应用遗传算法搜索碾压混凝土坝滑动面的研究.pdf

水 力 发 电 第4 O 卷第3 期 2 0 1 4年 3月 应用遗传算法搜索碾压混凝土坝 滑动面的研究 舢 5 t 陈健 云 ，王 舒 ，徐 强 ，李 静 ( 大连理 工大学海岸和近海工程 国家重 点实验 室，辽 宁 大连1 1 6 0 2 4 ) 摘要：通过对高碾压混凝 土坝进行有 限元仿真分析得到坝体应力场 ，将坝体抗滑稳定安全 系数 与遗传算法 的适应 度函数相联系，利用遗传算法搜索不同层面力学参数下的临界滑动面，得到碾压混凝土坝滑动面形状随抗剪强度指 标的变化规律 以及 地震 动超载对滑动面形状 的影响。结果表 明 ，当抗剪 断参数较 小时 ，坝体的破坏趋近于层面剪切 破坏 ，随抗剪 断参数 的增大 ，滑动面形状接近于常态混凝土坝的滑动面。 关键词 ：碾压混凝土坝 ；遗传算法 ；抗滑稳定 ；抗剪断参数 ；滑动面形状 Re s e a r c h o n S l i d i n g S u r f a c e o f Ro l l e r Co mp a c t e d Co n c r e t e Da m s Ba s e d o n Ge n e t i c Al g o r i t h m C HE N J i a n y u n ， WA N G S h u ， X U Q i a n g ， L I J i n g ( S t a t eKe yL a b o r a t o r yo f C o a s t a l a n dO f f s h o r eE n g i n e e ri n g , Da l i a nUn i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y , Da l i a n1 1 6 0 2 4 , L i a o n i n g , C h i n a ) A b s t r a c t T h e s t r e s s fi e l d o f h i g h r o l l e r c o m p a c t e d c o n c r e t e ( R C C )i s f i r s t l y o b t a i n e d b y fi n i t e e l e m e n t s i mu l a t i o n a n a l y s i s ， a n d t h e n t h e s l i d i n g - r e s i s t i n g s a f e t y c o e ffic i e n t o f d a m i s a s s o c i a t e d w i t h t h e fi t n e s s f u n c t i o n o f G e n e t i c A l g o ri t h m( G A )t o s e a r c h t h e c ri t i c a l s l i d i n g s u rfa c e s o f d a m u n d e r d i f f e r e n t l e v e l s o f me c h a n i c a l p a r a me t e r s b y GA , S O fi n a l l y t h e v a ri a t i o n o f RCC d a m s l i d i n g s u r f a c e s h a p e w i t h t h e s h e a r s t r e n g t h i n d e x e s a n d t h e e f f e c t of s e i s mi c mo t i o n s O i l s l i d i n g s u r f a c e s h a p e c a n b e g o t T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e f a i l u r e o f d a m c l o s e s t o l a y e r s u r f a c e s h e a r f a i l u r e w h e n the s h e a r s t r e n gth i n d