多层非均质边坡降雨入渗分析的改进Green-Ampt模型

边坡降雨入渗分析对于降雨型滑坡加固设计、治理和风险防控至关重要。经典的Green-Ampt模型参数虽然具有明确的物理意义,计算便捷,但是忽略了入渗区客观存在的过渡层,并且不能有效分析考虑土体渗透系数空间变异性的多层非均质边坡降雨入渗问题。为此,提出了一种适用于多层非均质边坡降雨入渗分析的改进Green-Ampt模型,考虑了降雨入渗的椭圆形过渡层,推导了不同降雨历时下边坡含水率分布情况。同时,以无限长边坡模型为例,通过4种常见的边坡工况验证了该模型的有效性,并进行了降雨入渗条件下非均质边坡稳定性分析。结果表明:对于设定的4种工况,提出的改进Green-Ampt模型计算的边坡体积含水量分布、安全系数和滑动面深度与Richards方程数值解吻合,而基于修正Green-Ampt模型计算的边坡体积含水量和滑动面分布存在偏差,边坡安全系数偏小。此外,基于提出的改进Green-Ampt模型能够准确识别最危险滑动面位置。研究成果可为多层非均质边坡降雨入渗分析及降雨型滑坡加固设计及风险防控提供理论参考。

基于改进Green-Ampt模型的滑坡稳定时变可靠度分析

降雨入渗滑坡稳定可靠度分析往往仅考虑了土体参数的空间变异性,而忽略土体初始含水率非均匀性空间分布的影响。基于此,推导了不同降雨工况条件下初始含水率任一分布的Green-Ampt入渗模型,利用变步长复化Simpson法求解初始含水率不同空间分布条件下湿润锋深度与降雨历时的函数关系。结合多维正态累计分布函数Mvncdf,计算整个降雨评估基准期滑坡稳定的时变可靠度,并利用某一滑坡实例进行对比验证。计算结果表明,初始含水率空间分布的不同对降雨条件下滑坡稳定时变可靠度的影响十分明显,且相较于初始含水率为均匀和梯形分布;相同降雨条件下,指数分布时滑坡稳定时变可靠度的下降幅度最小。该改进模型适用于土体初始含水率的任意分布,有利于Green-Ampt模型在滑坡稳定性评价的普适性推广应用。

考虑非饱和浸润层厚度和累积入渗量的改进Green-Ampt模型

矿山内排土场因其储量大、结构松散和强度低等特点,在降雨条件下极易产生侵蚀或整体失稳破坏,因此降雨入渗分析对预测内排土场稳定性至关重要。以元宝山露天煤矿内排土场为原型,按相似试验理论进行物理模型试验,研究降雨入渗特征,根据试验结果对经典Green-Ampt入渗模型进行改进。结果表明:雨水入渗过程中,随着浸润锋的向下运移,坡面侵蚀由溅蚀凹槽开始,逐渐过渡为径流侵蚀,最后呈现为溯源侵蚀破坏,整体呈现平行于坡表面的浅层滑坡特征;浸润锋之上非饱和浸润层的存在,导致经典Green-Ampt模型计算结果不准确;在考虑浸润层厚度和累积入渗量基础上,推导出改进的Green-Ampt模型;改进后的Green-Ampt模型为分段函数,能够反映降雨入渗使坡面由非饱和向饱和过渡的实际特征。验证结果显示,使用改进模型,浸润锋入渗深度和累积入渗量的预测精度显著提升,虽然冲蚀破坏和初始含水率的差异导致降雨入渗后期的预测精度有所下降,但相关结果对煤矿内排土场降雨初期稳定性分析具有重要意义。改进后的Green-Ampt模型的计算结果与实测数据更为接近,能为分析露天煤矿内排土场降雨入渗规律及边坡稳定性研究提供参考。

