基于离散元的堆石料宏细观参数智能反研究

为使定的堆石料细观参数更接近工程实际运行情况，提出了基于结构实测变形数据的 QGA-RVM 堆石料细观参数标定模型。在此基础上，针对堆石坝离散元模拟在初始模型生成、施工过程模拟、水荷载施加等方面的困难，提出了初步的解决方案，并通过将大坝沉降、顺河向位移、主应力值等计算结果与有限元进行对比，表明堆石坝离散元模型的大部分区域力学参数量级、整体规律性与有限元基本一致，采用离散元对大坝尺度的结构进行模拟是可行的。最后，开发了基于机器学习的堆石料宏细观参数反分析软件，将堆石料宏观本构模型参数反分析、细观接触模型参数标定以及各类小型代码工具集成于软件中。
1 绪论

1.1 研究背景及意义

作为被广泛应用的重要工程建筑材料，堆石料是岩石经过爆破等处理后形成散粒堆积体材料，其在自然界中来源广泛、储量丰富[1]。相比于其他建筑材料，堆石料具有压实性高、透水性强、抗剪强度高、承载力高以及不易发生液化等工程特性[2]，因此被广泛地应用于机场高填方、道路基础、坝工、堤防、港口、矿业开采以及海洋工程等结构工程中，也是滑坡、爆破、河道演变等科学问题的重要研究对象[3,4]。同时，在高围压、冻融等复杂环境因素作用下，堆石料因颗粒破碎、原始或诱发各向异性等原因，其变形、强度等力学特性表现出明显的演变特征，对工程结构安全性态有着直接影响，迫切需要进一步认识与掌握堆石料的物理力学特性。在水利领域中，我国水利工程建设事业取得了长足的进步，截止 2018 年年底，全国已建成各类水库 98822 座，其中大型水库 736 座，中型水库 3954 座[5]。随着我国水资源开发程度的进一步提升，水利工程的建设将面临“四高一深”（高寒、高海拔、高陡边坡、高地震烈度、深厚覆盖层）的全新挑战[6]。作为堆石工程的代表性建筑物，堆石坝凭借其适应性强、工程量小、施工方便、导流简化及安全性好等优点，已成为众多西部峡谷高坝、沿海抽水蓄能电站的推荐坝型，目前正朝向 300m 级高坝发展，其发展历程如图 1-1 所示[7]。此外，堆石料也是水利工程中边坡、堤防、港口等结构的主要建筑材料，这些堆石工程的安全性态均与堆石料材料特性息息相关。近年来，堆石工程建设难度的不断攀升对堆石料材料特性提出了更高的要求，但当前的堆石料室内三轴试验难以全面、精确地反映其材料力学特性。在设计阶段确定的堆石料材料参数值，与实际工程中堆石料的真实力学表现有着明显的近似性，这也是造成堆石工程沉降超出预期、失稳机制复杂和防渗体失效等问题的主要原因之一[8,9]。因此，迫切需要从细观角度深入掌握堆石料物理力学特性，加强离散元等非连续数值仿真方法在解决工程实际问题中的应用。

1.2 国内外研究现状

结合本文的研究方向，将首先总结工程中反分析问题及其适定性的研究进展，随后将着重分析堆石料的宏观本构模型参数反分析、细观接触模型参数标定以及工程尺度的离散元方法应用研究进展，最后简要介绍人工智能方法。

