一种岩溶路基塌陷动态监测的数字孪生试验方法及系统

本发明涉及岩溶工程地质灾害监测，特别是一种岩溶路基塌陷动态监测的数字孪生试验方法及系统。

背景技术：

1、岩溶路基塌陷是岩溶地区交通基础设施建设与运营中面临的最为突出的地质灾害问题之一。在岩溶集中发育区广泛分布碳酸盐岩地层，在长期溶蚀作用下，地下溶洞、土洞及裂隙网络广泛发育，构成天然地质隐患。随着铁路网覆盖面积的快速提升，交通线路不可避免地穿越或邻近岩溶发育区。与此同时，人类工程活动如地下水开采、工程建设振动及地表水体渗漏等，进一步打破了岩溶区原有的水文地质平衡，显著增加了塌陷风险。岩溶路基塌陷具有隐蔽性强、突发性高、致灾后果严重等特点，其演化过程涉及降雨入渗、地下水波动、岩溶管道潜蚀及工程振动荷载等多维因素的复杂耦合作用，防控难度极大，亟需深入揭示其致灾机理与演化规律。

2、当前，针对岩溶路基塌陷的勘察与监测技术手段存在明显不足：一方面，传统地质勘察手段（如物探、钻探）虽能识别部分规模较大的地下岩溶空间，但对小型溶洞、土洞及岩溶管道连通性的探测精度有限，难以全面评估隐伏岩溶的潜在风险。另一方面，现有实时监测体系覆盖薄弱，对塌陷前兆信号（如地面沉降、地下水突变）的捕捉能力较弱，难以及时预警。

3、此外，现有的岩溶路基塌陷物理模拟试验方法大多仅考虑单一因素作用下的塌陷破坏，缺乏对降雨入渗、地下水位波动、岩溶管道潜蚀及交通振动荷载等多因素耦合作用的系统考量，导致试验结果与现场真实工况差异较大，难以准确反映复杂条件下塌陷的演化全过程。同时，已有数值模型大多基于静态边界条件构建，缺乏对动态环境变化（如降雨量变化、地下水波动）的持续响应能力，更无法将传感器及实时监测系统所提供的大量异构数据有效融入模型中，导致物理试验与数字模拟之间存在显著脱节。

技术实现思路

1、本发明的目的是提出一种岩溶路基塌陷动态监测的数字孪生试验方法及系统，以实现在降雨入渗、地下水波动与振动荷载多场耦合条件下，对塌陷孕育、扩展、突陷至塌陷全过程的同步监测、数字孪生可视化映射与分级预警。

2、为实现上述目的，本发明提出了一种岩溶路基塌陷动态监测的数字孪生试验方法，具体步骤如下：

3、步骤s1：搭建可重构式四维耦合试验箱体，构建上土下岩双层模块化岩溶路基试验模型；

4、步骤s2、构建多场耦合加载与环境模拟系统，同步实现降雨入渗、地下水位波动与动态振动荷载的复合作用；

5、步骤s3、布设多维度参数同步采集矩阵与高速图像采集系统，实时采集塌陷全过程的土体位移、孔隙水压力与应力应变数据；

6、步骤s4、基于实时监测数据构建岩溶路基塌陷数字孪生虚拟模型，实现物理模型与虚拟模型的双向映射与动态演化可视化；

7、步骤s5、建立塌陷发育四阶段预警体系，根据监测数据判定塌陷发育阶段，输出对应等级的预警信息与演化趋势预测结果。

8、优选的，步骤s1中，搭建可重构式四维耦合试验箱体，具体构建步骤如下：

9、步骤s11、将所述试验箱体设置为上层土体模块与下层岩体模块的双层构造，于上层土体模块中填筑路基土样，于下层岩体模块中预制岩溶溶洞及地下水流管道；

10、步骤s12、将所述岩体模块设置为可更换式结构，通过更换具有不同溶洞形态及管道布置形式的岩体模块，实现单一溶洞发育场景、多溶洞连通发育场景及管道型岩溶发育场景的切换试验；

