本技术涉及地震波动模拟，特别涉及一种河谷场地地震波动数值模拟方法、装置、介质和设备。
背景技术：
1、一般的，大坝地震响应分析涉及大坝-地基动力相互作用、不规则地形和非均质地基条件、结构几何非线性和材料非线性等复杂问题，有限元数值方法是解决上述问题最有效的手段之一。地震波动输入是大坝地震响应分析的前提，有限元分析中，通常在半无限域中截取一定范围的地基，在地基截断边界上输入地震波动，地震引起坝基的振动，坝基振动激发大坝的振动，大坝振动会产生向无限域传播的散射波。若坝基截断边界没有处理散射波的措施，散射波将在截断边界处被返回近域模型，增大大坝地震反应。因此，有限元分析中，合理的地震波动输入不仅在坝基边界准确模拟输入地震波动，还要兼顾对外行散射波的吸收。当前，波动输入被认为是处理上述两方面问题最有效的方法。
2、通常，波动输入包括两个方面工作：一是动力人工边界的选择，二是输入地震荷载的计算。选择不同的动力人工边界对应不同的输入地震荷载。
3、动力人工边界分为全局人工边界和局部人工边界，全局人工边界上所有节点运动时空耦合，模拟精度高，但计算效率低，如边界元，比例边界有限元和薄层法等。局部人工边界上各节点运动时空解耦，精度较全局人工边界稍有降低，但计算效率高，适用于计算大尺度、长时间的结构分析，被广泛应用。如：黏性边界、透射边界和黏弹性人工边界等。
4、与这几种局部人工边界对应的输入地震荷载均由自由场转换而来，但输入地震荷载的形式不同。透射边界根据自由场与总场的关系模拟外行波穿过边界的过程，是一种位移型边界，由于波在人工边界的放大作用和误差积累，会出现低频飘移和高频震荡失稳问题。黏性边界的阻尼器吸收外行散射波，对应的输入地震荷载包括自由场应力和抵抗阻尼器的阻尼力，但存在低频失稳问题。黏弹性边界在黏性边界的基础上增加了弹簧元件，克服了黏性边界低频失稳问题，对应的输入地震荷载包括自由场应力、抵抗阻尼器的阻尼力和抵抗弹簧的弹性恢复力。黏性和黏弹性边界条件是基于近域波场的理想化假设而建立的，大多是基于单源柱面波或球面波假设而建立的。因此，对于位于平坦地基上和地下结构的地震响应计算，黏弹性人工边界几乎可以吸收全部的外行散射波。文献也表明黏弹性人工边界应用于二维重力坝以及地下洞室结构时，计算精度较高。
5、但是，对于基岩河谷上的大坝，除了大坝引起的外行散射波，地震波在河谷表面发生的散射以及波型转换，存在额外且相当的散射波。大坝-河谷场地存在多个散射波源且分布不规则，尤其在高频地震波动或者地震波以大角度斜入射时，黏弹性人工边界难以完全吸收散射波，计算精度降低，从而导致河谷场地地震波动难以准确模拟。
技术实现思路
1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种河谷场地地震波动数值模拟方法、装置、介质和设备。
2、本说明书采用下述技术方案：
3、本说明书提供了一种河谷场地地震波动数值模拟方法，包括：
4、根据平坦均匀半空间场地内水平表面对入射p波反射得到的反射p波和反射sv波，确定平坦均匀半空间场地内任意点的自由场位移和自由场应力，得到平坦均匀半空间场地内自由场；
5、获取目标河谷场地的地形参数，对目标河谷表面和目标河谷场地内虚拟散射源分别进行离散化，通过间接边界积分方程法确定目标河谷表面在任一虚拟散射源作用下形成的子散射场位移和子散射场应力；
6、基于目标河谷表面应力为零的边界条件求解散射源系数矩阵，根据散射源系数矩阵对子散射场位移和子散射场应力分别进行加和，确定目标河谷场地内任意点的散射场位移和散射场应力，得到目标河谷场地内散射场；
7、将平坦均匀半空间场地内自由场和目标河谷场地内散射场叠加得到目标河谷场地内总场；采用黏弹性边界对目标河谷场地截断边界进行模拟，根据目标河谷场地内总场，在目标河谷场地截断边界处进行河谷场地地震波动输入，实现河谷场地地震波动数值模拟。
8、可选地，所述确定平坦均匀半空间场地内任意点的自由场位移和自由场应力，具体包括：
9、根据入射p波的入射角确定反射p波的反射角，根据入射p波的入射角和折射定律确定反射sv波的反射角；
10、根据反射p波的反射角确定反射p波的势函数；根据反射sv波的反射角确定反射sv波的势函数；
11、根据反射p波的势函数、反射sv波的势函数、势函数与位移的关系，确定平坦均匀半空间场地内任意点的自由场位移；
12、根据反射p波的势函数、反射sv波的势函数、势函数与应力的关系，确定平坦均匀半空间场地内任意点的自由场应力。
13、可选地，所述通过间接边界积分方程法确定目标河谷表面在任一虚拟散射源作用下形成的子散射场位移和子散射场应力，具体包括：
14、确定目标河谷表面在任一虚拟散射源作用下散射p波和散射sv波满足应力边界条件的势函数；
15、根据散射p波的势函数、散射sv波的势函数、势函数与位移的关系，确定目标河谷表面在任一虚拟散射源作用下形成的子散射场位移；
