PINNs算法及其在岩土工程中的应用研究

物理信息神经网络(PINNs)算法采用自动微分方法将偏微分方程直接嵌入神经网络中,从而实现对偏微分方程的智能求解,属于一种新型的无网格算法,具有收敛速度快和计算精度高等优点。PINNs不仅能够实现对偏微分方程求解,还能够对偏微分方程未知参数进行反演,因此对岩土工程复杂问题具有广泛的应用前景。为了验证PINNs算法在岩土工程领域的可行性,对连续排水边界条件下的一维固结理论进行求解和界面参数反演。计算结果表明,PINNs数值结果与解析解具有高度一致性,且界面参数反演结果准确,说明PINNs算法能够为岩土工程相关问题提供新的求解思路。     

裂隙岩体渗透系数张量的反演分析

视岩体为非均质各向异性渗透体，以渗流场中测点水头及流量的计算值与实测值的最佳拟合为准则，把反演岩体渗透系数张量等参数的反问题归结成一个数学优化问题。为了确保反演计算的顺利进行，对极小化目标函数设置惩罚性附加项，在计算机上自动求得岩体工程中三维复杂渗流场反问题的解。最后介绍一个复杂工程实例的求解。     

基于神经网络的岩体渗透系数反演方法及其工程应用

基于人工神经网络方法，根据岩体渗流场的水头观测数据的注水试验先验信息，建立了一种含水层参数识别数值方法。介绍了采用神经网络方法反演混凝土大坝岩石基础和混凝土帷幕渗透系数的工程实例。工程实际应用表明，所提出的反演方法得到的渗透系数代入到有限元模型，水头预报值具有比较高的精度。     

裂隙岩体渗流场与应力场动态全耦合参数反演

 考虑到裂隙岩体渗流和力学行为的发生与发展往往是一个动态过程,同时现场观测资料也是一个动态的时间序列,为能及时利用现场量测的新增信息使参数反演更为合理,基于求解非恒定渗流场与弹性位移场动态全耦合正分析理论与方法,应用建立的混合遗传算法作为优化算法,同时利用水头、位移等多类型动态观测资料,建立了裂隙岩体渗流场与应力场动态全耦合的参数反演思路。为避免在耦合反问题中由于利用多类型量测资料所带来的量纲问题,采用了各时刻水头、位移的相对值来构造量纲一的目标函数。待反演参数同时考虑了力学参数与渗流参数两种类型,包括岩块的弹性模量、各组裂隙的切向与法向刚度系数、各组裂隙的初始等效渗透系数等。最后以一简单裂隙岸坡为算例,针对库水位快速上涨情况,以各时刻的动态全耦合正分析结果作为“假想”的实测数据,进行动态全耦合参数反演。反演结果表明,利用不断新增的实测资料可提高反演精度,最终获得的参数反演解与理论解吻合很好。     

不连续岩体渗流的复合单元法初步研究

基于复合单元法的原理，提出了不连续岩体三维渗流的新算法。该算法具有以下3个主要特点：（1）不连续面（如断层或节理）含于复合单元之中，在划分网格时不予考虑，使网格的生成大大简化：（2）复合单元中可含有由不连续面分割而成的任意形状的子单元，每个子单元各有一组用于插值的映射节点水头。子单元的水头势、流速由相应映射节点水头计算得到，而复合单元中不连续面上的水头势、流速则由其相邻的2个子单元的映射节点水头计算得到；（3）复合单元中映射子单元的节点水头求解过程与传统有限元法类似，不含不连续面的单元自动退化为常规有限单元，因而复合单元法计算程序可以方便地与传统有限元分析程序融合。简单模型算例验证了该算法的正确性，而重力坝算例则表明该算法的有效性和在前处理上的优越性。     

综合改进的遗传算法反演三维地下水流模型参数

在简单的遗传算法的基础上，提出了一种综合改进的遗传算法，在反演地下水水流参数时，具有收敛速度快、解的精度高和避免出现早熟等优点。以非均质各向同性承压三维非稳定流动为理想模型，结合有限元法讨论了用遗传算法反演水文地质参数的过程。综合改进的遗传算法非常有效，在地下水渗流和水资源评价计算中有广阔的应用前景。     

基于粒子群支持向量机的高心墙堆石坝渗透系数反演

渗流场参数的获取是研究运行期高心墙堆石坝渗流特性的难点之一。针对糯扎渡高心墙堆石坝,利用饱和–非饱和渗流场有限元程序生成学习样本,借助支持向量机的高度非线性映射能力,建立了渗透系数与水头之间的映射关系。再以识别误差目标函数为适应值,采用粒子群优化算法反馈搜索以建立大坝渗透系数反演模型。以大坝最大横剖面典型渗压计测点为实测点,采用一维固结理论推导了大坝心墙超静孔隙水压力消散计算公式,并对心墙水头实测值进行修正。通过对运行期库水位稳定时段渗流场的反演得到大坝待反演分区的渗透系数,再利用水位上升期对应的渗流场进行验证。结果表明,渗透系数反演结果是合理的。     