e x e s a r e s ma l l , a n d t h e s h a p e o f s l i d i n g s u rf a c e wi l l c l o s e t o t h e s l i d i n g s u r f a c e o f n o r mal c o n c r e t e d a m wi th the i n c r e a s e s o f s h e a r s t r e n gth i n d e x e s Ke y W o r d rol l e r c o mp a c t e d c o n c r e t e d a m； g e n e t i c a l g o ri thm； a n t i - s l i d i n g s t a b i l i t y ；, s h e a r s t r e n g t h i n d e x ； s l i d i n g s u rf a c e s h a p e 中圈分 类号 ： T V 6 4 2 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 0 5 5 9 - 9 3 4 2 ( 2 0 1 4 ) 0 3 o o 3 4 - O 3 O 引言 相对 于 常 态 混凝 土 坝 碾压 混 凝 土 坝 具有 工 程 造 价 低 、建 坝 周 期 短 、环 保 等 优 点 。但 是 ， 由于碾 压 昆凝 土 坝实 行 薄 层 浇筑 ，坝 体 中存 在 许 多 水平 层 面 ，沿 层 面 的抗 剪 强 度 明显 低 于 混凝 土本 体 。传统 的稳 定分 析方 法 1 以安 全 系数作 为 工程 安全 度 的评价 标 准 ，这 些 方法 遵 循 的都是 沿 层 面 破坏 的准 则 。但 是 并 没 有 充 分 的 科 学 根 据 证 明 碾 压 混 凝 土 重 力 坝 一 定 沿层 面发 生 失稳 破 坏 故利 用 最 优 化算 法搜 索 碾 压 混 凝 土 坝 的 最 不 利 滑 动 面 具 有 深 远 意 义 。 王 成 华 、 夏绪 勇 等2 J 曾将 非线 性有 限元 分析 和遗 传搜 索算 法 相 结 合 ，研 究 了基 于应 力 场 的 任 意形 状 临 界 滑动 面 的 圜W a r e r P o e r V o f 4 D N o 3 遗传 算 法搜 索技 术 。万文 、曹平 【3 】 提 出一种 加 速混 合 遗 传算 法 ， 自由搜 索 最 危 险 任意 形 状 滑 动 面 ，并 计 算 其 对应 的最 小 安全 系数 。本文 用 遗 传 算法 搜 索 出 地 震 作用 中坝 体 最脆 弱 滑 动 面 ，并 得 到 相应 的抗 滑 稳 定 系数 ，对 于 碾 压混 凝 土 坝 的安 全 评 价具 有 重 要 意 义 。 1 遗传算法 及其应用 碾 压混 凝 土 坝稳 定 分 析 的基 础遗 传 算 法 计算 程 收稿 日期 ：2 0 1 3 0 8 1 3 作 者简介 ：陈健 云( 1 9 6 8 一 ) ，男 ，辽宁大连 人 ，教授 ，主要从 事水 工结构 动力灾变 方面的教学 和科研工作 小 1 ) 匠 z ， 寸： n 巾J 1 井， 厶 丁 叉 糸1 l ， 恢J ， C 匕 上J ， 日 上 w 止 口 7 序广 泛 应用 于工 程 领域 其 工 作 流程 可 以查 阅 相关 文献 。碾压 混 凝 土 坝 滑 动 面搜 索 的算 法 采 用 实 数 编 码 ，选 择合 适 的参数 ，包 括 群 体大 小 、交叉 概 率 和变 异 概率 P m ，适应 度 函数 即滑 动 面抗 滑 稳定 系数 k f 5 _ 的计 算公 式 为 ( o r z + ) k = ( 1 ) 一1 z 式 中 ， 是 组 成 一 个 滑 动 面 的节 点 个 数 ； 是 滑 动 面 中第 个 小片 段 的长度 ：C 和 厂 ， 贝 U 为 坝体混 凝 土 的 粘 聚力 和抗 剪 断摩 擦 系数 ；Z 、o r 和 分别 为滑 动 面 中第 i 个小 片段 上 的长度 、正应力 和剪应 力 。 遗 传 算 法 的 主要 步 骤 ： 产生 初 始 种 群 。取 随 机 产 生 的滑 动 面 为初 始 群 体 ，滑动 面用 节 点 系列 来 描 述 ； 选 择 。