煤系土离散元模型宏细观参数标定及其敏感性分析

采用正交试验方法设计了离散元模型细观参数正交试验序列,利用试验模拟计算结果和多因素非线性联合反演方法,建立了由宏观力学参数直接确定细观参数的计算方法,将该方法应用于煤系土三轴试验离散元数值模拟计算。结果表明：煤系土抗剪强度随摩擦系数的增大呈线性正相关,内摩擦角随摩擦系数增大呈现指数型关系增大,黏结力随着刚度比的增大而降低,呈幂函数变化关系;摩擦系数、法向黏结强度对煤系土抗剪强度影响非常显著,而切向黏结强度、刚度比和弹性模量对煤系土抗剪强度基本没有影响。数值模拟结果与室内三轴试验的应力—应变曲线吻合较好,经过误差分析发现,偏应力峰值的最大误差为5.4%,黏聚力的误差为2%,内摩擦角的误差为7%,误差都在10%以内,表明文中提出的细观参数快速确定方法是可行的,可为离散元数值模拟方法细观参数标定提供新思路。     

基于PFC的堆石料宏细观参数相关性分析

通过一系列PFC数值试验,对堆石料颗粒细观参数与材料宏观参数之间相关性进行了分析,建立了颗粒摩擦系数f与材料摩擦角φ之间的关系,材料初始弹性模量E_c、泊松比γ与颗粒接触刚度k_n,k_s之间的关系,以及材料单轴抗压强度P_0与颗粒簇内基本颗粒间粘结强度b_n之间的关系。通过对一系列颗粒细观参数与宏观参数之间关系的分析,选定了采用PFC模拟堆石料试验时细观参数的确定方法,并分析了岩土试验中室内试验结果与PFC模拟结果之间的差别及其原因。     

堆石料蠕变模型及参数求取

通过大型三轴蠕变仪对两河口水电站混合料的蠕变特性进行试验研究,对其蠕变机理和模型进行探讨。结果表明两河口水电站混合料的轴向和体积蠕变可以用幂函数来描述,轴向初始蠕变和轴向蠕变指数与轴向主应力差关系可用幂函数表示;体积初始蠕变与平均主应力成线性关系,体积蠕变指数与平均主应力成幂函数关系。模型参数可通过蠕变特性试验确定,最后对模型参数的影响因素进行了分析。     

堆石料湿化试验变形过程分析

堆石料湿化变形是堆石坝变形的主要组成部分之一。由于堆石料具有流变特性,难以区分堆石料湿化过程中的湿化变形和流变变形。本文采用糯扎渡高心墙堆石坝弱风化花岗岩堆石料,进行了常规三轴试验与饱和湿化三轴试验,对饱和湿化试验中堆石料试样充水饱和过程以及发生的各类变形进行分析。研究表明,在三轴湿化试验中,堆石料试样的充水饱和过程通常会持续一定长的时间。在这个过程中,堆石料试样不仅发生湿化瞬时变形,也会发生一定大小的湿化湿态流变。本文提出了一个进行堆石料饱和湿化试验过程分析的迭代方法,可分离计算在堆石料试样充水饱和过程中所发生的湿态流变的大小,并采用迭代分析后的模型参数,对本文进行的饱和湿化试验进行了定量分析和全过程模拟计算,拟合效果较好,验证了方法的合理性和实用性。     

块体离散元颗粒模型细观参数标定方法及花岗岩细观演化模拟

研究岩体细观裂纹演化有利于揭示其宏观破裂机理.利用块体离散元颗粒模型(Grain Based Model,GBM),通过一系列的数值模拟试验,在分析单轴压缩及直拉试验下晶粒粒间接触细观参数对岩体宏观参数影响规律的基础上,提出了块体离散元GBM岩体试样的细观参数标定方法.同时以该标定方法为基准,研究了单轴压缩下花岗岩不同...     

堆石料缩尺效应试验研究

为研究堆石料缩尺后,强度、变形和邓肯张E-B模型参数等的变化规律,对某堆石坝主堆石区料开展试样尺寸分别为Φ500×1000 mm(最大试验粒径为100 mm)和Φ300×700 mm(最大试验粒径为60 mm)的超大型三轴和大型三轴剪切试验.结果表明:① 大型三轴的内摩擦角和峰值应力大于超大型三轴;② 大型三轴邓肯-张...     

