（水工结构工程专业论文）基于改进遗传算法和有限元法的坝基防渗排水优化研究.pdf

摘要 基于改进遗传算法和 有限元法的坝基防渗排水优化研究 学科名称：水工结构工程 作者姓名：崔文娟 导师姓名：柴军瑞教授 答辩日期： 作者签名： 导师签名： 2 0 0 7 3 莅叉桶1 苏暑蜥 摘要 据实际工程资料统计，坝基防渗大多采用防渗与捧水相结合的综合治理方法，即符合“前堵 后排”的设计原则，所以防渗体与排水系统势必成为解决坝基防渗问题缺一不可的组合体。 灌浆帷幕和排水孔幕的设计参数较多，在很多情况下是根据工程地质和水文地质条件，或根 据经验公式和参照已有的工程实例来确定。对于工程地质和水文地质条件简单的中、低坝而言， 按此处理一般均满足工程要求；但对于坝高较高、地质条件复杂的工程而言，就需要用其他方法 进行分析计算，对重大的工程还需通过现场试验才能确定这些参数，一般很难达到既安全可靠又 经济合理的目的。因此，进行坝基防渗排水系统优化研究具有重要的意义。防渗结构必须能有效 地控制渗漏量和降低扬压力，而且必须安全可靠，具有很好的耐久性。从优化设计的角度来看， 安全性就是要满足一定的约束条件，经济性就是使工程造价最小。 本文在对坝基渗流分析的基础上，首先以一般基岩上的混凝土重力坝为例，根据已有的灌浆 帷幕参数的经验公式( 考虑灌浆帷幕为悬挂式时的情况) ，进行简单的公式推导，得到坝基的渗流 量、坝基扬压力和幕体本身的水力坡降的简单显式表达式，并以此为约束条件，以帷幕的工程造 价最小为目标函数，分别用基本遗传算法和复合型法解出灌浆帷幕的参数组合。然而在实际情况 中是不可能用公式准确表示渗流场的，为了更接近实际情况，用有限元法来代替具体公式来求得 坝基的渗流场，在进行有限元计算时。将坝基和灌浆帷幕视为非均质各向异性连续渗透介质，以 灌浆帷幕厚度的一半为剖分长度进行单元划分，然后进行有限元计算； 对于选用的优化方法，考虑到基本遗传算法的全局优化搜索和鲁棒性强等优点，并针对其搜 索时间过艮、易早熟收敛、局部寻优能力差等不足，采用混合选择、自适应算法并结合复合型法 的优点对基本遗传算法进行改进，最后用改进遗传算法作为优化方法，用有限元求得的渗流场参 数作为约束条件，防渗排水系统工程造价为目标函数，来求解防渗排水系统的晟优参数组合，为 寻找一般情况下最优防渗排水系统的参数组合打下了基础，为工程应用提供一定的依据。 关键词：防渗帷幕，排水，改进遗传算法，有限元，数学模犁，优化研究 西安理工大学硕士学位论文 o p t l m i z a t i o nr e s e a r c hf o ra n t i s e e p a g ed r a i n a g e s y s t e mo fd a mf o u n d a t l 0 nb yt h ei m p r o v e dg e n e t i c a l g o r l t h ma n dt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d s u b j e c t ：h y d r a u l i cs t r u c t u r ee n g i n e e r i n g d a t eo fd e f e n c e ：m a r c h ，2 0 0 7 a u t h o r ：c u iw e n - j u a na u t h o rs i g n a t u r e ：巍；州岍 a d v i s o r ：p m f c h a ij u n r u i s i g n a t u r e ：已易毹j 饥m ，o a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h es t a t i s t i cd a t ao fp r a c t i c a le n g i n e e r i n g s rm u l t i t u d ee n g i n e e r i n g sh a v ei n t e g r a t e d a n t i - s e e p a g ea n dd r a i n a g et od i s p o s eo fd a ms e e p a g e a n da c c o r d e dw i t l lt h ed e s i g nf u n d a m e n t a l f o r e b l o c ku p - a n d - a f td r e d g e ，s ot h ea n t i s e e p a g ea n dd r a i n a g ec e r t a i n l ys h o u l db eac o m b i n a t i o nt os o l v e d a m s e e p a g e t h ed e s i g np a r a m e t e r so fg r o u t i n ga n dd r a i n a g ec u r t a i na r en u m e r o u s 。