六库水电站纵向碾压混凝土围堰堰基应力应变及稳定性分析

'JIi大学硕士学位论文题目盍廑丞电站继囱堡压退邂±围堡埋基座左廛变巫稳定挂佥扳作者割麟完成日期2QQ5生垒旦．培养单位四川太堂指导教师韭建滢熬援专业蚩±王猩研究方向岩互左堂当王程授予学位日期生旦目 I四)Jl大学硕土学位论文六库水电站纵向碾压混凝土围堰堰基应力应变及稳定性分析岩土工程专业硕士研究生：刘麟指导教师：张建海教授围堰堰基的稳定性是影响施工正常进行的关键因素。六库水电站纵向碾压混凝土围堰堰基座于冲积层上，基岩为挤压破碎岩体，堰基基岩变模很低(Eo=0．04～O．048Gpa)，地质条件差，因此六库水电站纵向碾压混凝土围堰基础稳定是本工程的关键技术问题。本文采用二、三维非线性有限元法对其渗流、应力应变及稳定性进行了计算分析，并用粒子群优化算法对堰基边坡的稳定性进行了研究。研究内容和计算成果包括以下几个方面：I．采用非线性有限元法对围堰三个典型二维剖面和三维整体渗流场进行了分析。分析结果表明，二、三维渗流场分析所得各剖面水头分布和渗压分布规律相近。均表现为水头在两道防渗墙处迅速折减：而在砂卵冲积层和基岩处则衰减缓慢。两道防渗墙的防渗效果显著。2．首先采用二维非线性有限元法对围堰三个典型二维剖面的应力和应变进行分析，在此基础上再计算防渗墙和垫层的剪力、轴力和弯矩，对防渗墙和垫层的配筋方案进行验证和改进。计算结果表踢，由于堰基基岩变模很低，三个典型剖面的堰体位移均较大；堰体及堰基大、小主压应力随高程降低而增大，在围堰垫层与两道防渗墙的接头处附近存在应力集中现象；研究表明应加大垫层的配筋率。3．采用强度储备法分析了各工况下围堰三个典型二维剖面和三维整体的破坏机理以及破坏发展路径，最终确定堰基的强度储备安全系数。汛期水位下，三维强度储备法得出的整体抗滑安全系数为K。=1．80。4．对粒子群优化算法这一新颖的人工智能搜索方法在边坡工程中的应用进行研究，并将之应用于本课题围堰边坡的稳定性分析研究中。论证了粒子群优化算法在边坡工程中的实用性。关键词：围堰有限单元法渗流应力应变稳定性粒子群优化算法 四川大学硬士学位论文AnalysisofStress—StrainandStabilityforLongitudinalRCCCofferdamFoundationinLiukuHydropowerStationMajor：Geo·technicalEngineeringGraduateStudent：LiunnTutor：P喇jZhangJian-haiThestabilityofCOfferdam’SfoundationiSthecriticalfactorinfluencingconstructionprocess．ThefoundationoflongitudinalRCCcofferdaminLiukuhydropowerstationiSsandstonealluviumandthebedrockiScracked．Theelasticmodulasofcofferdam’Sbedrockisverysmall(E0=0．04～O．048Gpa)．SOthestabilityofRCClongitudinalcofferdamfoundationinLiukuhydropowerstationisthecriticaltechniqueproblem．Theseepage、stress-strainandstabilityalestudiedusing2Dand3Dnon—linearfiniteelementmethod；thenparticleswarmoptimizationmethodiSappliedtothestabilityresearchofcofferdam’Sslope．Themainresearchcontentsandachievementsare舔foUows：1．Theseepagefieldofthreetypical2Dsectionsand3Dunitofcofferdam’Sfoundationisstudiedusingfiniteelementmethod．TheresultshOWSthatthegeneralpatternofwaterheadandseepagedistributionderivedfrom2Dand3Dseepageanalysisissimilar．Theregularityisthatthewaterheadfallsdownrapidlythroughtwoanti-seepagewalls，butsubsidesslowlyinsandstonealluviumandbedrock．