1.2.1 工程中反分析问题及其适定性研究进展

在人类逐步认识事物与自然规律的过程中，常面临关键变量无法直接观测获得的问题，而根据与其相关的其他可观测变量推求该关键变量是一种切实可行、科学合理的研究手段，即反分析研究[12]。在自然科学与工程技术研究中普遍存在各类反分析问题，包括模型辨识、参数、源、记忆、边界控制和几何等反分析对象[13]，反演、反问题、参数标定、参数识别和系统辨识等概念均涉及到反分析研究。当观测数据和自变量间存在非线性关系，称为非线性反分析，工程中多数问题为较复杂的非线性反分析问题。反分析的适定性。在求解反分析前，通常需讨论该问题的解是否具有存在性、唯一性和稳定性，即反分析的适定性研究[14]。但对于反分析解的存在性、唯一性证明通常是十分困难的，实际中多数反分析问题是不适定的[15]。当反分析表现为不适定性时，应尝试增加反分析的约束条件或适当修改解的定义，使反分析具有适定性[16]。众多学者针对水利、岩土工程中反分析问题的适定性进行了讨论：刘迎曦等[17]针对岩体渗透反分析问题，采用正则化方法克服了高斯—牛顿法中系数矩阵的病态和奇异问题，解决了渗透反分析的不稳定性；翁世有[18]研究了混凝土坝绕坝渗流的最优线态控制问题，证明了最优控制存在的唯一性；Huang 等[19-21]通过推导重力坝位移解析解的 Hesse 矩阵，证明了混凝土重力坝多参数弹性位移反分析不具有唯一性，并采用概率统计方法确定了保证率80%的重力坝力学参数值；王建等[22]分析了邓肯—张 E-B 本构模型的特点，认为当反分析参数同时包含破坏比、凝聚力和内摩擦角时，会导致反分析结果不具有唯一性；Zhou等[23]通过合理地布置监测系统、可靠地获取测量数据、充分利用现场先验信息等手段，以保证坝基地下水瞬态反分析的唯一性；Calvello 等[24]基于敏感性分析，确定了参数的关联度和相关性，证明了粘土弹塑性硬化模型的多参数反分析问题具有唯一性；赵同彬等[25]采用影响度和敏感度，评价弹塑性模型下各力学参数和初始地应力的可反分析性。

2 基于结构监测数据的堆石料宏观本构模型参数反分析

作为水利工程领域中堆石工程的代表性结构，堆石坝凭借其适应性强、工程量小、施工方便、导流简化以及安全性好等优点，随着世界范围内水利开发力度的不断加大得以快速发展和广泛应用[183]。但由于受试验条件、施工工艺、施工质量和运行环境等因素影响，设计阶段的堆石料参数取值存在一定的近似性，未能全面、准确、真实地反映堆石料材料特性，致使堆石坝坝体理论沉降值常小于实测值，对水库后期管理运行造成较大隐患。因此，当前关于堆石料材料的认识与其在实际工程结构中的物理力学表现存在明显差异，如何准确确定堆石料的物理力学材料参数，使其参数值更接近堆石料在实际工程中的真实性态，是开展堆石料材料性质研究的重要内容。因此，本章将尝试以结构监测数据为研究基础，采用反分析方法确定堆石料宏观本构材料参数，有助于深化堆石料材料认识、优化设计标准、指导大坝施工和运行，从而推动坝工理论的发展。目前，众多学者针对堆石坝堆石料材料参数反分析问题开展了较多的研究，积累了丰富的研究成果与应用经验，本节将深入总结了堆石料的基本性质以及多尺度描述，重点针对反分析过程中存在的自适应性问题，以及堆石料材料的不确定性问题开展研究，建立有针对性的堆石料宏观本构模型参数反分析模型。

2.1 堆石料材料特性

堆石是由各种母岩经过自然风化、人工爆破、开挖等物理化学作用而产生，以颗粒为主并具有一定级配的无凝聚性散粒体材料[3]，不同成因产生的堆石特性也不同：由爆破产生的新鲜堆石颗粒呈尖角状、棱柱状或块状，细颗粒含量较低；经过河流冲积、洪积产生的砂砾石颗粒呈浑圆或团块状[184]。通常，堆石料中的散粒材料呈单粒状，其中粒径较大颗粒组成堆石料结构骨架，较小颗粒填充于骨架颗粒的孔隙中，并且颗粒的破碎性质决定着堆石料的强度、变形特性。堆石料被广泛应用于坝工、堤防、道路、铁路和机场等工程中，同时也是滑坡、爆破、河道演变等科学问题的重要研究对象。

