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水 利 学 报

2025 年 11 月 SHUILI XUEBAO 第 56 卷 第 11 期

文章编号：0559-9350（2025）11-1454-15

数字孪生框架下土石坝地震动力响应时空分析系统研究

苏 哲 ，王晓玲 ，余 佳 ，王佳俊 ，余红玲 ，张 君 1
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（1. 天津大学 水利工程智能建设与运维全国重点实验室，天津 300072；
2. 中国农业大学 水利与土木工程学院，北京 100083）
摘要：针对现有大坝地震动力响应分析系统缺乏考虑施工质量对坝料物理力学参数的影响、难以快速分析和可视
化动力响应的时域和空间分布特征的问题，结合数字孪生的虚实映射、快速分析等优势，提出数字孪生框架下大
坝地震动力响应时空分析系统构建方法。在系统数据底板方面，通过参数化建模、施工质量智能监控、虚拟传感
器等方法，构建包含高保真几何模型、坝体材料参数和地震动信息的系统数据底板；其中，采用施工质量影响下
基于迁移学习和 ResNet 的大坝材料参数非均质性分析模型，实现了全坝材料参数空间分布的准确分析。在专业模
型方面，提出基于 pix2pixHD 的大坝地震响应分析时空全域代理模型，通过多层生成对抗神经网络学习大坝地震
响应数据的时域分布特征，并基于局部增强器提升分析结果中空间分布特征的真实性，克服现有代理模型仅能预
测少数点位，无法表征整个大坝地震动力响应时空分布特征的不足。在系统可视化方面，提出基于 CUDA 加速三
维物理场计算的大坝地震动力响应可视化方法，解决现有研究多采用预制动画进行地震过程可视化的问题。最
后，以西南某土石坝工程为例，研发了数字孪生框架下的大坝地震分析系统，仅需 148 ms 即可快速分析和可视化
整个大坝的地震动力响应全过程，为大坝地震安全评估和决策提供有力的支持。
关键词：大坝地震动力响应分析；数字孪生；材料参数非均质性；时空全域代理模型；三维物理场可视化
中图分类号：P315 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20250007

1 研究背景

我国西南水电基地位于地震活动频繁区域，构建大坝地震分析系统对于大坝地震安全评估及应急
决策具有重要意义。其中在大坝地震动力响应分析环节，多依赖有限元数值模拟方法得出大坝在整个
地震过程中应力场、加速度场等动态响应空间的分布特征 ［1-3］ ，但其计算成本和计算时间消耗过大，
［4］
难以满足强震场景下的快速评估需求 。近年来的研究 ［5-6］ ，基于机器学习算法建立了结构动力响应预
测的代理模型，仅能预测有限数量的点位，难以实现时域和三维空间分布特征的准确分析。因此，研
究如何提升大坝地震动力响应时空分析的准确性与实时性成为工程应用的迫切需求。
［9］
数字孪生技术 ［7-8］ 具有高保真虚实映射、快速分析等优势 ，是提高大坝地震动力响应分析准确性
和效率的有力手段。已有研究基于数字孪生技术建立了供水管网 ［10］ 、高层建筑 ［11］ 、高速铁路 ［12］ 、钢框
架建筑 ［13］ 等结构的地震安全快速分析系统，为构建快速、准确的大坝地震动力响应分析系统提供了解
决思路。在水利工程领域，水利部提出“数据底板+模型平台”的数字孪生流域建设框架 ［14］ ，以数据
底板和专业模型构建数字孪生系统的基座。虽然基于该思路已构建起防洪、水资源管理、工程安全管
理等数字孪生应用系统和平台 ［15］ ，但在大坝地震分析领域尚缺乏相关研究。

收稿日期：2025-01-08；网络首发日期：2025-11-19
网络首发地址：https：/link.cnki.net/urlid/11.1882.TV.20251118.1030.001
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基金项目：国家自然科学基金重大项目（52494970）
作者简介：苏哲（1994—），博士，主要从事土石坝地震计算和分析研究。E_mail：suzhe@tju.edu.cn
通信作者：王晓玲（1968—），博士，教授，主要从事水利工程智能建设与管理。E_mail：wangxl@tju.edu.cn
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