Theengineeringeffectoftwoanti—seepagewallsisnotable．2．Firstlythestress-strainstateofthreetypical2Dsectionsisstudiedusing2Dnon．1inealfin．tcelementmethod．Thentheshear、axialforceandbendingmomentofanti．seepagewallsandcushionarecalculatedonthisbasisand也ereinforcementschemeofthemisverifiedandimproved．Theresultindicatesthatthedisplacementofcofferdambodyislargeduetolowelasticmodulasofthebedrockincofferdam’sfoundation；maximumandminimum删ncipalcompressionstressofcofferdambodyanditsfoundationisincreasingastheelavationfalls；thestressconcentrationexists 竖型茎兰堡圭兰堡兰茎一——intheiointofcofferdambodyandanti-seepagewalls；thereinforcementofcushionshouldbeincreased．3．StrengthreseD／esafetyfactormethodisadoptedtostudythefailuremechanismandfailureprocesspathsofthreetypical21)sectionsand3DunitunderseveralⅥorkingconditions．Finallythestrengthreset-vesafetyfactorofcofferdam’Sfoundationisobtained．Infloodseflson，thesafetyfactorKcofcofferdam’Sfoundationis1．80．4．Theapplicationofparticleswarmoptimizationmethodthatisanewswarmintelligencesearchingmethodinsearchingforcriticalslipsurfaceofslopeengineeringisstudiedandappliedtothestabilityanalysisofthecofferdam’sslope·Itdemonstratesthepracticabilityofparticleswarmoptimizationmethodinslopeengineering．Keywords：cofferdam；finiteelementmethod；seepage；stress；strain；stability；particleswarmoptimization 四川大学硕士学位论文第一章概论1．f论文选题依据及意义围堰是导流工程中的临时挡水建筑物，用来维护施工基坑，保证水工建筑物能在干地施工。在导流任务完成以后，如果围堰对永久建筑物的运行有妨碍或没有考虑作为永久建筑物的一部分时，应予拆除Ⅲ。围堰按其所使用的材料来分，可分为士石围堰、草土围堰、钢板桩格型围堰、混凝土围堰等。一般情况下，任何水利枢纽工程施工都需建筑围堰。1。围堰是水利水电工程水下施工的临时挡水建筑物，它的设计要求虽不如永久性建筑物那样高，但围堰施工是决定工程成败的重要因素。有的围堰体积十分庞大，例如三峡工程的深水围堰高达上百米，不亚于一座高坝，因此在设计研究中，对围堰进行仔细分析不容忽视。如果围堰一旦失事，不但会大大延误工期，造成工程的重大损失，而且还会带来人民生命财产的损失。混凝土围堰是水利工程施工中比较常见的一种围堰型式。混凝士围堰按其结构型式分类，有重力式、空腹式、支墩式、拱式、圆筒式等。其中一般以采用重力式的居多。如丹江口、-f]峡、潘家口、石泉等工程的纵向围堰都采用混凝土重力式围堰。混凝土围堰具有抗冲、防渗性能好、底宽小、易于与永久建筑结合，安全可靠，必要时还允许堰项过水等优点“1。但是如果没有对围堰的稳定性进行充分的考虑，即使是混凝土围堰也会发生事故。