本发明涉及计算机数字技术辅助及应急防灾，特别是涉及一种凌汛变水位耦合冻土特征驱动的堤防渗流险情模拟方法。
背景技术：
1、凌汛期间，堤防渗流险情的影响因素复杂多变，特别是堤防材料土体冻结和封开河时期水位流速变化梯度大，极易诱发堤防渗透与边坡滑塌险情，甚至引发重大洪凌漫溃堤灾害。因此，开展凌汛变水位耦合冻土特征驱动的堤防渗流险情模拟研究，对揭示凌汛期多因素耦合驱动下堤防渗流险情演化机理并完善堤防险情灾害防御理论至关重要。凌汛期间的水位通常具有突升骤降、变化梯度大、水位波动频繁、长时间保持高水位状态的特点。封河之后或开河期间，由于气温突然升高或降雨增加，冰凌快速融化，短时间内(数小时到几天)河道水位迅速上涨数米甚至更高，变化速率可达数十厘米每小时，这种具有突发性的大幅度水位变化极大增加了堤防渗流破坏的风险。封冻期间保持长时间高水位状态，通常持续数天至数周，在冰塞解除时水位骤降，堤防边坡两侧渗压差瞬时增大，容易发生渗流险情。此外，在日温差较大的区域，白天冰凌融化速度较快，水位上升明显，夜间温度下降，融化减慢，水位相对稳定甚至下降，这种气温变化的不均匀性，导致凌汛水位陡升陡降且波动频繁。凌汛期冻土层是影响堤防渗流险情演化的重要因素，冻土厚度的变化直接影响堤防土体渗透性和边坡稳定性。冻土厚度受气温波动、水位变化等多种因素的影响，凌汛期间季节性冻土逐渐增厚，后随着气温升高，冻土层迅速变薄，且不同区域的冻土厚度差异明显。凌汛期间，水位迅速上升导致地表水温升高，加速冻土的解冻过程，特别是在冰塞形成和破裂的关键时期，水位急剧变化显著影响冻土层的温度和结构。随着冻土层的解冻，地表径流增加，导致河道水位上升，同时解冻的冻土层渗透性增加，使得水更容易下渗，进一步影响水位的动态变化，二者相互关联、相互影响。
2、目前，国内外学者多集中于汛期堤防渗流险情的模拟研究，所研究的堤防渗流影响因素主要为稳定水位和恒定变化速率的洪水位过程，研究影响因素较为单一。由于实际堤防渗流险情影响因素复杂且相互关联，涉及多因素对堤防渗流险情影响的研究多考虑汛期变水位耦合降雨条件，对其他因素耦合条件下的研究相对较少。仅有少数学者通过建立凌汛期堤防渗流模型，研究了凌汛洪水作用下的堤防险情指标的变化情况，关于凌汛期多因素耦合驱动下的堤防渗流险情模拟研究成果则较为匮乏。
技术实现思路
1、针对现有研究存在的问题，本发明提出一种凌汛变水位耦合冻土特征驱动的堤防渗流险情模拟方法，分析凌汛水位变速率升降的变化过程和冻土特征，考虑凌汛期水位变化速率随时间的变化特征即突升骤降的特点对于冻土堤防的影响，基于渗流分析、渗流-应力应变耦合分析、稳定性分析等基础理论，构建凌汛期变水位耦合冻土特征驱动的堤防渗流险情模拟模型、基于渗流场-应变场耦合的变形安全分析模型以及基于渗流-应变耦合作用的堤防稳定性数值模拟模型，辨识凌汛期堤防渗流险情演化过程中孔隙水压力、xy-位移的变化特征，定量化评估堤防渗流险情的边坡稳定性阈值(最小安全系数)，为揭示凌汛变水位耦合冻土特征驱动的堤防渗流变化机理和完善凌汛期河道堤防渗流险情安全防御理论方法体系提供支持。
2、为了达到上述发明目的，本发明提出以下技术方案：
3、本发明提出一种凌汛变水位耦合冻土特征驱动的堤防渗流险情模拟方法，主要包括以下技术内容：
4、s1，基础资料收集处理与规范化整编；
5、s2，根据收集的基础资料进行待模拟区域的凌汛变水位与冻土特征分析，包括设置变水位特征和冻土特征的组合表示堤防渗流险情变化过程，获得凌汛期变水位与冻土特征分析结果；
