一种二维滑坡模型的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明一种二维滑坡模型，涉及数字建模领域。
【背景技术】
[0002] 我国是滑坡泥石流等地质灾害多发国家，据中国地质灾害调查资料表明各类地质 灾害中，滑坡所占的比例高达到68%。山体滑坡是一种自然灾害，其危害性不可小觑。山体 滑坡不仅会造成一定范围内的人员伤亡、财产损失，还会对附近道路交通造成严重威胁。山 体滑坡常常给工农业以及人们生命财产造成巨大损失，有的一旦发生即是毁灭性的灾难。 山体滑坡对农村而言，危害主要是摧毁农田、房屋、伤害人畜、毁坏森林、道路以及机械设施 和水利水电设施等；对于城镇而言，导致砸埋房屋，摧毁工厂、学校、机关单位等；如果要是 发生在工矿区的滑坡，可摧毁矿山设施，伤亡职工，毁坏厂房，使矿山停工停产，造成非常大 的损失。滑坡的发生是斜坡自身稳定状态自然调整的过程，而影响其稳定的作用因素有自 然因素和人类活动因素。滑坡发生是自然灾害，而是人类很少能控制到的，现有技术中能 做的就是尽量对山体滑坡进行一定的模型研究，并且有效预防滑坡发生以及找出解救的措 施。通过设计特定的滑坡模型是研究滑坡地质灾害的有效途径之一。滑坡模型试验属于地 质力学模型试验的范畴，其理论起源于结构模型试验。
[0003] 目前，国内外对地质力学模型也有一定的研究。地质力学模型的主要特点是：模型 中应模拟山岩体中的断层、破碎带及软弱带，有时还包括一些主要节理裂隙组，应能体现出 岩体为非均匀等向、非弹性及非连续等这些岩石力学特征，同时，模型的几何尺寸、边界条 件及作用负荷、模拟岩体的模型材料的内重、强度及变形特性等方面均须满足相似理论。目 前国内外常用的地质力学模型试验主要有框架式模型试验和离心模型试验两种形式。框架 式模型试验是在通常重力场内，通过在框架模型槽内采用满足相似判据的相似材料制作模 型，并在模型满足边界条件相似情况下量测其变形、应力等因素，进而揭示原型滑坡的形成 机制。这种模型的制作过程复杂，需要制造特定的框架模型槽，而且需要达到的模型边界条 件比较苛刻，对滑坡的灾害研究很难进行。离心模型试验就是将缩小的模型置于高速旋转 的离心机中，利用人工离心力场提高模型所受的体积力，补偿模型缩小造成的应力损失，以 达到与原型一致的应力状态。这种模型在我国海底滑坡上面有所研究，但是因为其研究领 域比较特殊，在其他方面还没有大量的深入研究，至于其实用性以及可靠性方面，还有待进 一步进行探索。
【发明内容】
[0004] 本发明提供一种二维滑坡模型，通过对滑坡模型箱体的抬升模拟山体在不同倾斜 条件下滑坡行为。在对原有的液压抬升系统进行自动化测控改造，并通过控制液压系统阀 门开启，实现时间对滑坡模型箱体的倾角控制。而且对滑坡模型在抬升过程中的运动过程 做出了分析，并考虑在抬升过程中重心的实时变化基础上，采用了最小二乘支持向量机滚 动窗算法，实现滑坡模型实验箱抬升过程进行动态建模和预测控制。实现了模型平台的抬 升过程中的倾角检测与控制，同时避免了低速大负载条件下液压系统的脉动和爬行对滑坡 模型的影响。
[0005] 本发明所采用的技术方案是：
[0006] -种二维滑坡模型，包括滑坡模型箱，滑坡模型箱上部安装有人工降雨系统，滑坡 模型箱中有模拟滑坡的泥沙土石、模拟降雨的积水，所述滑坡模型箱底部一端设置铰链A、 另一端设置有液压支撑机构；
[0007] 二维滑坡模型建模方法：
[0008] 步骤 1 :
