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裂隙岩体渗流场及其与应力场耦合的参数反问题研究

作　者: 刘杰
导　师: 阮怀宁；王媛
学　校: 河海大学
专　业: 岩土工程
关键词: 裂隙岩体渗流应力场耦合模型数值分析参数反问题敏感性分析梯度算法遗传算法动态反演
分类号: P641.2
类　型: 博士论文
年　份: 2002年
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内容摘要

本文系统总结评述了本课题相关领域业已出现的诸多成果及最新进展，指出了目前该领域存在的一些极需解决的问题及可能遇到的困难。在此基础上，本文采用包容多孔介质、多裂隙介质及离散裂隙介质的统一域混合模型，利用目前参数反演领域应用最为广泛的间接法，首先针对裂隙岩体渗流场单场参数反问题进行了深入研究，主要目的是改善参数反问题的适定性以提高参数反演的可靠程度。针对裂隙岩体渗流有限元分析提出了推求水头对渗透系数的偏导数的新算法，即有限元直接偏微分方法；并基于此算法进行参数敏感性分析，据此提出了通过参数敏感性分析构造优化目标泛函权函数的方法，从而最大限度的利用了敏感性好的有利量测信息改善反问题的不适定性，同时也适当利用了敏感性差的实测点水头值，增加了实测信息的数量，防止因量测资料过少而使反演结果严重失真；将有限元直接偏微分的方法结合Gauss-Newton-Marquit方法求解裂隙岩体渗流参数反问题，避免了反演计算中利用差分法求目标函数梯度向量带来的诸多不利，也使该类算法的反演效率大大提高；通过构造个体自适应概率对基本遗传算法做了改进，将改进后的算法与传统的单纯形方法结合提出了一种新型高效的混合遗传算法，克服了基本遗传算法局部搜索能力差、计算量大以及对大搜索空间适应能力差等缺陷；将以上两种算法分别结合裂隙岩体渗流有限元分析编制了大型反演分析程序，并将其成功的应用于典型重力坝坝基裂隙岩体渗流参数反演实践中。在以上研究的基础上，考虑到裂隙岩体渗流场与应力场存在强烈的耦合作用，本文基于求解稳定渗流场与弹性位移场耦合的全耦合分析方法，首先对耦合分析中的力学参数进行敏感性分析，而后利用水头、位移等多类型量测资料，应用本文提出的混合遗传算法进行裂隙岩体渗流与应力耦合的参数反问题研究；实际工程中流体在变形裂隙岩体介质中的流动是一个渗流场与应力场耦合作用的动态过程，数值分析应尽可能的反映这种动态特征，为此本文基于流体在变形介质中运动的一般微分方程进行了两场动态耦合问题的有限元分析，并提出了一种新的数值积分算法计算非恒定渗流有限元分析中的自由面边界积分项；同时考虑到现场观测资料往往是一个动态的时间序列，在参数反演过程中应该能及时利用现场量测的新增信息进行参数反演，本文针对确定两场动态耦合问题渗流参数与力学参数的动态反演方法进行了尝试性研究。基于以上的研究理论，本文编制了渗流场与应力场静态、动态耦合三维有限元分析程序，并结合本文提出的混合遗传算法编制了相应的参数反演分析程序；典型裂隙岸坡工程算例验证了以上程序的正确性。

全文目录

第一章绪论  9-29
  §1．1 引言  9-11
  §1．2 渗流参数反问题基本理论及研究现状  11-22
  §1．3 岩土工程位移分析研究现状  22-27
  §1．4 本文主要工作  27-29
第二章裂隙岩体渗流参数反问题  29-59
  §2．1 概述  29
  §2．2 裂隙岩体渗流正问题模型及有限元分析  29-34
    §2．2．1 裂隙岩体渗流理论模型  29-31
    §2．2．2 裂隙岩体渗流有限元模型  31-34
  §2．3 裂隙岩体渗流参数反问题模型  34-37
    §2．3．1 目标函数的建立  34-35
    §2．3．2 目标未知参数的确定  35-37
  §2．4 渗流有限元直接偏微分算法的提出及应用  37-47
    §2．4．1 Gauss-Newton-Marquit算法原理  37-39
    §2．4．2 渗流有限元直接偏微分算法  39-47
  §2．5 遗传法的改进策略及应用  47-55
    §2．5．1 简单遗传算法（SGA）基本原理  47
    §2．5．2 本文采用的基本遗传算子  47-49
    §2．5．3 基本遗传算法的改进策略及混合遗传算法  49-51
    §2．5．4 新型混合遗传算法的实现步骤及有效性的数值验证  51-55
    §2．5．5 裂隙岩体渗流参数反问题的进化模型  55
  §2．6 程序研制  55-58
  §2．7 本章小结  58-59
第三章裂隙岩体渗流场-应力场静态耦合参数反问题  59-75
  §3．1 概述  59
  §3．2 裂隙岩体渗流场—应力场静态耦合模型及有限元分析  59-69
    §3．2．1 裂隙岩体恒定渗流场与弹性位移场静态耦合理论模型  59-64
    §3．2．2 裂隙岩体静态耦合有限元模型  64-67
    §3．2．3 耦合问题有限元分析中关于非饱和区负压对变形影响的处理  67-69
  §3．3 裂隙岩体渗流场—应力场静态耦合参数反问题模型  69-72
    §3．3．1 耦合参数反问题目标未知参数及目标泛函的建立  69-71
    §3．3．2 耦合参数反问题参数敏感性分析方法  71-72
  §3．4 程序研制  72-73
  §3．5 本章小结  73-75
第四章裂隙岩体渗流场-应力场动态耦合有限元分析及参数反演  75-95
  §4．1 概述  75
  §4．2 裂隙岩体渗流场—应力场动态耦合模型及有限元分析  75-88
    §4．2．1 裂隙岩体非恒定渗流场与弹性位移场动态耦合理论模型  75-78
    §4．2．2 裂隙岩体非恒定渗流场与弹性位移场动态耦合有限元模型  78-82
    §4．2．3 自由面边界积分项的数值积分算法  82-88
  §4．3 裂隙岩体渗流场—应力场动态耦合参数反问题模型  88-90
  §4．4 两场耦合的动态反演方法  90-91
  §4．5 程序研制  91-94
  §4．6 本章小结  94-95
第五章工程实例研究  95-130
  §5．1 概述  95
  §5．2 典型重力坝坝基渗流参数反演实例研究  95-110
    §5．2．1 应用HGA方法和GNM方法反演确定坝基裂隙岩体渗透系数  95-102
    §5．2．2 应用有限元直接偏微分算法进行坝基渗透系数敏感性分析  102-106
    §5．2．3 重力坝坝基水头分布及扬压力预测  106-110
  §5．3 裂隙岩坡耦合有限元分析及参数反演应用研究  110-128
    §5．3．1 裂隙岩坡两场静态、动态耦合有限元分析  110-118
    §5．3．2 裂隙岸坡位移对力学参数敏感性分析及测点优化布置研究  118-124
    §5．3．3 裂隙岩坡两场静态、动态耦合参数反演分析  124-128
  §5．4 本章小结  128-130
第六章结语与展望  130-133
参考文献  133-143
附录  143-144
致谢  144

裂隙岩体渗流场及其与应力场耦合的参数反问题研究

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