（岩土工程专业论文）裂隙岩体流固耦合参数反演分析.pdf

摘要 目前，国内外学者在裂隙岩体流固耦合模型选取方面进行了大量的研究工 作，业已提出了诸多仿真性较好的耦合分析模型，而与这些模型相应的参数往 往难以反映岩体真实的渗流及力学特性。而参数的准确选取是数值模拟的关键。 由于耦合模型更好的模拟了裂隙岩体真实的变形机理和渗流特性，但其中包含 了诸多不易直接测定的参数，因而，基于水头、位移等多类型观测资料进行渗 流和力学参数的耦合反演不仅能够提高传统参数反演结果的可信度，而且为准 确确定这些不易直接测定的参数提供了强有力的工具。 本文在充分总结和分析本课题相关领域的诸多研究成果和最新进展的基础 上，开展了裂隙岩体流固耦合的数值模拟及参数反演分析的研究，本文的主要 工作及结论如下： 1 ) 采用变分不等式法解决有自由面的渗流问题，结合统一域混合模型，利 用目前参数反演领域应用最广泛的间接法，针对裂隙岩体渗透参数反演进行了 深入研究，改善了参数反演的适定性，提高了参数反演的可靠度； 2 ) 利用差分法分析了测点水头对渗透系数敏感性，并采用参数敏感性分析 构造优化目标泛函权函数的方法，最大限度的利用了敏感性好的有利量测信息 改善参数反演的适定性； 3 ) 利用网格分布法生成遗传算法的初始种群，并通过构造个体自适应概率 对基本遗传算法做了改进，将改进后的算法与传统的单纯形法相结合，再进行 小生境淘汰操作，形成了一种高效的混合加速遗传算法，克服了基本遗传算法 局部搜索能力差、计算量大以及对大搜索空间适应能力差等缺陷，并将其成功 的应用于某抽水蓄能电站地层裂隙岩体渗流参数反演实践中； 4 ) 考虑到裂隙岩体渗流与应力存在强烈的耦合作用，本文基于求解稳定渗 流场与弹性位移场耦合的分析方法，采用正交计算对耦合分析中的力学参数进 行敏感性分析，根据敏感性分析结果确定反演的力学目标参数，然后利用水头 量测资料，应用本文提出的混合加速遗传算法进行裂隙岩体流固耦合的参数反 演分析，并通过典型的大坝工程实例验证了以上理论的正确性。 关键词：耦合模型，数值分析，敏感性分析，参数反演，遗传算法 a b s t r a c t a tp r e s e n t , t h ed o m e s t i ca n df o r e i g ns c h o l a r sh a v ed o n et h em a s s i v er e s e a r c h w o r ko nt h es e l e c t i o no ff l u i d - s o l i dc o u p l i n gm o d e li nt h ef i s s u r e dr o c km a s s , a n d t h e yp r o p o s e dm a n yg o o ds i m u l a t i o nc o u p l i n gm o d e l s ，b u tt h ec o r r e s p o n d i n g p a r a m e t e r so ft h e s em o d e l so f t e nc o u l dn o ta c c u r a t e l yr e f l e c t st h er e a ls e e p a g ea n d m e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i c so fr o c km a s s e s a n dt h ee x a c t l ys e l e c t i o no fp a r a m e t e r si s t h ek e yo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h ec o u p l i n gm o d e lc o u l ds i m u l a t et h ed e f o r m a t i o n m e c h a n i s ma n d s e e p a g ec h a r a c t e r i s t i cb e t t e r , b u tt h e r ec o n t a i n sm a n yp a r a m e t e r st h a t c o u l dn o tb ee a s yd i r e c t l ym e n s u r a t e d t h e r e f o r e ，b a c ka n a l y s i sf i l lt h ec o u p l i n go f s e e p a g e a n dm e c h a n i c s p a r a m e t e r sb a s e d o no b s e r v a t i o no fw a t e rh e a da n d d i s p l a c e m e n tc o u l dn o to n l ye n h a n c et h er e s u l tr e l i a b i f i t yo ft h et r a d i t i o n a lp a r a m e