本發(fā)明屬于寒區(qū)工程的，具體涉及一種寒區(qū)非均質(zhì)邊坡水熱耦合和凍結(jié)深度的反演方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、近年來，寒區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)蓬勃發(fā)展，寒區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施的凍融破壞主要是土體的水熱傳遞引起的，導(dǎo)致土體出現(xiàn)凍脹、融沉、開裂以及力學(xué)性質(zhì)劣化，從而嚴(yán)重縮短了基礎(chǔ)設(shè)施的使用壽命，對寒區(qū)工程建設(shè)和運行安全造成嚴(yán)重的威脅。凍結(jié)深度是寒區(qū)工程設(shè)計的最重要的參數(shù)之一。凍結(jié)深度是季節(jié)性凍土區(qū)獨特的氣候指標(biāo)，不僅取決于氣溫的變化，還受到土體含水量和地下傳熱的影響。對寒區(qū)土體溫度和水分分布的準(zhǔn)確預(yù)測是寒區(qū)工程設(shè)計的重要基礎(chǔ)，可為工程的安全性和長期穩(wěn)定性提供科學(xué)依據(jù)。

2、確定凍結(jié)深度的常用方法有三種：實地觀測、解析方法和數(shù)值計算。實地觀測是一種直接獲取凍結(jié)深度數(shù)據(jù)的方式，通過布設(shè)測溫點或凍土觀測儀進行監(jiān)測。然而，寒區(qū)的環(huán)境條件惡劣，長期監(jiān)測設(shè)備的維護以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)某杀据^高，使得土體水熱特征和凍結(jié)深度的現(xiàn)場觀測受到限制。解析方法(如stefan公式)基于經(jīng)驗公式和熱平衡假設(shè)，通過簡單計算預(yù)測凍結(jié)深度。這種方法需要對地形條件、土體性質(zhì)和氣候因子做出理想化假設(shè)，忽略了凍結(jié)過程中的復(fù)雜動力學(xué)特征，難以準(zhǔn)確反映凍土水熱相互作用的變化規(guī)律。數(shù)值計算被認(rèn)為是研究凍結(jié)深度和凍土水熱耦合過程最有效的方法之一。由于凍土區(qū)的土體具有顯著的非均質(zhì)性和空間變異性，土體由礫石、砂土、粉土、黏土及不同礦物質(zhì)的混合物構(gòu)成，經(jīng)歷了復(fù)雜的地質(zhì)沉積和風(fēng)化作用，導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、滲透性等參數(shù)在空間上呈現(xiàn)顯著差異。

3、然而目前大多數(shù)值模型都將土體參數(shù)視為確定值，忽略了土體參數(shù)的非均勻性，從而對凍結(jié)深度的預(yù)測出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致寒區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施出現(xiàn)局部凍損的現(xiàn)象。因此，有必要建立了考慮土體參數(shù)非均勻性的季節(jié)性凍土水熱耦合模型，反演季節(jié)性凍土的水熱耦合特征和凍結(jié)深度，計算土體溫度、含水量和凍結(jié)深度的統(tǒng)計特征，為寒區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計和凍害治理提供有效的理論支撐和技術(shù)指導(dǎo)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的一個目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種寒區(qū)非均質(zhì)邊坡水熱耦合和凍結(jié)深度的反演方法，該方法能夠彌補傳統(tǒng)水熱耦合模型將土體參數(shù)視為常數(shù)這一缺陷，分析季節(jié)性凍土在不同時間和位置上溫度和含水量的統(tǒng)計特征，計算凍結(jié)深度的變化，為寒區(qū)工程設(shè)計和凍害治理提供一定參考。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種寒區(qū)非均質(zhì)邊坡水熱耦合和凍結(jié)深度的反演方法，包括以下步驟：

4、步驟1、獲取研究區(qū)氣溫逐日變化數(shù)據(jù)，并對其進行擬合得到氣溫逐日變化方程；

5、步驟2、確定土體的基本物理參數(shù)，并對基本物理參數(shù)進行統(tǒng)計分析，構(gòu)建土體參數(shù)隨機場；

6、步驟3、根據(jù)研究區(qū)域場地信息構(gòu)建數(shù)值模擬模型，并確定溫度場和水分場的計算方法，且基于此對所述數(shù)值模擬模型施加對應(yīng)的水熱邊界條件，得到水熱耦合數(shù)值模型；

