重于研究解决其中的某一问题，因此不能做到同时考虑所有影响因素；另一方面，变量之间通常相互影响，某个变量的改变会带动一系列的连锁反应。如温度的变化会引起渗透系数与水的粘滞系数发生改变。因此目前有关土石坝溃坝机理与模型的研究还处于发展阶段，计算精度仍有较大提升空间。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于元胞自动机原理的土石坝溃决分析方法，解决了现有技术中存在的土石坝溃决模型运行时工作量大、精度较低的问题。

2、本发明所采用的技术方案是，基于元胞自动机原理的土石坝溃决分析方法，具体按照以下步骤实施：

3、步骤1、在坝基或坝顶的合适位置为原点建立坐标系，将土石坝按二维von模型规范划分为若干个等长度正方形网格，其中每个网格即代表一个元胞，随后表示出每个元胞的时空状态，处在溃口位置的元胞视为中心元胞；

4、步骤2、建立元胞所处的溃口条件，以及冲蚀条件与流量条件限定下的元胞演化模型，并设置边界条件；

5、步骤3、通过matlab软件演算出各个步时内坝体各处元胞的所处状态，判断极限状态元胞数量，随后采用数值分析方法对模拟数据与实测结果进行对比，通过均方根误差rmse、相对误差re和方差r2三项参数作为敏感性分析的依据，检验相关性与可靠性。

6、本发明的特点还在于，

7、步骤1具体如下：

8、按照二维的von.neuman模型将研究对象划分为同等尺寸的正方形元胞，并由唯一确定的中心元胞开始向周围8个邻域元胞迭代扩展。

9、步骤2具体如下：

10、步骤2.1、建立元胞所处的溃口条件以及冲蚀条件与流量条件限定下的元胞演化模型，并设置边界条件，具体表达式如下：

11、溃口条件：

12、bz＝0.1803kv0.32h0.19  (1)

13、

14、其中，bz为溃口最终宽度，b1为溃口初始宽度，b为任意时间t时间的溃口宽度，v为总库容，h为中心元胞的高程，t为预计的溃坝总历时，估算得到；

15、步骤2.2、流量条件：

16、

17、

18、式中，qx(k)表示x方向上迭代k次时的单宽流量，qy(k)表示y方向上迭代k次时的单宽流量，qx(k+1)表示x方向上迭代k+1次时的单宽流量，qy(k+1)表示y方向上迭代k+1次时的单宽流量，μ与v分别表示x与y两个方向的水流速度，k为迭代次数，z为水面高程，δx与δy为前后两次迭代的两个元胞的中心高差，由元胞尺寸决定，g为重力加速度，g取值为9.8，h为前后两次迭代的两个元胞浸没的平均水深，t为时间，n为糙率。

19、步骤2.3、按照如下计算公式确定边界流量：

20、qmax＝ck[k1b(z-h)+k2(z-h)]1.5  (5)

21、式中，qmax为坝体所能承受的极限单宽流量，c为修正系数，k为淹没系数，k1和k2为流量系数；

22、步骤2.4、在泥沙冲蚀方面采用schoklitsch推移质公式，即：

23、

24、其中，qs为溃口泥沙冲蚀量，q为通过溃口的流量，由式(3)与式(4)确定，q＝max{qx(k+1),qy(k+1)}，d为边坡比，d84、d16分别为粒径小于该颗粒总重占总体泥沙重量的84％，16％所占比。

25、步骤3根据初始实验数据与筑坝材料参数对模型演化过程进行求解，一溃坝时步内的流量与溃口扩展情况作为敏感性分析的评价指标作为对基于元胞自动机原理的土石坝溃决模型参数敏感性进行分析，具体如下：

26、步骤3.1、输入参数：溃口初始宽度b1、总库容v、中心元胞的高程h、x与y两个方向的水流速度μ与v、迭代次数k、水面高程z、首次迭代的两个元胞的中心高差δx与δy、修正系数c、淹没系数k、流量系数k1和k2、边坡比d，粒径小于该颗粒总重占总体泥沙重量的84％，16％所占比d84、d16；

27、步骤3.2、输入所述步骤得到的边界条件；

28、步骤3.3、综合研究土石坝破坏过程中坝体各处元胞的所处临界状态，当满足临界破坏条件的元胞数量占比超过总元胞数量的30％时，即可认为后续元胞均发生破坏。临界条件为：max{qx，qy}>qmax；

29、反馈实测数据，与步骤2.1、步骤2.2、步骤2.3和步骤2.4得出的流量与溃口面积模拟结果对比并进行敏感性分析，分别与实测值进行均方根误差、相对误差和方差三项参数的对比。

30、步骤3.3中敏感性分析具体如下：

31、引入的三个参数分别为：(1)相对误差，用re表示；(2)均方根误差，用rmse表示；(3)决定系数；用r2表示，三者计算公式如下：

32、

33、

34、

35、在上述三式中：oi为i时刻的实测值；si为i时刻的模拟值；n为样本容量；为实测值的平均值，

36、相对误差re的作用是衡量模型的可靠程度，相对误差re值越接近1，则模型的可靠程度越差；均方根误差rmse的作用是衡量模拟值与实测值的差值可接受程度，均方根误差rmse值越大，则说明模型模拟结果与实际测量结果的贴合程度越差，而决定系数r2则用衡量相关性，r2数值越小，则模型预估结果与实测数据的偏差越大，模型的相关性越差。

37、本发明的有益效果是，基于元胞自动机原理的土石坝溃决分析方法，能够通过较少的初始条件与更简便的计算过程，较为精确的模拟出土石坝溃决过程中，溃口流量与溃口面积发展历程。具有操作简单，过程清晰的特点。

技术特征：

1.基于元胞自动机原理的土石坝溃决分析方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

2.根据权利要求1所述的基于元胞自动机原理的土石坝溃决分析方法，其特征在于，所述步骤1具体如下：

3.根据权利要求2所述的基于元胞自动机原理的土石坝溃决分析方法，其特征在于，所述步骤2具体如下：

4.根据权利要求3所述的基于元胞自动机原理的土石坝溃决分析方法，其特征在于，所述步骤3根据初始实验数据与筑坝材料参数对模型演化过程进行求解，一溃坝时步内的流量与溃口扩展情况作为敏感性分析的评价指标作为对基于元胞自动机原理的土石坝溃决模型参数敏感性进行分析，具体如下：

5.根据权利要求4所述的基于元胞自动机原理的土石坝溃决分析方法，其特征在于，所述步骤3.3中敏感性分析具体如下：

技术总结
本发明公开了一种基于元胞自动机原理的土石坝溃决分析方法，首先在坝基或坝顶的合适位置为原点建立坐标系，将土石坝按二维Von模型规范划分为若干个等长度正方形网格，其中每个网格即代表一个元胞，随后表示出每个元胞的时空状态，处在溃口位置的元胞视为中心元胞；然后建立元胞所处的溃口条件，以及冲蚀条件与流量条件限定下的元胞演化模型，并设置边界条件；最后通过MATLAB软件演算出各个步时内坝体各处元胞的所处状态，判断极限状态元胞数量，随后采用数值分析方法对模拟数据与实测结果进行对比，检验相关性与可靠性。本发明解决了现有技术中存在的土石坝溃决模型运行时工作量大、精度较低的问题。

技术研发人员：任杰,睢佳衡,雷亚楠
受保护的技术使用者：西安理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13