一种基于近场动力学理论的地面沉降建模方法

1.本发明涉及城市地质灾害模拟与预测技术领域，尤其涉及一种基于近场动力学理论的地面沉降建模方法。


背景技术：

2.地面沉降是一种不可补偿的永久性环境和资源损失，地面沉降的突出问题已经成为制约区域发展的重要因素。
3.目前地面沉降的模拟预测模型主要分为随机统计模型、数值模拟确定性模型及人工智能模型三种。其中，随机统计模型为物理解释的经验模型，在前期观测数据不足时模型存在片面性；人工智能模型引入地面沉降研究时间尚短，特征学习的过程易表现为黑箱及灰箱模型；确定性模型可以准确刻画地层复杂结构，但其建立过程以微分方程为基础，在描述断裂裂隙等空间不连续现象时需要额外引入描述方程。针对上述问题，本发明提出了一种基于近场动力学理论的地面沉降建模方法，将地面沉降研究与力学领域新提出的近场动力学理论进行结合，在积分方程基础上建立近场动力学理论的模型，有效避免了在对象不连续处定义失效的问题，使得裂隙断裂等空间不连续结构成为模型中的一部分，在不增加附加函数定义的情况下，用统一的方程描述地层在开采地下水之后有效应力变化从而产生的地面沉降、裂缝、塌陷问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了在统一框架下建立包含裂缝、塌陷等空间不连续现象的区域地面沉降数值模型，为城市地面沉降模拟预测与灾害防治提供数据支撑而提出的一种基于近场动力学理论的地面沉降建模方法，能够在缺少先验知识的情况下，预测识别随着地面沉降演化可能出现的地裂缝、地面塌陷现象。
5.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
6.一种基于近场动力学理论的地面沉降建模方法，具体包括以下步骤：
7.s1、获取研究区范围内的可压缩土层数据、含水层数据、断裂及地裂缝信息及不同土体的各类力学性质参数，确定模型内部结构信息；
8.s2、获取研究区范围内的地下水位数据、建筑设施数据与道路交通数据，确定模型边界条件；
9.s3、根据所述s1、s2中所得的数据信息构建近场动力学地面沉降数值模型；
10.s4、获取模拟研究区历史演化和未来演化的时间范围，确定模拟时间步长、模型离散的物质点数量及近场动力学参数；
11.s5、根据所述s4中所获得的模拟时间步长、模型离散的物质点数量及近场动力学参数，求解近场动力学地面沉降模型，获得模拟的历史沉降演化结果、裂缝演化结果；
12.s6、获取覆盖研究区时空范围的sar影像数据，选取其中的slc 产品；
13.s7、基于sar影像，利用ps-insar技术获取研究区长时序地面沉降信息；
14.s8、将所述s5及s7获得的两类沉降信息进行对比验证，选择 rmse、r2作为判定模型模拟精度的参数，验证模型的可行性，若不符合精度要求则返回s1步，对模型进行校准；
15.s9、利用经过所述s8验证校准后的模型进行未来预测模拟，并输出结果。
16.优选地，所述s1中提到的可压缩土层数据，具体包括不同底板埋深的压缩层厚度、分布情况；所述含水层数据包括不同层位承压含水层厚度及分布情况；所述土体各类力学性质参数包括质量密度、杨氏模量、泊松比。
17.优选地，所述s2中提到的地下水位数据为模拟时间段内长时序地下水位变化统计数据；所述建筑设施数据采用时序归一化建筑指数 ndbi表征静载荷；所述道路交通数据通过计算分布密度表征动载荷。
18.优选地，所述s3中提到的利用各类数据建立研究区的近场动力学地面沉降模型，通过cad、python和matlab软件完成。
19.优选地，所述s4中提到的近场动力学参数包括不同方向离散物质点总数、质点间距、领域范围和临界伸长率。
20.优选地，所述s5提到的利用各类参数求解研究区的近场动力学地面沉降模型，通过python、c 、fortran、matlab软件完成；
21.所述s5中提到的求解近场动力学地面沉降模型，是通过求解积分方程从而得到各物质点在模拟时间段内的速度、位移信息，对于某时刻t内，占据空间区域r的物质体，其具体方程如下：
[0022][0023]
式中：ρ为材料密度；f为物质点x与物质点x
′
之间的“力密度函数”；u代表物质点的位移矩阵；h
x
表示以物质点x为中心且邻域半径δ划定的近场范围；b为施加在物质点x上的体积力；
[0024]
弹脆性材料的作用力密度f(η,ξ)可表示为：
[0025][0026]
式中：ξ、η分别代表物质点对的初始相对位置和相对位移，具体计算公式分别为：
[0027]
ξ＝x-x
′
[0028]
η＝u(x
′
,t)-u(x,t)
[0029]
c为微弹性模量，表示对于三维问题的数值模拟，具体计算公式为：