离散元细观参数对粗砂变形性质的影响

为了研究离散元细观参数对粗砂变形性质的影响,基于离散元理论,利用PFC2D软件建立青岛粗砂颗粒流模型并通过既有室内试验数据验证了其可靠性,进而分析了颗粒粒径、摩擦系数、法向接触刚度、切向接触刚度对青岛粗砂应力-应变关系曲线的影响。结果表明,颗粒流模型得到的应力-应变关系曲线和室内试验结果基本吻合,摩擦系数对青岛粗砂的软化影响较大,随着摩擦系数的增加,峰值强度随之增加。颗粒粒径对青岛粗砂变形性质有一定的影响。随着法向接触刚度的增加,峰值强度随之增加,而切向接触刚度对青岛粗砂力学性质的影响很小。     

筑坝堆石料邓肯-张模型参数确定方法的改进

针对目前常用的邓肯-张模型参数整理方法计算的初始模量离散等问题,进行了4组堆石料大型三轴试验研究,建议了一种新的模型参数整理方法.试验结果表明:εa/q-εa(εa为轴向应变,q=σ1-σ3为偏应力)的试验点在低应力水平和高应力水平有明显偏离直线关系的趋势,导致目前常用的参数整理方法计算的初始模量离散性较大.考虑到坝体关注的主要应力水平在75％以下以及低应力水平受装样引起的超固结的影响,建议根据应力水平50％和75％两点求取初始模量和破坏比;破坏比Rf并非常数,Rf随围压σ3的增大逐渐减小,且lg(Rf)与lg(σ3/pa)呈良好的直线关系.反演结果表明,在邓肯-张模型中考虑围压水平对Rf的影响,能更好的反映较高围压范围条件下堆石料的应力应变特性,建议当进行超高土石坝静力分析时应考虑Rf的围压相关性.     

堆石料蠕变试验方法研究

堆石料是土石坝的主要填筑材料,其蠕变特性研究是土力学热点之一。蠕变试验的方法主要有三轴试验和单向压缩试验两种。三轴试验是研究堆石料常用的试验方法,其轴向变形主要是偏应力引起的剪切变形。而单向压缩试验,作为一种可以研究 K0 状态下堆石料的蠕变特性的试验方法,目前对此的研究较少。应用大型三轴仪(Ф300mm) 和大型叠环式固结渗透仪(Ф500 mm) ,选用双江口堆石料,分别进行了堆石料的蠕变试验,成果表明两种蠕变试验的剩余蠕变量与时间的关系都可以采用幂函数准确表达。三轴试验成果验证了九参数蠕变模型的通用性,根据单向压缩试验成果提出了简单的经验公式。最后对两种试验成果进行了比较分析,发现单向压缩蠕变可以视为应力水平为 0.4 时的三轴蠕变,其不能反映应力水平对堆石料蠕变特性的影响。因此,要对堆石料进行蠕变研究,宜采用三轴蠕变试验。     

筑坝堆石料的等效动剪切模量与等效阻尼比

采用新研制的高精度大型三轴仪，对若干堆石坝工程的十余种堆石料进行了等效动剪切模量与等效阻尼比试验，在对本文试验结果和国内外8座堆石坝现场弹性波试验结果进行综合分析的基础上，给出了最大等效动剪切模量的估算式及归一化等效动剪模量、等效阻尼比与动剪应变幅依赖关系的范围。对试验资料不充分的情况，按本文建议的公式或取值范围对堆石材料的动力参数进行估算，可以满足工程需要。     

基于蛙跳优化算法的土石坝邓肯-张E-B模型参数反演

邓肯-张E-B模型常用来刻画土石坝本构关系,对其参数进行准确估计是实现土石坝应力应变分析的前提。本文针对工程中通过三轴试验确定其参数所存在的不足,着重阐释了群智能蛙跳优化算法在反演土石坝邓肯-张E-B模型参数中的应用,结合实测资料,通过正分析,证明了蛙跳优化算法在E-B模型参数反演中的合理性,以期为其他工程提供借鉴。     

基于GPU加速的水文模型参数率定

针对水文模型参数率定问题,为显著提升计算效率,选择SCE-UA算法和新安江模型为研究对象,围绕SCE-UA算法并行化与程序化实现、并行SCE-UA算法在图形处理器(GPU)上的加速效果这两个关键科学问题,以GPU硬件平台和通用计算设备架构(CUDA)软件平台为工具,采用时空复杂度分析、算法并行性挖掘、代码深度优化、数值模拟实验等多种手段相结合的方法,进行了水文模型参数率定提速研究。内容包括:①搭建基于CUDA和GPU的并行计算软硬件平台,进行配置与调优;②并行SCE-UA算法及其程序化实现;③并行SCE-UA算法在GPU上的加速效果。研究结果表明:所提出的方法显著提升了参数率定效率,能够促进水文模拟、最优化方法、计算机科学与技术等多学科的交叉、融合与发展,对水文模拟与预报、防洪快速应急响应具有科学意义和实用价值。     

An automatic parameter calibration method for the SWAT model in runoff simulation

Runoff simulation is highly significant for hydrological monitoring, flood peak simulation, water resource management, and basin protection. Runoff simulation by distributed hydrological models, such as the soil and water assessment tool (SWAT) model which is the most widely used, is becoming a hotspot for hydrological forecasting research. However, parameter calibration is inefficient and inaccurate for the SWAT model. An automatic parameter calibration (APC) method of the SWAT model was developed by hybrid of the genetic algorithm (GA) and particle swarm optimization (PSO). Multi‐station and multi‐period runoff simulation and accuracy analysis were conducted in the basin of the Zhangjiang River on the basis of this hybrid algorithm. For example, in the Yaoxiaba Station, the calibration results produced an R² of 0.87 and Nash Sutcliffe efficiency (NSE) index of 0.85, while verification results revealed an R² of 0.83 and NSE of 0.83. Results of this study show that the proposed method can effectively improve the efficiency and simulation accuracy of the model parameters. It can be concluded that the feasibility and applicability of GA‐PSO as an APC method for the SWAT model were confirmed via case studies. The proposed method can provide theoretical guidance for many hydrological research fields, such as hydrological simulation, flood prevention, and forecasting.     