对 每一 染 色 体 ( 滑 动 面)计 算 其 适 应 值 k ，选 择 通 过 模 拟 旋转 滚 花 轮嗍的 算 法 进 行 ； 交叉 。生成 随 机数 r a n d 1 ，若 r a n d 1 P ，则对 该 染 色 体做 交 叉运算 ，本文 选用 两点 交叉 ； 变异 。生 成 随机 数 r a n d 2，若 r a n d 2 P m ，则 表示 该染 色 体 需要 做 变异 处 理 。 2 数值模型计算 选 用 阿 海水 电站 碾 压 混凝 土 某 一 非 溢 流坝 段 作 为 研 究 对 象 ，坝 高 9 0 i n，坝 顶 宽 1 2 IT I ，上 游 坝 面 为 竖 直 平 面 ，下 游 坝 面坡 度 n =l ： 0 7 5 。模 型 采 用 平 面有 限元 ，考 虑 的荷 载 主要 有 坝 体 自重 ，上 游 静 、 动 水 压 力 及 、 y 方 向 的 双 向地 震 荷 载 。 上 游 正 常 水 位 为 8 4 IT I 。地 震 波 选 用 k o y n a地 震 波( 见 图 1 ) ， 地 震 的 持续 时 间为 1 0 s 。模 型采 用 刚 性地 基 ，阻 尼 采 用 Ra y l e i g h阻 尼 。 由于碾 压 混 凝 土筑 坝 采 用 薄 层 摊 铺 碾压 施 工 工艺 ，使 得 坝 体含 有 层 间 薄 弱面 ，引 起 垂 直层 面 方 向弹性 模 量 降低 ，但 在 平 行 于层 面 的 各 个 方 向具 有 相 同 的弹 性 ，致 使 碾 压 混凝 土横 观 各 向 同性 ，取 垂 直于 层 面方 向 的弹 性模 量 ，顺 层 面 方 向 的 弹性 模 量 ，考 虑 碾 压 混 凝 土 is 厘 = 0 5进 行有 限元 时程 分 析 。材 料 采用 线 弹 性模 型 ，E= 3 1 X 1 0 m 泊 松 比 i t = 0 2 。地 震 过程 中库 水 动水 压 力 的作 用 采 用 附 加 质 量 来 模 拟 。 3 计算结果分析 本 文 分 别 搜 索 了地 震 波 幅 值 A 为 0 2 g和 0 3 g时 不 同 抗 剪 断 参 数 下 的 滑 动 面 ，搜 索 结 果 见 表 1 。 为 了能 更深 入地 研 究 滑动 面 的相 关特 点 ，绘 制 了各 种 临界 滑 动 面 的具 体 形 式 ，如 图 2所示 。各 情 0 3g O 1 g 。 。 l g 器- 0 3g -0 5g ： 【 l I 一 。 I y T a 向 b Y 向 图 1 K o y n a地震波加速度时程 曲线 表 1 不同幅值工况和不同层面力学参数下程序的搜索结果 f= O 8 , c = 0 8 ，= 1 O ,c = 1 0 f= 1 2 ， c = l 8 ，= 1 4 ， c = 2 6 a= 0 2g f= 0 8 , c = 0 8 _厂 l O , c = 1 0 f = l 2 ， c = 1 8 f= 1 4 , c = 2 6 b A 3g 图 2不同工况下搜索到的临界滑动面 ( 包括倾向上游和下 游两种情况 ) 况 下 得 到 的抗 滑 稳 定 系 数 均 大 于 1 ，说 明 坝体 在 地 震 过 程 中稳 定 。 另外 ，S L 3 1 4 2 O O 4 碾 压混 凝 土 坝 设计 规 范 中规 定 碾压 混凝 土 坝 只 需要 计 算 沿 坝 W a t e r P o w e r V o 1 4 0 N o 3 困 帅 时 g g g g 5 5 5 5 2 O l 3 O 0 O O _ _ 曩 基 面 、基础 深 层 滑 动 面 、层 面 的抗 滑 稳 定 ，这 些 还 不 够完 善 。从 搜 索 结果 来 看 ，无 论 是 倾 向上游 还 是 倾 向下 游 的滑 动 面 ，其 对 应 的抗 滑 稳 定 系 数均 明显 小 于水 平 滑动 面对 应 的最 小 抗 滑稳 定 系数 ，所 以说 如 果 简 单 地 用 某 个 水 平 状 滑 动 面 上 的 抗 滑 稳 定 系 数 来评 价 坝头 部位 的稳 定性 是偏 于危 险 的。 两 种 幅值 地 震 波作 用 下 。倾 向上 游 情 况 下搜 索 到 的 临 界 滑 动 面 的 抗 滑 稳 定 系 数 k 均 比 倾 向 下 游 情 况 下 的 k 小 。