t e r b a c ka n a l y s i s ，b u ta l s oc o u l ds u p p l yp o w e r f u lt o o lf o rd e t e r m i n a t i o nt h e s ep a r a m e t e r s t h a tc o u l dn o tb ee a s yd i r e c t l ym e u s u r a t e d i nt h i sp a p e r , o l lt h eb a s i so fr e v i e w i n gt h er e s e a r c ha d v a n c e si nt h ef i e l d so f s e e p a g ep a r a m e t e rb a c ka n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dp a r a m e t e rb a c ka n a l y s i s o ft h ef l u i d s o l i dc o u p l i n gi nt h ef i s s u r e dr o c km a s sa r eu n f o l d e d , t h ep r i m a r yw o r k a n dt h em a j o rr e s u l t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 ) t h ev a r i a t i o n a li n e q u a l i t yf o r m u l a t i o ni sa p p l i e dt or e s o l v et h es e e p a g e p r o b l e m sw i t hf r e es u r f a c e s , o nt h eb a s i so fau n i t e dm i x e dm e d i am o d e l ，t h es e e p a g e p a r a m e t e ri n v e r s ep r o b l e ma b o u tf r a c t u r er o c km a s s e si ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l ya n d s o m ee f f e c t i v em e a s u r e sa r ep r e s e n t e dt od e c r e a s et h ei l l - p o s e dp r o p e r t ya n di m p r o v e t h er e l i a b i l i t yo fp a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n t h ei n d i r e c tm e t h o dw i d e l yu s e di n p a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o nf i e l d si sa p p l i e dt os o l v et h es e e p a g ep a r a m e t e ri n v e r s e p r o b l e m 2 1t h es e n s i t i v i t yo ft h es e e p a g ec o e f f i c i e n ti sa n a l y z e db yu s eo ft h ed i f f e r e n c e m e t h o d , a n dan e ww e i g h tf u n c t i o nf o r t h eo b j e c t i v ef u n c t i o ni sd e v e l o p e d w i t ht h e a p p l i c a t i o no ft h ew e i g h tf u n c t i o n , t h ee f f e c t so fm o n i t o r e dw a t e rh e a d sw i t hh i g h s e n s i t i v i t ya g a i n s to b j e c t i v ep a r a m e t e r sc a nb es t r e n g t h e nt od e c r e a s et h ei l l p o s e d p r o p e r t yo ft h ei n v e r s ep r o b l e m 3 1t h eo r i g i n a lp o p u l a t i o ni sc r e a t e db yu s eo ft h em e t h o do fn e t l i k ed i s t r i b u t i o n , p r i m a r yg e n e