[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

本發明公開了一種冰?岸/壩相互作用力成套監測裝置與方法，其中裝置包括懸掛在冰層內不同位置若干應變計組、冰無應力計、冰和水溫度計；同時也包括岸或壩體內埋設的孔隙壓力計、應變計組、溫度計以及岸上的氣象站和積雪監測設備。方法包括：根據現場冰水?岸的特征參數建立冰水與庫岸或壩分離數值模型，其中冰水?岸或壩界面設置相互作用非線性正應力和剪應力邊界條件，岸或壩建立有限元模型、近岸冰水建立精細有限元?無限元耦合數值模型。采用多場耦合模型通過數值計算獲得多工況下訓練和檢驗樣本，構建泛化最優的Transformer模型；應用時基于最優模型和相關實測數據反演冰?岸界面應力分布，獲取冰?岸界面相互作用。本發明能獲得冰?岸界面拉、壓、剪等復雜相互作用。

技術領域

本發明屬于水利水文及氣象工程技術領域，涉及一種冰-岸/壩相互作用力監測裝置與方法。

背景技術

冰壓力指靜冰或動冰對建筑物表面的作用力。冬季庫面凍結成冰蓋，當氣溫增高時，冰層膨脹對壩面產生的擠壓力稱為靜冰壓力；當冰蓋破碎發生流冰時，撞擊建筑物而產生的壓力稱為動冰壓力。在水利工程建筑中，冰壓力是影響水工建筑物安全及閘門正常啟閉的重要因素，也是防洪防凌分析的關鍵因子。目前冰壓力監測主要采用埋設界面土壓力盒進行監測，但由于儀器本身結構不匹配，加上尺寸效應，使得現有埋設壓力盒的方法不僅測不準，也存在儀器錯位、使用期短等問題。實際上冰對岸或壩不僅僅是推力作用，也包括拉力和剪切作用，而對于這種復雜的作用，目前尚無有效的監測方法。

發明內容

為解決上述問題，本發明公開了一種冰-岸/壩相互作用力成套監測裝置與方法，理論嚴密，邏輯嚴謹，先進實用。

為了達到上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種冰-岸/壩相互作用力成套監測方法，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相對設置的冰錨固圓盤、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，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/水溫計懸掛定位在不同高度，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雪厚監測設備；

步驟4，構建無線采集網絡，每個儀器連接有無線采集裝置，能夠將采集到的數據通過無線方式進行傳輸；

步驟5，構建冰水-岸分離式力學模型，冰水-岸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，通過數值計算獲得均勻設計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，經過穩定性和泛化能力檢驗，最終選擇泛化最優神經網絡模型；

步驟6，通過無線采集網絡獲取冰層、庫岸實測數據，并對實測數據進行預處理后獲取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。

進一步的，所述各類水文氣象數據包括：環境風速、風向、氣溫、冰溫、冰層、露點溫度、太陽輻射、云量和積雪厚度。