[0009] G(x，y)为沙土、模拟降水和滑坡模型箱构成的整体重心，L、H分别为滑坡模型箱 体D的长度、高度；
[0010] B、C表示液压支撑机构的上、下端点，F为液压支撑机构的抬升力，G为滑坡模型箱 整体重力；
[0011] AG为铰链A与滑坡模型箱重心G(x，y)的连线；
[0012] a1为AC与水平面夹角，在滑坡模型箱抬升过程中不会变化；
[0013] a2为AG与箱体长度L方向夹角，在滑坡模型箱抬升过程中也不会变化；
[0014] a为滑坡模型箱与水平面夹角，在滑坡模型箱过程中随着BC长度变化而变化；
[0015] P1为BC与水平面夹角，在滑坡模型箱抬升过程中会变化；
[0016] P2为箱体长度方向与BC夹角，在滑坡模型箱抬升过程中会变化；
[0017] 由余弦定理可得：
[0019] 其中，LAB、LBC和LAC分别为AB、BC和AC的长度，由余弦定理变式可知：
[0021] 从而可得，滑坡模型箱在抬升过程中的箱体重力对支点A的力矩为：
[0022] T1= GXLAGXcos(a +a2) (3)
[0023] 抬升过程的力学关系：
[0024] 液压支撑力相对于支点A的力矩为：
[0025] T2= FX L ABX sin (180-a - 0 2) X cos ( a ) (4)
[0026] 有力矩平衡可知：
[0028] 将（1)、（2)带入（5)可得F为抬升角度a的函数抬升力主要由液压支撑机构提 供，控制系统采用原有的液压系统，由一个恒压的液压缸提供给电磁阀门进油，电磁阀出口 为液压缸，考虑抬升的整个过程中，设液压阀门入口压力为恒定压力P0,因此阀门流量为：
[0030] 其中S为液缸截面积；在抬升过程中BC段变化长度为：
[0036] 式中dt为阀门开启时间，由式（5)可知Q中只有F为变量，而F是a的函数，如果 在滑坡模型箱抬升运动过程中，重心始终未变，则式（9)中右端只有a为变量，直接从求（9) 式中求抬升角度，a随着阀门开启时间变化的解析表达式是很困难的，由上分析可知：
[0037] 在滑坡模型箱抬升过程中，如果箱体的重心没有变化，则a2和LAG均不会变化；且 在抬升过程中可以通过测量a和开启电磁阀的时间得到，然后经过计算得到箱体的重心 位置参数a2和LAG ;
[0038] 滑坡模型箱重心没有变化的情况下，滑坡模型的倾斜角度可以通过控制液压缸阀 门开启时间得到精确控制，根据式（9)分析可得到电磁阀开启时间和滑坡实验箱体抬升角 度的关系。
[0039]步骤2 :
[0040] 采用最小二乘支持向量机（least-squareSVM)，优化指标采用了平方项，只有等 式约束，而没有C-SVM的不等式约束，从而推出不同的一系列的等式约束，而不是二次规划 问题，其问题表示为：
[0044] 核函数采用径向基核函数：
[0045]K(x,Xi) =exp(-1 |Xk-Xi | 12/2 〇 2 (12)
[0046] 式中〇为径向基核参数，在没有关于问题的先验知识时，由这种核函数训练而成 的模型具有比基于其他核函数的模型更好的总体性能，a和b可通过最小二乘法解得，应用 LS-SVM对非线性函数回归的结果为：
[0048]对预测的效果可以采用如下误差指标进行衡量：均等系数：
[0050] EC表示预测值与真实值之间的拟合，在0. 90以上表示拟合较好。
[0051]本发明一种二维滑坡模型，技术效果如下：
[0052] 1)、针对滑坡模型试验，提出了二维滑坡模型，通过在滑坡箱体内装载和实际研究 对象相一致的原土和沙石等，并抬升一定角度以实现在不