基于K近邻改进密度峰值聚类分析法的岩体结构面产状优势分组

为了研究结构面对岩体稳定性的影响,需要清楚岩体结构面的发育规律。传统玫瑰花图、极点图和等密度图等岩体结构面产状优势分组方法较为粗糙,主观因素影响较大,而采用K均值聚类算法、FCM模糊聚类算法则可以得到较为准确的分组结果,但须事先指定聚类数量及初始聚类中心。初始划分对分组结果影响较大,因此提出一种基于K近邻改进密度峰值聚类分析法的岩体结构面产状优势分组的新方法,该方法优点在于无需迭代过程、计算速度快、可自动探测聚类中心数量,并可通过自动计算岩体结构面局部密度大小和聚类中心距离更加准确地确定聚类中心,实现结构面产状的合理划分。通过应用计算机模拟生成的结构面产状数据进行产状优势分组,验证了该方法的准确性和可靠性。最后将这种方法应用于怒江松塔水电站坝址区实测的结构面产状优势分组中,得到了较为符合实际的分组结果。     

基于响应面法的泵站弹模反演分析

针对目前试验室测试和现场试验进行力学参数的测定具有局限性这个问题,利用某些具体已知监测值对泵站的具体物理参数进行反演分析。选取泵站以及地基的弹模进行反演研究。首先,在有限元分析的基础上,利用中心复合设计进行有限次试验,建立可反映泵站弹模与位移之间非线性隐式关系的响应面方程,以代替有限元计算;其次,利用遗传算法对响应面方程目标函数进行迭代寻优,从而实现泵站弹模的反演分析。最后,选取了2个泵站,利用监测值进行反演,响应面方程结果的误差大都在1%以内,最终弹模反演的误差在2%以内。经数值算例表明,该方法计算结果误差小,求解效率高,能准确地反映材料的真实情况。研究成果可为实际泵站工程的参数确定提供参考。     

感潮河段平面二维非恒定水流模型深化研究

建立了基于非结构网格的感潮河段平面二维非恒定流模型,探讨了时间步长和非结构网格无序性对计算误差的影响,并和结构网格上的研究成果进行了对比。计算结果表明:(1)当采用隐式算法求解非恒定流时,时间步长会对流速和水位计算结果产生影响,当时间步长小于一定值时,计算所得的水位过程和流速分布才和实测值比较吻合,当时间步长增加时计算值与实测值之间误差将逐渐增加;(2)时间步长较小时,网格布置的无序性不会对非恒定流模拟产生明显不利的影响,但是随着时间步长的增加非结构网格的无序性会导致计算误差快速增加。     

标准门洞型过水断面简捷水力计算法

由于标准门洞型过水断面的水力计算涉及超越方程的求解问题，因而使目前的求解方法仅限于图表法或试算法，既不便实际工作又很难保证成果精度。通过对原计算函数的优化拟合，提出了标准门洞型过水断面水力计算的简捷表达式，避免了目前常规方法获解所存在的问题，在实用范围内，成果的最大误差仅为０．４８％。     

基于协同进化遗传的混凝土温度场差分反演算法

针对差分算法求解温度场与实际温度值存在误差问题,提出用协同进化遗传算法对误差进行修正,以得到准确的温度值。根据温度场原理并利用差分方法,结合实际工程项目建立了相应的温度场差分模型,并将计算结果与实际温度场数据进行分析比较。对两者存在的温度误差问题,建立协同进化遗传差分反演模型对其进行求解,确定温度场参数,并进行正算,改进后所得结果与实际误差较小。该算法可为工程实际类似问题温度场的求解提供一定的参考作用。     