i nm a n yt i m e s ，w h i c ha r e c o n f i r m e db ye n g i n e e r i n gg e o l o g y , h y d r o l o g yg e o l o g y , e x p e r i e n c ef o r m u l a s ，o rr e f e r r i n gt ot h ee x i s t e d e n g i n e e r i n gc a s e s f o rm i d d l eo rl o wd a m i ns i m p l ee n g i n e e r i n ga n dh y d r o l o g yg e o l o g y , t h ee n g i n e e r i n g r e q u i r e m e n t sg e n e r a l l yc a l lb es a t i s f i e d ，b u tf o rh i g l ld a mo rc o m p l i c a t e dg e o l o g y , o t h e rm e t h o d ss h o u l d b ea d o p t e dt oa n a l y z ea n dc a l c u l a t e ，f o ri m p o r t a n te n g i n e e r i n g sr e q u i r ef i e l d - t e s t st oe n s u r et h e s e p a r a m e t e r s ，s oi t sd i f f i c u l tt or e a c ht h eg o a lt h a tn o to n l ys a f ea n dc r e d i b l e ，b u te e u n o m i ca n dr a t i o n a l s oi t sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h eo p t i m i z a t i o no f t h ea n t i s e e p g ea n dd r a i n a g eo fd a mf o u n d a t i o n a n t i s e e p a g es t r u c t u r e sc a nc o n t r o lt h es e e p a g ed i s c h a r g ea n dr e d u c eu p l i f tp r e s s u r ee f f e c t i v e l y , a sw e l l a sh a v es a f e t ya n dg o o dd u r a b i l i t y f r o mt h ev i e wo fo p t i m i z a t i o nd e s i g n ，t h es a f e t ys h o u l db es a t i s f i e d w i t hc e r t a i nr e s t r i c t i o nc o n d i t i o n ，a n dt h ee c o n o m ys h o u l dm a k et h ec o s t ( o b j e c t i v ef u n c t i o n ) l e a s t b a s e do nt h es e e p a g ea n a l y s i so f t h ed a mf o u n d a t i o n ，s i m p l ef o r m u l ah a sb e e nd e d u c t e di nt h et e x t a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i e n c ef o r m u l ao ft h ee x i s t e dg r o u tc u r t a i n ，b yp r e s e n t i n ga l le x a m p l eo fac o n c r e t e g r a v i t yd a mo nc o m m o nr o c kf o u n d a t i o n t h e nc a nd r a wt h es i m p l ea n dd i s p l a ye x p r e s s i o n a b o u t s e e p a g ed i s c h a r g e ，u p l i f tp r e s s u r e i nd a mf o u n d a t i o na n dh y d r a n l i cg r a d i e n to ft h ec u r t a i n t h e p a r a m e t e r sa r r a yc a l lb eg a i n e db yt h i n k i n gt h em i n i m u mc o s to ft h eg r o u t i n gc u r t a i na