如湖北清江大龙潭水电站上游围堰采用混凝土重力式结构，由于设计时没有正确考虑到围堰可能遇到的洪水，对围堰的稳定性没有引起足够重视，以致在2004年5月27日洪水突发时，上游围堰发生垮塌，造成14人死亡，4人失踪，其中儿童12名的严重后果。因此为了确保旄工的正常运行，设计围堰时必须使围堰具有足够的稳定性、防渗性、抗冲性和一定的强度。对于一些高度较高、受力较复杂的围堰以及永久建筑物的围堰，为确保工程的顺利进行，对其稳定性和应力情况进行分析也是十分重要的。拟建的六库水电站位于云南省怒江州首府六库城上游4．5Km处的怒江“u”型峡谷中，是怒江11个梯级电站中正在规划的第一个电站。其纵向围堰为永久建筑物(图l—1)，采用碾压混凝土重力式结构，工程导流结束后不再拆除· 第一章概论由于纵向围堰堰基座于冲积层上，基岩为挤压破碎岩体，堰基基岩变模很低(E0=0．04～0．048Gpa)，地质条件差，因此六库水电站纵向碾压混凝土围堰基础稳定是本工程的关键技术问题。通过对六库水电站纵向固堰基础稳定性的研究，可以对可研阶段纵向围堰基础加固措施进行验证、优化，提出基础处理建议方案，为确保工程的顺利进行提供依据；为怒江水电的合理安全开发提供保障。1．2国内外研究现状1．2．1围堰应力与稳定性研究现状围堰与拦河大坝同属挡水建筑物或泄水建筑物(当允许过水溢流时)17]。因此对围堰进行应力和稳定性分析时，是将围堰当作大坝来考虑的。由于围堰为临时性挡水建筑物，使用时间短，对其稳定性的要求比大坝这类永久建筑物的要求低，因此过去对围堰应力和稳定性分析的实例非常少。随着我国水电建设的蓬勃发展，一批批大型水利水电工程正在建设。在这些大型水电项目的建设中，出现了一些高围堰和地质条件差、运行工况复杂的围堰，对其应力和稳定性的研究已成为确保工程顺利进行的前提。因此目前在我国已对围堰的应力和稳定性进行了一定的研究n¨～【25】。目前对于围堰的应力和稳定性分析～般采用有限元法和模型试验法⋯J。模型试验法由于周期长、工作量大，费用高．一般只在比较重要的水利工程中才使用，如三峡二期深水高土石围堰就采用了离心模型试验研究。有限元法是随着电子计算机的出现而产生的-：re计算方法，它把求解区域划分成许多小的在节点处互相连接的子域(单元)，在单元交界面上位移协调：在单元节点处插值，以节点处位移为基本未知量，用节点位移去逼近实际整体位移场。由于其单元(子域)可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸，所以它能很好地适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件∽。在稳定性计算方面，由于有限单元法可以方便地处理坝体、地基各种复杂的几何形状和构造、材料分区、模拟施工过程和加载顺序，也能方便地解决各种场问题，能进行弹塑性、静动力分析，因此近几年来有限元法在工程中的应用越来越广泛“”。目前国内外工程界大力研究的方向是对包括基岩在内的大坝整体分析，即整体三维非线性有限元分析，成为综合了结构、材料、工程地质、．2． ——————．望型查兰婴主兰垒笙奎岩石力学、现代计算技术等多学科的最新科技成果而形成的新的坝工设计理论。目前在围堰的稳定性分析中，各种二、三维有限元分析已得到了很好的应用。1．22渗流场研究现状1856年，法国工程师达西通过试验提出了线性渗透定律，为渗流理论的发展奠定了基础。1889年，HE，茹可夫斯基首先推导了渗流的微分方程。此后，许多数学家和地下水动力科学工作者对渗流数学模型及其解析解法进行了广泛和深入的研究，并取得了一系列研究成果捌。渗流理论得到了进一步的发展并逐步成熟完备。迄今为止，已有大量文献介绍了渗流分析与计算的方法。这些方法归纳起来主要有解析法、数值法和电拟法嘲删⋯【B】。1．2．2．1解析法ⅢⅢ解析法是利用有关数学手段直接定解基本微分方程的方法。解析法分为两种类型：l、流体力学解法流体力学解法是一种严格的解析法。该法是在给定边界条件下，求解水头、流速势或流函数的拉普拉斯方程式，得出解的解析表达式，从而求出渗流场中任何一点的值。但这种方法只适用于渗流场几何形状规则，方程式简单和边界条件单一的情况。实际问题比上述情况复杂得多，一般很难找到精确的解析解。2、水力学解法水力学解法是一种近似的解析法。该法不能准确求出任～点的渗流要素，但可求出渗流场各区段内的平均渗流要素值。I．2．2．2数值法”””目前数值法主要有有限差分法、有限单元法和边界元法。有限元法是数值方法中应用最广的一种t1965年O．c．Zienkiewicz和Y．K．Cheun8提出有限单元法适用于所有可按变分形式进行计算的场问题，为该方法在渗流分析中的应用提供了理论基础。到上个世纪70年代，有限元已扩展到求解随时间变化的非稳定渗流问透以及非达西流。