基于改进PCA法在水资源承载力中的应用

针对水资源承载力多因素复杂性和不确定性等影响,在原始数据标准化计算基础上,避免算法差异性和局限性,通过改进主成分分析法,均值化取代标准化计算,以湖北省2013～2017年连续水平年为例,从水资源、社会经济、生态环境等方面选取14个代表性指标中计算得到影响全省水资源承载力变化的2个主因子,综合得分评价出全省近5年的水资源承载力状况变化。结果表明,全省水资源承载力呈现上升趋势,2016年出现细微波动,说明改进算法相比于传统主成分算法具有明显的降维作用,提高了第一主成分因子的方差贡献率,全面保留了原始数据的相关综合信息,通过验证说明改进算法运用到水资源承载力计算中是合理可靠的,进一步提高了计算效率。     

半立方抛物线形断面渠道收缩水深迭代算法

半立方抛物线形断面渠道收缩水深的计算较困难,主要是因为需要求解高次隐函数,传统的图解法和试算法计算结果精度较低,且过程复杂,不方便应用到实际工程中。该文通过合理变形处理半立方抛物线形断面渠道收缩水深的基本方程,得到迭代公式,并证明了其收敛性,再通过求解方程获得迭代初值函数,进而得到半立方抛物线形渠道断面的收缩水深公式,经误差分析,在实际工程常用范围内,收缩水深初值最大相对误差小于0.27%,经一次迭代后,收缩水深最大相对误差小于0.06%。实际算例表明,该计算公式形式简单,计算结果精度高,适用范围广。     

BP神经网络在一维降雨入渗深度的仿真应用

降雨引起的土体滑坡中,绝大多数滑动面都在边坡土体的最大入渗深度范围之内,快速识别降雨入渗深度对滑坡前期的预测预报具有重要的意义。以室内一维降雨入渗试验为基础,抽取表征降雨入渗深度的关键特征值,采用主成分分析法,将影响降雨入渗深度的5个特征值综合成2个主成分,基于主成分分析建立BP神经网络仿真预测模型。预测结果与实际入渗深度最大误差值仅为4.69%,说明网络性能良好。     

三维激光扫描系统在岩体结构面识别中的应用

现阶段岩石工程仍主要通过罗盘进行裂隙结构面的工程勘察,而三维激光扫描技术可替代这一传统地质勘察手段。本文给出了该技术半自动和全自动化的两种岩石结构面识别的方法和步骤。半自动结构面识别方法首先进行坐标变换,根据扫描坐标点云数据拟合平面,求解岩石产状。全自动结构面识别方法则要根据扫描数据进行表面重建,应用模糊聚类方法对结构面进行分组,以Fisher分布的K值作为判断聚类效果的指标,通过去除边界点,逐步迭代获得出露岩体结构面组的优势方位。最后采用全自动结构面识别方法进行实例分析。研究表明,采用该技术可方便得到岩石体的优势产状,扩展了岩石勘察的范围。     

用已知位移反求平面应变问题的弹性模量

本文利用阻尼最小二乘法求解平面应变问题的结构弹性模量。通过分析阻尼最小二乘法和平面应变有限元方程的特点,将雅可比矩阵的诸元素表示为弹性模量和位移的显式函数,避免中心差分代替导数带来误差。另一方面,充分利用边界约束条件,加快求解过程,数值计算表明:收敛速度快,稳定性好。     

块体理论中结构面相交算法优化研究

针对传统块体理论中结构面无限延伸的假定和部分有限结构面理论的不足,提出了一种新的结构面相交关系的判定方法。在结构面有限延伸的前提下,选择结构面圆盘模型进行分析。在判定两结构面是否相交的计算中,回避了线段与圆形直接求交的困难,选择投影法,即求得两结构面交线矢量的法平面,根据法线在法平面投影为一点、圆形域在对应法平面投影为线段的特点,分别计算垂足和两圆心投影点的距离并与圆形域半径进行比较,分析交线和圆形结构面域的包含关系,进而对结构面相交与否进行判断。并利用此原理提出了块体分析工作中野外实测结构面的筛选方法,经由判别矩阵的筛选,剔除原无限块体理论不能分辨的、实际延伸很短、并不与其他结构面相交,或虽与其他结构面相交,但对形成块体没有贡献的结构面。新算法简化了块体计算的工作量,大大提高了效率,对结构面数据量大的块体分析工作尤为明显。     

