本发明属于土木工程领域，具体涉及一种考虑筑坝堆石料级配空间变异性的土石坝施工馈控优化方法。
背景技术：
1、土石坝作为一种广泛使用的水利工程结构，主要用于蓄水、防洪、发电等目的。它们以其经济性、适应性强和施工简便等特点，在世界范围内得到广泛应用。
2、施工控制是确保土石坝工程质量的关键环节。现有的施工控制技术主要包括对施工材料的质量检验、施工过程的实时监控以及对施工工艺的严格管理。然而，由于土石坝工程规模庞大、施工环境复杂多变，现有技术在实际操作中仍面临诸多挑战，如施工材料的不均匀性、施工过程中的不确定性因素等。
3、在土石坝施工过程中，堆石料的级配和空间变异性对土石坝的稳定性和安全性有重要影响。空间变异性可能导致应力分布不均，影响坝体的长期稳定性和安全性。传统的设计方法往往假设材料是均匀分布的，但实际工程中这种假设并不总是成立。并且传统的堆石料级配检测方法主要依赖于现场取样和实验室筛分。但是，现场取样和实验室筛分过程复杂，耗时长，劳动强度大；传统检测方法通常需要破坏性取样，无法实现大规模、连续的检测；由于检测周期长，传统的检测与施工质量控制方法难以实时反馈施工过程中的级配变化对坝体变形和稳定的影响。
4、随着无人机技术和图像分析算法的快速发展，利用无人机进行土石坝表面图像采集，并结合智能图像分析算法获取堆石料级配信息成为可能。无人机可以快速覆盖土石坝表面，采集高分辨率图像，显著提高检测效率；图像分析技术无需破坏性取样，可以实现大规模、连续的无损检测；结合智能图像分析算法，可以实时获取堆石料的级配信息，为施工过程提供及时反馈。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本发明提出了一种考虑筑坝堆石料级配空间变异性的土石坝施工馈控优化方法，通过无人机图像采集、智能图像分析、堆石料状态相关本构理论和有限元数值模拟，快速、无损地获取堆石料级配信息，并进行施工优化，确保土石坝的施工质量和长期稳定性。
2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
3、一种考虑筑坝堆石料级配空间变异性的土石坝施工馈控优化方法，包括以下步骤：
4、s1：利用无人机拍摄土石坝表面的图像，并对所述图像进行预处理；
5、s2：通过智能图像分析算法，分析预处理的图像，获得堆石料的级配曲线、分形维数；
6、s3：通过堆石料的级配曲线、分形维数，得到堆石料潜在的密实堆积孔隙比和细粒含量相关信息；
7、s4：通过密实堆积孔隙比和细粒含量相关信息以及标定级配堆石料试样的三轴试验结果，获得堆石料状态相关本构关系，基于所述堆石料状态相关本构关系，预测图像采集区域堆石料的力学特性；
8、s5：通过对土石坝不同位置重复s1到s3，获得土石坝总体力学特性分布；
9、s6：根据土石坝总体力学特性的分布规律开展相应的有限元数值模拟，预测坝体施工期的变形规律，基于所述变形规律，实现土石坝施工馈控优化。
10、优选的，所述s2中，通过智能图像分析算法，分析预处理的图像，获得堆石料的级配曲线、分形维数的方法包括：
11、将采集到的土石坝表面的rgb彩色图像通过浮点法转化为灰度图像；
12、应用otsu二值化方法，对所述灰度图像进行二值化处理，提取堆石颗粒的边界纹理特征；
13、利用“盒子”维数法对二值化后的图像进行分析，提取图像分形维数di，作为表征堆石料细料含量的指标；
14、利用图像分形维数di，评估计算得到堆石料的级配曲线。
15、优选的，利用“盒子”维数法对二值化后的图像进行分析，提取图像分形维数di的方法包括：
16、根据图像的长宽比选取特征尺寸为δ的长方形“盒子”去覆盖图像，覆盖的像素需满足盒子的像素长宽比与整体图像一致，且选取图像的长度和宽度大于1000像素点；
17、统计特征尺寸为δ的“盒子”内包含的颗粒的边界的数目n(δ)，改变δ的数值，得到若干个盒子覆盖的数量n(δ)；
18、在双对数坐标系下绘制lgn和lgδ的关系曲线，填筑仓面图像的分形维数取曲线斜率的负数di＝-k。
19、优选的，利用图像分形维数di，评估计算得到堆石料的级配曲线的方法包括：
20、
21、式中，d是颗粒的粒径，dm是堆石料的最大粒径；d是堆石料级配的分形维数。
22、优选的，所述s4中，基于所述堆石料状态相关本构关系，预测图像采集区域堆石料的力学特性的方法包括：
23、
24、ηc＝mg(ξcψ+1)
25、