随后又扩展叠f求解菲饱和渗流问题、岩体裂隙渗流．3． 第一章概论问题、渗流场与热力场、应力场相耦合的问题。随着电子计算机和数值计算方法的发展，有限元法广泛已应用于工程中，推进了渗流数学模型的发展，为渗流计算提供了有效的方法。1．2．2．3电拟法‘⋯51屯拟法是基于电场和渗流场符合同一形式的控制方程而进行求解的。电拟模型对渗流场来说是个数学模型，丽不是物理模型。电拟法目前主要采用两种模型，即导电液模型和电网络模型。由于导电液模型为连续介质模型，故它便于模拟急变渗流区问题，但用它无法模拟非均质各向异性渗透介质，也不尽适应复杂的地质和边界条件。为了模拟更加复杂的渗流场，逐步发展和研究了电网络模型，即电网络法。该方法既可基于差分原理建立，也可基于变分原理建立，其基本原理是基于网络电路问题的解和渗流场的数值解符合同一形式的差分方程和变分方程。由于基于变分原理而建立的电网络法吸收了有限单元注的优点，故使该方法在模拟曲线边界和各向异性渗透性方面得到一定改进。电网络法尽管在渗流分析中沿用已久，但由于它具有容量、稳定性基本不受限制和在解题过程中不产生累积误差等特点，目前仍是求解大型复杂渗流场的有效工具。1．3六库水电站纵向围堰的结构特点六库水电站纵向碾压混凝土围堰为永久建筑物，见图1—1，工程导流结束后不再拆除，工程导流期间，纵向碾压混凝土围堰将使用三个汛期，围堰堰顶高程由2005年5月～10月挡10年一遇全年洪水Q=9250m3／s和2006年11月～4月挡枯期10年一遇洪水Q=2710m3／s控制，设计顶高程为820，5m-817．5m，最大堰高23．5m，堰顶宽5．0Ⅲ，堰体为C15碾压混凝土，两侧边坡均为l：0．5，考虑一、二期围堰布置及基坑施工场地需要，碾压混凝土纵向围堰长约380m。纵向围堰堰基座于冲积层上，冲积层厚度为15m～20m，基岩为挤压破碎岩体，厚25m～30m，堰基基岩变模很低(Eo=O．04～O．048Gpa)，地质条件差。纵向围堰最不利工况为2006年汛期，厂房坝段开挖至778．6m高程时，基坑深21．4m，围堰挡水水位819．5m，边坡经计算将产生滑动，因此在堰基部位设置两道钢筋混凝土防渗墙(连续墙)，以满足加固边坡、防止堰基掏刷及基础防渗要求。防渗墙分为I、II型断面，I型断面防渗墙布置在基坑开挖范围之外， 四川大学硕士学位论文主要功能为承受上部堰体结构重量、防掏刷和防渗，墙厚lm，最大深度18m，#I-"N均配置单排q,25@200ram钢筋，】J型断面防渗墙布置在基坑开挖范围之内(包括5道横向隔墙)，主要功能为承受土体下滑推力，维持边坡稳定、承受上部堰体结构重量、防掏刷和防渗，墙厚1．2m，最大深度24m，内外侧各配置单排牵32@150mm钢筋，墙端深入基岩(挤压破碎岩体)平均深度为7m，防渗墙混凝土为C30。1．4本文研究目的与研究思路本课题的研究目的在于对六库水电站纵向碾压混凝土围堰在施工期间的受力情况和稳定性进行有限元分柝，评价工程的处理措旖，判断围堰的稳定性，最终对围堰结构和地基处理方案提出改进意见。其总体研究思路和相关研究内容为：(1)在围堰外侧水位枯期V810．50m，汛期V8：9．50m工况下，对纵向碾压混凝土围堰3个典型断面A～c进行二维渗流场有限元计算，评价防渗墙的防渗效果。(2)在围堰外侧水位枯期27810．50m，汛期V819．50m工况下，对纵向碾压混凝土围堰堰基(包括基础地下钢筋混凝土连续墙和横向隔墙)进行整体三维渗流场有限元计算，分析堰基的渗流规律．评价防渗墙的防渗效果。(3)在围堰外侧水位枯期V810．50m，汛期V819．50m工况下，对纵向碾压混凝土困堰3个典型断面A～c堰基变形及稳定进行二维有限元计算分析和内力分析，评价围堰结构和地基的处理方案。(4)对纵向碾压混凝土围堰整体(包括基础地下钢筋混凝土连续墙和横向隔墙)进行变形及稳定三维有限元计算，判断围堰的稳定性：围堰外侧水位枯期V810．50m，汛期V819．50m。(5)对粒子群优化算法这一新颖的人工智能搜索方法在边坡工程中的应用进行研究，并将之应用于本课题围堰边坡的稳定性分析研究中。(6)根据上述计算结果与设计研究协商后，进行围堰基础处理研究，提出能满足堰基稳定，施工可行的处理方案。 第一章概论围1-1纵向碾压混凝土囤堰纵剖面圈 四川大学硕士学位论文第二章基本理论及计算方法2．1有限元数值分析的基本原理“H3“2．1．1位移模式和形函数通过坐标变换，可以将三维空间任意曲面六面体变换为局部坐标系(rst)中六面体，其变换式为：x(邵，f)=∑ⅣJ(v，f)置』-l，，("，，)=∑ⅣI(¨，f)rJg]z(Ⅲ，f)=∑Ⅳf(¨，f)zJ-l式中：n一单元节点数xi，Yi，Z。