考虑非饱和浸润区的改进Green-Ampt模型

经典Green-Ampt入渗模型计算简单,广泛应用于土壤入渗问题的研究,但在湿润锋处理上采用明显的干湿分离界面,存在一定的理论假设。鉴于此,基于饱和区-非饱和浸润区分层模型,结合达西定律,推导出入渗过程中饱和区厚度与非饱和浸润区厚度关系的理论公式,提出了水分剖面理论模型,消除了饱和区厚度和浸润区厚度的关系假设。在此基础上,建立了考虑土壤水分剖面形状和非饱和浸润区等效参数的改进Green-Ampt模型,并采用试验和有限元数值仿真对该模型进行了验证,结果表明:该模型有很高的精度,对不同类型的土有很好的适应性。同时该模型求解简单,参数物理意义明确,便于工程应用。

基于改进Green-Ampt模型的花岗岩残积土边坡降雨入渗规律研究

花岗岩残积土广泛分布于我国南方地区,具有许多不良物理力学性质。该类型土边坡在降雨作用下极易发生变形破坏,因此,对花岗岩残积土边坡的降雨入渗规律进行深入研究具有重要意义。在Green-Ampt模型的基础上综合考虑了坡体的初始含水率、地下水位、非饱和特性,建立了一种适用于不同降雨工况的入渗模型,并采用数值模拟及前人经典模型计算结果对该模型进行了验证。运用该模型对赣南3种典型降雨工况下的花岗岩残积土边坡进行了分析,结果表明:在距离地下水位线较远时初始含水率对湿润锋的迁移速率影响不大,但在接近地下水位线附近时湿润锋的迁移速率逐渐增大,呈现出指数形式的变化趋势;相同降雨时间内、不考虑坡面冲刷的情况下,降雨强度略大于土体饱和渗透系数的工况下湿润锋迁移深度最大、边坡稳定性系数降低最多,在实际情况中尤其需要加强防范。

基于改进Green-Ampt模型的边坡渗水破坏分析

为解决因降雨引起边坡渗水破坏的安全稳定性问题,以某桥基边坡为例,充分考虑坡面流水的汇集积水效应,改进Green-Ampt入渗模型;基于改进后的模型计算得到持续性强降雨下边坡雨水入渗时空特征,结合FLAC^(3D)软件模拟边坡随雨水入渗的渐近性破坏过程。结果表明:由改进模型得到的湿润锋特征与工程实际相符,离坡顶越远雨水的入渗深度越大,雨水入渗速度随降雨时间延长而变缓;由坡面流水引起的湿润锋深度占总深度的比例较大,在前5 h内坡脚处其比例超过50%;边坡的破坏由坡脚向坡顶、由浅向深渐进发展,具有明显的时间间断性和多层逐级后退式渐近性破坏特征。

基于改进Green-Ampt入渗模型的边坡极端降雨阈值确定

为了获得在极端降雨情况下与实际工况相符合的高液限土边坡抗滑稳定性情况,有必要开展极端降雨、高温对边坡稳定性影响的研究。以广东省惠州地区的气象及自然灾害数据为基础,在对不同年份降雨及高温进行分析的基础上,引入吸力水头改进了Green-Ampt入渗模型,得到了斜坡在不同单位降雨量上的极端降雨阈值。研究结果表明:边坡稳定性与连续降雨天数及降雨量有很大关系,在长期小雨的情况下边坡也会达到极端降雨阈值,在降雨量较大的情况下以临界降雨阈值作为极端降雨阈值更合适。该研究对于雨季边坡稳定性分析及灾害防治具有重要意义。

基于Sentinel-1/2改进极化指数和纹理特征的土壤含盐量反演模型

目前Sentinel-1/2协同反演植被土壤含盐量的研究大多是基于Sentinel-2光谱信息和Sentinel-1后向散射系数,没有考虑Sentinel-2光谱信息容易受土壤亮度等信息影响,Sentinel-1后向散射系数容易受土壤粗糙度和水分影响。为进一步提高Sentinel-1/2协同反演植被土壤含盐量的精度,用水云模型对雷达卫星后向散射系数进行校正,消除植被影响;然后协同Sentinel-2纹理特征,基于VIP、OOB、PCA 3种变量筛选和RF、ELM、Cubist 3种机器学习回归模型构建植被土壤含盐量反演模型。研究结果表明:经过水云模型去除植被影响后的雷达后向散射系数及其极化组合指数与土壤含盐量的相关性有一定程度的提高。不同变量选择方法与不同机器学习方法耦合模型在反演土壤含盐量中,OOB变量筛选方法与RF、ELM和Cubist 3种机器学习方法的耦合模型精度最佳,建模集和验证集的R2都在0.750以上,且验证集的RMSE和MAE均最小;其中OOB-Cubist耦合模型精度最高,且R_(v)^(2)/R_(c)^(2)为0.955,具有良好的鲁棒性。研究可为机器学习协同物理模型、光学卫星协同雷达卫星在土壤含盐量反演中的进一步应用提供思路。

