水电工程坝基岩体裂隙网络优势分组及动态建模方法研究

摘要

随着我国水电事业高速发展，水电工程多建设于地质条件复杂的高山峡谷地带。水电工程坝基岩体中通常存在大量裂隙、节理等地质构造，这些构造具有形状各异、分布随机、难以测定等特点，将直接影响坝基岩体灌浆、渗流及稳定性分析，进而影响工程安全。通过运用概率统计理论对坝基岩体裂隙进行模拟，建立精确的三维裂隙网络模型是水电工程坝基岩体分析研究亟待解决的关键问题之一。本文以提升三维裂隙网络模型精确性为目标，从裂隙优势分组合理性、参数估计方法准确性以及裂隙网络建模精确性三方面，以优化算法理论为基础开展深入研究，并取得以下研究成果：
　　1.针对水电工程裂隙原始数据分组参数单一以及参数量化不合理等问题，提出基于PSO-BFO（粒子群-细菌觅食）混合优化算法的裂隙多参数优势分组方法：
　　现有的裂隙面分组方法存在分组参数单一、裂隙特征参数量化不合理以及分组优化算法效果差等问题，这些将影响裂隙优势分组结果的合理性，进而影响裂隙模拟的准确性。本文提出基于PSO-BFO混合优化算法的裂隙面多参数分组方法：
　　1.1提出水电工程坝基岩体多参数优势分组数学模型，为实现裂隙多参数分组优化提供了理论基础；
　　1.2在综合考虑裂隙面产状、迹长、起伏形态等参数的条件下，对各参数量化方法展开研究，提出利用分形维数对裂隙面起伏形态进行量化的方法，该方法较传统方法更加客观、准确；
　　1.3将分组由聚类问题转换为优化问题，利用 PSO-BFO混合优化算法实现裂隙多参数优势分组，并通过计算机模拟数据验证了方法有效性；
　　1.4将该方法应用于我国西南某水电站坝后厂房建基面裂隙多参数优势分组，取得了合理的分组结果，为后续构建精确的三维裂隙网络模型，进行坝基灌浆、渗流和稳定性分析提供了可靠数据支撑。
　　2.针对水电工程裂隙尺寸及体密度参数估计方法众多，但是缺乏对不同方法适用性和参数估计准确性方面的研究现状，提出了对各类参数估计方法的准确性进行误差对比分析的方法：
　　现有的研究多侧重于对裂隙几何参数(尺寸、产状、位置、密度)的估计，方法复杂众多，缺乏探讨不同方法的适用性及对参数估计精度的研究，因此通过对裂隙直径分布和体密度参数估计方法的准确性进行误差对比分析，取得如下成果：
　　2.1对目前广泛应用的四位学者(Masanobu Oda, Kulatilake, Mauldon, Song)所提出的体密度估计方法的准确性进行了误差对比分析，得出采用 Mauldon提出的端点估值法进行裂隙体密度参数估计具有较高的精度的结论；
　　2.2对三位学者(Einstein, Song, Tonon)所提出的四种裂隙尺寸估计方法的误差进行了对比分析，并研究了各类方法适用性，得出采用Song所提出的利用测窗内迹线直方图估算裂隙直径分布的方法具有更优的精度与适用性的结论；
　　2.3利用Mauldon和Song所提出的两种方法对裂隙参数进行估计，有助于建立更为精确的三维裂隙网络模型，为动态建模过程提供了良好的初始模型。
　　3.考虑水电工程裂隙几何参数估计精确性对模型精度的影响，提出水电工程坝基岩体三维裂隙网络动态建模方法：
　　由于存在裂隙参数估计的准确性影响模型精度、模型误差量化不合理，同时缺少模型检验方法和提升模型精度方法研究等方面问题；本文以降低模型与实测数据偏差、提升模型精确性为目的，提出水电工程坝基岩体三维裂隙网络动态建模方法：
　　3.1提出三维裂隙网络动态模拟研究框架及数学模型，为建立精确的三维裂隙网络模型提供了理论基础与技术支撑；
　　3.2引入分形维数并基于相对绝对误差建立表征模型与实测数据偏差的误差指标，实现了三维裂隙模型误差的精确表达；
　　3.3以裂隙建模几何参数为决策变量，构建三维裂隙网络动态建模方法：以最小化误差指标为目标函数，利用下山单纯形法动态调整裂隙体密度及直径参数初始值，修正模型误差指标，最终得到统计意义上符合要求的三维裂隙网络模型；
　　3.4将该方法应用于我国某水电工程坝基三维裂隙模拟中，结果表明三维裂隙网络模型精度较高，对实测数据拟合程度高，为水电工程坝基岩体力学及水力学分析提供了准确、可靠的模型基础。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究思路与主要内容

第2章 水电工程坝基岩体三维裂隙网络随机模拟原理

2.1 水电工程坝基岩体三维裂隙网络建模基本流程及假定

2.2 水电工程坝基岩体裂隙多参数优势分组数学模型

2.3 水电工程坝基岩体三维裂隙网络动态模拟数学模型

2.4 小结

第3章 水电工程坝基岩体裂隙多参数优势分组方法

3.1 裂隙特征参数量化方法

3.2 目标函数建立

3.3 聚类分组有效性检验

3.4 PSO-BFO优化算法原理及分组步骤

3.5 算法有效性检验

3.6 小结

第4章 水电工程坝基岩体三维裂隙网络动态建模方法

4.1 三维裂隙网络动态建模研究框架

4.2 裂隙体密度参数估计方法误差对比分析

4.3 裂隙直径参数估计方法误差对比分析

4.4 水电工程坝基岩体三维裂隙网络动态建模方法

4.5 小结

第5章 工程实例分析

5.1 基于PSO-BFO混合优化算法的裂隙多参数优势分组工程实例

5.2 基于误差分析的三维裂隙网络动态建模工程实例

5.3 小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