一基本坐标系(XYZ)下单元节点坐标值Ni(r,s，t卜单元形函数单元中任意点位移与节点位移的关系为：u(，，s，，)=∑N．(r，J，f)u』=lr(¨，1)=∑N。(¨，f)矿忙lW(r，s，f)=∑Ⅳf(¨，f)形式中：Ui，Vi，w．一单元的节点位移各角点形函数可以描述为：M=；(1岬)(1¨项l+fjf)(i=1’8)2．1_2几何关系由几何方程可得任一点的应变位移关系为(2．1)(2-2)(2-3) 第二章基本理论及计算方法纠=￡』SyF：，珂，，Fy蹦Ou俄洲oyOw出Ou西劫缸加Ow＆ayOwOuOx出=陋玲}其中：陋】=b．B：．B，⋯B。一≯。}=妙．，K，彬⋯u。，‰，％。}陋．】=f苏砂出I石石瓦h1l苏ay出VJ_1否一Os—OsI舐ay如临一Ot—OtONI毋ONl西ONl种ON，出ON，砂aN．出ON2西ON2加tON2西2．1．3单元刚度阵由广义虎克定律得应力—应变关系为p}=【D怡)其中；娥：＼s。s，ezy，y，7。1．8-=ⅣrON，Or8N：出ON，aKZI丘Z2匕Z。。(2--4)(2-5)(2-6)(2-7)。。叭i。∽一砂姒一&。∽一砂。叭百∽i。叭i。。眺一砂。叭i1●●●●●●●●●●●●J五丘：k监甜盟国监部 f!!I川大学硕士学位论文其中：汹=kq毛～k，。}p)=b，一，O-：r。r，：r。j【D]为弹性矩阵由虚功原理可得出三维单元刚度阵为：酬=m玎[Dpk以t由三维高斯积分公式得：k1：宝宝窆舾r【DpM彬％％}(2-8)(2-9)2．1．4单元荷载向量工程上常见的荷载有：集中荷载，面荷载和体力。在有限元计算中，需将实际荷载按静力等效原则进行转化，处理方法如下：l、体力单元在体力强度分量q。，q，，q：作用下，由虚功原理得单元等效结点力为p8}=t工∽r{荔P}-c4以=喜言{∽r{荔P}·c·E·％}【：j8”“【l：JJlfJklc=axb=laxd。o,12Au+A2j+A3klbxb，b：I(2-10)(2—11)(2-12)％■哦J、●●●●●●L，●●●●JJ，；．旧旧旧，1●J∽。∑㈦。∑川。∑Ⅲ|lr埘X：一旧”旧，卅Ⅱ． 第二章基本理论及计算方法q2等q2詈吒=喜=票=瓦Oybxby也=喜q2面q2畜吒2面2面。瓦6：2瓦2．2渗流场有限元分析基本原理n。“”。”2．2．1渗流场基本方程基于质量守恒及达西(Darcy)定律，稳定渗流场分析归结为以下形式数学问题：连续方程渗流方程边界条件q，，一Q=0inuU?=一D、gjinUi)Dirichlet边界：矽=矽ii)Neamanr趔l界：露·元=g其中：u．为i方向流体流速(i=1，2，3)；Q为内源；D为渗透系数矩阵，在其主方向上，其分量为D—m为水头函数，定义为m：z+旦pg其中：z为高度(铅直向上)；P为流体压力；p为流体密度；g为重力加速度g为水头梯度矢量，其分量为：g．：粤：+：(i；1，2，3)C％：将(2-14)式代入(2-13)可得渗流控制方程：(一D。耷i)1一Q=0由Galerkin法可得上述方程(2-7)(2-2)(2—3)的弱形式：(2·13)(2一14)OnOvI(2—15)On抛(2-16)(2-18)(2—19) ——一一一一些坐奎兰堡圭竺垡堡奎L[(--DLiO1)：一Q]84，dv=0(2．20)jf(-Di十16巾)，dv—f(-Di十，)aOidv=￡Q6+dv(2-2Dj—l。：(niDfi十1)6+da+fDifl)16耷1dv=fQ6十dV(2-22)jfDj+16十1dV=【Qs÷dV—l。，q6十da(2-23)引入插值函数，设十=N0=十7N7(2．24)则(2-1i)式可化为611￡(N1：DiiN．．)!虻617f掣1QdV一!+1心N7qda(2-25)即其中(1)渗流刚度阵渗透系数阵(2)渗流荷载阵(3)单元速度K6=RK=fBlDBdvB=，D=，aN叙aN西aNOz等0oz]R。=fN．TQdV—L，N．7qda—ll-r2·26)(2-27)(2-28)(2-29)(2-30) 第二章基本理论及计算方法V⋯Dg—DBd2．2．2渗流量计算由节点速度，易于积分求得通过某已知面的流体流量Q=f(争五)da={vAda(2-31)(2—32)2．3岩体强度与本构模型㈨～㈨六库水电站纵向围堰堰基主要由软弱的砂卵砾石层和下伏散体结构组成，其特点是变形和强度力学指标低，易于发生塑性流动和屈服。为此，本次有限元分析采用抵抗拉豹岩体弹塑性本构模型开展研究。按低抗拉弹塑性模型分析：堰基岩体材料开裂条件用宏观强度描述：盯“>Rt(2～33)式中o。