基于改进CSM模型的硬岩掘进机刀盘危险点应力分析方法

TBM刀盘受载后的危险点应力获取缺少直接的测量方法,工况复杂的情况下也难以测量,这就制约了刀盘载荷分析在刀盘寿命分析及其再制造方向上的应用问题,为此本文提出了一种基于改进CSM模型的TBM刀盘危险点应力分析方法.在CSM模型基本压力假设的基础上,提出了滚刀刀刃侧面基本压力的概念,推导计算了滚刀刀刃侧面受到的压力和摩擦力,并将二者逐个引入CSM模型中的三向力的计算,建立了改进的CSM模型;通过与公开的滚刀载荷实验数据对比,计算得到的三向力误差均在5%以内,弥补了CSM模型不能预测侧向力的不足.基于改进的CSM模型,通过分析滚刀载荷三向力的差值关系,建立了滚刀载荷差值与滚刀刀间距离的指数关系,得到了计算刀盘滚刀载荷的理论模型,使用ABAQUS的实体耦合功能,加载上各滚刀的载荷,分析整个刀盘的载荷分布,进一步获得刀盘危险点的位置.由此建立了一套刀盘滚刀群载荷获取及危险点应力分布计算的方法.通过与辽宁大伙房水库引水隧道工程中公开的实验数据及危险点统计数据对比,验证了基于改进CSM模型的TBM刀盘危险点应力计算方式的有效性.该研究对经典的CSM模型进行了改进,所提出的刀盘危险点的应力分析方法可为刀盘再制造寿命预测提供可靠的载荷分析依据,并指导刀盘服役阶段的操控参数设置.

基于改进N-K模型的地铁盾构掘进安全风险耦合研究

为预防和控制地铁盾构掘进施工过程中的关键安全风险,并精准判断哪些风险耦合情境是导致事故发生的显著情境,提出改进N-K模型研究地铁盾构掘进安全风险耦合;综合运用文献研究、事故案例、专家访谈等方法,辨识地铁盾构掘进的关键安全风险因素;基于N-K模型提出新的地铁盾构掘进安全风险耦合评估模型,并选用安全事故案例验证该模型的适用性。结果表明:辨识得到地铁盾构掘进关键安全风险因素清单,包括4类一级风险因素,21个二级风险因素;地铁盾构掘进施工安全风险随着耦合因素种类的增加而变大,4因素风险耦合值最高,3因素风险耦合值次之,双因素风险耦合值最低,作业人员安全意识薄弱和机械故障参与作用的耦合情境更容易发生安全事故。

基于统计损伤修正的冻结砂—黏混合土改进Duncan-Chang模型

为描述冻结砂—黏混合土的偏应力—应变关系,进行不同含砂量冻结砂—黏混合土的冻土三轴压缩试验。基于改进的Duncan-Chang模型(D-C模型),引入统计损伤理论,拟合三轴压缩试验结果,分别建立以Mises强度准则和应变发展为微元强度变量的统计损伤修正模型,对比计算结果与试验数据。结果表明:冻结砂—黏混合土偏应力峰值随含砂量的增加而增加,偏应力—应变曲线由应变硬化型逐渐过渡到应变软化型的临界含砂量为50%。当含砂量介于20%~60%时,基于统计损伤理论的修正改进D-C模型能有效拟合应变硬化型曲线和具有轻微应变软化现象的偏应力—应变曲线。当含砂量为90%时,基于应变发展的统计损伤修正模型的偏应力峰值与试验结果相差3%,具有较强适用性。该结果为不同微元强度变量的统计损伤修正模型提供参考。