t i ca l g o r i t h mi si m p r o v e db yt h ec o n s t r u c t i o no fi n d i v i d u a ls e l f - a d a p t i n g c r o s sa n dm u t a t i o np r o b a b i l i t i e s ，a n dah y b r i dg e n e t i ca l g o r i t h mw i t hh i g he f f i d e n c y i sp r e s e n t e dt od e c r e a s es e v e r a ll i m i t a t i o n so fp r i m a r yg e n e t i ca l g o r i t h mi np r a c t i c e , n s u c ha sp o o rl o c a ls e a r c ha b i l i t y , p r e m a t u r ec o n v e r g e n t e x c e s s i v ec o m p u t a t i o n a lc o s t a n db a da d a p t a b i f i t yt ol a r g es e a r c hs p a c e , a n da p p f i e ds u c c e s s f u l l yt ot h es e e p a g e p a r a m e t e r b a c ka n a l y s i si nt h es t r a t u mo fa p u m p e d - s t o r a g ep o w e rs t a t i o n 钔b e c a u s eo ft h es t r o n gi n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ef l u i d - f l o wa n ds u e s si nf r a c t u r e r o c km a s s e s ，t h ep a r a m e t e ri n v e r s ep r o b l e mf o rt h ec o u p l e da n a l y s i si sf u r t h e rs t u d i e d i nw h i c hb o t hw a t e rh e a d sa n dd i s p l a c e m e n t sa r er e g a r d e da sm o n i t o r e di n f o r m a t i o n i nt h eb a c ka n a l y s i so ft h ec o u p l ep r o b l e m ，t h es e n s i t i v i t ya n a l y s i so fd i s p l a c e m e n t s a g a i n s tm e c h a n i c a lp a r a m e t e r si sm a d ef i r s t l yw i t ht h em a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c sm e t h o d , a n do nt h eb a s i so ft h e n s i t i v i t ya n a l y s i s ，t h eo b j e c t i v em e c h a n i c a lp a r a m e t e r sa r c d e t e r m i n e d t h e nt h eh y b r i dg e n e t i ca l g o r i t h mi sa p p l i e dt os o l v et h ep a r a m e t e r i n v e r s ep r o b l e m a n dat y p i c a ld a mc a s ei sc a r r i e do u tt op r o v et h a tt h et h e o r yo ft h i s p a p e ri sc o r r e c t k e yw o r d ：c o u p l i n gm o d e l ，n u m e r i c a la n a l y s i s , s e n s i t i v i t ya n a l y s i s ，p a r a m e t e rb a c k a n a l y s i s ，g e n e t i ca l g o r i t h m i l l 此页若属实请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：塞垂壶日期兰丑! ：2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：塞童导师签名： 注：请将此声明装订在学位论文的目录前。 