16、根据散射p波的势函数、散射sv波的势函数、势函数与应力的关系，确定目标河谷表面在任一虚拟散射源作用下形成的子散射场应力。
17、可选地，所述基于目标河谷表面应力为零的边界条件求解散射源系数矩阵，根据散射源系数矩阵对子散射场位移和子散射场应力分别进行加和，确定目标河谷场地内任意点的散射场位移和散射场应力，具体包括：
18、根据下式将子散射场应力从笛卡尔坐标系转换到局部坐标系：
19、；
20、基于包括p波散射源和sv波散射源的各虚拟散射源，对各虚拟散射源对应的子散射场应力进行加和，确定目标河谷场地截断边界任意离散点的散射场应力为：
21、；
22、散射p波和散射sv波组成的散射波在目标河谷场地截断边界上各离散点引起的应力场为：
23、；
24、散射p波和散射sv波组成的散射波在河谷表面上各虚拟散射源引起的应力场为：
25、；
26、基于目标河谷表面应力为零的边界条件，根据散射波在目标河谷场地截断边界上各离散点引起的应力场和在河谷表面上各虚拟散射源引起的应力场，求解散射源系数矩阵；
27、基于包含p波散射源和sv波散射源的各虚拟散射源和散射源系数矩阵，对各虚拟散射源对应的子散射场位移进行加和，确定目标河谷场地截断边界任意离散点的散射场位移为：
28、；
29、其中，上角标s表示散射场，为目标河谷表面任意点的法向应力，为目标河谷表面任意点的切向应力，、、分别为目标河谷表面任意点的不同应力分量，为整体坐标系 xoz中y向正应力，为的离散形式，为的离散形式，为p波散射源引起目标河谷场地内一点的法向应力，为p波散射源引起目标河谷场地内一点的切向应力，为sv波散射源引起目标河谷场地内一点的法向应力，为sv波散射源引起目标河谷场地内一点的切向应力，为第个散射源的散射p波幅值系数，为第个散射源的散射sv波幅值系数，为目标河谷的截断边界第个离散点在散射波作用下的法向应力，为目标河谷的截断边界第个离散点在散射波作用下的切向应力，为目标河谷表面第个虚拟散射源在自由场下的法向应力，为目标河谷表面第个虚拟散射源在自由场下的切向应力，为目标河谷场地内空间任意点x向散射场位移，为目标河谷场地内空间任意点z向散射场位移，为p波散射源引起目标河谷场地内一点的x向位移，为sv波散射源引起目标河谷场地内一点的x向位移，为p波散射源引起目标河谷场地内一点的z向位移，为sv波散射源引起目标河谷场地内一点的z向位移，m为虚拟散射源数量。
30、可选地，所述将平坦均匀半空间场地内自由场和目标河谷场地内散射场叠加得到目标河谷场地内总场；采用黏弹性边界对目标河谷场地截断边界进行模拟，根据目标河谷场地内总场，在目标河谷场地截断边界处进行河谷场地地震波动输入，具体包括：
31、根据下式将自由场和散射场叠加构建总场，并结合黏弹性边界确定波动输入的等效节点力：
32、；
33、目标河谷场地截断边界的左侧边界等效节点力为：
34、；
35、目标河谷场地截断边界的右侧边界等效节点力为：
36、；
37、目标河谷场地截断边界的底面边界等效节点力为：
38、；
39、其中，为弹簧刚度系数矩阵，为阻尼系数矩阵，为边界外法线方向余弦向量，、和为散射场位移、速度向量和应力张量，和分别为黏弹性动力人工边界的法向和切向刚度系数，为等效节点力，和分别为黏弹性动力人工边界的法向和切向阻尼系数，ab为黏弹性边界上节点影响面积，为黏弹性动力人工边界上x向等效节点荷载，为黏弹性动力人工边界上z向荷载，为黏弹性动力人工边界上x向自由场等效节点荷载，为黏弹性动力人工边界上z向自由场等效节点荷载，为单个p波散射源引起的x向位移，为单个sv波散射源引起的x向位移，为单个p波散射源引起的z向位移，为单个sv波散射源引起的z向位移，为单个p波散射源引起的x向速度，为单个sv波散射源引起的x向速度，为单个p波散射源引起的z向速度，为单个sv波散射源引起的z向速度，为单个p波散射源引起的剪切应力，为单个sv波散射源引起的剪切应力，为单个p波散射源引起的z向正应力，为单个sv波散射源引起的z向正应力，为第个虚拟散射源的散射p波幅值系数，为第个虚拟散射源的散射sv波幅值系数，m为虚拟散射源数量，虚拟散射源数量包含p波散射源和sv波散射源。
40、可选地，所述方法还包括：
41、基于入射p波的频谱，将自由场位移和散射场位移进行叠加，以及将自由场应力和散射场应力进行叠加，确定目标河谷场地截断边界内任意点的总场位移频谱解和总场应力频谱解；
42、通过傅里叶逆变换，将目标河谷场地截断边界内任意点的总场位移频谱解和总场应力频谱解，转换为总场位移时域解和总场应力时域解。
43、可选地，所述确定目标河谷场地截断边界内任意点的总场位移频谱解和总场应力频谱解，具体包括：
44、根据下式对入射p波的时间历程进行傅里叶变换得到入射p波的频谱：
45、；