6、s3，进行凌汛期堤防渗流险情模拟情景设定，根据冻土特征分析结果确定模拟堤防冻土厚度，根据凌汛变水位特征分析结果确定模拟边界条件，包括水力边界条件、应力边界条件和应变边界条件；
7、s4，进行凌汛期变水位耦合冻土特征驱动的堤防渗流险情模拟模型构建，以冻土堤防断面尺寸、划分断面网络、设置的材料力学参数、水力参数和模拟边界条件作为堤防渗流险情模拟模型的输入，结合基础资料数据和凌汛变水位与冻土特征分析结果确定堤防土体类型、基本力学参数和水力参数，利用堤防边坡稳定安全系数实现对堤防渗流险情演化过程的模拟分析；所述堤防渗流险情模拟模型构建具体包括以下过程：
8、4.1，将二维饱和流动的控制方程作为堤防渗流分析模型，表达式为：
9、
10、式中，h表示总水头，kx和ky分别表示x和y方向渗透系数，t表示时间，mw表示储水曲线斜率，γw表示水的容重，q表示单位体积内的水的增量或损失，不考虑q的影响；
11、通过有限元方法对所述堤防渗流分析模型进行求解，基于达西定律和水量平衡方程，描述地下水流动；
12、4.2，建立堤防断面渗流场-应变场耦合的土体变形安全分析模型：根据堤防渗流分析模型模拟的堤防渗流险情演化过程，分析凌汛变水位耦合冻土特征驱动下的堤防变形，得到堤防断面渗流场-应变场耦合的土体变形安全分析模型，包括：
13、1)有限元耦合分析的单元平衡方程，表达式为：
14、[k]{δδ}+[ld]{uw}＝{δf}
15、式中，[k]表示单元刚度矩阵，{δδ}表示节点位移向量，[ld]表示堤防断面渗流场-应变场耦合矩阵，{uw}表示单元孔隙水压力向量，{δf}表示作用在单元上的外力增量向量；
16、2)有限元耦合分析的流动方程，表达式为：
17、
18、式中，β表示耦合系数，描述土体变形对渗流的影响，[lf]表示渗流耦合矩阵，δt表示时间步长，[kf]表示渗流水力传导率矩阵，ω表示松弛系数，[mn]表示渗流质量矩阵，{δuw}表示孔隙水压力增量向量，{q}|x+δm表示在位置x+δm处的外部渗流，{uw}|x表示在当前位置x处的孔隙水压力向量；
19、
20、式中，e表示弹性模量，v表示泊松比，kb表示体积模量，h表示渗流分析的土层厚度，r表示渗流阻力系数；
21、3)二维断面变形有限元方程的表达式为：
22、∫a[b]t[c][b]da{α}＝bt∫a<n>tda+pt∫l<n>tdl
23、式中，[c]表示本构矩阵，[b]表示应变-位移矩阵，<n>表示插值函数行矢量，{α}表示插值函数列矢量，a表示单元边界的面积，t表示矩阵转置，l表示单元边界长度；
24、4)应变-位移矩阵的表达式为：
25、
26、式中，n表示形函数矩阵，用于在节点处对位移进行插值，ni表示第i个节点的形函数，对于8节点6面体单元，n＝{n1,n2,n3,…,n8}；
27、由此得到堤防结构的二维平面应力-应变关系；
28、4.3，以4.2构建的堤防断面渗流场-应变场耦合的土体变形安全分析模型为基础，建立凌汛期变水位耦合冻土特征驱动的堤防渗流稳定性分析模型：在渗流-应变耦合有限元模拟基础上，定义潜在的滑移面区域，采用morgenstern-price法，选取半正弦函数作为条间力函数满足力矩平衡和力的平衡，经过迭代过程改变条间剪力和法向力比值，最终得到不同潜在滑移面的安全系数，关注最小安全系数以及相应的滑动面对堤防边坡稳定性进行评估分析。堤防边坡稳定安全系数的表达式为：
29、