表征应力张量三个主应力，分析中可能呈单向、双向及三向开裂情况，由程序自行校核并进行刚度修正。岩体是否进入塑性状态，按Druker—Prager准则判别：F=村，+√万一女(2～34)式中I。和J2分别为应力张量的第一不变量和偏斜应力张量的第二不变量口，^是与岩体材料摩擦系数￡占(p和凝聚力f有关的常数，由下式计算：弹塑性矩阵p。为：D∞=望一(1一r)Dp～(2—35)(2—36)舞 四川大学硕士学位论文已=璺，丽OF，7万OF，7D／r爿+，等，7旦，筹∥(2_37)式中：r=l弹性区单元或卸载单元0塑性区单元i-‘Fi加载前Fo，即过渡区单元2．4软弱结构面非线性分析模型m1按层面法向不抗拉材料分析，剪切滑移按Mohr—Coulomb条件校核：lrl|>C，+盯。留妒』(2—38)式中：C，和辔妒．为软弱夹层抗剪强度参数。对于破碎带宽度较大的断层，按不抗拉弹塑性材料分析，是否进入塑性状态的判别条件仍采用Drucker—Prager准则，只是材料摩擦系数和凝聚力改用断层的相应值，本构矩阵仍沿用(2-36)式。2．5堰基岩体稳定安全系数计算方法。”㈣在岩体稳定性分析评价中，常采用以下三种稳定安全系数评价方法：(1)点强度储备安全系数(2)基础整体抗滑安全系数：包括超载安全系数、强度储备安全系数以及兼顾超载和强度储备的综合安全系数。(3)传统的极限平衡法，例如瑞典圆弧法。25．1点强度储备安全系数假定在外荷载作用下，堰基岩体中某点应力状态为(d．，峨)。相应材料的抗剪强度参数C，，g伊下降疋倍，使该点应力Mohr圆与强度包络线相切，如图2—1所示。由上述概念—a,t—go‘旦坠坠：1(2—39)o式中仃。、f。为某方向剪切面上的正应力和剪应力，由下式计算： 第二章基本理论及计算方法％=半一扣一咄伽：口L=学舢口t舻∥≮一。0＼／一图2-1点强度储备安全系数物理意义(2-40)(2-41)K。：—c+—tg—m[—：(了o-,—+o—-3)—-—；(—c,t—-a—3)—co～s2a]。。一。。，委fq-cr3)sin2ct对K。取极值条件导出—dK—,：Ddac甜缸=而(再a,-再cr3刁)t99丽,对于堰基中软弱夹层、断层或裂隙结构面，由各应力特征点的O"n、式(2—39)，可直接推导出相应的点强度储备安全系数表达式(2-43)(2—44)f．代入 ——型堂堡圭堂焦堡塞耻鼍产∽㈣2．5，2堰基整体超载安全系数堰基整体抗滑安全系数可用超载和强度储各安全系数表征。超载法计算的基本方法是假定岩体强度参数不变，通过逐级超载上游水载。分析堰基变形破坏演变发展过程与超载倍数的关系，寻求堰基整体滑移时相应的超载倍数K。，即作为堰基整体抗滑稳定超载安全系数。强度储备法计算的基本方法是假定荷载不变，通过逐级下浮岩体强度参数，分析堰基变形破坏演变发展过程与超载倍数的关系，寻求堰基整体滑移时相应的岩体强度参数下浮倍数K。。即作为堰基整体抗滑稳定的强度储备安全系数。综合安全系数法则在超载的同时，也下浮岩体强度参数，并以超载倍数KD与岩体强度参数下浮倍数Kp的乘积Kz=Kp×Kp作为综合安全系数。本次有限元分析以强度储备法为稳定安全性的主要评价方法，并辅以瑞典圆弧法(采用单形法搜索)和粒子群优化算法对围堰边坡的滑裂面进行搜索。粒子群优化算法是一种新颖的人工智能搜索方法，它具有搜索能力强，易于实现、收敛速度快、算法精度较高且没有太多参数需调整等优点，但目前这一方法在边坡工程中的应用还很少，因此本文对其在边坡工程中的应用进行了研究。对于粒子群优化算法将在下一章进行介绍。2．6三维非线性有限元分析程序本课题有限元分析采用由我校多年扩充完善的三维静、动力非线性有限元分析程序。该分析系统在近十多年中已先后成功地应用于国家“七·五”、“八·五”、“九·五”攻关课题及二滩、锦屏一级、沙牌、紫坪铺、官地、溪洛渡、瓦屋山、狮子滩、天生桥一级、天生桥二级、洪家渡、思林、小湾、百色、瀑布沟等二十多个重大工程项目的研究，取得了良好的效果，并在工程实践中不断丰富完善，现已具备很强的分析功能，主要包括：1．能针对各种不同水工建筑物、地下洞室群、库岸边坡及复杂地基条件，进行多种弹性、弹塑性、渗流场、温度场及脆性断裂力学闯题的静力和动力数值模拟分析； 第二章基本理论及计算方法2．可选择多种强度及本构模型，非线性计算方法采用变刚度迭代法；3．具有多种类型单元库，便于模拟各种地质界面和几何边界f4．可模拟施工开挖、分期填筑等施工过程。还可进行加固、卸载及各种应力路径的模拟计算；5．具备较完善的前后处理功能和友好界面，便于成果的分析整理。 四川大学硬士学位论文第三章粒子群优化算法基本原理3．