日期盈级 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 对渗流中流固耦合问题的研究，最早来源于土体固结理论。1 9 2 5 年太沙基 建立了饱和土体的一维固结方程，提出了有效应力原理，该原理成为近代土力 学的一条基本原理。1 9 5 9 年法国m a l p a s s e t 拱坝的溃决失事及1 9 6 3 年发生的意 大利v a i o n t 水库左岸边坡的大滑坡，令世人震惊，此类事故的发生，使得广大 学者开始认识到从基础理论方面研究渗流与应力的关系具有十分重要和深远的 意义【l2 1 。 无论边坡工程、地下工程还是基础工程。都存在着应力与渗流之间的相互 影响、相互作用的问题。据统计 3 1 ，9 0 的岩质边坡的破坏是由于地下水在裂隙 中渗流而引起的；6 0 的矿井事故与地下水作用有关；3 0 枷的水电工程大 坝失事是由于渗流作用引起的。此外，地下水抽取、水库诱发地震、地下核废 料的存贮、地表沉降等都涉及岩体地应力、地下水渗透力的相互作用。可见， 开展岩体渗流与应力耦合模型研究，不仅具有较高的理论意义，同时也具有重 要的实用价值。 目前，确定裂隙介质渗透系数最直接的方法是基于统计学及立方定律的野 外测量法，该法简单易行，但由于岩体中的裂隙并非无限延伸，也不是均匀光 滑不含填充物的裂口，露头量测或根据钻孔资料量测很难取得有代表性的裂隙 参数。但试验方法得到的渗透张量往往只能代表测试区域附近的介质渗流特性， 少量的试验也无法获得代表整个渗流场性质的参数，而且进行大量的试验，费 用太高，耗时太多，在实践中不可行。 6 0 年代国外学者提出的反演方法为确定渗流场介质的渗流参数提供了有力 的工具。反演方法具有广泛的适应性、较高的可靠性以及快速、经济等特点， 已成为确定裂隙岩体渗流参数的一种非常有效的手段，反演分析也逐渐成为渗 流数值分析的重要内容。反演分析利用综合反映介质渗流特性的现场实测资料， 通过建立并求解渗流反问题的数学模型能够得到反映流场整体特性的渗流参 数，更重要的是，将反演分析与现场监测相结合，建立预测模型合理预测工程 未来的运行状态，可以指导工程设计和施工。研究渗流反演理论不仅可以促进 武汉理工大学硕士学位论文 渗流正分析的理论研究成果在实际工程中的推广应用，而且能够促进工程设计 与施工控制的动态结合，从而可以实现岩土工程的动态设计，具有理论和实践 的双重意义。 1 2 渗流参数反演方法 1 2 1 脉冲谱法 脉冲谱法最初由d s t s i e n t 4 1 提出并用以解决流体动力学理想速度反问题。金 忠青【5 6 j 等学者将脉冲谱法引入渗流参数辨识领域。该法的基本原理是通过 l a p l a c e 变换将原时间空间域的问题转化为频率空间域的问题，并在频率空间 域中把求解反问题的过程转化成求解正问题和求解积分方程耦合迭代过程。求 解正问题即给定系统参数求解状态变量，求解积分方程即求解状态变量的变化 对参数的效应。整个求解过程中，状态变量和模型参数交替迭代直至满足控制 方程，定解条件及附加条件。 由于脉冲谱法是一种半解析的方法，因此可克服渗流参数反问题的不唯一 性缺陷，这是该法的最大优点。同时，脉冲谱法所需的实测资料较少，且选择 灵活，可为边界水头值，也可为边界流量，因此可显著减少获取附加信息所需 的工作量。此外，由于脉冲谱法在频率空间域内求解问题，可将不同离散频谱 对应的方程联立起来并行求解，同时获得水头分布和待反演参数值，因而求解 效率极高。遗憾的是，在解决各向异性渗流参数反问题时，由于不易分离得到 关于变量脉冲对参数影响的积分方程，该法碰到了难以克服的困难，目前脉冲 谱法还仅限于解决各向同性非均值的渗流参数反问题。 1 2 2 数值优化反演方法 数值优化方法求解渗流参数反问题是目前该领域内最主要的数值方法。其 基本原理是通过建立目标泛函，把确定系统参数的问题转化为以参数为目标未 知数的优化问题。参数的优化调整可以是人工的，也可以采用不同的优化方法 直接求解优化问题。 n e u m a n i7 j 根据建立目标泛函依据的误差准则不同把数值优化反演方法分为 直接法和间接法。直接法是通过方程残差向量构造目标泛函，将参数反问题转 化为优化问题。数值求解渗流模型时，定解方程最终化为一组代数方程。间接 2 武汉理工大学硕士学位论文 法依据实测水头值与模型输出值的误差建立目标泛函，将渗流参数反问题转化 为优化问题。间接法求解渗流参数反问题的难点在于寻找合适的优化算法。国 内外研究者在这一问题上业已做了大量的研究工作。目前出现的算法可概括为 两类，即拟线性规划法i s 9 1 、非线性优化算法。 梯度法类方法是一种梯度导向的启发式搜索算法【1 0 l 。和前两类算法相比， 梯度法具有搜索速度快，计算量小的优点，而缺点仅仅是增加了程序实现的难 度，反分析程序中需要计算目标函数对渗流参数的偏导数。实践表明，在求解 渗流参数反问题，尤其是参数较多的大型工程问题时应尽量采用梯度算法。 1 2 3 人工神经网络法 人工神经网络自8 0 年代中后期以来，迅速发展为一个前沿研究问题，并被 广泛应用于诸多学科领域。目前，国内外基于人工神经网络的参数反分析研究 成果已多处可见。