[發明專利]一種冰-岸/壩相互作用力成套監測裝置與方法

有效

• 申請號: 202110837443.6
• 申請日: 2021-07-23
• 公開（公告）號: CN113701988B
• 公開（公告）日: 2023-06-30
• 發明（設計）人: 方衛華;陳智;許國發;薛志平;劉玉
• 申請（專利權）人: 水利部南京水利水文自動化研究所
• 主分類號: G01M10/00
• 分類號: G01M10/00;G01L5/00;G01N13/00
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 葉涓涓

1.一種冰-岸/壩相互作用力成套監測方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1，構造正四面體空間應變計組和無應變計，所述正四面體空間應變計組包括四條棱邊，每個棱邊中部安裝有一支單向應變計，單向應變計包括兩個端部設置的冰錨固圓盤、以及連接在冰錨固圓盤之間的單向應變計傳感軸、直線軸向軸承、彈性防凍橡膠薄膜，單向應變計傳感軸安裝在兩直線軸承之間并與直線軸向軸承同軸，彈性防凍橡膠薄膜包裹在直線軸向軸承外；無應力計包括外層桶、內層桶以及縱向固定在內層桶內的應變計，內、外層桶之間設置有夾層泡沫，工作時內層桶內容納有冰或水；

步驟2，在結冰前將正四面體空間應變計組、無應力計和冰/水溫計懸掛定位在庫或河水面及不同深度，具體范圍根據可能結冰厚度范圍確定；

步驟3，在尚未結冰前將正四面體空間應變計組、無應變計、孔隙壓力計和溫度計埋設在庫/河岸邊邊坡或壩體內，具體范圍根據冰作用力影響范圍確定，同時在庫/河岸邊設置氣象站及積雪監測設備；

步驟4，構建無線采集網絡，每支儀器連接到相應的無線采集裝置，采集裝置將采集到的數據通過無線方式進行組網傳輸；

步驟5，構建冰水-岸或壩分離式力學模型，冰水-岸或壩分離式力學模型根據現場實測冰的幾何參數、力學參數、熱學參數及氣象參數建立，冰水與庫岸或壩分離，分界面設置非線性分布的正應力和剪切應力，通過建立近岸冰水精細有限元-庫中無限元耦合數值模型及岸坡/壩精細有限元模型，通過數值計算獲得正交設計選定的多工況下訓練和檢驗樣本，將岸/壩應變計、孔隙壓力和溫度，以及冰應變、溫度和水溫以及冰的幾何和氣象參數作為輸入，將冰/水-岸相互作用力的非線性分布參數作為輸出建立Transformer神經網絡模型，經過泛化能力檢驗，最終選擇泛化最優神經網絡模型；

其中，冰水-岸或壩分離式力學模型如下：

1、靜力平衡方程

式中：E，ν分別為彈性模量和泊松比；為骨架材料的彈性矩陣，T_s，T_s0分別為材料的溫度和參考溫度，ρ_e為材料的密度，f_i為體積力分量，當只考慮重力時，有f_i＝g_i＝(0,0,g)^T，其中，g為重力加速度豎向分量，ε_kl為體積應變，γ為冰的容重，δ_ij為Kronecker符號，α_w、α_i均為增量有效應力系數，p_w、p_i為孔隙水壓力和冰壓力；

2、連續方程：

式中，β_sw＝φβ_w+(1-φ)β_s

K_w為水的體積模量，β_w為水的熱膨脹系數，β_s為固體骨架材料的熱膨脹系數，K為體積模量，μ為動力粘度，P為孔隙水壓力，ρ為固體的密度，m為熱應變，ε為固體基質的總應變，t為溫度，φ為孔隙率，K_s為固體基質的體積模量，T為溫度量；

3、能量平衡方程

式中，λ_eff＝φλ_w+(1-φ)λ_s，式中λ_w、λ_s分別為流體熱傳導系數、固體基質熱傳導系數，ρ_sC_s為固體的熱容，ρ_wC_w為水的熱容，V^α為流體的表觀速度，

V^α＝φ(V^w-V^s)

式中，V^w為流體速度，V^s為固體骨架的速度，T為溫度量；

設其滿足二次多項式：σ＝A+Bx+Cx²+Dx³

若假定浮冰表面溫度為氣溫，冰水交界面的溫度為冰水達到平衡狀態時的溫度，并且浮冰表面和冰水交界面之間的溫度呈線性分布，則冰蓋厚度的變化可由以下公式給定：

式中：h為冰蓋厚度；t為時間；T_m為冰水交界面的溫度；T'_α為氣溫；λ為結冰潛熱；ρ_i為冰的密度；k_i為冰的導熱系數；H_iα為冰面與大氣的熱交換系數；

步驟6，通過無線采集網絡獲取冰層、庫岸及氣象實測數據，并對實測數據進行預處理后作為輸入樣本輸入泛化最優神經網絡模型，反演冰水-岸界面應力分布，通過面積分獲取冰-岸界面相互作用力。