1引言土坡稳定问题是土力学的经典课题。早在19世纪土坡稳定分析方法就已随着土力学的不断发展而逐渐形成。土坡稳定分析方法可分为两大类：滑动面法和单位应力法o“。对于这两种方法无论哪一种都需要分为两步来进行：一是计算已知滑裂面上的安全系数；二是在许多可能的滑裂面中，搜索出对应最小安全系数的临界滑裂面。目前，对于第一步来说，已经有许多比较成熟的安全系数计算方法，但对于第二步来说，还没有比较完善、适用性强的搜索方法。因此目前对于土坡稳定问题的研究主要集中在这个方面。自20世纪80年代以来，有很多研究者致力于临界滑裂面的搜索技术，提出了各种不同的搜索方法，并相应有各自的计算程序用来确定圆弧的或非圆弧的临界滑裂面。这些方法大致可分为四类：固定模式搜索法、数学规划法、随机搜索方法和人工智能方法o“。其中人工智能方法是一种基于群体(Population)的优化工具，是人们在找寻自然界的优化规律时发展形成的进化算法，如遗传算法、蚂蚁算法、粒子群算法等。人工智能方法充分利用自然界中的群体智能和计算机容量大、计算速度快的优点，将系统初始化为一组随机解，通过迭代搜寻最优值，可以用来解决许多工程实际问题。粒子群优化(ParticleSwarmoptimiZe2"，路0)算法最早是由j(ennedy和Eberhart于1995年提出的哪!。由于PSO概念简单、容易实现，待调参数少，同时又有深刻的智能背景，既适合科学计算，又特别适合工程应用。近年来，对PSO算法的研究已经取得了很大的进展，目前己广泛应用于函数优化、神经网络训练、模式分类、模糊系统控制以及其他的应用领域。3．2粒子群优化算法的基本原理粒子群优化算法是一类基于群智能的随机优化算法。受到人工生命(AnificialLife)的研究结果启发，PSO的基本概念源于对鸟群捕食行为的研究。设想这样一个场景：一群鸟在随机搜寻食物。在这个区域里只有一块食物。所有的鸟都不知道食物在哪里。但是他们知道当前的位置离食物还有多远。那 第三章粒子群优化算法基本原理么找到食物的最优策略是什么呢?最简单有效的就是搜寻目前离食物最近的鸟的周围区域。PSO从这个模型中得到启示并用于解决优化问题。PSO中，每个优化问题的潜在解都是搜索空间中的一只鸟，称之为“粒子”。所有的粒子都有一个由被优化的函数决定的适应值(FitnessValue)，每个粒子还有一个速度决定他们飞翔的方向和距离。然后粒子们就追随当前的最优粒子在解空间中搜索。PSO初始化为一群随机粒子(随机解)。然后通过迭代找到最优解。在每一次迭代中，粒子通过跟踪两个“极值”来更新自己。第一个就是粒子本身所找到的最优解。这个解称为个体极值。另一个极值是整个种群目前找到的最优解。这个极值是全局极值”3。假设在一个口维的目标搜索空闯中，有m个粒子组成一个群落，其中第i个粒子表示为一个D维的向量工．=(x¨，x。⋯，xil)，i=1，2，⋯，m，即第i个粒子在D维的搜索空间中的位置是x，。换言之，每个粒子的位置就是一个潜在的解。将x。带入一个目标函数就可以计算出其适应值，根据适应值的大小衡量x，的优劣。第i个粒子的“飞翔”速度也是一个D维的向量，记为v，：(v。v。⋯，v。。)。记第i个粒予迄今为止搜索到的最优位置为岛=(p。p。⋯，肌)，整个粒子群迄今为止搜索到的最优位置为P。=(p。p。∥．．，P。o)。Kennedy和Eberhart最早提出的PSO算法呻1采用下列对第n步和第n+1步的速度和位置的递推公式对粒子进行操作：v。a¨1=vid“4Clrl(pld“一x{，)十czrz(13-d“一xld“)(3一1)x，。”。=xId”+v。d“(3—2)其中i=l，2，⋯，m，d=l，2，⋯，D：学习因子c．和c，是非负常数，一般取cFcf2：rl和r：是介于[0，1]之间的随机数。Vld∈[一v～v。，]：v。。是常数，由用户设定。文献[40]对(3-1)式作了如下改动：v。dn+b∞vl。1+c、r，(pi，一x2)+c：h(pldn—x、d“)(3—3)其中。是非负数，称为惯性因子，控f日OPSO算法的搜索能力。u较大算法具有较强的全局搜索能力，u较4,N算法的局部搜索能力较强。PSO算法作为一种基于迭代的优化工具，其优势在于易于实现、收敛速度快、算法精度较高且没有太多参数需调整；另外P80算法的搜索能力极为强大。一般只需要经过较少的迭代次数就能搜索到满足需要的解。因此P80算法完全可以应用到土坡临界滑裂面的搜索中。 四川大学硕士学位论文3．3渗流作用下滑坡计算的有限单元法在边坡工程中，水是影响边坡稳定性的一个重要因素。