26、ηg＝mg(ξgψ-1)
27、式中，p和q分别为平均有效应力和广义剪应力，η是应力比η＝p/q；ηc、ηp和ηg分别是零胀、峰值和临界状态的应力比；n是正常固结线相关的材料参数，kf和nf分别是材料参数，和分别是塑性体应变和塑性剪应变，mg和mg是塑性势函数相关的材料参数，ξc和ξg分别是状态相关的材料参数和本构模型参数；h是弹塑性模型的屈服面硬化参数；模型的状态参数的表达式为ψ＝e-ecs，其中，e为材料当前的孔隙比，ecs为临界状态下的孔隙比；pr和p'r分别为加载和卸载曲线上的参考应力，根据某时刻已知的孔隙比el及对应的正应力pl得到和λ和κ分别是正常固结线的塑性与弹性模量相关的参数。
28、优选的，所述s5中，通过对土石坝不同位置重复s1到s3，获得土石坝总体力学特性分布的方法包括：
29、对土石坝不同位置的堆石料进行图像识别、级配分析和孔隙比预测，获取各位置的堆石料力学特性数据；
30、通过kriging插值整合各位置的力学特性数据，得到土石坝总体力学特性分布。
31、优选的，s6：根据土石坝总体力学特性的分布规律开展相应的有限元数值模拟，预测坝体施工期的变形规律，基于所述变形规律，实现土石坝施工馈控优化的方法包括：
32、收集并分析土石坝总体力学特性分布数据，通过某一筑坝堆石料的临界状态孔隙比ecs大于设定阈值的概率为5％的区域作为填筑预警区域；
33、根据总体力学特性分布规律和有限元数值模拟，预测坝体施工期的变形规律，统计坝体的沉降极值与当前坝高的比值s/h大于设定阈值作为坝体施工期变形预警指标；
34、根据填筑预警区域和坝体施工期变形预警指标，返回施工质量反馈信息，对施工过程中的筑坝料料源和施工参数进行动态调整，实现土石坝施工馈控优化。
35、与现有技术相比，本发明的有益效果为：
36、无损快速获取堆石料级配信息：利用无人机和智能图像分析技术，本发明能够快速、无损地获取堆石料的级配信息。相比传统的现场取样和实验室筛分方法，大大提高了检测效率，减少了检测时间。且本发明的方法通过图像分析技术实现了堆石料级配的无损检测，避免了传统方法中破坏性取样对土石坝结构的影响，适用于大规模、连续的检测任务。
37、实时反馈与优化：结合实时监测数据和智能分析算法，本发明能够及时反馈堆石料的级配信息，并根据检测结果动态调整施工方案，确保施工质量。相比传统方法，本发明能够在施工过程中实时进行质量控制和优化，显著提高了施工效率和质量。
38、精准预测施工期变形规律：通过有限元数值模拟和总体力学特性分布分析，本发明能够准确预测坝体施工期的变形规律，及时识别潜在的力学弱点和风险区域，制定科学的施工馈控优化方案，确保土石坝的安全性和稳定性。
39、动态调整施工参数：根据填筑预警区域和变形预警指标，本发明能够向设计与施工团队提供施工质量反馈信息，对施工过程中的筑坝料料源和施工参数进行动态调整，确保施工质量和土石坝变形稳定，进一步提高施工的安全性和可靠性。
1.一种考虑筑坝堆石料级配空间变异性的土石坝施工馈控优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的考虑筑坝堆石料级配空间变异性的土石坝施工馈控优化方法，其特征在于，所述s2中，通过智能图像分析算法，分析预处理的图像，获得堆石料的级配曲线、分形维数的方法包括：
3.根据权利要求2所述的考虑筑坝堆石料级配空间变异性的土石坝施工馈控优化方法，其特征在于，利用“盒子”维数法对二值化后的图像进行分析，提取图像分形维数di的方法包括：
4.根据权利要求2所述的考虑筑坝堆石料级配空间变异性的土石坝施工馈控优化方法，其特征在于，利用图像分形维数di，评估计算得到堆石料的级配曲线的方法包括：
5.根据权利要求1所述的考虑筑坝堆石料级配空间变异性的土石坝施工馈控优化方法，其特征在于，所述s4中，基于所述堆石料状态相关本构关系，预测图像采集区域堆石料的力学特性的方法包括：
6.根据权利要求1所述的考虑筑坝堆石料级配空间变异性的土石坝施工馈控优化方法，其特征在于，所述s5中，通过对土石坝不同位置重复s1到s3，获得土石坝总体力学特性分布的方法包括：
7.根据权利要求1所述的考虑筑坝堆石料级配空间变异性的土石坝施工馈控优化方法，其特征在于，s6：根据土石坝总体力学特性的分布规律开展相应的有限元数值模拟，预测坝体施工期的变形规律，基于所述变形规律，实现土石坝施工馈控优化的方法包括：