st h eo b j e c t i v e f u n c t i o n b u ti t si m p o s s i b l et od e n o t et h ec a s e sa c c u r a t e l yw i t hs i m p l ef o r m u l a s i no r d e rt oa c c o r dw i t h a c t u a lm o d e la n dg e tt h es e e p a g ef i e l di nd a n af o u n d a t i o n ，t h et e x ta d o p t sf i n i t ee l e m e n tm e t h o dr a t h e r t h a nf o r m u l a s t or e g a r dd a mf o n n d a t i o na n dc u r t a i ng r o u t i n ga sh e t e r o g e n e o u sa n i s o t r o p i cc o n t i n u o u s m e d i a ，t a k i n gt h eh a l f d e p t ho f t h ec u r t a i na sp l o tl e n g t h c o n s i d e r i n gt h es i m p l eg e n e t i ca l g o r i t h ma sas e a r c ha l g o r i t h mf o rg l o b a lo p t i m i z a t i o na n das t r o n g r o b u s t n e s s ，f a c i n gi t sd i s a d v a n t a g e st h a tt h et i m ei sl o n go fs e a r c h ，p r e m a t u r ec o n v e r g e n c ea n dw e a k s e a r c hl o c a lo p t i m i z a t i o n ，t h ea d o p t e do p t i m u mm e t h o d sh a v eb e e ni m p r o v e db yc o m b i n i n gt h em e r i t so f m i xc h o i c e ，a d a p t i v ea n dc o m p l e xm e t h o d f i n a l l y , t h eo p t i m u mc o m b i n a t i o no ft h ep a r a m e t e r sc a l lb e s o l v e dw i t ht h ei m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h m ，u s e ds e e p a g ef i e l db ye f ma sr e s t r i c t i o nc o n d i t i o n ，t h ec o s t o ft h eg r o u t i n gc u r t a i na st h eo b j e c t i v ef u n c t i o n ，a n db u i l daf o u n d a t i o nf o rs e e k i n go p t i m u m d r a i n a g e s y s t e m s oi tc a nb ep u ti n t ot h ec a s e s ，a n dp r o v i d e sr e f e r e n c e sf o ra p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：a n t i s e e p a g ec u r t a i n ，d r a i n a g e ，i m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h m ，f i n i t ee l e m e n t ，m a t h e m a t i c a l m o d e l ，o p t i m u md e s i g n 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所沦述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：垫垒鳕刁年年月多日 学位论文使用授权声明 m 本人堡。叁绸在导师的指导下仓4 作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 ：交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、杖| | 览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：燃导师签名：炀毋朋乡日 第一章绪论 1 绪论 1 1 研究的背景及意义 渗流分析是水力学和岩力学所不可缺少的组成部分，也是水工结构、农田水利、 灌溉排水、地下水资源开发利用以及石油开采等学科中的主要内容。