就渗流参数反问题而言，其主要思路是1 1 川：首先，通过数值 方法求解正问题，即给定系统参数p 求解状态变量u ，由这两者组成样本对对神 经网络进行训练，获得状态变量u 与参数p 之间关系的神经网络表达；然后， 把状态变量的实测值u 输入给获得的神经网络，神经网络模型则输出相应的参 数值。d a v c y l l 、s a w y e r 埘，m u k h o p a d h y a y 1 3 l 等学者基于人工神经网络反演求 解了含水层的导水系数，m o r s h e d l l 4 基于人工神经网络结合遗传算法反演求解了 受烃污染的含水层粒径分布指数及渗透系数。和传统的反演方法相比，若有可 覆盖整个计算域的充足的训练样本对，神经网络法反演结果更接近真实值。而 且人工神经网络具有较强的非线性动态处理能力，无须知道状态变量与系统参 数之间的关系，可实现相同或不同维数向量之间的高度非线性映射，较好地解 决了常规反分析方法的唯一性稳定性问题。此外，计算实践表明，神经网络能 够向不完全，不精确并带有强噪声的数据集学习，具有很强的容错能力，如果 学习得当，能够从有限的、有缺陷的信息中得到近似最优解，因此，实测数据 中个别测点的人为误差不致影响整个反演结果，这点使之极大方便了其在工程 实践中的推广应用。但该法需要大量实测数据对网络进行训练，目前工程实践 中这些数据还较缺乏，这成为目前该法实际应用的一大障碍。 1 2 4 随机反演方法 由于地质结构的复杂性及地质勘探和现场，室内试验等条件的限制，迄今 3 武汉理工大学硕士学位论文 人们仍无法对岩土工程渗流参数的特性逐点精确把握。参数辨识结果只是基于 有限的离散实测数据对渗流参数的近似估计。事实上，对变异性很大的岩土工 程渗流参数而言，如果利用现存的实测资料统计信息采用随机反演方法，得出 一个可能的范围而不是一个简单的数显得更为合理。随机反演方法能够充分利 用实测资料及其统计信息来估计岩土工程渗流参数及其统计特性，从而可提高 参数辨识的可信度，并可同时给出误差的统计特性估计，对参数辨识结果进行 误差分析和可靠度评价。自渗流参数反问题开始发展以来，参数随机反演方法 便显示了其蓬勃的生命力。一般的参数随机反演方法即是考虑量测信息及待反 演参数的统计信息，并根据概率统计中的参数估计理论建立误差准则函数，进 而通过前述的各种优化算法求解参数及其统计特性的估计量。根据建立准则函 数所依据的估计理论不同，参数随机反演方法有g a u s s m a r k o v 法、极大似然法 及贝叶斯法等方法。g a u s s m a r k o v 法是发展最早，最简单的一种方法，自印年 代以来，国内外学者便广泛使用该法求解渗流参数反问题1 1 s l 。 1 2 5 遗传算法 遗传算法( g a ) 是演化计算中最具有代表性，应用最为广泛的优化算法i 。 它是基于生物进化的思想发展起来的一类求解优化问题的方法。二十世纪六十 年代初，首先提出演化策略的思想，形成了遗传算法的雏形。早期演化策略只 使用一个个体，同时由于缺乏一种有效的编码方案，当时演化策略是直接在解 空间上进行操作且只使用单一的变异操作来产生新的模型。到了二十世纪六十 年代中期，美国学者j o h nh o l l a n d 1 。1 提出了位串编码技术与多个体( 种群) 同时 进化的操作方式，并将杂交操作过程引入到算法当中。随后，j o h nh o l l a n d 进一 步将该思想用于自然和人工系统的自适应行为的研究中，并于1 9 7 5 年奠定了遗 传算法的基础。后来j o h nh o l l a n d 与他的学生们将该算法加以推广并应用到优化 及其机器学习等问题中，并正式定名该算法为遗传算法。现在j o h nh o l l a n d 的遗 传算法通常被称为简单遗传算法( s g a ) 。简单遗传算法操作对象是一群二进制 串( 称为个体或染色体) ，即种群( p o p u l a t i o n ) ，种群中的每个个体都对应于问 题的一个解。简单遗传算法从初始种群出发，采用基于适应度值比例的选择策 略在当前种群中选择个体，使用杂交，变异来产生下一代新种群。如此逐代演 化下去，直到满足期望中止条件。二十世纪九十年代初，为了计算机自动进行 程序设计的需要，j o h nh o l l a n d 使用遗传算法的基本思想，提出了遗传程序设计 4 武汉理工大学硕士学位论文 的概念。为遗传算法在各个领域的发展开辟了新的道路，推广了遗传算法的应 用领域。 遗传算法是从代表问题可能潜在的解集的一个种群( p o p u l a t i o n ) 开始的， 而一个种群则由经过基因编码( g e n e t i cc o d i n g ) 的一定数目的个体( i n d i v i d u a l ) 组成。每个个体实际上是染色体( c h r o m o s o m e ) 带有特征的实体。染色体作为 遗传物质的主要载体，即多个基因的集合，其内部表现( 即基因型) 是某种基 因组合决定的。因此，开始需要实现从表现型到基因型的映射即编码( c o d i n g ) 工作。初始种群产生后，按照“优胜劣汰，适者生存”的原理，逐代( g e n e r a t i o n ) 演化产生出越来越好的近似解。