母岩特性。堆石料依据其母岩性质的不同，可分为新鲜与风化、坚硬与松软等类型，为掌握堆石料性质应首先研究其母岩的岩石性质。堆石的岩石性质是指组成堆石骨架颗粒的岩石性质[139]，工程中的岩石性质衡量包括比重、密度、抗压强度、软化系数、孔隙率、吸水率、饱和水率、风化度系数等指标。

2.2 堆石料材料的多尺度描述

目前，关于堆石料材料性质及其工程应用的相关理论研究、计算分析，根据其研究尺度均可分为：①细观尺度。从细观尺度角度，通过室内试验、数值仿真等手段研究堆石料颗粒间的破碎、受力、变形、运动等细观机理演化规律，以深入掌握堆石料的材料性质；②宏观尺度。作为散粒体材料，堆石料的宏观表现是散粒体颗粒间细观作用的集合表现，能够通过开展室内静动力三轴试验、剪切试验等土工试验以及各类数值仿真方法直观掌握堆石料材料性质。此外，在宏观尺度还可以通过振动台、离心机等试验平台缩尺研究堆石工程尺度的性能；③工程尺度。通过对堆石坝、边坡路基、堤防、机场等堆石工程建筑物进行工程结构安全监测、无损探测、现场原位试验等研究，以掌握堆石工程结构在实际运行过程中的工作性态。作为常用的科学研究方法，数值模拟是实现细观与宏观尺度、宏观与工程尺度连接与跨越的重要技术手段，而描述结构受力参量与变形参量间的法则是数值模拟的核心。对于细观与宏观尺度，离散元等非连续数值模拟方法依托于堆石料细观接触模型，建立了堆石料细观颗粒间作用机理与宏观三轴试样表现之间的关系。对于宏观与工程尺度，有限元等连续数值模拟方法依托于堆石料宏观本构模型，建立了堆石料三轴试样宏观表现与结构应力、变形等工程特征之间的关系。通过上述分析可知，细观接触模型、宏观本构模型以及工程特征表现等角度能够较为完整的从多尺度描绘出堆石料力学特性，也是开展堆石料物理力学特性研究内容的重要组成部分。

3 基于室内三轴试验数据的堆石料细观接触模型参数标定.................................................45

3.1 堆石料离散元模拟......................................................................................................45

3.2 堆石料细观参数对其变形特性影响分析..................................................................48

3.3 单围压下基于应力应变曲线的堆石料细观接触模型参数标定..............................54

3.4 多围压下基于宏观本构模型参数的堆石料细观接触模型参数标定...................... 60

4 基于结构监测数据的堆石料细观接触模型参数标定.........................................................75

4.1 基于结构监测数据的细观参数标定模型.................................................................. 75

4.2 基于结构监测数据的细观参数标定模型应用实例.................................................. 77

4.3 基于细观参数标定的堆石坝离散元数值仿真研究初探.......................................... 81

5 基于细观参数标定结果的堆石边坡失稳演变过程离散元分析.........................................95

5.1 堆石边坡工程案例背景.............................................................................................. 95

5.2 堆石边坡细观接触模型及其参数标定...................................................................... 98

5.3 堆石边坡施工工况分析............................................................................................ 100

5.4 堆石边坡运行工况分析............................................................................................ 107

5 基于细观参数标定结果的堆石边坡失稳演变过程离散元分析

随着基础设施建设的不断深入，各建设领域陆续出现了规模大、高差大、施工条件差以及自然环境恶劣等高难度的工程建设任务。在这些工程建设中，弃渣场是最常见但相关研究、设计理论最薄弱的建筑物，其通常由工程主体建筑物开挖出的弃土或碎石构成，具有孔隙率大、非饱和、欠固结等特点[255]。同时，受施工地形限制，山区工程中的弃渣堆石边坡、弃渣坝等堆石工程通常难以得到碾压，堆石边坡的上述特征将更加明显。在此背景下，原本为附属建设物的弃渣堆石边坡存在极大的安全隐患，若设计不当或防护措施不到位，极易出现坡体局部失稳、整体失稳、泥石流等地质灾害，威胁着工程正常运行及人员生命安全，因此迫切需要进一步开展堆石边坡的相关问题研究。为解决工程中的大变形模拟问题，在采用前述研究成果准确获得堆石材料细观接触模型参数后，建立工程尺度的堆石边坡离散元模型，以分析边坡在施工、运行、地震、加固措施等工况下的失稳演变过程。同时，针对工程运行期间可能发生的滚石问题，建立离散元模型分析滚石的速度、滚落距离等变量，从而为采取相应的工程措施提供建议。