[0030][0031]
式中：k为体积模量；s为“键”的伸长率，具体计算公式为：
[0032][0033]
对于各向同性材料，当物质点对的“键”处于拉伸状态时，s》0，反之为压缩状态，s《0；
[0034]
而μ(t,ξ)为表示“键”状态的标量，具体公式为：
[0035][0036]
式中：s0为临界伸长率；当“键”伸长率到达s0时，认为“键”发生断裂，反之则没有发生破坏。
[0037]
优选地，所述s7中提到的利用ps-insar技术获取长时序地面沉降信息，通过gamma、sarproz、stamps软件完成；
[0038]
所述s7中提到的获取时序地面沉降信息，具体包括以下步骤：
[0039]
a1、依据时空基线、多普勒信息确定主影像，其他影像作为副影像依据主影像进行配准及重采样；
[0040]
a2、对每对主副影像进行差分干涉生成时序干涉图并依据幅度离差法选取ps点；
[0041]
a3、进行时序分析得到地表形变信息，将结果与水准监测数据、实测gps数据进行对比与精度验证，得到历史模拟时间段内的地面沉降信息。
[0042]
优选地，所述s8中提到的模型校准，所需校准的参数具体包括有调整区域地下空间概化程度、模型边界条件和近场动力学参数。
[0043]
优选地，所述s9中提到的利用近场动力学沉降模型开展沉降未来演化预测，通过python、c 、fortran、matlab软件完成。
[0044]
与现有技术相比，本发明提供了一种基于近场动力学理论的地面沉降建模方法，具备以下有益效果：
[0045]
(1)本发明结合对不连续问题友好的近场动力学理论，面对节理裂隙等天然地质体中的不连续结构，可以在不完全探查/先验知识不充分的情况下建立更符合真实情况的区域模型；对比传统的以微分方程为基础的数值模拟确定性模型，可以更有效模拟地面沉降随时间发展可能导致的裂缝萌生生长、地面塌陷等现象；
[0046]
(2)本发明能够建立涵盖地裂缝、地面塌陷等空间不连续现的近场动力学地面沉降模型，可以实现对区域地面沉降的历史模拟与未来预测；此外，对不均匀沉降、裂缝塌陷等风险的早期识别与预警可以为地面沉降灾害防治、保障城市重大基础设施建设运营安全等提供科学依据。
附图说明
[0047]
图1为本发明提出的一种基于近场动力学理论的地面沉降建模方法的流程示意图；
[0048]
图2为本发明提出的一种基于近场动力学理论的地面沉降建模方法的实施例2中的三维长方体地层模型(离散后)示意图；
[0049]
图3为本发明提出的一种基于近场动力学理论的地面沉降建模方法的实施例2中的近场动力学地面沉降模拟结果示意图。
具体实施方式
[0050]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0051]
实施例1：
[0052]
请参阅图1，一种基于近场动力学理论的地面沉降建模方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
[0053]
s1、获取研究区范围内的可压缩土层数据、含水层数据、断裂及地裂缝信息及不同土体的各类力学性质参数，确定模型内部结构信息；
[0054]
s1中提到的可压缩土层数据，具体包括不同底板埋深的压缩层厚度、分布情况；含水层数据包括不同层位承压含水层厚度及分布情况；土体各类力学性质参数包括质量密度、杨氏模量、泊松比；
[0055]
s2、获取研究区范围内的地下水位数据、建筑设施数据与道路交通数据，确定模型边界条件；
[0056]
s2中提到的地下水位数据为模拟时间段内长时序地下水位变化统计数据；建筑设施数据采用时序归一化建筑指数ndbi表征静载荷；道路交通数据通过计算分布密度表征动载荷；
[0057]
s3、根据s1、s2中所得的数据信息构建近场动力学地面沉降数值模型；
[0058]
s3中提到的利用各类数据建立研究区的近场动力学地面沉降模型，通过cad、python和matlab软件完成；
[0059]
s4、获取模拟研究区历史演化和未来演化的时间范围，确定模拟时间步长、模型离散的物质点数量及近场动力学参数；
[0060]
s4中提到的近场动力学参数包括不同方向离散物质点总数、质点间距、领域范围和临界伸长率；
[0061]
s5、根据s4中所获得的模拟时间步长、模型离散的物质点数量及近场动力学参数，求解近场动力学地面沉降模型，获得模拟的历史沉降演化结果、裂缝演化结果；
[0062]
s5提到的利用各类参数求解研究区的近场动力学地面沉降模型，通过python、c 、fortran、matlab软件完成；
[0063]