这 是 因 为 混 凝 土 重 力 坝 的 上 游 面 是 一 个 竖 直 面 而 下 游 面 是 一 个 斜 坡 面 这 种 不 对 称 的 几 何 外形 ，在 地震 荷 载 作 用下 ，坝 体 向上 游 方 向晃 动 会 更剧 烈 一 些 从 而 导致 坝体 更 容 易 向上 游方 向 滑 动 。在 地 震 波 幅值 A 等 于 0 2 g和 0 3 g工 况 下 ， 无 论 是对 于 倾 向上游 还 是 倾 向下 游 的情况 搜 索 得 到的 临界 滑动 面均非 常 相似 。 通 过 分 析 可 知 ： 摩 擦 系 数 厂和 粘 聚 力 c越 小 ， 滑 动 面 水 平 段 的 距 离 越 长 ， 说 明 剪 切 强 度 参 数 比 较 小 时 ， 碾 压 混 凝 土 坝 的 失 稳 表 现 为 沿 层 面 的 剪 切 滑 移 ； 滑 动 面 多 集 中 在 下 游 折 坡 处 附 近 ， 说 明 该 处 比 较 脆 弱 ，是 坝 体 抗 震 的重 点 部 位 。摩 擦 系 数 厂和 粘 聚力 c逐 渐 增 大 时 ，滑 动 面跨 越 的 区 域 随 之 变 大 当 1 4、c = 2 6时 ，滑 动 面 的形 状 非 常趋 近 与 常 态 混 凝 土 坝 的 滑 动 面 形 状 l 1o l 。说 明 当剪 切 强 度参 数 比 较大 时 ，可 以认 为 层 面粘 结 良好 ，碾 压 混 凝 土 的物 理 力 学 性 质 接 近 于 常 态 混 凝 土 的 物 理 力 学 性 质 。 另 外 ，在 剪 切 强 度 参 数 比较 小 时 ，碾 压 混 凝 土 坝 的 破 坏 路 径 和 常 态 混 凝 土 坝 的破 坏 路 径 有 较 大 的差 异 。 因此 ，在 进行 有 限元 计算 时 。应 该 考虑 横 观 各 向 同 性对 坝 体强度 和 稳定 的影 响 。 4结 研 究 结果 验 证 了遗传 算 法 在 碾压 混 凝 土 重力 坝 的滑 动 面搜 索 问题 中 的可行 性 和 有 效性 。从 程 序 的 搜 索 结果 来 看 。该 区域 内最 脆 弱 的潜 在 滑动 面 为一 ( 上 接 第 2 5页 ) 固结情 况做 出合 理 的评 价 和符合 实 际 的预 测 ，同时 也 为类 似 工 程设 计 和 施 工 提供 了参 考依据 。 参考文献 ： 1 娄炎 真空排水预压法加 固软土技术 M 北京 ：人民交通 版 社 2 01 3 2 文辉辉 ，尹建 民 ，秦志光 ，等 B P神经 网络在 同岩力学参数 反 演中的应用 J 长江科学院 院报 ，2 0 1 3 ，3 O ( 2 ) ： 4 7 5 1 ，5 6 豳W a t e r P o e r V o z D N o 3 倾 向上 游 的 曲面 ，而不 是 简 单 的水 平 直 线 面 ，重 力 坝 的 坝体 部 分在 地 震 作用 下 具 有 更容 易 向上 游方 向 失稳 的趋 势 。在 一 条 特定 的地 震 波作 用 下 ，即使 调 整 了其 幅值 ，坝 体 最 软 弱 滑 动 面 的 形 式 非 常 相 近 。 当剪 切 强 度 参 数 比较 小 时 ，碾 压 混 凝 土 坝 的 破 坏 表 现 为 沿 层 面 的 剪 切 滑 移 ，但 是 当 剪 切 强 度 参 数 比 较 大 时 ，破 坏 形 式 趋 近 于 常 态 混 凝 土 坝 的 滑 裂 面 破 坏 。 参考文献 ： 1 寇 力夯 ，王进廷 ，金峰 碾压混凝 土坝层 面稳定分析 的评价方 法研究 J 水利水电技术 ，2 0 0 8 ( 7 ) ： 3 5 3 8 【 2 WA NG C h e n g h u a ， X I A Xu y o n g ， L I G u a n g x i n G e n e t i c a l g o r i t h m f o r s e a r c hi n g for c rit i c a l s l i p s u r f a c e i n s o il s l o p e s b a s e d o n s t r e s s fi e l d s J 1 J o u r n a l o f T s i n g h u a U n i v e r s i t y ( S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y) ， 