Discrete element simulation of crushable rockfill materials

A discrete element method was used to study the evolution of particle crushing in a rockfill sample subjected to triaxial shear. A simple procedure was developed to generate clusters with arbitrary shapes, which resembled real rockfill particles. A theoretical method was developed to define the failure criterion for an individual particle subjected to an arbitrary set of contact forces. Then, a series of numerical tests of large-scale drained triaxial tests were conducted to simulate the behaviors of the rockfill sample. Finally, we examined the development of micro-characteristics such as particle crushing, contact characteristics, porosity, deformation, movement, and energy dissipation. The simulation results were partially compared with the laboratory experiments, and good agreement was achieved, demonstrating that the particle crushing model proposed can be used to simulate the drained triaxial test of rockfill materials. Based on a comparison of macro behaviors of the rockfill sample and micro structures of the particles, the microscopic mechanism of the rockfill materials subjected to triaxial shear was determined qualitatively. It is shown that the crushing rate, rather than the number of crushed particles, can be used to reflect the relationship between macro- and micro-mechanical characteristics of rockfill materials. These research results further develop our understanding of the deformation mechanism of rockfill materials.     

基于SSA-MSVR的混凝土拱坝材料参数反演模型

为进一步提高混凝土拱坝材料参数获取的准确性,构建了基于多输出支持向量回归(MSVR)和麻雀搜索算法(SSA)的混凝土拱坝材料参数反演模型。为了快速模拟坝体径向位移与材料参数的非线性关系,建立了高精度的MSVR模型代替有限元模型计算,并利用SSA对所需参数进行寻优反演。工程实例验证结果表明：构建的反演模型计算精度高,计算速度快,能快速反演坝体与坝基材料参数,可用于实际工程的材料参数反演分析。     

堆石料流变模型参数敏感性分析的正交试验法

基于七参数流变模型的堆石料流变分析已在面板堆石坝应力变形分析中得到广泛采用,但目前关于该流变模型参数对于坝体应力变形的敏感性研究还不够深入。为此,本文采用正交试验法,以公伯峡面板堆石坝为依托,以坝体最大沉降位移V、面板挠度δ和面板顺坡向应力σ作为敏感性分析的主要试验指标,进行七参数流变模型参数关于这些试验指标的敏感性分析。结果表明,对指标V、δ、σ来讲,因素m1的影响最大,其次是b和m2,这3个参数的敏感性作用显著;而α、c、d和m3对各指标的影响不够显著,参数敏感性低。因此,在采用七参数流变模型进行面板堆石坝流变分析时,应将m1、b和m2作为流变参数分析与选择的重点。本文研究成果可以为面板堆石坝流变分析时合理选择流变模型参数提供参考依据。     

基于强度参数演化的胶凝砂砾石材料本构关系研究

胶凝砂砾石材料应力-应变关系具有明显的弹塑性和应变软化特性,当前其本构关系推导较为复杂。针对这一问题,本文借鉴岩石材料峰后强度参数演化行为,基于摩尔-库伦强度准则,采用最大主应变ε₁作为应变软化参数,将凝聚力c、内摩擦角φ看作ε₁的分段线性函数,较为简便的推导胶凝砂砾石材料的本构关系。由本构关系式拟合得到不同围压时胶凝砂砾石材料应力-应变关系曲线变化趋势与三轴试验数据吻合良好,说明该方法得到的本构关系可以反映胶凝砂砾石材料的应力-应变特征。     

Evaluation of different optimization algorithms in parameter calibration of Xin’anjiang modelEI北大核心CSCD

In response to the problem of finding a practical, robust, and efficient optimization algorithms in hydrological simulation forecasting and determining the global optimal solution of parameters based on them, the Wucha section, a typical control section in the Qijiang River Basin, was selected as the research object. Four optimization algorithms, GA、 SCE-UA、CMA-ES、PSO, were selected to calibrate the convergence parameters of the distributed Xin’anjiang model. The parameter calibration performance of the algorithm was evaluated from four aspects: effectiveness, stability, time consumption, and efficiency. The results show that CMA-ES algorithm has the best optimization effect and the least time consumption under the same number of iterations. SCE-UA algorithm has the highest stability and efficiency, but its time consumption significantly increases with the increase of iteration times. PSO algorithm has relatively better effectiveness and efficiency, but the stability is the worst. GA algorithm takes relatively less time and has the worst optimization effect and efficiency. The comprehensive property is ranked from best to worst as CMA-ES, SCE-UA, PSO, and GA algorithms. © 2023, Editorial Board of Water Resources Protection. All rights reserved.