一種二維滑坡模型的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明一種二維滑坡模型，涉及數(shù)字建模領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國是滑坡泥石流等地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)國家，據(jù)中國地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查資料表明各類地質(zhì) 災(zāi)害中，滑坡所占的比例高達(dá)到68%。山體滑坡是一種自然災(zāi)害，其危害性不可小覷。山體 滑坡不僅會(huì)造成一定范圍內(nèi)的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失，還會(huì)對(duì)附近道路交通造成嚴(yán)重威脅。山 體滑坡常常給工農(nóng)業(yè)以及人們生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失，有的一旦發(fā)生即是毀滅性的災(zāi)難。 山體滑坡對(duì)農(nóng)村而言，危害主要是摧毀農(nóng)田、房屋、傷害人畜、毀壞森林、道路以及機(jī)械設(shè)施 和水利水電設(shè)施等；對(duì)于城鎮(zhèn)而言，導(dǎo)致砸埋房屋，摧毀工廠、學(xué)校、機(jī)關(guān)單位等；如果要是 發(fā)生在工礦區(qū)的滑坡，可摧毀礦山設(shè)施，傷亡職工，毀壞廠房，使礦山停工停產(chǎn)，造成非常大 的損失?；碌陌l(fā)生是斜坡自身穩(wěn)定狀態(tài)自然調(diào)整的過程，而影響其穩(wěn)定的作用因素有自 然因素和人類活動(dòng)因素?；掳l(fā)生是自然災(zāi)害，而是人類很少能控制到的，現(xiàn)有技術(shù)中能 做的就是盡量對(duì)山體滑坡進(jìn)行一定的模型研究，并且有效預(yù)防滑坡發(fā)生以及找出解救的措 施。通過設(shè)計(jì)特定的滑坡模型是研究滑坡地質(zhì)災(zāi)害的有效途徑之一?；履Ｐ驮囼?yàn)屬于地 質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的范疇，其理論起源于結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)。
[0003] 目前，國內(nèi)外對(duì)地質(zhì)力學(xué)模型也有一定的研究。地質(zhì)力學(xué)模型的主要特點(diǎn)是：模型 中應(yīng)模擬山巖體中的斷層、破碎帶及軟弱帶，有時(shí)還包括一些主要節(jié)理裂隙組，應(yīng)能體現(xiàn)出 巖體為非均勻等向、非彈性及非連續(xù)等這些巖石力學(xué)特征，同時(shí)，模型的幾何尺寸、邊界條 件及作用負(fù)荷、模擬巖體的模型材料的內(nèi)重、強(qiáng)度及變形特性等方面均須滿足相似理論。目 前國內(nèi)外常用的地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)主要有框架式模型試驗(yàn)和離心模型試驗(yàn)兩種形式?？蚣?式模型試驗(yàn)是在通常重力場(chǎng)內(nèi)，通過在框架模型槽內(nèi)采用滿足相似判據(jù)的相似材料制作模 型，并在模型滿足邊界條件相似情況下量測(cè)其變形、應(yīng)力等因素，進(jìn)而揭示原型滑坡的形成 機(jī)制。這種模型的制作過程復(fù)雜，需要制造特定的框架模型槽，而且需要達(dá)到的模型邊界條 件比較苛刻，對(duì)滑坡的災(zāi)害研究很難進(jìn)行。離心模型試驗(yàn)就是將縮小的模型置于高速旋轉(zhuǎn) 的離心機(jī)中，利用人工離心力場(chǎng)提高模型所受的體積力，補(bǔ)償模型縮小造成的應(yīng)力損失，以 達(dá)到與原型一致的應(yīng)力狀態(tài)。這種模型在我國海底滑坡上面有所研究，但是因?yàn)槠溲芯款I(lǐng) 域比較特殊，在其他方面還沒有大量的深入研究，至于其實(shí)用性以及可靠性方面，還有待進(jìn) 一步進(jìn)行探索。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供一種二維滑坡模型，通過對(duì)滑坡模型箱體的抬升模擬山體在不同傾斜 條件下滑坡行為。在對(duì)原有的液壓抬升系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)控改造，并通過控制液壓系統(tǒng)閥 門開啟，實(shí)現(xiàn)時(shí)間對(duì)滑坡模型箱體的傾角控制。而且對(duì)滑坡模型在抬升過程中的運(yùn)動(dòng)過程 做出了分析，并考慮在抬升過程中重心的實(shí)時(shí)變化基礎(chǔ)上，采用了最小二乘支持向量機(jī)滾 動(dòng)窗算法，實(shí)現(xiàn)滑坡模型實(shí)驗(yàn)箱抬升過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模和預(yù)測(cè)控制。實(shí)現(xiàn)了模型平臺(tái)的抬 升過程中的傾角檢測(cè)與控制，同時(shí)避免了低速大負(fù)載條件下液壓系統(tǒng)的脈動(dòng)和爬行對(duì)滑坡 模型的影響。