7、步驟4、將土體參數(shù)隨機場導(dǎo)入水熱耦合數(shù)值模型，建立考慮土體參數(shù)非均勻性的隨機水熱耦合模型；

8、步驟5、對所述隨機水熱耦合模型進行模擬計算，輸出模型在不同時間和位置上的溫度和水分變化特征，并據(jù)此確定凍結(jié)深度大小，且對計算結(jié)果進行統(tǒng)計分析。

9、進一步地，步驟2中土體的基本物理參數(shù)包括土體的密度、含水率、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、飽和滲透系數(shù)。

10、進一步地，步驟2中，對土體的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容分別構(gòu)建隨機場。

11、進一步地，步驟2中，獲取土體的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、滲透系數(shù)的取值范圍，確定其統(tǒng)計特征包括相關(guān)長度、均值和標(biāo)準(zhǔn)差，考慮土體參數(shù)的非負(fù)性，采用對數(shù)正態(tài)分布構(gòu)建土體參數(shù)隨機場。

12、進一步地，步驟3中溫度場的計算方法為：

13、

14、式中，c為土體的比熱容，t為溫度，t表示時間，vw為土體中液態(tài)水的滲流速度，ρw和ρi分別表示水和冰的密度，λ為土體的導(dǎo)熱系數(shù)，cw為水的比熱容，l為水冰相變潛熱，θi為體積冰含量。

15、進一步地，步驟3中水分場的計算方法為：

16、

17、式中，θu為體積未凍結(jié)水含量，θi為體積冰含量，ρw和ρi分別表示水和冰的密度，d為土體的水分?jǐn)U散系數(shù)，k為土體的滲透系數(shù)，y表示節(jié)點的縱坐標(biāo)，s為地下水源補給；

18、其中，當(dāng)溫度低于土體的凍結(jié)溫度時，凍土中的θu與負(fù)溫之間保持著動態(tài)平衡的關(guān)系，計算方法為：

19、

20、式中，a1和b1是與土體類型有關(guān)的經(jīng)驗參數(shù)，tf為土體的凍結(jié)溫度。

21、進一步地，步驟3中，給定的溫度邊界條件為：模型底部邊界為恒溫邊界和熱通量邊界，上部邊界采用擬合的氣溫逐日變化方程，左右邊界為隔熱邊界；

22、水分邊界條件：在地下水位以下的土體的含水率保持恒定，不考慮降雨和蒸發(fā)作用，其余邊界為不透水邊界。

23、本發(fā)明的另一個目的是提供一種用于實現(xiàn)上述的寒區(qū)非均質(zhì)邊坡水熱耦合和凍結(jié)深度的反演方法的系統(tǒng)，包括：

24、氣溫模擬模塊，用于獲取研究區(qū)氣溫逐日變化數(shù)據(jù)，并對其進行擬合得到擬合度最優(yōu)的氣溫逐日變化方程；

25、土體參數(shù)隨機場構(gòu)建模塊，用于確定土體的基本物理參數(shù)，并對基本物理參數(shù)進行統(tǒng)計分析，構(gòu)建土體參數(shù)隨機場；

26、水熱耦合數(shù)值模型建立模塊，用于根據(jù)研究區(qū)域場地信息構(gòu)建數(shù)值模擬模型，并確定溫度場和水分場的計算方法，且基于此對所述數(shù)值模擬模型施加對應(yīng)的水熱邊界條件，得到水熱耦合數(shù)值模型；

27、隨機水熱耦合模型構(gòu)建模塊，用于將土體參數(shù)隨機場導(dǎo)入水熱耦合數(shù)值模型，建立考慮土體參數(shù)非均勻性的隨機水熱耦合模型；

28、凍結(jié)深度計算統(tǒng)計模塊，用于對隨機水熱耦合模型進行模擬計算后輸出模型在不同時間和位置上的溫度和水分變化特征，并據(jù)此確定凍結(jié)深度大小，且對計算結(jié)果進行統(tǒng)計分析。