在每一代，根据问题域中个体的适应度( f i t n e s s ) 大小挑选( s e l e c t i o n ) 个体，并借助于自然遗传学的遗传算子( g e n g e t i co p e r a t o r s ) 进行组合交叉( c r o s s o v e r ) 和变异( m u t a t i o n ) 操作，产生出代表新的解集的种 群。这个过程将导致种群自然进化使后代种群比以前更加适应于环境，末代种 群中的最优个体经过解码( - d e c o d i n g ) ，作为问题近似最优解。 遗传算法与传统方法对比，遗传计算开始时，一定数目n 个个体随机地初 始化，并计算每一个个体的适应值，如不满足优化准则，则开始产生新一代的 计算。为了保证所产生下一代的有效性，父代要求基因重组而产生子代，所有 的子代按照一定的概率变异。然后子代的适应度又被重新的计算，子代被插入 到种群中将父代取而代之，构成新的一代。这一过程循环执行，直到满足优化 准则为止。 1 3 位移反分析研究进展 位移反分析的研究始于7 0 年代初，k a v a n a g h 和c l o u g h 在研究材料力学性 质的实验中，利用测得的材料应变反求材料的弹性参数，发表了反演固体力学 弹性模量的有限元法【1 s l 。1 9 7 6 年在一次岩土工程勘测研讨会上，k i r s t e ”】提出了 量测变形反分析法；g i o d a 2 0 利用位移和孔压的量测值，将优化方法和有限元数 值分析方法结合成功地反求了平面弹性固结问题的水平和垂直方向渗透系数， 从而将优化反演方法引入岩土工程领域。7 0 年代的这些研究成果为岩土工程位 移反演理论的发展和最后形成奠定了坚实的基础。 8 0 年代，众多研究者从各个方面对岩土工程反演理论及其应用进行了大量 的研究工作。g i o d a ，m a i e r 等迸一步发展了岩土工程领域的优化反演理论，采 用多种优化技术反求岩体的弹性力学参数【2 1 j ：1 9 8 1 年，c i v i d i n i l 2 2 1 等人对岩土工 5 武汉理工大学硕士学位论文 程位移反分析理论进行了系统总结，形成了岩土工程反演理论的基本框架；后 来，郭怀志【2 3 l 等提出了确定岩体初始地应力场的回归分析法，该法以应力值为 量测信息，因而称为应力回归分析法；后来，有些学者将该法推广为采用位移 量测值的位移回归分析法【刎。在反分析数值方法迅速发展的同时，国内外学者 将以上出现的各类反分析数值方法进一步推广应用到具有不同介质本构关系的 岩体工程中。李云鹏1 2 5 】等针对五种常用的组合流变模型进行了有限元法和边界 元法位移反分析的系统研究，提出了逆解回归法和逆解优化法。在实际的岩体 工程中，边界荷载、地质结构及参数分布等诸多因素具有明显的随机性或者不 确知性，这些不确定性往往会导致位移、应力等量值的不确定性，而且量测数 据本身也具有明显的随机特性。 9 0 年代，人们开始运用系统论、信息论以及人工智能等领域的最新研究成 果进行反演理论研究。袁勇闭基于连续介质力学，从系统辨识角度出发，对岩 土介质系统反问题的数学建模、参数识别、模型辨识进行了系统的研究；刘维 宁吲将信息论的研究成果引入岩土工程反演理论，认为反分析即是通过分析系 统的局部信息获得系统的内在规律，提出了基于信息嫡概念和优化理论，用数 据信息进行反演研究的信息论反分析方法。林育梁和s a k u r a l 将逆反分析和模糊 有限元结合提出了模糊反分析方法【勰】，该法较全面地考虑了岩体工程中量测信 息的不确定性、模糊性和量测环境的复杂性，是一种仿真性较好的反分析方法， 但由于模糊有限元计算极其复杂，在确定模糊隶属函数时又有很大的主观性， 目前该法只能处理弹性问题。人工神经网络方法在反演过程中不能考虑岩土介 质的物理本质，只是单纯的对量测数据的分析，因此反演结果的可靠性不能保 证，而且该法需要大量的训练样本进行网络训练，这在实际应用中往往得不到 满足。近来，出现了人工智能反分析方法的另一分支，即在反演过程中引入遗 传算法等进化计算，冯夏剧冽将神经网络与进化算法结合提出了位移反分析的 进化神经网络分析法；高玮f l 从系统辨识的角度出发，基于改进的遗传算法进 行了岩体系统参数的反演计算。进化算法具有良好的全局搜索能力和极强的非 线性适应能力，基本克服了传统优化算法优化结果严重依赖于参数初值、搜索 易陷入局部最优点等缺陷，实践证明，该法是解决复杂岩土工程反问题的一种 优秀算法，但目前该法的应用也受计算量大和计算速度慢等一些不利因素限制。 鉴于工程实践中裂隙岩体渗流场与应力场耦合的正问题比较复杂，往往具 有明显的非线性特征，同时考虑到反演研究的工程实用性，本文采用数值优化 6 武汉理工大学硕士学位论文 反演方法中的间接法开展裂隙岩体流固耦合的参数反问题研究。以下未经特别 指出，本文所提及的反演方法一律指数值优化类反演方法中的间接法。 1 4 本文主要工作 在广泛阅读国内外参考文献的基础上，本文系统总结了本课题相关领域业 已出现的诸多成果及最新进展，指出了目前该领域存在的一些急需解决的问题 及可能遇到的困难。