近年来，由于各 有关学科的不断发展和生产实践中提出的渗流问题日益复杂，渗流力学已逐渐发展成 具有自己的理论、方法和应用范围的学科。 渗流分析已经成为水工设计中不可缺少的一部分。根据对国内外大坝失事实例的 分析可知，几乎所有大坝工程的失事都和大坝周围地质体有关，而其中很大一部分又 与大坝周围地质体中的渗流有关( 从我国1 9 8 1 年统计的2 4 1 座大型水库1 0 0 0 宗事故 来看，由于渗流问题而使水库失事的占到3 0 4 0 ) 。因此水工建筑物特别是大坝的 渗透性是工程设计、施工及运用管理中的最主要的问题，而由于渗透引起的大坝的稳 定及安全性更为重要，渗流分析对工程安全和经济合理性有着重要的影响e l l 。 水利工程的渗流问题，主要包括水库的渗流、坝体和坝基渗流、坝肩的绕渗、土 石坝的管涌和流土、旌工期基坑降水、水闸和泵站基础渗流等等。大坝坝体若长期受 到强水流作用，会影响坝体的耐久性，严重的甚至会威胁到坝体的稳定安全，坝基过 大的扬压力同样会影响大坝的稳定，极易发生工程事故；堤坝若发生管涌、流土，可 能会威胁到人民的生命财产安全。 大坝坝基原始地质条件经常会存在一些这样或那样的缺陷，例如存在大的顺河断 层、严重漏水、承载能力不足等，而不能满足筑坝工程的需要，因而必须进行处理。 如果对坝基不做处理或处理不当，必然会造成损失；轻者水库漏水，不能发挥效益； 严重者会招致大坝失事，造成灾难。坝基渗流可产生如下问题：渗漏水量直接降低 了水库的蓄水效益；渗流产生的扬压力要求相当大的坝体重量来平衡；坝底渗 径相对较短，有可能产生渗透变形而危及坝体安全。因此，坝基防渗排水系统对大坝 的安全运用是至关重要的。在坝基的防渗处理中，防渗帷幕和排水幕在渗控效果方面 有着相辅相成的关系，两者缺其一对大坝坝基的渗控效果和稳定性都是不利的。灌浆 帷幕和排水孑l 幕的设计参数较多，一般是根据工程地质和水文地质条件，或根据经验 公式和参照已有的工程实例来确定。对于工程地质和水文地质条件简单的中、低坝而 言，按此处理一般均满足工程要求；但对于坝高较高、地质条件复杂的工程而言，就 需要用其他方法进行分析计算，对重大的工程还需通过现场灌浆试验才能确定这些参 数。现有文献有的旺3 从理论方面分析研究参数对渗流场的影响，有的1 4 , 5 1 是给出多 种参数组合，经过对比分析得出优选方案。 本文通过对坝基渗流场进行有限元数值分析，确定坝基渗流量、水头分布以及其 他参数，并采用改进遗传算法对灌浆帷幕和排水孔幕的设计参数进行优化研究，从而 西安理工大学硕士学位论文 来选择合理的防渗、排渗措旌，既能有效地控制渗流、降低扬压力，又能经济合理、 降低工程费用。 1 2 渗流研究概况 1 2 1 渗流力学的发展 地下水渗流的数学模型自1 9 世纪后期就开始应用，该数学模型是由一组控制渗流 流动的微分方程组成。渗流模型的可靠性依赖于这个模型近似于实际渗流场情况的程 度。为了建立一个模型，必须做简化假定，因为要精确地模拟渗流场的情况太复杂了。 为了能获得数学模型的解析解所必需的假定是相当受限制的。为了处理较为真实的情 况，通常利用数值方法近似地求解数学模型。 1 8 6 5 年，法国工程师达西( h e n r id a r c y ) 通过实验提出了线性渗透定律，为渗流 理论的发展奠定了基础。1 8 8 9 年，如可夫斯基首先推导了渗流的微分方程，形成了最 古老、最经典的地下水动力学理论骨架。但是这些数学模型及其解析解仅适用于均质 渗透介质和简单边界条件，因此在使用上受到很大的限制。 1 9 2 2 年，巴甫洛夫斯基正式提出了求解渗流场的电拟法，为解决比较复杂的渗流 问题提供了一个有效的工具。起初，电拟法多采用导电液模型进行实验，但它无法模 拟非均质各向异性渗透介质，对复杂的地质和边界条件也不尽适用。为了解决更复杂 的渗流问题，逐步发展和研究了电网络法。电网络法是基于网络电场与被离散渗流场 数学模型间的相似而对渗流场进行求解的方法。过去所沿用的电网络法都是基于差分 原理，牡延龄等嗨1 研究了基于变分原理的电网络法，吸收了有限单元法的优点，在模 拟曲线边界和各向异性渗透方面得到进一步的改进。电网络法具有容量大，稳定性不 受限制和解题过程中不产生累计误差等特点，目前仍是求解大型复杂渗流场的有效工 具。 随着电子计算机的迅速发展，有限差分法、有限单元法和边界元法等数值方法， 在渗流分析中得到愈来愈广泛的应用。 有限差分法”是1 9 1 0 年理查森( l e r i c h a r d s o n ) 首先提出来的。有限差分法的基 本思路是将微分方程直接离散化，进而联解由此得到的一组代数方程组，或者说有限 差分法就是在有限个网格结点上求出微分方程近似解的方法。所谓网格结点指划分区 域网格的交点，定义在结点上的函数称为结点函数。连续变量被网格结点函数值代替， 描述某一物理现象的微分方程，则由有限点值的网格代数关系来代替。在区域网格上 离散微分方程所得到的差分方程和边界条件离散相结合构成差分格式。 