基于改进潜能模型的城市公园绿地可达性评价与优化布局研究——以重庆市江津区为例

城市公园绿地空间布局因城市的自然条件和社会经济条件不同而具有差异性.当前国内外研究多聚焦发达地区和大城市,而小城市和典型城市的公园绿地可达性研究鲜见,且在案例代表性和数据精度方面还有一定的局限性.选择西南山地类型的重庆市江津区中心城区为案例,以居民小区出入口与公园绿地出入口为研究主体,构建改进潜能模型和网络分析方法,揭示其空间特征和存在问题,参考位置分配模型与调研结果,得出优化布局方案并检验.结果表明,江津区中心城区城市公园绿地布局与服务水平空间差异明显.提出拟新建7个游园与5个社区公园,并将部分公园绿地进行合并扩建或新增出入口.

基于改进A*算法的高速公路选线决策辅助模型

为提高山区高速公路选线的智能化水平,基于改进A*算法对高速公路选线决策辅助模型进行了分析。提出了高速公路选线的平面约束指标和纵断面约束指标;根据山区高速公路选线实际情况,从估价函数、搜索范围、搜索方向、数据结构、优化方法等方面对传统A*算法进行了改进,建立高速公路选线决策辅助模型;并通过实际案例验证了该模型的有效性。研究结果表明:与传统A*算法相比,改进A*算法在搜索时间、搜索次数、搜索节点数方面分别降低了约75%、48%、44%;路线优化后的总转折角度和长度分别降低了约83%和17%;高速公路选线决策辅助模型能有效地处理自然环境复杂条件下的选线问题,具有较高的实用价值。

基于改进麻雀搜索算法的水质模型多参数反演

水质模型参数取值对模型的模拟精度影响很大,为提高BOD-DO水质模型参数反演精度,首先在DobbinsCamp BOD-DO水质模型的基础上,以BOD和DO浓度计算值与实测值之差的加权平方和最小为目标函数,构建了Dobbins-Camp BOD-DO水质多参数反演模型;然后针对麻雀搜索算法(Sparrow Search Algorithm,SSA)求解精度低、稳定性不足和易陷入局部最优等问题,引入Sine混沌映射和对立学习、转移概率以及差分变异3个策略,分别从提高初始种群多样性、扩大搜索空间以及增强种群跳出局部最优的能力三方面对SSA算法进行改进,提出了一种多策略改进的麻雀搜索算法(Multi-strategy Improved Sparrow Search Algorithm,MISSA),并将其应用于Dobbins-Camp BOD-DO水质多参数反演模型的求解;最后通过数值实验将得到的反演结果与SSA算法、模拟退火算法、粒子群算法、遗传算法四种优化算法进行对比,并探讨了参数初值选取和观测噪声水平对反演结果的影响。结果表明:MISSA算法的计算性能明显优于对照组中的4种算法,且能显著降低初值选取对BOD-DO水质模型参数反演结果的影响,当观测数据的噪声水平不超过5%时,MISSA算法可有效提高反演结果的稳定性。该结果验证了MISSA算法在反演Dobbins-Camp BOD-DO水质模型参数的有效性,为水质模型参数求解提供有益参考。

改进的容量约束设施区划模型的算法及应用

针对经典的容量约束设施区位模型(CFLP)缺少考虑公平、效率与服务质量三方面的因素,以及平衡三者关系的问题,文章提出了引入覆盖半径ϕ、最低覆盖率μ、设施建设成本CAP对模型进行改进,算法的求解实质是求解线性规划问题的最优解。根据以上方法进行案例区的计算验证,实验结果表明,与传统模型算法相比,改进的CFLP模型通过灵活选择设施的服务半径和覆盖率参数求解计算,能较好地兼顾服务成本、服务质量和空间公平性三者之间的关系,并可于5s内得出最优解,相比传统算法150s的平均计算时间,有显著的提升,对城市公共服务设施的布局优化具有较高的实用价值。