30、式中，∑ti表示剪应力之和，σ[cδli+(ni-uiδli)tanφ'e]表示抗剪强度之和，c表示土体粘聚力，ni、ti、ui、li分别表示第i个土条上的法向力、切向力、孔隙水压力、滑移面长度，φ'e表示土体的有效内摩擦角；
31、s5，进行凌汛期堤防渗流险情演化过程模拟：
32、5.1，堤防渗流计算分析模拟过程：输入初始边界条件，模拟初始最低水位条件下堤防内部的渗流，根据凌汛期的实际水位变化过程与冻土厚度，考虑将不同凌汛变水位过程与不同冻土厚度两两组合，在堤防临水侧设置多种变速率的水位边界条件，通过渗流分析计算不同工况下水流在堤防土体中的分布和变化情况；
33、5.2，堤防应力变形情况模拟过程：确定土体的应力、应变边界条件，结合渗流分析计算结果，考虑水流孔隙水压力对堤防应力状态的影响，模拟各工况下土体的应力和变形情况；
34、5.3，堤防边坡稳定性变化情况模拟过程：分析水位变化过程中堤防内部可能存在的滑移面，确定滑移面入口、出口的位置和范围；在渗流分析和渗流-应力应变耦合分析的基础上，结合极限平衡理论分析，模拟计算变水位和冻土特征耦合下的边坡安全系数变化过程，识别边坡安全系数最低的关键滑移面以及潜在的失稳区域和渗流险情；
35、s6，进行凌汛期堤防渗流险情演化规律分析：
36、选取堤防险情指标进行凌汛期堤防渗流险情演化规律分析，辨识凌汛期堤防渗流险情演化过程中关键点的孔隙水压力、xy-位移和稳定性安全系数，定量化评估堤防渗流险情的边坡稳定性阈值。
37、与现有技术相比，本发明的有益效果是：
38、针对凌汛期堤防渗流险情影响因素复杂多变的特点，结合凌汛期实际水位变化与冻土厚度情况，通过设定不同变速率的洪水过程与不同厚度的冻土两两组合，模拟凌汛变水位耦合冻土特征驱动下的堤防渗流险情演化过程；
39、通过堤防渗流分析模型进行模拟计算，对渗流场-应变场进行耦合，构建堤防渗流-应力应变场耦合模型，对水位过程中堤防内部孔隙水压力、xy-位移的变化情况进行量化分析。
40、通过构建堤防稳定性分析模型，研究凌汛期堤防渗流险情的边坡稳定性阈值(安全系数)计算的理论关系，为堤防渗流险情灾害防御提供理论参考。
1.一种凌汛变水位耦合冻土特征驱动的堤防渗流险情模拟方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种凌汛变水位耦合冻土特征驱动的堤防渗流险情模拟方法，其特征在于，步骤s1中，所述基础资料至少包括研究区域内的堤防结构数据、水文数据、土壤与冻土数据；其中，所述堤防结构数据至少包括断面尺寸、材料参数以及由浸润线、边坡位移表示的堤防险情、河道水位和冻土厚度在内的指标数据。
3.根据权利要求1所述的一种凌汛变水位耦合冻土特征驱动的堤防渗流险情模拟方法，其特征在于，所述步骤s2中，根据最低水位确定初始水力边界条件，将超出设计洪水位0.5m作为凌汛期最高洪水位；设定堤防背水侧为恒定水头，即最低水位；堤防临水侧为函数水头，即通过输入多组水位-时间数据定义水头随时间的变化过程；根据凌汛封开河时期河道历史水位变化数据，采用统计方法计算水位变化速率，采用多项式拟合多种变速率水位变化过程，模拟凌汛洪水急剧上升、突然下降情景；堤防背水侧边坡为不透水边界；应力边界条件考虑孔隙水压力，应变边界条件考虑堤基底部为固定边界，根据水位变化过程对于可能存在的滑移面和位移方向设置适当的滑动边界条件。
4.根据权利要求1所述的一种凌汛变水位耦合冻土特征驱动的堤防渗流险情模拟方法，其特征在于，所述步骤s4的4.3进一步包括：