高陡边坡灌浆岩体变形模量测试及评价

现场原位变形试验能准确获取岩体的变形模量,是评价岩体灌浆加固效果的有效方法。我国西南山区山高谷深、地形险要,复杂的地形和气候条件使得在边坡表面开展原位变形试验极为困难。为此提出了高陡边坡原位变形试验与测量方法,分析了应力传递深度对变形试验结果的影响和温度变化引起的变形测量误差的计算公式。以某水电站高边坡为例,选择含平行结构面的不同质量岩体,对其灌浆前、灌浆后及强化灌浆后的变形模量进行测试,得到结论如下:①固结灌浆对高质量岩体变形模量的提高效果不明显,而低质量岩体在灌浆后、强化灌浆后变形模量可分别提高22%和38%;②结构面充填胶结后,会对两侧岩块变形起到约束作用,类似增加中间主应力提高岩体变形模量的效果,沿结构面走向方向的岩体变形模量也会明显提升。     

基于钻孔图像的结构面分布分维数计算方法

在工程实践中,对岩体结构面分布的分维数进行实测往往存在一定的难度,但是采用钻孔摄像技术既能够准确获取布设的钻孔内各项地质信息,而且形成的钻孔图像能够直观地反映钻孔中岩体结构面的特征参数,因此提出了一种基于钻孔图像的岩体结构面分布分维数计算方法。该方法的原理是:首先,通过钻孔图像获取研究区域内各钻孔内的岩体结构面的特征参数(包括倾角、倾向、隙宽、间距);然后,根据各钻孔之间的连通判断准则,判断区域内各钻孔结构面的连通性,并估算出研究区域内结构面的迹长值,同时参照钻孔的孔位及深度信息,来界定研究区域模型的范围;最后,结合Monte-Carlo法,建立岩体结构面分布的三维网络模型,根据分维数计算方法,求解模型各研究面的分形维数,并将3个钻孔的整体连通模型和各钻孔模型所得到的分维数开展对比分析。结果表明,该方法的计算结果与其他评价方法的结论一致。     

基于三维激光扫描技术的岩体RQD获取方法与程序

在西南地区岩质边坡高陡的特殊地形条件下,常规的地面地质调查方法难以开展。引入三维激光扫描技术获取边坡体出露的结构面各项几何参数(产状、间距、迹长),然后以这些地质资料为基础,结合结构面网络模拟技术生成不同走向网络图,通过在网络图上布置人工虚拟钻孔来计算得到岩体质量指标(RQD)。结果表明:提出的方法适用性较强,方便可靠,不仅解决了常规地质调查方法在高陡边坡地段难以开展的问题,而且还克服了以往钻孔岩芯获取岩体RQD指标数据少、误差大的缺点,获得岩体RQD指标经过修正后能满足工程实际需求。     

基于有限元法的廖坊灌区渡槽结构内力分析

在实际工程的有限元建模求解过程中,所求解的内力截面往往不是直接由网格单元面构成,无法直接应用有限元内力法求解任意截面的内力值。首先对整体结构构件进行有限元计算,得到网格单元上的结点位移值及对应的应力值等信息;然后将截面所在结构组件的网格单元从三维有限元模型中进行脱离,直接利用"脱离体"网格单元结点的应力值列出截面平衡方程。根据结构力学的方法,可以很方便地对"脱离体"上的"任意"截面的内力进行求解;最后通过一个渡槽的工程应用实例验证了文中提出方法的正确性和可行性。有限元内力法可以很方便地求解结构中指定截面上的内力值,为混凝土结构的配筋设计等提供依据,供工程设计人员参考。     

大型地下洞室围岩定位块体的快速生成及稳定分析

怎样利用岩体结构面与洞室开挖面相互切割形成岩石块体是大型地下洞室围岩块体稳定分析的关键技术之一。文章介绍利用ANSYS的面、体运算功能计算块体体积,并用接触单元模拟结构面,分析块体稳定性,具有较大的推广应用性。     