考虑渗流场影响深埋圆形隧洞的弹塑性解

将深埋圆形隧洞各影响因素简化为轴对称。首先，求解得到渗流场；然后，以渗透体积力方式作用在应力场，求解得到弹性位移和应力解析表达式，再应用Mohr-Coulomb屈服准则，求解得到塑性应力和塑性半径的解析表达式。通过考虑和不考虑渗流场影响两种方法的实例分析表明，随着洞内外水头差的逐渐增大，渗流场对应力场的影响作用将显著增大，但对切向应力的影响程度要比径向应力的大，且径向应力和切向应力不再符合无渗流时的分布规律，出现大小值交换：同时，随着内水水头的增大，涮周压应力和塑性半径逐渐减小，直到出现无塑性区；另外，考虑渗流场影响计算得到的塑性半径要比不考虑时大。     

某水电站坝址区三维渗流参数反演

用有限元法对某水电站坝址区的渗流场参数进行了反演,结合工程地质和水文地质资料以及坝区的钻孔抽注水试验,反演得到了各覆盖层的渗透系数,并计算了整个坝址区的渗流场,为大坝建成后运营期的渗流场计算提供了基础。     

基于复数表达的随机渗流研究

以复数形式表示渗透系数,将其变异值设置为复数的虚部.利用有限单元法,通过求解复系数线性方程组计算随机渗流问题,并编制相应程序,计算结点水头和水头变异值.在应用蒙特卡罗法进行渗流计算时,仅考虑帷幕渗透系数的变异,并假设其服从均匀分布.选取水头均值与水头标准差为蒙特卡罗法渗流计算的统计特征值.从数值方面分析了基于复数表达的随机渗流计算所得的水头值及水头变异值与蒙特卡罗法计算的水头均值及标准差之间的关系,验证了所用方法在模拟随机渗流场方面的正确性和可行性.为大型复杂问题的大变异性求解提供了方便快捷的计算方法.     

适于岩溶地区渗流场计算的改进折算渗透系数法和变渗透系数法

在总结各种岩溶地下水渗流计算方法的基础上,针对岩溶地区渗流场的特点,提出可同时考虑达西和非达西渗流流态的2种岩溶渗流计算方法:(1)改进折算渗透系数法。该方法从Colebrook公式出发,推求适用于求解紊流3个区沿程水头损失系数λ的公式,从而使岩溶管道水流与孔隙、裂隙水流统一起来;(2)变渗透系数法。该方法是将岩溶管道的渗透系数表示成待求水头和流态指数的函数,使岩溶管道中的非达西流与其他介质中的达西流统一起来。针对现有折算渗透系数法中的缺陷,推导了整体坐标系下岩溶管道渗透张量的计算公式。根据非稳定岩溶渗流基本微分方程式,基于Galerkin有限元法推导出了适用于岩溶渗流计算的有限元方程。经算例验证,提出的2种方法是合理可行的。     

MODFLOW中不同方程组求解方法差异分析

MODFLOW是目前世界范围内被广泛使用的地下水渗流模型。为分析MODFLOW中不同方程组求解方法及求解参数组合对计算结果精度的影响 ,对同一典型水文地质模型进行了一系列模拟试验。结果表明 :对于给定条件 ,选用PCG2法或SIP法 (如果求解参数组合选取恰当 )求解可得到满足精度的结果 ;而选用SSOR法任何使用的求解参数组合均无法获得满足精度要求的结果。模拟结果同时证实 ,除非水均衡误差也相当小 ,否则水头变化收敛指标较小时收敛的计算也不能保证计算结果有可靠的精度。     

双塔水库大坝渗流反演分析与特征水位渗流计算研究

结合双塔水库大坝现场检查以及地质勘探情况,通过渗流观测资料分析对坝体渗漏成因进行了分析,通过Auto Bank软件建立平面典型断面有限元模型,通过参数渗流参数反演分析调整了本次计算的渗透系数,计算得到浸润线规律符合一般均质坝分布。并进行了特征水位下稳定渗流计算分析,计算结果表明心墙下游侧出逸点偏高,并未自心墙与坝基接触部位形成出逸,坝脚出逸处渗透坡降满足要求。     

