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《大坝及岩基物理力学参数优化反演分析研究_苏怀智》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、水利学报2007年10月SHUILIXUEBAO增刊文章编号:0559-9350(2007)增刊-0129-06大坝及岩基物理力学参数优化反演分析研究1,211苏怀智,李季,吴中如(11河海大学水利水电工程学院,江苏南京210098;21水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心,江苏南京210098)摘要:根据大坝原型观测资料识别大坝结构力学参数是典型的非线性反问题,而反问题往往具有Hadamard意义下的不适定性。基于位移反分析方法的基本原理,依据大坝原型观测数据和有限元数值计算成果,建立了优
2、化目标函数后,应用遗传模拟退火算法实现了对大坝及岩基物理力学参数的反演分析。对反演原理、算法及流程进行了研究。将遗传算法和模拟退火算法相结合,既提高了优化问题全局收敛速度,同时克服了传统方法求解病态方程的困难。实例分析表明,该优化反演方法对抵抗噪音有较强的能力,且与正分析形成的闭合环路可以高精度的完成大坝工作性态的分析。关键词:大坝;参数反演;位移反分析法;遗传算法;模拟退火算法中图分类号:TV698文献标识码:A1研究背景基岩和坝体物理力学参数的取值是坝工设计和分析坝体和坝基的应力、变形以及裂
3、缝形成机理等的基础。但对于运行多年的大坝和岩基,其实际综合力学参数与设计及试验值有时相差较大,库区岩基[1]的力学参数也变化较大,从而影响了原型观测资料分析的质量和坝工设计水平,因此,有必要对坝体及坝基的主要物理力学参数(如综合弹性模量或变形模量等)进行反演分析,由此评价大坝的强度和稳定、拟定典型坝段的变形监控指标等。依据与基岩和坝体物理力学参数有一定关系的其它量(如位移、温度等)在结构边界上的值,应用反演理论和方法来推求这些待定量,是原型观测资料反分析的基本思想。如文献[2]提出利用离下游不同
4、深度的温度计测值,并考虑坝面黏滞层的影响,来反演混凝土导温系数的方法;文献[3]根据热传导方程,引用差分理论,提出了利用坝体表面温度计实测值计算混凝土热力学参数的反分析模型;近年来,随着人工智能和信息科学等新兴学科的不断涌现和发展,诸如神经网络、遗传算法、粒子群算法等优化方[4~6]法在结构物理力学参数反演分析中得到了快速应用。上述方法可以归结为逆反分析(常规反演方法)和正反分析(优化反演方法)两类反演方法。其中正反分析方法是将结构数值模拟方法和最优化方法结合起来,将参数反演归结为数学规划中求平
5、方和函数极小化问题,利用迭代方法逐步修正材料的物性参数,使得观测值与计算值之差达到满意为止。在反问题中,由于物理模型的不确切,观测数据的不完全,含有一定误差和某些物理过程的不可逆都可能使反演分析呈现出不适应性,导致在求解时无法保证被优化的目标函数是凸的,往往具有多峰(谷)特性。因此,正反分析方法引起了人们广泛的关注。但收稿日期:2007-07-30基金项目:国家重点基础研究发展规划(973项目)(2002CB412707);国家自然科学基金雅砻江水电开发联合研究基金重点项目(50539110);
6、国家科技支撑计划项目(20006BAC14BO3);国家自然科学基金重点项目(50539010);国家自然科学基金(50579010);水利部/9480项目(CT200612)作者简介:苏怀智(1973-),男,内蒙古鄂尔多斯人,博士,副教授,主要从事水工结构工程安全监控工作。E_mail:su_huaizhi@hhu.edu.cn)129)常见的优化方法,如Levenberg-Marquardt方法、Tihonov正则化方法、Gauss-Newton方法、Bayesian参数估计方法、修正Ga
7、uss-Newton方法以及罚函数法等,在迭代过程中,需要多次计算灵敏矩阵,其计算工作量是相当大的。遗传算法在解决大空间、非线性、全局寻优等复杂问题的求解中,比传统优化方法具有较大的优越[7]性;但是在实际应用中容易出现早熟收敛现象,而且在进化后期搜索能力较低。模拟退火算法是局部[8]搜索算法的扩展,它不同于局部搜索之处是以一定的概率选择领域中适应值较小的解空间。为了增强遗传算法的全局收敛性,加快进化后期的收敛速度,对交叉和变异后的个体实施模拟退火操作,形成一种遗传模拟退火混合优化算法。文中基于
8、大坝位移有限元数值计算值和原型观测值所建立的目标函数,应用遗传退火算法,研究了大坝及岩基物理力学参数优化反演问题。由于在对结构进行力学分析时采用的有限元法和优化计算时采用的遗传退火算法通用性很好,因此该方法具有较强的实用性。同时该方法是全局收敛的,不存在基于函数局部微分特性的反演方法可能遇到求解病态方程的困难,且对抵抗噪音有很强的能力。2结构物理力学参数的位移反分析法基本原理基于大坝工作性态原型观测资料和结构数值模拟值,反演大坝及基岩的物理力学参数时,其数学模[9,10]型可由弹性力学位移法基本