46、入射p波作用下目标河谷场地截断边界内任意点的总场位移频谱解为：
47、；
48、入射p波作用下目标河谷场地截断边界内任意点的总场应力频谱解为：
49、；
50、其中，为入射p波的频谱，为入射p波时间历程，为以e为底的指数函数，i为虚数单位，为频率，t为时间，为x向总场位移谱值，为x向自由场位移谱值，为x向散射场位移谱值，为z向总场位移谱值，为z向自由场位移谱值，为z向散射场位移谱值，为x向总场正应力谱值，为x向自由场正应力谱值，为x向散射场正应力谱值，为总场切应力谱值，为自由场切应力谱值，为散射场切应力谱值，为z向总场正应力谱值，为z向自由场正应力谱值，为z向散射场正应力谱值。
51、本说明书提供了一种河谷场地地震波动数值模拟装置，包括：
52、自由场模块，用于根据平坦均匀半空间场地内水平表面对入射p波反射得到的反射p波和反射sv波，确定平坦均匀半空间场地内任意点的自由场位移和自由场应力，得到平坦均匀半空间场地内自由场；
53、子散射场模块，用于根据平坦均匀半空间场地内水平表面对入射p波反射得到的反射p波和反射sv波，确定平坦均匀半空间场地内任意点的自由场位移和自由场应力，得到平坦均匀半空间场地内自由场；
54、积分模块，用于基于目标河谷表面应力为零的边界条件求解散射源系数矩阵，根据散射源系数矩阵对子散射场位移和子散射场应力分别进行加和，确定目标河谷场地内任意点的散射场位移和散射场应力，得到目标河谷场地内散射场；
55、模拟模块，用于将平坦均匀半空间场地内自由场和目标河谷场地内散射场叠加得到目标河谷场地内总场；采用黏弹性边界对目标河谷场地截断边界进行模拟，根据目标河谷场地内总场，在目标河谷场地截断边界处进行河谷场地地震波动输入，实现河谷场地地震波动数值模拟。
56、本说明书提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述河谷场地地震波动数值模拟方法。
57、本说明书提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述河谷场地地震波动数值模拟方法。
58、本说明书采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
59、本发明先解算平坦均匀半空间场地内任意点在入射p波作用下的自由场，然后针对目标河谷场地，基于其实际地形参数，对目标河谷场地内虚拟散射源和河谷表面进行离散化，再通过间接边界积分方程法确定河谷表面在任一散射源作用下形成的子散射场应力，基于河谷表面应力为零的边界条件求解多散射源系数矩阵，最终确定河谷场地散射场，将平坦均匀半空间自由场与目标河谷场地散射场叠加构成目标河谷场地总场。最后采用黏弹性边界对目标河谷场地截断边界进行模拟，在目标河谷场地截断边界处进行河谷场地地震波动输入，实现河谷场地地震波动数值模拟。本发明采用总场结合黏弹性动力人工边界的地震波动输入方法能够合理模拟河谷场地的散射波，提高了河谷场地地震波动输入以及模拟河谷场地地震波动的精确度。
1.一种河谷场地地震波动数值模拟方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的河谷场地地震波动数值模拟方法，其特征在于，所述确定平坦均匀半空间场地内任意点的自由场位移和自由场应力，具体包括：
3.如权利要求1所述的河谷场地地震波动数值模拟方法，其特征在于，所述通过间接边界积分方程法确定目标河谷表面在任一虚拟散射源作用下形成的子散射场位移和子散射场应力，具体包括：
4.如权利要求3所述的河谷场地地震波动数值模拟方法，其特征在于，所述基于目标河谷表面应力为零的边界条件求解散射源系数矩阵，根据散射源系数矩阵对子散射场位移和子散射场应力分别进行加和，确定目标河谷场地内任意点的散射场位移和散射场应力，具体包括：
5.如权利要求1所述的河谷场地地震波动数值模拟方法，其特征在于，所述将平坦均匀半空间场地内自由场和目标河谷场地内散射场叠加得到目标河谷场地内总场；采用黏弹性边界对目标河谷场地截断边界进行模拟，根据目标河谷场地内总场，在目标河谷场地截断边界处进行河谷场地地震波动输入，具体包括：
6.如权利要求1所述的河谷场地地震波动数值模拟方法，其特征在于，所述方法还包括：
7.如权利要求6所述的河谷场地地震波动数值模拟方法，其特征在于，所述确定目标河谷场地截断边界内任意点的总场位移频谱解和总场应力频谱解，具体包括：
8.一种河谷场地地震波动数值模拟装置，其特征在于，包括：
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述权利要求1～7任一项所述的方法。
10.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述权利要求1～7任一所述的方法。