s5中提到的求解近场动力学地面沉降模型，是通过求解积分方程从而得到各物质点在模拟时间段内的速度、位移信息，对于某时刻t内，占据空间区域r的物质体，其具体方程如下：
[0064][0065]
式中：ρ为材料密度；f为物质点x与物质点x
′
之间的“力密度函数”；u代表物质点的位移矩阵；h
x
表示以物质点x为中心且邻域半径δ划定的近场范围；b为施加在物质点x上的体积力；
[0066]
弹脆性材料的作用力密度f(η,ξ)可表示为：
[0067][0068]
式中：ξ、η分别代表物质点对的初始相对位置和相对位移，具体计算公式分别为：
[0069]
ξ＝x-x
′
[0070]
η＝u(x
′
,t)-u(x,t)
[0071]
c为微弹性模量，表示对于三维问题的数值模拟，具体计算公式为：
[0072][0073]
式中：k为体积模量；s为“键”的伸长率，具体计算公式为：
[0074][0075]
对于各向同性材料，当物质点对的“键”处于拉伸状态时，s》0，反之为压缩状态，s《0；
[0076]
而μ(t,ξ)为表示“键”状态的标量，具体公式为：
[0077][0078]
式中：s0为临界伸长率；当“键”伸长率到达s0时，认为“键”发生断裂，反之则没有发生破坏；
[0079]
s6、获取覆盖研究区时空范围的sar影像数据，选取其中的slc 产品；
[0080]
s7、基于sar影像，利用ps-insar技术获取研究区长时序地面沉降信息；
[0081]
s7中提到的利用ps-insar技术获取长时序地面沉降信息，通过 gamma、sarproz、stamps软件完成；
[0082]
s7中提到的获取时序地面沉降信息，具体包括以下步骤：
[0083]
a1、依据时空基线、多普勒信息确定主影像，其他影像作为副影像依据主影像进行配准及重采样；
[0084]
a2、对每对主副影像进行差分干涉生成时序干涉图并依据幅度离差法选取ps点；
[0085]
a3、进行时序分析得到地表形变信息，将结果与水准监测数据、实测gps数据进行对比与精度验证，得到历史模拟时间段内的地面沉降信息；
[0086]
s8、将s5及s7获得的两类沉降信息进行对比验证，选择rmse、 r2作为判定模型模拟精度的参数，验证模型的可行性，若不符合精度要求则返回s1步，对模型进行校准；
[0087]
s8中提到的模型校准，所需校准的参数具体包括有调整区域地下空间概化程度、模型边界条件和近场动力学参数；
[0088]
s9、利用经过s8验证校准后的模型进行未来预测模拟，并输出结果；
[0089]
s9中提到的利用近场动力学沉降模型开展沉降未来演化预测，通过python、c 、fortran、matlab软件完成。
[0090]
本发明结合对不连续问题友好的近场动力学理论，面对节理裂隙等天然地质体中的不连续结构，可以在不完全探查/先验知识不充分的情况下建立更符合真实情况的区域模型；对比传统的以微分方程为基础的数值模拟确定性模型，可以更有效模拟地面沉降随时间发展可能导致的裂缝萌生生长、地面塌陷等现象；同时，本发明能够建立涵盖地裂缝、地面塌陷等空间不连续现的近场动力学地面沉降模型，可以实现对区域地面沉降的历史模拟与未来预测；此外，对不均匀沉降、裂缝塌陷等风险的早期识别与预警可以为地面沉降灾害防治、保障城市重大基础设施建设运营安全等提供科学依据。
[0091]
实施例2：
[0092]
请参阅图1-3，基于实施例1但有所不同之处在于，
[0093]
通过利用本发明提出的方法对地下空间进行建模与模拟，进一步的对本发明的可行性进一步补充证明。
[0094]
步骤一、建立代表了0.5km
×
0.3km
×
0.3km的地层区域的长方体模型(如图2所示)，划分各可压缩土层与含水层，左侧为基岩、右侧从上之下依次是第一可压缩层(厚20m)、第一含水层(30m)、第二可压缩层(厚50m)、第二含水层(厚50m)、第三可压缩层(厚 50m)、基岩(厚100m)；
[0095]
步骤二、依据下列表1、表2中各层材料属性与近场动力学参数，给各层赋予材料属性并将模型离散为物质点；
[0096]
表1模型材料属性表
[0097][0098]
表2近场动力学参数表
[0099][0100]
步骤三、设置模型初、边界条件为：模型内各物质点初始速度、位移均为0，边界条件为假设每年地下水位下降2m(非真实情况)，代入模型运算；
[0101]
步骤四、对模拟获得的物质点位移、速率进行分析与评价，并依情况对模型建立过程进行参数调整；
[0102]
步骤五、调整之后重新运行模型得到需要的模拟结果(如图3所示)。
[0103]
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。