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《岩体渗透系数反演的遗传模拟退火方法及其在边坡工程中的应用》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。
1、岩体渗透系数反演的遗传模拟退火方法及其在边坡工程中的应用第19卷第3期2005年6月v0I.19NO.3June.2005岩体渗透系数反演的遗传模拟退火方法及其在边坡工程中的应用杨松桥,龚晶,冯涛.(1.中南财经政法大学基建处,湖北武汉430000}2.山东省水利勘测设计院,山东济南250000}3.国家电力公司昆明勘测设计研究院,云南昆明650000)摘要:基于岩体内地下水渗流的数学模型,根据观测信息采用反演的方法确定岩体的渗透系数将遗传算法和模拟退火算法相结合,建立遗传模拟退火算法以保证反演结果的全局最优性并提高收敛速度.结合边坡工程实例检验了所提出反演方法的有效
2、性.关键词:渗透系数反演,遗传算法,模拟退火算法,全局最优中图分类号:TU452文献标识码:B文章编号:1004—3152(2005)03—0031—051前言在大型的岩土工程中,地下水的流动对岩体的稳定性具有重要的影响,而岩体渗透系数是评价岩体稳定的重要参数之一.工程上一般采用两种方法确定岩体的渗透系数,一是在工程的关键部位布置一定数量的钻孔,在钻孔内进行压水试验;二是对钻孔内的岩芯进行取样,在室内对岩芯的吸水率进行测定,进而通过一定的理论公式换算出岩体的渗透系数.这两种方法各有其优缺点.事实上,由于工程区域地质条件的复杂性和岩体具有很强的不均匀性,局部的测试结果很
3、难反映整个区域内岩体的渗透性能.因此,作者拟通过数学模型来反演获得岩体的渗透系数,这是一种有效的尝试,其基本思想是:建立岩体渗流的数学模型,通过观测获得渗流区域地下水运动的动态信息,并把这些信息回代到模型中去,从而反演出岩体的渗透系数.反演法确定岩体的渗透系数的方法近年来已受到广大学者的重视:Jahns(1996)采用高斯牛顿方法识别岩土的渗透系数-1J,Abbaspour(2O01)建立了基于共轭梯度法的非饱和渗流参数识别的数值方法[2],盛金昌(2003)采用序列二次规划法建立了三维天然岩体的渗流参数反演方法并进行了工程验证[3].由于岩体渗流问题的非线性特性,使
4、得其参数反演问题的目标函数具有多值性,传统的线性化参收稿日期:2004—08—16数反演方法无法解决局部极值与全局优化问题.遗传算法是一种模拟自然选择和生物进化机制的优化算法.它能够隐含并行地进行全局搜索,有效避免陷入局部最优,并且对目标函数无可微,可导和连续的要求.遗传算法已经广泛用于结构损伤识别,地球物理反演和岩体参数识别中.但是,经典的遗传算法所存在的缺陷在于收敛速度慢和早熟问题.本文将遗传算法与模拟退火算法相结合,建立遗传模拟退火算法,在保证全局收敛的同时,提高收敛速度;然后采用所建立的遗传模拟退火算法进行三维渗流场的渗透系数反演,并以工程实例检验所建立反演方
5、法的有效性.2渗流的基本理论及渗透系数反演方法2.1渗流的基本方程及边界条件天然岩体中的无源汇项的三维稳态渗流方程可表示为[4]:(志)+(志)+(志:瓦OH)=o(1)式中H为水头;k,k,k:分别为沿z,Y,方向的主渗透系数.显然,对式(1)的求解需要给出必要的边界条件.工程上常取以下两类边界条件:如果边界上的水头是已知的,则这类边界称为水头边界或第一类边界,边界条件表示为:32土工基础H(x,)lF1一h(x,)(2)如果可通过观测得到边界上单位面积在单位时间内的渗流量,则称这类边界为流量边界或第二类边界,边界条件表示为:Q(l一是z+忌z+忌z(3)式中,z分
6、别为边界I1的外法线沿,Y方向的方向余弦;Q(,)为边界r2上单位面积在单位时间内的渗流量.2.2岩体渗流场计算的有限元方法式(1)在边界条件式(2),式(3)下的解等价于下述泛函的极值一Ⅲ挪]一以(忌z+忌z+忌:z一Q)r一0(5)由泛函式(5),由变分法可得渗流场的有限元方程:[K]{H)一{P)(6)式中[K]为总渗透系数矩阵;{H)为总水头矩阵{P)为右端项.2.3岩体渗透系数反演方法工程上进行岩体渗透系数反演常常基于在工程关键部位所布置的观测孔内的水头观测值,因而,从数学的角度出发,渗透系数反演问题可以归结为寻找满足上下限要求的渗透系数k一{k,k,…,k
7、)使水头观测值和实测值之间的加权误差平方和最小,亦即Findk一{kl,k2,…,k)(7)MinS一:∞(H一H)(8)st忌,≤忌,≤(9)式中为第i个观测孔处的权系数,忌,分别为第_『个渗透系数kj的下限和上限;H,H分别为第个观测孔处水头的计算值和观测值;m为待反演的渗透系数的个数;N为观测孔数.根据水文地质情况,常常将工程区域内的岩体划分为若干个区域,若区域数多于一个且各区域内的渗透系数是各向异性的,由渗流的基本方程(1)可以看出,当没有第二类边界时,各区域内的渗透系数同时乘以一个相同的系数,渗流的基本控制方程(1)依然能够满足,因而,在参