有限单元法t 8 , 9 3 的基本思想是柯朗( r c o u r a n t ) 1 9 4 3 年提出的，1 9 6 0 年克劳夫 ( r w c l o u g h ) 最先采用“有限单元法”这个名称。有限元法最早应用于结构分析， 后来彳+ 引进流体力学领域。1 9 6 5 年，津克维茨( 0 c z i e n k i e w i z ) 和张( y k c h e u n 2 ) 2 第一章绪论 提出用有限元法求解拟调和方程，适用于所有可按变分形式进行计算的场问题，为该 方法在渗流分析中的应用提供了理论基础。到7 0 年代有限元又扩展到用来求解随时间 变化的非稳定渗流问题，但这些研究大部分是属于大区域地下水渗流问题。恩芬 ( w d l i a nf i n n ) 、泰勒( r l t a yl o r ) 、布朗( c b b r o w n ) 、川本等0 1 研究了具有自 由面的土坝稳定渗流，沃尔克( r e v o l k e r ) 研究了不符合达西定律的有自由面的稳定 渗流，麦克科代尔( j a m cc o r - q u o d a l ) 、牛曼( s e n e u m a n ) 、德赛( c s d e s a i ) 、饭 田隆一等进行了渗流自由面随着时间变动的非稳定渗流的研究。奥登( o d e n ) 对均质 矩形坝的自由边界问题采用变分不等式数值解来一次求解自由边界问题，伯瑞泽斯 ( h b r e z i s ) 和阿克德( c r a e a d ) 在方法上又有所发展，考虑任何坝型非均质问题的 自由边界问题。国内有限元法在渗流领域中也得到了广泛的应用，已有不少二维的稳 定渗流问题和非稳定渗流问题的程序，还研制了四面体单元和等参六面体单元的三维 渗流程序以及具有专门功能的渗流程序。目前有限元法在渗流分析中的应用已十分广 泛而有效。 边界元法，12 ，1 3 1 是建立在经典力学理论基础上的。贝蒂( b e t t i ) 互换定理及弗雷 德霍姆( f r e d h o l m ) 积分方程早在1 9 世纪末2 0 世纪初就已提出，建立在这些理论基础 上的边界元法初见于2 0 世纪6 0 年代后期，当时被称为边界积分方程法( b o u n d a r y i n t e g r a le q u a t i o nm e t h o d ) 。直到1 9 7 8 年，边界元法( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ) 这个 名称才被确立并得到公认。目前，国内外对边界元法的研究和应用都给予了足够重视， 在渗流分析中也得到一定应用。有限差分法与有限元法均属于区域解法，求解问题时 要求对内部区域进行整体剖分，对无限域与半无限域问题的求解比较困难。边界元方 法仅在边界上进行离散求解，具有方便、快捷、精度高等优点9 1 4 3 。边晃单元法是指把 渗流场的边界离散为边界单元，利用格林公式和叠加原理建立边界积分方程，由此解 出各类边界单元的结点处水头值，再利用影响函数求解场域内的任一点水头值。 近年来许多学者针对不同问题的特点，研究和提出了能集合上述各种数值方法优 点的杂交元法( h y b r i de l e m e n tm e t h o d ) 1 1 5 1 9 使实际工程渗流问题得到更加合理更加精 确的解决。 1 2 2 大坝渗流研究综述 随着坝工建设的发展，大坝渗流分析与研究技术也逐渐完善。 我国已修建的8 万多座水坝中9 0 以上为土石坝。绝大多数土石坝坐落在天然砂砾 石地基上，其组成复杂，对坝基防渗方案的选择影响很大。为保证砂砾石坝基渗透稳 定，以利土坝安全运行，必须采取防渗与排水减压设施，以降低坝体浸润线，减小坝 基渗流的水力梯度和渗流量。防渗设旌有水平和垂直两种。水平防渗主要为上游铺盖， 使用弱透水土料，可就地取材。近年来，在中低坝也有使用土工膜 1 6 , 1 7 1 或复合膜1 8 1 垂直防渗主要为防渗帷幕、坝基粘土防渗截渗墙9 1 等。排水减压设施也有水平与垂直 3 西安理工大学硕士学位论文 两种形式。水平排渗是指坝体内的褥垫排水、管式排水和下游深入地基的减压沟和减 压井。排水材料采用强透水的、符合滤层要求的砂砾石料。近年也有使用土工织物作 为滤层材料的。垂直排渗多为竖井。采用明挖回填粘士截水槽进行砂砾石透水基础的 防渗处理，也是土石坝比较常用的坝基防渗处理方法 2 0 1 。为使水库发挥最大蓄水作用， 保持坝基渗透稳定，应采取防渗与排渗相结合的渗控措施。 我国建造的拱坝约占世界拱坝总量的一半。近年来，混凝土高拱坝已成为大型水 库和水电站枢纽的主要坝型之一2 。拱坝是一个空间壳体结构，在立面上可以看作是 由许多水平拱圈叠成，从横断面上看，它是由许多弯曲或铅直悬臂梁组成。混凝土拱 坝属于高次超静定的壳体结构，体积小，整体性好。因此混凝土拱坝的坝体渗流量一 般较小，渗流分析与控制以减少坝基渗流、绕岸渗流及提高坝体和坝基联结的整体性 为主要目的陇卫1 。帷幕灌浆是减少坝基渗流、绕岸渗流最有效的工程措施，经帷幕灌 浆处理的岩体区域的渗透性明显减弱。