在此基础上，完成的主要工作如下： 1 ) 采用变分不等式法解决有自由面的渗流问题，并运用统一域混合模型， 利用目前参数反演领域应用最为广泛的间接法，针对裂隙岩体渗透参数反演进 行了深入研究，改善了参数反演的适定性，提高了参数反演的可靠度； 利用差分法分析了测点水头对渗透系数的敏感性，并采用参数敏感性分 析构造优化目标泛函权函数的方法，最大限度的利用了敏感性好的有利量测信 息，改善了反演的不适定性； 3 1 利用小区间生成法生成遗传算法的初始种群，并通过构造个体自适应概 率对基本遗传算法做了改进，将改进后的算法与传统的单纯形方法结合，再进 行小生境淘汰操作，形成了一种新型高效的混合加速遗传算法，克服了基本遗 传算法局部搜索能力差、计算量大以及对大搜索空间适应能力差等缺陷，并将 其成功应用于某抽水蓄能电站地层裂隙岩体渗流参数反演分析的实践中； 4 1 基于正交计算方法，对流固耦合分析中的力学参数进行敏感性分析，根 据敏感性分析的结果确定反演的力学目标参数，针对位移场进行裂隙岩体的力 学参数敏感性分析，在此基础上确定了反演分析的目标未知参数； 5 ) 考虑到裂隙岩体渗流场与应力场存在强烈的耦合作用，本文基于渗透系 数与应力的间接经验耦合关系，采用求解稳定渗流场与弹性位移场耦合的分析 方法，首先利用然后利用水头量测资料，应用本文提出的混合加速遗传算法进 行裂隙岩体流固耦合的参数反演分析，基于以上的研究理论，通过典型的大坝 工程算例验证了上述理论的正确性； 6 ) 在总结本文研究工作的基础上，就本课题继续研究的方向进行了展望。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章裂隙岩体流固耦合特性 2 1 岩体裂隙渗流特性 2 1 1 岩体单裂隙渗流立方定律 岩体单裂隙渗流特性是裂隙岩体流固耦合分析研究的基础，国内外学者进 行了大量的理论分析和模型研究，取得了显著的研究成果，其中以平行板模型 最具有代表性。 h e l e s h a w 在假定岩体裂隙上下壁面光滑、平直、无穷大且相互平行的基础 上，用水力学理论推导了该模型的水流运动方程： v 一一k f y ( 2 - 1 ) k ，。墨一6 2( 2 2 ) 1 2 y 式中：v 为裂隙水流速度；k ，为渗透系数；，为水力梯度：b 为裂隙开度； ，为 水的运动粘滞系数。 对平行流和幅向流，流量计算公式分别如下： 平行流： 幅向流： q ，里量蔓 a h l1 2 v 一丽4 t 石g b 3 ( 2 3 ) ( 2 _ 4 ) 式中：q ，为通过裂隙的体积流量；形为垂直于水流方向的裂隙宽度；为平行 于水流方向的裂隙长度；a l l 为水头差。r 、r 0 分别为幅向流试件内、外径。 2 1 2 岩体裂隙等效水力开度 立方定律描述的是理想裂隙的水流规律，而自然界中的岩体裂隙都是起伏 不平的，裂隙面的形态对其渗流特性有着重要的影响。裂隙面形态用其相对于 裂隙面平均平面的凹凸不平度表示。通常将其分为两级：第一级凹凸不平度称 为起伏度，常用相对于平均平面的平均高度和起伏角j 来表示，它反映了裂隙面 的总体起伏特征。这种凸起一般不会被剪断，但可改变裂隙面两侧岩体的运动 8 武汉理工大学硕士学位论文 方向；第二级凹凸不平度称为粗糙度( j r c ) ，它反映了，裂隙面上次级微小起伏 现象。裂隙面粗糙度的存在减小两壁面之间水流的有效断面面积，降低有效开 度。因而，基于平行板水力模型的立方定律在实际运用中必须考虑裂隙粗糙情 况而予以修正。 目前，一些学者在实验研究的基础上，提出了不同的粗糙裂隙开度修正方 法，其中以l o m i z e 、l o u i s 的粗糙度修正系数法和b a r t o n 的粗糙度系数修正法 较具代表性。前者以裂隙面的平均凸起高度与裂隙开度的比值作为衡量基准， 提出了粗糙度修正系数表达式；后者则在粗糙度系数的基础上，直接建立裂隙 开度与修正后的裂隙开度( 等效水力开度) 的关系。 l o m i z e ( 1 9 5 1 ) 和l o u i s ( 1 9 6 9 ) 等人通过实验研究，提出了修正后的裂隙 水流运动方程和粗糙度系数表达式如下： 曰一丧， c z - s ， x ，。监( 2 - 6 ) 式中：c 为粗糙度修正系数。 e ： 化 c ， h 弧 + s s ( 笥 c 式中：为平均凸起高度，当尘2 b 主o 0 0 3 i 对，c 一1 引入参数下b ，则公式( 2 - 5 ) 、( 2 - 6 ) 变化为： 口。出! 生， ( 2 - 9 ) k ，。丝( 2 1 0 ) 可见，我们可以把粗糙裂隙面等效为一个开度为6 6 的光滑水力裂隙来计 9 武汉理工大学硕士学位论文 算其水力特性。6 即为粗糙裂隙的等效水力开度。 b a r t o n 3 1 】采用裂隙面粗糙度系数对裂隙开度进行修正， 开度的表达式： 玩- b 2 j r c ” 并提出了等效水力 ( 2 1 1 ) 2 1 3 平行裂隙组水力特征 如果岩体中只有一组裂隙发育，忽略其它裂隙的渗透性，将本组裂隙内的 水流平均到岩体中去，则可得岩体顺裂隙走向的等效渗透系数1 3 2 l ： k - 旦k ，+ k (212)s j _ 式中：s 为裂隙组平均间距；q 为岩块的渗透系数，其与詈巧相比很小，可以 忽略不计。 