渗透系数反分析最优估计方法

<正> 一、引言 原型结构渗流观测资料是渗流场真实性态的综合反映,据它及合理的计算模型可以对渗流场内各介质渗透系数实际综合平均值进行反演最优估计,且在反演计算中计算模型本身不可避免的某些误差在一定程度上会自动地在各参数的最优估计值上得到弥补。本文的实例分析表明,参数反演分析最优估计的研究能更多地从观测资料中汲取有益的信息,其结果具有工程代表性、综合性及实用性强等优点,可用来对渗流场的实际性态进行细致的反馈分析及评估,更精确地建立对观测数据进行预报的确定性模型,给水库和大坝的合理运行及安全监控方式提供更多的科学依据。     

有限单元法在土坝三向稳定渗流中的应用

本文阐述了有限单元法求解具有浸润面的土坝三向稳定渗流场的原理和方法。并利用有限单元法的特点给出在均质土坝和非均质土坝上调整浸润面和渗出段的方法和计算任意形状过水断面的渗流量方法。文中还详述了在国产TQ-16型计算机上实现具有一定规模的土坝三向稳定渗流问题有关的技术。最后结合实际工程对均质和非均质渗流场进行了计算分析,经与原体观测资料对比,二者颇为接近,从而为广泛应用电子计算机计算土坝三向渗流问题提供了经验.     

求解非均质渗流场的改进数值流形方法

精确的流速场计算是模拟非均质多孔介质渗流、溶质运移以及污染物迁移等过程的基础.常规方法计算得到流速场精度低、连续性差.高阶流形方法可以显著提高流速场计算精度,但对于高水力梯度问题,流速场依然是不连续的,且常常伴随着线性相关问题,导致求解精度降低,甚至求解失败.针对这一问题,采用两种改进的权函数构造流形单元上的总体近似函...     

非均质堤坝渗流计算的坐标变换法

<正> 1.前言采用Thompson的坐标变换方法计算堤坝渗流问题具有精度高、工作量小、易于编程且有利于处理无压渗流面变动边界等优点。然而,尽管该方法应用于均质或接近均质的较简单渗流问题时非常方便而又有效,但解决非均质渗流以及渗流场中具有诸如排渗井等设施的较复杂问题时往往出现困难。这主要有以下两个因素:①渗透的非均质特性意味着描述渗     

土体空间非均质性对耦合渗流场和应力场的影响分析

斜坡在水利调度、防洪应急、防护工程等方面有较多的应用。土体应力应变分布与土体湿度和渗流场有密切的关系,而土体的非均质性使得渗流应力耦合作用更加复杂化。研究了降雨入渗条件下,土体地统计学非均质性对耦合渗流场和应力场的影响。根据水岩耦合理论,提出基于有限元法的二维斜坡渗流场和应力场数值模型,对比了3种不同的地统计学参数(即均值、方差和相关长度)和3种不同的土力学参数(弹性模量、黏聚力和内摩擦角)对耦合渗流场和应力场分布影响,给出相应结论。     

裂隙岩体渗流计算方法研究

文中系统推导了裂隙网络模型,正交和非正交裂隙组的连续均质场模型计算公式,编制了数值计算方法的程序并应用于实例,还用物理模型加以验证。 经过多次裂隙渗流与多孔介质渗流计算比较,裂隙渗流的自由面显著高于多孔介质,因此研究裂隙岩体渗流和岩坡的稳定性以采用裂隙渗流计算方法为可靠。     

长江堤防三维随机渗流场研究

给出分析各向异性非均质稳定随机渗流场问题的三维有限元模型;结合实际工程问题,统计分析长江荆南干堤土性参数的分布特征,通过Kolomogorov-Smirnov统计检验表明,渗透系数呈高斯分布假设可以接受。通过对长江荆南干堤随机渗流场的三维有限元统计模拟的数值分析,研究长江荆南干堤渗流场的各种随机特性,并进一步对随机模拟结果进行统计检验,验证模拟结果的合理性。在实际的分析研究中把上下游水位的随机波动引入三维有限元的随机分析模型,分析上下游水位的变异性对渗流场矢量的随机干扰和边界条件的随机性对随机渗流场分析结果变异性的影响。在此基础上进一步考虑施加诸如垂直截渗墙、下游导渗沟等抗渗措施后其作为复杂边界条件的扰动,在与场内土性参数的变异性共同影响下,对渗流场水头势分布的随机干扰特性,并与相应的确定性稳定渗流场问题的结果对比,证实随机渗流场研究的必要性、可行性及实用性,实现对长江荆南干堤的三维渗流场的较为全面的随机场模拟及特性分析,分析得到的结论通过统计检验并结合实测工程数据对照证明是可靠的,所研制的程序是适用的。