11、步骤s13、在岩溶管道开口处设置调节挡板，使岩溶管道开口尺寸在0.5cm至5cm范围内连续调节；

12、步骤s14、在所述试验箱体底部设置排水凹槽及夹层隔温结构，通过所述排水凹槽排出试验过程中的渗流水体，通过所述夹层隔温结构减少试验箱体与外部环境的热交换。

13、优选的，步骤s2中，具体实现步骤如下：

14、步骤s21、在所述试验箱体顶部布设多模态降雨模拟装置，通过调控降雨模拟装置的输出强度，分别模拟小雨、中雨、暴雨条件下的自然降水入渗过程；

15、步骤s22、布设立体供排水网络，将所述立体供排水网络与下层岩体模块中预制的地下水流管道连通，通过设置于供排水管道上的流量控制阀，对地下水位升降的幅度及速率进行调控，并同步模拟岩溶管道潜蚀作用；

16、步骤s23、在上层土体模块表面布设动态荷载加载装置，按照轨道交通典型振动谱特征输出振动荷载；所述动态荷载加载装置采用电磁-液压复合驱动的高频低幅动态荷载加载装置；

17、步骤s24、通过降雨模拟装置、立体供排水网络及动态荷载加载装置的协同运行，在试验箱体内构建水动力条件与振动荷载条件复合作用的多场耦合环境。

18、优选的，步骤s3中，布设多维度参数同步采集矩阵与高速图像采集系统，具体方法如下：

19、步骤s31、将阵列式全向位移计、光纤光栅分层沉降计及三向压力传感器按照立体网格形式布设于土体表层、各分层界面及溶洞顶部位置，形成多维度参数同步采集矩阵；

20、步骤s32、将所有传感器设置为同步采集模式，采样频率匹配试验全过程的动态变化速率，实现多物理场参数的同步连续采集；

21、步骤s33、在所述试验箱体侧面设置透明观测窗，在透明观测窗的外侧布设高速相机，所述高速相机采用粒子图像测速技术，采样频率设置为不低于1000hz；

22、步骤s34、在土体内部预先混入示踪粒子，试验过程中通过所述高速相机连续采集示踪粒子在塌陷演变过程中的运动图像序列；

23、步骤s35、对采集的运动图像序列经图像分析算法处理，获得毫米级精度的土体全域位移场及速度场数据，实现塌陷内部变形演变过程的动态捕捉。

24、优选的，步骤s4中，具体步骤如下：

25、步骤s41、获取所述试验箱体的几何尺寸数据及岩土体的物理力学参数，依据获取的数据在三维建模平台中建立岩溶路基的三维精细化数值模型，将所述三维精细化数值模型作为数字孪生的虚拟模型；

26、步骤s42、将步骤s3中实时采集的位移数据、孔隙水压力数据、应力数据及步骤s35中计算获得的土体全域位移场数据同步映射至所述三维精细化数值模型，驱动虚拟模型与物理试验模型同步演化，完成塌陷全过程的三维可视化复现；

27、步骤s43、利用物理模型与虚拟模型之间的数据交互与迭代计算，对所述三维精细化数值模型的计算参数进行动态修正，基于修正后的模型实现塌陷发展趋势的动态反演与预测推演。

28、优选的，步骤s5中，具体步骤如下：

29、步骤s51、将塌陷发育预警等级由低到高依次划分为孕育预报期、扩展预警期、突陷临界预警期及塌陷报警期四个等级；

30、步骤s52、以地表沉降速率、孔隙水压力变化率及动水压力梯度作为核心判定指标；其中，突陷临界预警期的触发条件为动水压力梯度达到或超过预设阈值；

31、步骤s53、根据步骤s3及步骤s4所获得的实时监测数据及演化预测结果，综合判定当前塌陷发育阶段；

32、步骤s54、根据判定结果输出对应等级的预警信息，同步输出塌陷影响范围、发展速率及趋势预测结果。

33、本发明还提供了一种岩溶路基塌陷动态监测的数字孪生试验系统，用于实现上述的一种岩溶路基塌陷动态监测的数字孪生试验方法，包括：

34、试验箱体模块，采用上土下岩双层模块化结构，用于构建可重构的岩溶路基物理试验模型，支持不同岩溶发育场景的试验工况切换；

35、多场耦合加载模块，包含降雨模拟单元、地下水位调控单元及动态荷载加载单元，用于构建降雨入渗、地下水位波动与动态振动荷载复合作用的试验环境；

36、数据采集模块，包含多维度传感器阵列及高速粒子图像测速采集单元，用于同步采集塌陷全过程的位移数据、应力数据、孔隙水压力数据及土体变形场数据；

37、数字孪生模块，与数据采集模块通过数据传输接口连接，用于建立岩溶路基的三维虚拟模型，并将数据采集模块输出的实时监测数据映射至三维虚拟模型，实现物理模型与虚拟模型的双向映射及塌陷演变过程的可视化呈现；