但由于帷幕灌浆的效果并非处处均匀，因此在 渗流分析中如何对帷幕灌浆区域进行定量化处理仍是需要进行研究的问题。 在水压力及其他荷载作用下，重力坝主要依靠坝体自重产生的抗滑力来保持稳定； 同时依靠坝体自重产生的压应力来抵消由于水压力所引起的拉应力以满足强度要求。 因此混凝土重力坝的渗流分析与控制以降低坝体和坝基的渗透压力为主要目的渤1 ，一 般是根据工程地质和水文地质条件，假定扬压力的折减系数，求出扬压力，并据此进 行稳定分析。有许多中小型水利工程在土基上建重力坝也是一种较经济、合理的坝型 结构。张立华等2 就土基上重力坝的防渗与抗滑稳定问题进行了探讨，论述了深层抗 滑稳定的计算、土压力的选用以及为提高土基上重力坝的抗滑稳定可采用的有效措施。 碾压混凝土重力坝是成层结构，渗流特性由混凝土本体和层面的渗透性所决定。 碾压混凝土坝渗流计算模型可用两种方法来建立【2 6 ：一、将层面及混凝土本体的渗透 平均到整个坝体中去，视坝体为渗透各向异性连续体模型；二、视坝体为由层面缝隙 和混凝土本体所构成的双重介质体，分别用缝隙流层面单元及d a r c y 渗流实体单元模 拟吐力。在国内，朱岳明| 2 8 , 2 9 , 3 0 1 提出了无厚度缝面平面单元，专门用来模拟坝体缝面 和裂缝的集中渗流通道。这一方法既能反映和模拟坝体整体渗透各向异性的渗流特性， 又能具体刻画出裂缝等局部集中渗流的水力行为，而且是在没有增加网格结点数的前 提下，能对那些强透水性零星分布的冷缝面和结构性裂缝进行单独细致的模拟。速宝 玉”提出了碾压混凝土本体和层面的串联、并联模型。任旭华1 3 2 1 等用有限元法对碾 压混凝土坝不同渗控结构的渗流场进行了分析比较，提出应重视坝体渗水情况和排水 设计，并引入了面板堆石坝的渗控设计思想。 针对碾压混凝土坝渗流的特点及早期实践经验，坝体防渗设计目的在于 3 3 , 3 4 1 一 是降低坝体层面上的扬压力；二是减少渗流量；三是降低排水幕上游面碾压混凝土中 的水力坡降，防止发生水力击穿等渗透破坏现象；四是降低坝下游面上渗流逸出点( 线) 的位置过高或避免逸出点( 线) 的出现，提高大坝的耐久性。据此，碾压混凝土坝的 4 第一章绪论 渗控方案仍以“前堵后排”为基本原则。王宏硕等3 采用单元传导矩阵法，分别就碾 压层面、坝面防渗层、排水孔、廊道及横缝单独作用对渗流( 主要是浸润线) 进行了 计算和比较分析，特别分析了横缝对渗流的排水作用。柴军瑞等 采用理论分析和数 值分析相结合的研究方法，对大坝设封闭灌浆帷幕和抽排系统时的渗流场及其各要素 进行了分析。 对于不同的坝型，在对坝体的渗流研究分析中都需要确定渗流自由面的位置。目 前求解这类问题主要有三种方法：移动网格法，固定网格法和无网格法1 3 7 , 3 8 1 0 传统的 移动网格法通过调整相关节点的位置使计算区域与渗流区域一致，进而达到确定渗流 自由面的目的。从1 9 7 3 年n e u m a n b 蚰提出用不变网格分析有自由面渗流的g a l e r k i n 法以 来，出现了多种固定网格法。固定网格法又分两类：第一类是调整单元渗透矩阵法， b a t h e 柏1 的单元渗透矩阵调整法，李春华4 1 1 的改进单元渗透矩阵调整法，王贤能m 1 的高斯点法；第二类是调整流量法，d e s a i 4 3 1 提出的剩余流量法，张有天4 1 提出了初 流量法。无网格法是采用滑动最小二乘法来近似场函数的一种方法t 4 5 1 另外，近年来有许多新的改进及计算方法的提出。王媛提出了改进的初流量法； 吴梦喜等 提出了虚单元法；梁业国等4 3 1 提出予单元法的固定网格法；凌道盛4 9 1 提出了有自由面渗流分析的虚节点法；柴军瑞等5 提出了改进的采用边界元法确定渗 流自由面的迭代方法；王均星等5 将流形单元法引入有自由面的渗流分析中；杨诗经 等5 2 1 用变积分权数法来逼近自由面的求解；速宝玉等5 3 1 提出了截止负压法，以扬压 力为未知函数，采用罚函数有限元并结合固定网格迭代确定自由面；张乾飞等吲1 引用 双参数罚函数对截止负压法进行了改进；张蔚等”引进空单元的概念进行处理；薛馨 等5 提出具有自由面渗流问题的t r e m z 直接法；李连侠“5 1 提出了自由面适应网格方 法。 大坝渗控设计方案中，降低坝基面扬压力的主要措旌是设置堵渗性质的灌浆帷幕 和排水性质的排水孔幕。关于防渗排水系统对闸坝地基面渗透压力的影响，目前的设 计规范规定采用在排水孔幕处乘以扬压力折减系数的方法”1 。该扬压力折减系数综合 考虑了帷幕灌浆和排水孔幕的影响，是一个经验性的比较笼统的数据，没有具体地反 映帷幕灌浆的渗透系数、厚度和深度等因素对地基面渗透压力的影响。具体到实际工 程中，要求帷幕灌浆区尽量靠近坝踵，帷幕灌浆质量尽量要高( 即渗透系数七。尽量小) ， 帷幕灌浆区厚度在最优厚度附近；这样就可以使坝基面渗透压力最小1 5 7 , 5 8 1 0 坝基防渗 帷幕的防渗功能应借助于其后排水孔( 幕) 的合理设置来实现。