p o m m ( 1 9 6 6 ) 假定裂隙岩体为拟连续介质，水在整个岩体中的流动服从 d a r c y 定律，即： v k 。旦，( 2 - 1 3 ) 5 可见，对于一组平行裂隙，其等效渗透系数为： x 尘( 2 0 1 4 ) 1 2 y 6 e 渗流方程为： 矿也， ( 2 - 1 5 ) 1 2 y n c 若有多组发育裂隙，或岩体中有几条大裂隙时，可用裂隙网络水力学进行 分析，即对裂隙网络的节点建立方程组，利用节点处流量守恒和边界条件求解 方程组，即可求得网络节点处的水头值。 2 2 岩体裂隙变形特性 地表附近的低围压和常温条件下岩体的变形主要取决于岩体中的裂隙面， 裂隙面的变形直接影响到裂隙开度的大小，而裂隙开度是一个对裂隙渗透性有 着极大影响的因素。实际上，岩体裂隙渗流场与应力场的耦合作用正是通过裂 武汉理工大学硕士学位论文 隙的变化联系起来的，因而，岩体裂隙变形特性是岩体裂隙渗流场和应力场耦 合研究的一个重要方面。 2 2 1 法向应力作用下岩体裂隙法向变形 法向应力作用下裂隙的法向变形，一般可用指数函数或双曲函数来描述。 孙广忠【3 3 l 根据结构面法向闭合变形曲线提出了结构面闭合变形法则： 6 - b o o p 一4 7 毛1 ( 2 - 1 6 ) 式中：为结构面压缩闭合变形量；墨为结构面当量闭合刚度；a b 为结构面闭 合变形；o r 为法向应力。 由此得到裂隙面开度b 为： b - b o e 一4 7 毛 ( 2 - 1 7 ) g o o d m a n 3 4 l 根据大量的实验资料，提出了结构面闭合变形的如下经验公： b 。l q + 矾( 2 - 1 8 ) 式中：q 为就位应力 b a n d i s 3 5 1 提出了经验方程： 盯 竺 ( 2 1 9 ) 式中：所、n 为常数，o r 一，m n a b - t o ；口一o ，t n - 1 i g ，吃为结 即盖。砑1 商 协2 0 ) 2 2 2 岩体裂隙剪胀特性 l l 武汉理工大学硕士学位论文 研究是一个重要的内容。 裂隙剪切变形与剪应力有如下关系【矧； dr一墨咖(2-21) 式中：p 为裂隙面的剪切变形；墨为裂隙面的剪切刚度。 裂隙面剪胀后，其法向变形为剪切变形与剪胀角的函数： 出一d v t a n i ( 2 - 2 2 ) 将公式( 2 - 2 1 ) 代入公式( 2 2 2 ) 可得： d u a _ z t a n i( 2 2 3 ) k ， 对式( 2 2 3 ) 进行积分，可得： 肛猎咖 ， 对于边坡工程，结构面不允许出现峰值剪切状态，以保证边坡有足够的稳定 性，因而应使结构面的剪切荷载在一定程度上低于峰值抗剪强度。 剪切位移_ 图2 - 1 结构面剪应力一剪切位移曲线 图2 - 1 描述了在恒定法向应力作用下平直结构面剪应力和剪切位移的关系 曲线。从图2 - 1 可以看出，工程条件下结构面的剪切位移与剪应力曲线近似于线 弹性状态，这表明当法向应力不变时，剪切刚度可认为是一常数，此时式( 2 2 4 ) 可简化为： 武汉理工大学硕士学位论文 “。粤也一q ) “- 一t l t ， k “ 当初始剪应力为零时，有： t a n f “- 一f k ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) v ，- 图2 - 2 结构面剪切变形曲线 研究表明【3 6 】，结构面的剪切刚度随法向应力的变化而变化( 见图2 2 ) ，剪 切刚度与法向应力呈正相关关系： 墨- 4 0 + 口 ( 2 2 7 ) 式中：a 、b 为与岩石强度和结构面形态相关的常数。 2 3 岩体裂隙流固耦合特性 2 3 1 法向应力作用下岩体裂隙的渗流特性 在裂隙岩体流固耦合方面，法向应力与渗流的耦合研究开展得最早，所作的 工作最多，并取得了大量的研究成果。有关这方面的研究主要包括两个方面： 一是在试验研究的基础上，直接导出法向应力与渗流的耦合经验关系式；二是 利用裂隙变形规律，间接推导法向应力与渗流的关系。 在经验公式方面，比较典型的有： s n o w 3 7 用经验模型来描述渗透性随法向应力的变化公式： 武汉理工大学硕士学位论文 巧即一嘲) ( 2 2 8 ) 式中：k f 为初始应力对应的初始渗透系数；s 为裂隙间距。 l o u i s l 3 8 】根据坝址钻孔抽水试验资料分析，得出了渗透系数与法向应力的指 数型经验公式： kt-k10e“(2-29) 式中：a 为常数。 j o n e s l 3 9 魄出了适用于碳酸岩的经验公式： 巧- 卟詈】3 式中：k o 为常数；q 为裂隙闭合时的有效应力。 g a l e 柏l 通过对花岗岩、大理岩和玄武岩三种岩石裂隙进行实验， 经验公式： l 一芦口1 式中：弓- 告；口、为常数。 n e l s o n 4 1 魄出n a v a j o 砂岩裂隙渗透系数的经验公式： k l - a + b a ：。 ( 2 3 0 ) 得到如下 ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) 式中：以为有效压力；a 、b 、坍为常数。 k r a n z l 4 2 l 提出了花岗岩渗