2 0 0 4 4 4 ( 3 ) ： 4 2 5 4 2 8 3 万文 ，曹平 ，冯涛 ，等 基于加 速混合遗 传算法搜 索复杂边 坡 的最危险滑动面 J 岩土工程学报 ，2 0 0 6 ，2 8 ( 4 ) ： 4 7 5 4 7 9 4 G E J i k e ， Q I U Y u h u i ， wu C h u n m i n g ， e t a 1 S u m ma r y o f g e n e t i c a l- g o r i t h ms r e s e a r c h J 1 A p p l i c a t i o n R e s e a r c h o f C o m p u t e r s ，2 0 0 8 ( 1 0 ) ： 5 Z H A NG B i n h o n g ， Y AO j i ， L I Z e ， e t a 1 A n a l y s i s O D S t a b i l i t y A g a i n s t Sl i d i n g o f C o n c r e t e Gr a v i t y Da m Ba s e d o n Fi n i t e El e me n t Me t h o d J J o u r n a l o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d Ar c h i t e c t u r a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 1 0 ( 1 ) ： ? 7 6 Y A NG P i n g ， Z H E N G J i n h u a C o mp a r i s o n a n d r e s e a r c h o v e r g e n e t i c s e l e c t i o n o p e r a t o r s J C o m p u t e r E n g i n e e r i n g a n d A p p l i c a t i o n s ， 2 0 0 7 ， 4 3 ( 1 5 ) ： 5 9 6 2 7 C A I L i a n g w e i ， L I Xi a I mp r o v e m e n t o n c r o s s o v e r o p e r a t i o n o f g e n e t i c a l g o r i t h ms J S y s t e ms E n g i n e e r i n g a n d E l e c t r o n i c s ， 2 0 0 6 ， 2 8 ( 6 ) ： 9 2 5 9 2 8 8 牛志圉 ，胡少伟 ，陆俊 横 观各 向同性对 碾压混凝 土重力坝 动 力特性 的影响 J 水力发电 ，2 0 0 9 ，3 5 ( 5 ) ： 3 0 3 2 9 S L 3 1 4 2 0 0 4碾压混凝土坝设计 规范 S 1 0 熊健 混凝 土重力坝 的抗震安全评价分析 D 大连 ：大连理工 大学 2 0 0 8 ( 责任 编辑王琪 ) 3 MI K A S A M T h e c o n s o l i d a t i o n o f r a f t c l a y J C i v i l E n g i n e e ri n g i n J a p a n ， 1 9 6 5，1 ( 1 ) ： 2 1 - 2 6 4 A KI R A A O b s e r v a t i o n a l p r o c e d u r e o f s e t t l e m e n t p r e d i c t i o n J S o i l s a n d f o u n d a t i o n s ， 1 9 7 8 ， 1 8 ( 4 ) ： 8 7 1 0 1 5 李庆扬 ，王 能超 ，易大义 数值分析 M 北京 ：清华 大学出版 社2 0 0 8 6 覃卫 民 ，杨育 密集建 筑群下大 断面隧道 施 反馈 分析及 安全 性控 制研 究 J 岩石力学与工程学报 ， 2 0 1 0，2 9 ( 4 ) ： 7 9 5 8 0 3 ( 责任 编辑杨健 )