排水孔( 幕) 的数值 模拟目前有以下几种方法：第一，结点水位法，即在有限元网格生成时，将排水孔都 布置在单元的边及结点上，由于排水孔很小，为了计算方便，常把排水孔当作给定水 头的一条线，而忽略孔径大小的影响，这样就存在不可避免的误差：第二，基于某种 等效原则( 渗流量等效或水位等效) 的等效方法，如王恩志等 5 9 , 6 0 3 提出的“以管代孔”、 “以沟( 缝) 代孔( 井) 列”，毛昶熙 6 1 1 李祖贻1 6 2 1 关锦荷“3 1 等人也论述了以 西安理工大学硕士学位论吏 沟代井的计算方法：第三，排水子结构法，由张有天和朱岳明6 首先提出，后朱 岳明1 对其进行了改进，更能适用于求解大型复杂的工程渗流问题；第四，耦合方法， 张有天等硒n 用有限元一边界元耦合法分析有排水孔的三维渗流场。詹美礼等6 鼬应用 叠加原理，在点汇基本解的基础上，推导出有限元单元内单个排水孔的近似解表达式， 并将单个排水孔的解析理论推广到单元内多个排水孔的情况，实现了解析法和有限元 的结合。张有天等”将边界元法、解析法在模拟捧水孔方面的优势和有限元法的独特 优势结合起来，用来求解有排水孔( 幕) 的问题。 在进行大坝渗控设计时，一般是根据工程地质和水文地质条件，比照类似工程， 拟定灌浆孔和捧水孔的位置、孔深、孔距、孔径等参数，假定扬压力的折减系数，求 出扬压力，并据此进行稳定分析。对于工程地质和水文地质条件简单的中、低坝而言， 按此处理一般均满足工程要求；但对于坝高较高、地质条件复杂的坝体而言，还需要 用其它方法对拟定的渗控设计方案进行分析计算，分析坝基渗流场的特性及主要影响 因素的作用，定量评估拟定的渗控设计方案、扬压力系数的可靠性，进一步提出优选 的渗控方案。在防渗排水优化方面，王恩志等2 针对软土坝基上的尼泊尔波迪科西 水电枢纽，结合防渗帷幕的优化设计，通过三维渗流计算，以渗漏量为控制条件，对 地层渗透性、帷幕的防渗性能及帷幕深度和长度的敏感性分析，得出在满足渗漏量和 水力梯度的控制标准；柴军瑞”1 采用一维渗流理论分析了设置帷幕灌浆时闸坝地基面 的水头分布，进而分析了帷幕灌浆各参数对地基面渗透压力的影响，从降低渗透压力 的角度提出了最佳帷幕灌浆区厚度的理论：沈振中等 进行了不透水地基上水平排渗 体的优化设计研究；柴军瑞“1 等以碾压混凝土坝防渗设施工程造价为目标函数，建立 了混凝土防渗面板、坝基帷幕灌浆、坝体及坝基排水设施等防渗设旌的优化设计数学 模型，并对其求解，得到了该工程防渗设施的优化设计方案；罗平平”1 等借助于结点 虚流量法、排水子结构和排水孔开关器技术，用三维渗流有限单元法，计算分析大坝 渗流场各主要影响因素的作用，研究坝体和坝基的渗流特性，经过对比和综合分析得 出坝基的优选渗控方案。 由于优化问题涉及到多变量、多约束条件的处理，使得直接运用常规的一些优化 方法非常繁琐、编程量大。遗传算法是一种非确定性优化算法，具有解决非线性问题 的鲁棒性、全局最优性、不依赖于问题模型的特性及高效的可并行性，不需要梯度信 息及函数的连续性，对目标函数及约束条件也没有苛刻要求，因此本文最终选择将遗 传算法应用到大坝渗控设计分析中，并对其进行了改进。 1 3 遗传算法研究综述 遗传算法( g e n e t i c a l g o r i t h m s ) 是基于生物进化理论发展起来的一种广为应用的、高 效的随机搜索与优化的方法，其主要特点是群体搜索策略和群体中个体之间的信息交 换不依赖于梯度信息。遗传算法产生于二十世纪六十年代初，美国m i c h g a n 大学的 6 第一章绪论 h o l l a n d 教授及其学生首次提出了“遗传算法”一词。1 9 7 5 年，h o l l a n d 系统地阐述 了遗传算法的基本原理和方法7 2 ，首次确认了选择、交叉和变异等遗传算子，以及遗 传算法的隐并行性，并将遗传算法应用于适应性系统模型、函数优化、机器学习、自 动控制等领域，从而奠定了遗传算法的理论基础。 b r e m e r m a n n ，d ej o n g 等人7 3 ，7 4 1 将遗传算法应用于参数优化问题，并对遗传算 法的机理与参数设计问题进行了系统的研究，极大地促迸了遗传算法的应用。所以， 遗传算法既是一种自然进化系统的计算模型，也是一种通用的求解优化问题的适应性 搜索方法。1 9 8 0 年，b e t h k e 7 5 1 对函数优化进行了研究，包括应用研究和数学分析。 s m i t h ”6 1 在1 9 8 0 年首次提出使用变长位串的概念，这在某种程度上为以后的遗传规划 奠定了基础。d a v i s t 7 7 1g r e f e n s t e t t e t 7 5 1 b a u e r 7 9 js r i n i v a 和p a t n a i k 1 等大批研究 人员对遗传算法理论的基本框架和遗传算子进行构建和改进，并将遗传算法分别应用 于工程设计、自动控制、经济金融、博弈问题、机器学习等诸多领域之中。 遗传算法是根据达尔文进化论思想建立起来的，是一种借鉴自然选择思想和自然 遗传机制的全局随机搜索优化算法，也是模仿一切生命与智能的生成与进化过程的仿 生优化算法。