[0005] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0006] -種二維滑坡模型，包括滑坡模型箱，滑坡模型箱上部安裝有人工降雨系統(tǒng)，滑坡 模型箱中有模擬滑坡的泥沙土石、模擬降雨的積水，所述滑坡模型箱底部一端設(shè)置鉸鏈A、 另一端設(shè)置有液壓支撐機(jī)構(gòu)；
[0007] 二維滑坡模型建模方法：
[0008] 步驟 1 :
[0009] G(x，y)為沙土、模擬降水和滑坡模型箱構(gòu)成的整體重心，L、H分別為滑坡模型箱 體D的長度、高度；
[0010] B、C表示液壓支撐機(jī)構(gòu)的上、下端點(diǎn)，F(xiàn)為液壓支撐機(jī)構(gòu)的抬升力，G為滑坡模型箱 整體重力；
[0011] AG為鉸鏈A與滑坡模型箱重心G(x，y)的連線；
[0012] a1為AC與水平面夾角，在滑坡模型箱抬升過程中不會(huì)變化；
[0013] a2為AG與箱體長度L方向夾角，在滑坡模型箱抬升過程中也不會(huì)變化；
[0014] a為滑坡模型箱與水平面夾角，在滑坡模型箱過程中隨著BC長度變化而變化；
[0015] P1為BC與水平面夾角，在滑坡模型箱抬升過程中會(huì)變化；
[0016] P2為箱體長度方向與BC夾角，在滑坡模型箱抬升過程中會(huì)變化；
[0017] 由余弦定理可得：
[0019] 其中，LAB、LBC和LAC分別為AB、BC和AC的長度，由余弦定理變式可知：
[0021] 從而可得，滑坡模型箱在抬升過程中的箱體重力對(duì)支點(diǎn)A的力矩為：
[0022] T1= GXLAGXcos(a +a2) (3)
[0023] 抬升過程的力學(xué)關(guān)系：
[0024] 液壓支撐力相對(duì)于支點(diǎn)A的力矩為：
[0025] T2= FX L ABX sin (180-a - 0 2) X cos ( a ) (4)
[0026] 有力矩平衡可知：
[0028] 將（1)、（2)帶入（5)可得F為抬升角度a的函數(shù)抬升力主要由液壓支撐機(jī)構(gòu)提 供，控制系統(tǒng)采用原有的液壓系統(tǒng)，由一個(gè)恒壓的液壓缸提供給電磁閥門進(jìn)油，電磁閥出口 為液壓缸，考慮抬升的整個(gè)過程中，設(shè)液壓閥門入口壓力為恒定壓力P0,因此閥門流量為：
[0030] 其中S為液缸截面積；在抬升過程中BC段變化長度為：
[0036] 式中dt為閥門開啟時(shí)間，由式（5)可知Q中只有F為變量，而F是a的函數(shù)，如果 在滑坡模型箱抬升運(yùn)動(dòng)過程中，重心始終未變，則式（9)中右端只有a為變量，直接從求（9) 式中求抬升角度，a隨著閥門開啟時(shí)間變化的解析表達(dá)式是很困難的，由上分析可知：
[0037] 在滑坡模型箱抬升過程中，如果箱體的重心沒有變化，則a2和LAG均不會(huì)變化；且 在抬升過程中可以通過測(cè)量a和開啟電磁閥的時(shí)間得到，然后經(jīng)過計(jì)算得到箱體的重心 位置參數(shù)a2和LAG ;
[0038] 滑坡模型箱重心沒有變化的情況下，滑坡模型的傾斜角度可以通過控制液壓缸閥 門開啟時(shí)間得到精確控制，根據(jù)式（9)分析可得到電磁閥開啟時(shí)間和滑坡實(shí)驗(yàn)箱體抬升角 度的關(guān)系。
[0039]步驟2 :
[0040] 采用最小二乘支持向量機(jī)（least-squareSVM)，優(yōu)化指標(biāo)采用了平方項(xiàng)，只有等 式約束，而沒有C-SVM的不等式約束，從而推出不同的一系列的等式約束，而不是二次規(guī)劃 問題，其問題表示為：
[0044] 核函數(shù)采用徑向基核函數(shù)：
[0045]K(x,Xi) =exp(-1 |Xk-Xi | 12/2 〇 2 (12)
[0046] 式中〇為徑向基核參數(shù)，在沒有關(guān)于問題的先驗(yàn)知識(shí)時(shí)，由這種核函數(shù)訓(xùn)練而成 的模型具有比基于其他核函數(shù)的模型更好的總體性能，a和b可通過最小二乘法解得，應(yīng)用 LS-SVM對(duì)非線性函數(shù)回歸的結(jié)果為：
[0048]對(duì)預(yù)測(cè)的效果可以采用如下誤差指標(biāo)進(jìn)行衡量：均等系數(shù)：
[0050] EC表示預(yù)測(cè)值與真實(shí)值之間的擬合，在0. 90以上表示擬合較好。
[0051]本發(fā)明一種二維滑坡模型，技術(shù)效果如下：
[0052] 1)、針對(duì)滑坡模型試驗(yàn)，提出了二維滑坡模型，通過在滑坡箱體內(nèi)裝載和實(shí)際研究 對(duì)象相一致的原土和沙石等，并抬升一定角度以實(shí)現(xiàn)在不