一种改进的岩体结构面产状快速聚类分析法

岩体结构面的优势产状是进行岩体工程研究与分析的基础,传统的玫瑰花图、极点等密度图等方法精度差,其结果往往只是给出优势组数。为了准确地给出结构面的优势产状,本文采用改进的快速聚类分析方法,将结构面产状表示为空间单位上半球体球面上的点,通过构造密度函数求取各数据点加权值对结构面产状进行分类判定。同时,将该方法应用于某矿山运输公路边坡优势结构面的统计分析之中。结果表明采用该方法分析结果可靠,分类合理,能准确得出优势结构面产状,能有效消除孤立点对聚类结果的不利影响。     

含断层多面临空顺层高边坡稳定性分析

香溪长江公路大桥桥头边坡顺层发育f1、f2断层,且多面临空,工程地质问题较为突出。基于勘察资料分析、现场调查充分掌握地质背景,通过开挖平洞开展现场力学试验对控制性结构面参数进行精细评价,在此基础上,采用Sarma法计算分析不同层位结构面以及不同滑面长度下边坡安全系数,建立潜在不稳定滑体安全系数与支护力、滑块平均厚度的关系曲线。结果表明:对于结构面贯通至地表的顺层边坡,结构面上滑体的安全系数与滑块平均厚度呈负相关,而与滑面长度的相关关系较弱。坡体可按地形划分为3段,即坡脚锁固段、主滑段、坡顶牵拉段。f1断层上滑体因岩层厚、滑面强度低(抗剪断峰值摩擦角27.0°,抗剪断峰值黏聚力0.07 MPa,残余摩擦角25.2°,残余黏聚力为0.05 MPa)导致安全储备不足,加之主滑段长,为满足稳定标准下限需增加4 283 kN/m支护力或卸载32.6%方量,工程量巨大,建议结合工程挖方进行抗滑桩设计。研究成果可供类似含断层多面临空顺层高边坡稳定性分析作参考。     

岩体结构面分组的改进数学方法研究

岩体结构面分组是岩体力学中的一项基础性工作。由于岩体结构面分组相对于一般聚类问题存在自身特殊之处,难以直接运用欧式距离度量结构面之间的相似度。通过对结构面数据做一定处理,使欧式距离可用于度量结构面之间的相似度,结合模糊C均值聚类(FCM—Fuzzy C-means Clustering)算法对岩体结构面分组进行研究;针对FCM初始聚类中心的确定,采用一种简洁高效的改进粒子群算法对其进行优选;再结合聚类有效性指标确定聚类分组数。通过模拟数据验证了该方法的合理性,并从多方面对分组数目进行讨论,给出了分组数目确定的一般方法。将提出的分组方法用于某水利工程坝基岩体结构面的分组研究,结果表明该方法易于实现、结论可靠,可为实际工程提供参考。     

青川县东山斜坡地震动力响应数值验证

岩质边坡地震动力响应分析对于防灾减灾极为重要,但是以往研究大多仅考虑地形因素影响,鲜有成功定量分析边坡动力响应分析的报道。为此,在充分考虑地形效应的基础上,试图探索以数值方法在考虑结构面因素的情况下,定量分析岩质边坡动力响应的可行性。选取一种离散方法——非连续变形分析(DDA)作为数值分析方法,结构面效应通过改变结构面处DDA罚弹簧值实现,将水平向和竖直向地震荷载同时输入至模型中。计算结果表明,在阻尼选择合理的情况下,DDA能够准确反应水平向放大系数,而竖向只能定性吻合;广泛分布的结构面会由于降低岩层的等效阻抗,增加与周围岩层的阻抗差进而影响边坡动力响应结果,影响程度在40%～70%。另外,结构面产状会使边坡动力响应出现较强的各向异性,而这也是传统基于连续介质力学的数值方法难以反映的现象。本研究结果验证了结构面效应,同时证实了DDA能够准确地反映和验证边坡水平向地震动力响应关系,对岩质边坡抗震设计具有重要意义。