遗传算法具有以下优点：遗传算法的搜索过程是从一群初始点开始搜 索，这意味着可以有效地黟e 过局部极值点，提高了达到全局最优解的概率；遗传算 法具有良好的普遍性和可规模化性；具有显著的隐式并行性，处理的信息量是群体 规模的高次方，有显著的搜索效率；易于与其它方法相结合，非常适合于大规模的 并行计算，可以有效地用于解决复杂的适应性系统模拟和优化问题：具有很强的鲁 棒性；可以有效的处理传统上非常复杂的优化函数的求解问题：对函数的形态 无要求，针对某一问题的遗传算法经简单的修改即可适用于其他问题，或者加入特定 问题的领域知识，或者与己有算法相结合，能够较好的解决一类复杂问题，因而具有 较好的普适性和易扩充性；遗传算法的基本思想简单，运行方式和实现步骤比较规 范，便于具体使用。由于遗传算法具有这些优点，因此迅速成为人们应用和研究的焦 点。目前，遗传算法已被广泛应用于组合优化、机器学习、自适应控制、多目标决策 等诸多工程领域，充分显示了它的有效性和通用性。 当然，遗传算法也不可避免地有不足之处，如编码不规范及编码存在表示的不准 确性；单一的遗传算法编码不能全面地将优化问题的约束表示出来；是否能保证收敛 到最优解以及容易出现“早熟”现象、爬山能力较差；算法稳定性差，局部搜索能力 弱，固定的复制、交换和变异概率影响牧敛效果等。因此，许多学者在其改进方面作 了很多卓有成效的研究工作，通常可分为两大类”，一是在基本遗传算法的基础上做 的改进，提出了多种选择、交叉和变异操作的修改、变形，设计了一些高级的遗传操 作；二是将遗传算法与一些其它的算法进行结合，如模拟退火算法和遗传算法相结合、 位爬山算法与遗传算法相结合、并行计算与遗传算法相结合、t a b u 算法与遗传算法相 结合、模糊集理论与遗传算法相结合及人工神经网络与遗传算法相结合等等，以此提 7 西安理工大学硕士学位论文 高在特定问题中遗传算法的性能。 在国内，遗传算法及其改进方法在各领域的应用研究得到了很大的发展。在工程 结构领域中，许多专家学者发展了很多的理论和方法，并很好地应用于工程实际中。 肖专文等啪1 提出了用遗传算法确定边坡最小安全系数及其对应的最危险滑动面的方 法；刘勇健嵋”将遗传算法应用于软土地基沉降计算；谢能刚等“1 将遗传算法应用到 水工结构的坝体体形优化设计中；黄康等体”针对遗传算法局部搜索能力弱的特点，将 其与梯度下降法结合，提高其局部搜索能力，可有效解决工程优化问题；张延年等协们 采用单亲遗传算子对遗传算法进行了改进，并提出了离散变量结构优化设计的三等分 割算法与遗传算法相结合的混合遗传算法，收敛特性得到了很好的改善；刘耀儒等强 引入小生境技术和自适应杂交变异概率方法，有效地解决了简单遗传算法的早熟收敛 问题，收敛效率得到明显提高；邓立国等昭们提出遗传一神经网络算法，该算法综合了遗 传算法的全局性和神经网络算法的并行快速等特点，可克服传统数学方法不能精确求 解、遗传算法最终达到最优解较慢和神经网络算法易陷入局部最优解的缺陷。 1 4 研究内容与方法 1 4 1 研究内容 本文首先对渗流的基本概念、基本理论及渗流场的有限元法作了详细的论述，接 着对基本遗传算法的构成要素、参数优化的实现做详细的叙述，并针对基本遗传算法 容易出现“早熟”现象、算法稳定性差、局部搜索能力弱、固定的复制、交换和变异 概率影响收敛效果等不足进行了改进，最后用改进遗传算法作为优化方法，通过有限 元法来对坝基设置防渗排水系统时的渗流场进行数值计算，求得坝基的扬压力、渗透 流量和水力坡降作为优化计算时的约束条件，以防渗排水系统的工程造价作为目标函 数，来寻找一般情况下防渗排水系统的最优参数组合，并对工程实例进行了应用研究。 1 4 2 研究方法 本文主要研究方法有： ( 1 ) 阅读文献及理论研究。阅读文献是开展本文工作的基础，阅读了大量国内外有 关渗流理论的文献，特别是防渗排水设施和坝基设灌浆帷幕和排水幕时的情况；还有 很多优化方面的文献，特别是基本遗传算法和改进遗传算法的理论和应用等方面的情 况。研究分析已有的成果并找出优缺点，本着更实用更有效的原则，选用合适的优化 方法对坝基的灌浆帷幕和排水幕的参数组合进行优化。 ( 2 ) 编制程序。这是本文的重点，根据有限元法和改进遗传算法理论编制相应的程 序进行计算，并用自编程序分析实际工程问题。 ( 3 ) 工程应用。通过有限元数值模拟和复合型法、改进遗传算法等优化方法研究某 第一章绪论 坝坝基的灌浆帷幕和排水幕参数组合，对该坝不同约束条件下分别求得相应的渗控参 数组合，提出更安全经济的渗控方案。 9 第二章三维渗流理论及有限元分析 2 三维渗流理论及有限元分析 2 1 渗流基本概念 研究渗流问题时，通常不直接研究个别流体质点的运动规律，而是研究流体在土 体或岩体中的平均运动，即具有平均性质的渗透规律。该方法实质上是用和真实水流 属于同一流体的、充满整个含水层( 包括全部的孔隙或裂隙空间和土或岩石颗粒所占据 的空间) 的假想水流来代替仅仅在孔隙或裂隙中运动的真实水流，并通过对这一假想水 流的研究来达到了解真实水流平均渗透规律的目的。 显然，这种假想水流应具有以下性质： ( 1 ) 它通过任意断面的流量与真实水流通过同一断面的流量相等； ( 2 ) 它在某断面上的压力或水头应等于真实水流的压力或水头； ( 3 ) 它在任意土体或岩体体积内所受到的阻力应等于真实水流所受到的阻力。 满足上述条件的假想水流称为渗透水流，一般简称为渗流渗透水流所占的空间 区域称为渗流域。 水工建筑物渗透性是工程设计、施工及运行管理中的最主要问题之一，且与水工 建筑物的安全和