基于改进Yolov5模型的纱筒余纱量检测方法

为实现针织圆纬机纱架上纱筒余纱量的实时检测,提出一种深度学习与传统图像处理相结合的检测方法。通过优化Yolov5的主干网络并加入Shuffle-Attention注意力机制,利用改进后模型在图像中检测并框出纱筒位置;然后利用透视变换、均值偏移、canny轮廓检测、闭操作等处理获取纱筒内外圆轮廓,设计基于梯度下降的圆拟合算法,拟合纱筒内外圆的轮廓,得到纱筒的内外圆半径;最后结合小孔成像的原理完成纱筒余纱量的测量。结果表明:改进后的Yolov5模型在纱筒检测精度上达到99.5%,检测速度可达20帧/s,同时模型参数减少至3.255×106可检测的最小纱筒余纱量为3 mm,当纱筒余纱量小于3 mm后,将其视为空筒,进行延时更换。本文算法拟合圆所花费时间是传统霍夫圆检测算法的1/4左右,因此可满足针织车间的实际应用需求。

基于有限时间干扰观测器的改进模型水下机器人自适应鲁棒容错控制

针对无人水下机器人(unmanned underwater vehicle,UUV)工作中存在的执行器故障,在系统不确定性与外界干扰下,提出一种基于有限时间扰动观测器(finite time disturbance observer,FTDO),并结合改进模型的自适应鲁棒容错控制方法。一方面,FTDO能在有限时间内对外界环境干扰进行估计;另一方面利用滑模控制加上径向基神经网络(radial basis function neyral network,RBF)的万能逼近特性,建立带有执行器故障的输入补偿;其中改进模型的引入解决了系统不确定性导致的输入饱和,提高了稳定性与鲁棒性;其次采用一种新型的双幂趋近律使滑模量在更短时间收敛到稳态误差界内;仿真与水池实验结果表明了所提方法相对于滑模控制有着更好的容错效果。

基于非线性干扰观测器的IPMSM改进无模型滑模控制

针对内置式永磁同步电机参数摄动导致模型不确定而影响系统控制性能的问题,提出一种基于非线性干扰观测器的内置式永磁同步电机改进无模型滑模控制方法。首先,建立考虑参数摄动的内置式永磁同步电机(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor,IPMSM)新型超局部模型;其次,利用改进滑模趋近律设计滑模控制器作为无模型控制中的反馈控制器;然后,设计非线性干扰观测器来观测估计无模型控制中的未知复杂项;最后,与传统无模型滑模控制方法进行仿真实验对比。仿真实验结果证明所提方法能有效解决系统参数摄动影响电机控制性能等问题,验证了所提方法的有效性及优越性。

压缩空气储能地下储气库热力学改进模型研究

【目的】明晰地下储气库的热力学过程是压缩空气储能(compressed air energy storage,CAES)电站安全设计与运行调度的重要基础。【方法】现有地下储气库热力学模型在计算热量交换时,存在高压储气阶段热损失偏大和低压储气库阶段补热过多的不足。本文在全面分析地下储气库热力学模型理论基础合理性的前提下,先分析储气库热量计算偏差的形成根源;再提出改进模型。【结果】研究结果表明:现有的热力学计算解析模型忽略了CAES地下储气库在运行过程中温度分布的不均匀性,这种温度分布的不均匀导致储气室洞壁与压缩空气之间的对流换热模型失真,导致温度计算结果偏差大。考虑混合对流换热的改进模型二可以较好地解决储气阶段温度计算结果与真实结果之间偏差过大的问题。算例分析证明了改进模型二的合理性。【结论】本文的改进模型二可为CAES地下储气库容积优化设计与效率分析提供计算依据。

基于扩张状态观测器的永磁直线同步电机改进模型预测电流控制

针对永磁直线同步电机(PMLSM)模型预测电流控制(MPCC)中存在的电流脉动过大、在线计算复杂的问题,提出一种基于扩张状态观测器(ESO)的改进MPCC策略。利用最优电压矢量相角和重新划分后的电压矢量扇区,改进第一电压矢量的选取方式,减小第二电压矢量选择范围,以实现电压矢量的快速选取,进而降低电流脉动。同时,为了提高PMLSM抗负载扰动能力,通过ESO对扰动进行观测,将观测到的扰动转换为电流进行补偿,提高系统的鲁棒性,且补偿电流可起到进一步减小电流脉动的作用。仿真结果表明,所提出的控制方法切实可行,与MPCC相比,基于ESO的改进MPCC系统具有更好的控制性能、更小的电流脉动和较强的鲁棒性能。