由于蓄水、库水位骤然升降、地下水以及降雨等产生的渗流破坏在边坡失事中占有相当大的比重。据我国1981年调查资料以及其他国家调查资料表明，由于渗流冲刷破坏失事的土坝高达4096，与渗流密切相关的滑坡也占15％左右““。因此正确分析士坡在渗流作用下的稳定性，对于工程的设计、施工和管理都有重要的意义。由于传统的条分法在结合渗流场(尤其是非稳定渗流场)计算时，未能准确地反映渗流的作用和影响，而且又做了有损计算精度的假定，即在有效应力法中，只考虑滑动面上的孔隙水压力分布，而不考虑侧边的水压力：浸润线以下水压力分布近似为静水分布““。这些假定使得条分法在结合渗流场计算时误差较大，因此文献[41]提出了用土体单元所受的渗透力代替土条周边孔隙水压力的有限单元法，避免了一般条分法计算略去土条侧边水压力产生的误差；同时也不需要考虑边坡的外水压力，简化了力的计算过程。该方法直接应用渗流场计算划分的有限元网格和节点水头值连续进行滑坡稳定计算，与条分法相比，它完整地考虑了渗流的作用和影响。对于圆弧滑裂面，下式为考虑渗流作用力的土坡稳定蛀有限元计算公式，文献[4i]对其进行了详细推导。F：R{∑cl+∑((，l+舫)COS口+一肛sin口1】△。，g妒。i(3-4)∑【(，I+，西)rsinl2"+rJx(2rcos口～RCOS口)】△式中：F。为安全系数；R为滑弧半径；r为计算单元重心的半径距(如图3一l所示)；d为其半径距与铅垂线所成的角度，n。为单元重心正下方滑动面上交点的半径与其垂线所成的角度，在铅垂线左边的角度取负，一般情况下a’主研怒江六库水电站纵向碾压混凝土围堰堰基稳定性研究项目，负责前期建模、中期应力应变及稳定性计算和后期成果整理工作；>主研云南土卡河水电站厂房坝段三维有限元应力计算研究项目：>主研云南滇东电厂地基及边坡碎石土土工试验研究项目；>参与广西百色3B坝段应力应变及坝基稳定计算研究项目的研究工作；》参与广西百色消力池不均匀沉陷及应力三维有限元计算项目的研究工作；>参与溪洛渡高拱坝坝肩静动力稳定分析研究项目的研究工作；发表论文：夺刘麟，张建海，滕丽：瀑布沟水电站泄洪洞地震动力分析．四川I水力发电．2004：23(4)．夺刘麟，张建海，邹德兵，晋国辉：怒江六库水电站RCC纵向围堰防渗墙应力分析．云南水力发电．2004：20(4)．夺刘麟，张建海，邹德兵，晋国辉：怒江六库水电站RCC纵向围堰防渗墙应力分析．第八次全国岩石力学与工程学术大会会议论文集．2004，成都：科学出版社．夺刘麟，张建海，邹德兵：六库水电站RCC纵向围堰堰基应力应变及稳定性分析．东北水利水电．2004；10．令邹德兵，张建海，刘麟，李长禹：土卡河水电站厂房坝段应力应变研究．水利水电科技进展．2005；25(1)．冷邹德兵，张建海，刘麟，李长禹：土卡水电站坝后式厂房结构应力及稳定性研究．四川建筑科学研究(录用)．硕士期间曾荣获的荣誉：2002—2003年度校优秀硕=b--等奖学金：[]JJl大学水电学院2004年度“三个代表”征文比赛一等奖． 四川大学硕士学位论文声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论文成果归四川大学所有，特此声明。声明人柏导老评?刘麟 婴!些兰堡主兰堡笙苎致谢在本论文结柬之际．我衷，乜感谢我的导师张建海教授!三年的硕士研究生生活．张老师元论在学习还是生活上。都给予我极大的关心与帮助。张老师严谨的治掌态度、高屋建瓴的掌术见解、一丝不苟的工作作风以及高尚的人格魅力都给我留下了深刻的印象．鼓励我不断进取。本论文从选题、执行直至撰写都是在张老师的悉心指尊和热情关怀下完成的．值此论文完成之际．特向张老师表示最真挚的感谢!特别感谢岩土教研室范景伟教授、何江达教授、刘长武教授、何昌荣教授、徐进副教授、何鹏副教授、符文熹副教授、骆红老师、谢家琼老师在科研、掌习和生活等多方面给我提供的帮助和支持。是怒们的教诲和帮助才有我今天的收获。在此．瑟还要感谢刘会娟、彭彬、吴事贵、蒋峰等师兄师姐以及周明君、陈永、曾银金、熊远发、陈利明、张恩宝、肖红颜等师弟师蛛．是您们的共同努力给我创造了一个良好的掌习和生活环境。感谢我的男朋友刍#德兵在这三：年里对我掌习和生活-h的关J乜和帮助．是你的帮助和支持才有了我今天的成就。感谢三年来一直关-乜、爱护和对获提供无私帮助的同掌们．我非常怀念和你们一起走过的美好时光。同时也特别感谢我的父母、姐姐和姐夫．是怒们用自己勤劳的双手铺就了我今天的求学之路．是您们无私的关爱和支持使我克服了生活中的种种困难．勇敢接受人生的挑战．您们永远是我前进的动力!谨以此文献给瑟的父母、姐姐、姐夫以及所有关心和爱护我的人们!谢谢你们!刘辟二00五年五月'