29、一種電子設(shè)備，包括存儲器和處理器，所述存儲器存儲有計算機程序，所述處理器執(zhí)行所述計算機程序時實現(xiàn)所述方法的步驟。

30、一種計算機可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)所述方法的步驟。

31、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明考慮了土體參數(shù)的非均勻性，對土體基本物理參數(shù)進行統(tǒng)計分析以構(gòu)建土體參數(shù)隨機場，并將土體參數(shù)隨機場導(dǎo)入水熱耦合數(shù)值模型，建立考慮土體參數(shù)非均勻性的隨機水熱耦合模型，對土體的溫度和水分進行模擬計算，從而提高了對凍結(jié)深度預(yù)測的準(zhǔn)確性，彌補了傳統(tǒng)水熱耦合模型將土體參數(shù)視為常數(shù)這一缺陷，能夠較為準(zhǔn)確地分析季節(jié)性凍土在不同時間和位置上溫度和含水量的統(tǒng)計特征，并計算凍結(jié)深度的變化，為寒區(qū)工程設(shè)計和凍害治理提供一定參考。

技術(shù)特征：

1.一種寒區(qū)非均質(zhì)邊坡水熱耦合和凍結(jié)深度的反演方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寒區(qū)非均質(zhì)邊坡水熱耦合和凍結(jié)深度的反演方法，其特征在于，步驟2中土體的基本物理參數(shù)包括土體的密度、含水率、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、飽和滲透系數(shù)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的寒區(qū)非均質(zhì)邊坡水熱耦合和凍結(jié)深度的反演方法，其特征在于，步驟2中，對土體的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容分別構(gòu)建隨機場。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的寒區(qū)非均質(zhì)邊坡水熱耦合和凍結(jié)深度的反演方法，其特征在于，步驟2中，獲取土體的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、滲透系數(shù)的取值范圍，確定其統(tǒng)計特征包括相關(guān)長度、均值和標(biāo)準(zhǔn)差，考慮土體參數(shù)的非負(fù)性，采用對數(shù)正態(tài)分布構(gòu)建土體參數(shù)隨機場。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寒區(qū)非均質(zhì)邊坡水熱耦合和凍結(jié)深度的反演方法，其特征在于，步驟3中溫度場的計算方法為：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寒區(qū)非均質(zhì)邊坡水熱耦合和凍結(jié)深度的反演方法，其特征在于，步驟3中水分場的計算方法為：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寒區(qū)非均質(zhì)邊坡水熱耦合和凍結(jié)深度的反演方法，其特征在于，步驟3中，給定的溫度邊界條件為：模型底部邊界為恒溫邊界和熱通量邊界，上部邊界采用擬合的氣溫逐日變化方程，左右邊界為隔熱邊界；

8.一種用于實現(xiàn)權(quán)利要求1-7任意一項所述的寒區(qū)非均質(zhì)邊坡水熱耦合和凍結(jié)深度的反演方法的系統(tǒng)，其特征在于，包括：

9.一種電子設(shè)備，包括存儲器和處理器，所述存儲器存儲有計算機程序，其特征在于，所述處理器執(zhí)行所述計算機程序時實現(xiàn)權(quán)利要求1至7中任一項所述方法的步驟。

10.一種計算機可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計算機程序，其特征在于，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)權(quán)利要求1至7中任一項所述方法的步驟。

技術(shù)總結(jié)
本實施例公開了一種寒區(qū)非均質(zhì)邊坡水熱耦合和凍結(jié)深度的反演方法及系統(tǒng)，包括：獲取研究區(qū)氣溫逐日變化數(shù)據(jù)，并對其進行擬合得到氣溫逐日變化方程；確定土體的基本物理參數(shù)，并構(gòu)建土體參數(shù)隨機場；根據(jù)研究區(qū)域場地信息構(gòu)建數(shù)值模擬模型，并確定溫度場和水分場的計算方法，且基于此對數(shù)值模擬模型施加對應(yīng)的水熱邊界條件，得到水熱耦合數(shù)值模型；將土體參數(shù)隨機場導(dǎo)入水熱耦合數(shù)值模型，建立考慮土體參數(shù)非均勻性的隨機水熱耦合模型；對隨機水熱耦合模型進行模擬計算，輸出模型在不同時間和位置上的溫度和水分變化特征，并據(jù)此確定凍結(jié)深度大小，且對計算結(jié)果進行統(tǒng)計分析。本發(fā)明考慮了土體參數(shù)的非均勻性，提高了對凍結(jié)深度的預(yù)測的準(zhǔn)確性。

技術(shù)研發(fā)人員：劉勇,陳齊民,李典慶,唐小松
受保護的技術(shù)使用者：武漢大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/4/28