5.1 堆石边坡工程案例背景

某日调节抽水蓄能电站承担着电力系统的调峰、填谷、调频、调相和紧急事故备用等任务，工程规模为Ⅰ等大（1）型工程，多年平均发电量 23.41 亿 kW·h。抽水蓄能电站的上水库正常蓄水位 1392.00m，死水位 1367.00m，有效库容 856.0 万 m3；下水库正常蓄水位 945.00m，死水位 910.00m，有效库容 956.1 万 m3。在工程建设过程中需修建施工平台，同时也为解决上下库连接路的弃渣料堆放问题，将弃渣料堆放在道路沿线的自然沟谷处形成施工平台，其中该堆石边坡的规模最大且对工程安全运行影响最为直接，堆石边坡所处沟道原始地形如图 5-1（a）、（b）所示，其与工程弃渣场、营地等工程其他建筑的平面布置如图 5-1（c）所示。

6 总结与展望

随着工程建设要求的不断提高，堆石料作为重要工程建筑材料，迫切需要进一步掌握其物理力学性能。为夯实数值模拟中堆石料宏细观参数的取值依据，针对堆石料反分析问题中存在的影响因素多、耗时严重等问题，通过改进、串联和优化等方式将机器学习、智能优化算法应用于堆石料宏细观参数反分析中。实践证明，本文所建立的反分析模型能够较好的模拟堆石料工程尺度、宏观尺度、细观尺度间的强非线关系，从而使反分析确定的堆石料力学参数更符合工程实际，并将其应用于堆石料细观机理研究与堆石工程实际问题解决中。本文主要研究内容和成果如下：

（1）为进一步提高堆石料宏观本构模型参数反分析的计算精度与适用性，建立了基于结构监测数据的 HS-MMRVM 自适应反分析模型，可快速、精确地实现对不同工程、不同监测项目的自适应反分析。在此基础上，建立了沉降预测置信区间，能够对坝体沉降进行预警预报。此外，总结分析了地质勘探、数值仿真、施工建设以及运行管理中的不确定性因素，对此构建了基于 RVM 与随机有限元的不确定性反分析模型，综合考虑了数值计算以及输入—输出间的不确定性，使考虑坝体材料不确定性的大坝沉降计算结果更接近大坝坝体内部的真实情况，更好地展现了坝体内部沉降的不确定性、随机性。

（2）根据堆石料的材料特性，构建了可模拟块石破裂的堆石料离散元三轴试验精细化模型，后采用定量控制法分析并汇总了细观参数对堆石料变形特性曲线的影响机理。随后，针对堆石料离散元细观参数标定困难的问题，构建了基于应力应变曲线的QGA-SVM 离散元细观参数标定模型、基于材料宏观本构模型参数的 QGA-RVM 离散元细观参数标定模型。在获得更加准确的细观参数基础上，从堆石料破碎、细观组构等角度定性、定量地分析了堆石料在三轴试验过程中的演化规律，从侧面证明了所标定细观参数的合理性及标定方法的可行性。

（3）为使定的堆石料细观参数更接近工程实际运行情况，提出了基于结构实测变形数据的 QGA-RVM 堆石料细观参数标定模型。在此基础上，针对堆石坝离散元模拟在初始模型生成、施工过程模拟、水荷载施加等方面的困难，提出了初步的解决方案，并通过将大坝沉降、顺河向位移、主应力值等计算结果与有限元进行对比，表明堆石坝离散元模型的大部分区域力学参数量级、整体规律性与有限元基本一致，采用离散元对大坝尺度的结构进行模拟是可行的。最后，开发了基于机器学习的堆石料宏细观参数反分析软件，将堆石料宏观本构模型参数反分析、细观接触模型参数标定以及各类小型代码工具集成于软件中。