38、预警输出模块，与数字孪生模块连接，内置有四阶段预警判定逻辑，用于根据数字孪生模块输出的演化数据判定当前塌陷发育等级，并输出分级预警信息及塌陷演变趋势预测结果。

39、优选的，所述试验箱体模块具体包括：

40、上层土体模块，用于填筑路基土样；

41、下层岩体模块，为可拆卸更换式构件，不同下层岩体模块内部分别预制有不同形态的溶洞结构及不同布置方式的管道结构，以分别适配单一溶洞发育场景、多溶洞连通发育场景及管道型岩溶发育场景；

42、调节挡板，设置于岩溶管道的开口处，用于实现开口尺寸在0.5cm至5cm范围内的连续调节；

43、排水凹槽，设置于试验箱体底部，用于排出试验过程中的渗流水体；

44、夹层隔温结构，设置于试验箱体的侧壁及底部，用于减少试验箱体与外部环境之间的热交换。

45、因此，本发明提出了一种岩溶路基塌陷动态监测的数字孪生试验方法及系统，其有益效果如下：

46、（1）本发明首创可重构式四维耦合试验箱体结构，突破了传统试验模型工况单一、不可复用的局限。通过上土下岩双层模块化设计，岩体模块可整体更换，岩溶管道开口尺寸可在0.5~5cm范围内连续调节，能够灵活切换单一溶洞、多溶洞连通、管道型岩溶等多种典型发育场景，实现一套试验系统对多样化岩溶地质条件的全覆盖。同时搭配立体供排水网络与动态荷载加载装置，可同步复现降雨入渗、岩溶管道潜蚀、地下水位波动与交通振动荷载的多场耦合作用，真实还原现场复杂环境下的塌陷演化条件，大幅提升了试验结果的工程参考价值与系统的通用性。

47、（2）本发明构建了多维度参数同步采集矩阵，实现了塌陷全过程的精细化动态捕捉。通过阵列式全向位移计、光纤光栅分层沉降计与三向压力传感器的立体网格化布设，结合采样频率≥1000hz的高速piv系统，可同时获取关键点位的精准物理量数据与全域土体位移场演化数据，既保证了关键部位测量精度，又实现了土体内部变形过程的全域可视化，解决了传统监测手段难以捕捉塌陷内部演化细节的技术难题，为揭示多场耦合作用下岩溶路基塌陷的致灾机制提供了高精度、多维度、全过程的试验数据支撑。

48、（3）本发明融合数字孪生技术构建了虚实融合的试验体系，实现了塌陷过程的可视化推演与动态预测；通过将多源实时监测数据映射至三维虚拟模型，驱动虚拟模型与物理模型同步演化，可直观复现地下土洞扩展、土体颗粒迁移、溶洞顶板失稳等隐蔽性演化过程，将原本不可见的内部变形转化为可视化信息。同时，基于虚实数据交互迭代修正模型参数，使数值模型随试验进程动态进化，具备对塌陷后续发展趋势的超前推演能力，弥补了物理试验仅能观测事后结果、无法超前预判的不足，为塌陷预警与防控方案验证提供了可视化的数字试验平台。

49、（4）本发明构建了四阶段塌陷发育预警体系，实现了塌陷风险的分级精准预警。基于动水压力梯度、地表沉降速率、孔隙水压力变化率等多项物理指标的协同判定，将塌陷过程量化为孕育预报期、扩展预警期、突陷临界预警期、塌陷报警期四个等级，明确了各阶段的核心触发阈值与响应策略，实现了从定性判断向定量预警的转变。该预警体系可直接为现场岩溶路基塌陷的分级防控、监测频次调整与应急处置提供量化依据，具备较强的工程应用价值与推广前景。

50、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。