（水工结构工程专业论文）基于微粒群算法的堆石坝坝料参数反演分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 堆石坝具有充分利用当地材料、投资省、施工快，对地基的适应性强等优点，已经 成为我国坝工建设中应用最为广泛的坝型之一。随着坝体高度的逐渐增大，大坝运行时 间的逐渐延长，堆石坝的安全问题已引起人们的普遍关注。利用原位观测资料反馈分析 大坝的实际工作性状是进行大坝安全性评价的主要手段，因而进行堆石坝反演分析方法 的研究具有十分重要的工程实际意义。 本文系统回顾了国内外岩土工程反问题的研究现状，阐述了反演分析的基本理论和 常用方法，而后引入了用于反演分析的智能微粒群优化算法，并对算法的基本原理、参 数选取以及算法在堆石坝坝料参数反演分析中的应用进行了讨论。 为提高标准微粒群算法在堆石坝坝料参数反演分析中的适应性，本文采用收敛性改 进的微粒群算法和基于多目标问题的微粒群算法，详细阐述了算法的改进原理。 最后，本文以西北口混凝土面板堆石坝为例，对基于微粒群算法的反演分析方法进 行了验证。其中，原位观测位移量值采用扣除蠕变分量后的量值，微粒群算法采用两种 改进收敛性的微粒群算法和两种基于多目标问题的微粒群算法。计算结果表明，微粒群 算法具有概念简单、容易实现、计算速度快等优点，适合应用于面板堆石坝坝料参数反 演分析。采用覆盖空间尺度和时间尺度的实测资料进行反演分析，其参数结果能更全面 的反映坝体材料特性。将基于多测点位移拟合的坝料参数反演分析看作多目标优化问 题，用基于多目标最优解评估的p s o 方法可获得更好的反演结果。 关键词：面板堆石坝；反演分析；改进微粒群算法；多目标优化问题 基于微粒群算法的堆石坝坝料参数反演分析 b a c ka n a l y s i so fr o c k - f i l lm a t e r i a lp a r a m e t e r su s i n gp a r t i c l es w a r m o p t i m i z a t i o n a b s t r a c t e a r t h - r o c kd a mh a ss o m eo b v i o u sa d v a n t a g e s s u c ha si t sl o w e rc o s t , s h o r t e rp e r i o do f c o n s t r u c t i o n , l o c a lm a t e r i a lu s e da d e q u a t e l ya n di t sa d a p t a b i l i t yf o rv a r i o u sf o u n d a t i o n se t c ， s oi tw o u d db ea d o p t e dw i d e l yi nf u t u r eh y d r o e l e c t r i cp o w e rd e v e l o p m e n to fo u rc o u n l a y a s t h ei n c r e a s i n go fd a m sh e i g h t , t h es a f e t yo fe a r t h - r o c kd a mw o m db em o r ea n dm o r e i m p o r t a n t f o re v a l u a t et h eo p e r a t i n gs t a t e ，b a c ka n a l y s i so fm o n i t o r i n gd a t ai so n eo ft h e m a i nm e t h o d s s ot h es t u d yo f t h eb a c k a n a l y s i sm e t h o di sv e r ys i g n i f i c a n t i nt h i sp a p e r , t h ed e v e l o p m e n to fb a c k - a n a l y s i sr e s e a r c hi ng e o m c c h a n i c a le n g i n e e r i n g h a sb e e nr e v i e w e d a n dt h e nai n t e l l i g e n c e o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m p a r t i c l es w a r m o p t i m i z a t i o n 伊s o ) h a sb e e ni n t r o d u c e d f o rr o e k - f i l lm a t e r i a lp a r a m e t e r s e s t i m a t i o n , t h e d e t a i lo ft h ep s oa l g o f i t h r n i c ，s e l e c t i n gp a r a m e t e r sa n da p p l i c a t i o no fb a c ka n a l y s i si n e a r t h - r o c kd a m sh a v eb e e nd i s c u s s e d h lo r d e rt oi m p r o v et h ec o n v e r g e n c eo ft h eb a c ka n a l y s i so ft h er o c k - f i l lm a t e r i a l p a r a m e t e r s ，f o u ri m p r o v e dp s om e t h o d sh a v eb e e np r o p o s e di nt h i sp a p e r t w oa r e c o n v e r g e n c ei m p r o v e dp s 0 ，a n dt h eo t h e r sa r et h ep s 0b a s e do nm u l t i o b j e c t i v ep r o b l e m f i n a l l y , t a k i n gt h ex i b e ik o u c o n c r e t ef a c er o c k - f i l ld a ma sa ne x a m p l e 。t h em e c h a n i c a l p a r a m e t e r so fi t sm a i nr o c k - f i l lm a t e r i a lh a v eb e e ne s t i m a t e du s i n gf o u ri m p r o v e dp s o m e m o d s b e f o r et h eb a c ka n a l y s i s t h ec r e e pc o m p o n e n to ft h ev e r t i c a ld i s p l a c e m e n t sh a s b e e nd e d u c t e df r o mt h et o t a lv e r t i c a l d i s p l e m e n t n 圮r e s l l l t si n d i c a t et h ev a l i d i t yo f i m p r o v e dp s 0m e t h o d si nt h eb a c ka n a l y s i so ft h em e c h a n i c a ld a f a n l e t e r so fc o n c r e t ef a c e r o c k - f i l ld a m n l ep a r a m e t e r sr e s u l t sc a nm f l e c tt h em a t e r i a lq u a l i t i e sf h l lw e l l b ya d o p t i n g m o n i t o r i n gd a t aa td i f f e r e n ts p a c e sa n dt i m e a n du s i n gt h ep s ob a s e do nm u l t i o b j e e t i v e p r o b l e m sc 趾b r i n gb e t t e re f f e c t , i f b a c k - a n a l y s i si st a k e n a sm u l t i - o b j e c t i v ep r o b l e m k e yw o r d s ：c f r d ；b a c k - a n a l y s i s ；i m p r o v e dp s o ；m u l t i - o b j e e t i v ep r o b l e m s 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：辛尘妊 日期：妒6 i 这 基于微粒群算法的堆石坝坝料参数反演分析 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：互鍪逻 导师签名：遂屹鑫 越年j 湖苴日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 1 研究背景 我国具有悠久的筑坝历史，建国以来共修建了8 7 万余座堤坝( 截至2 0 0 0 年) ， 这些大坝在防洪、发电、灌溉、供水和航运等方面产生了巨大的社会、经济效益【l 】，有 力地促进和保障了经济发展，社会稳定和环境改善。同时也使我国坝工技术水平，包括 勘测、设计、科研、施工和管理等，上升到一个新的台阶。 然而，由于多种原因，如水文、地质、施工质量及老化等，大部分大坝存在安全问 题，影响着工程效益的正常发挥，甚至威胁下游人民的生命财产安全，这在国内外是有 教训的。在国外，如圣佛朗西斯重力坝( 美国，1 9 2 8 年) 、马尔巴赛拱坝( 法国，1 9 5 9 ) 、 瓦依昂特拱坝( 意大利，1 9 6 3 年) 、提堂土坝( 美国，1 9 7 6 年) 等跨坝事件；在我国， 板桥、石漫滩土坝( 1 9 7 5 年) 洪水漫顶，沟后水库( 1 9 9 3 年) 渗透破坏等大坝失事事 件都引起了下游的严重灾害【2 】。国际大坝会议“关于水坝和水库恶化”小组委员会曾对 世界范围内的l l o o 座大坝失事案例进行了统计分析( 1 9 5 0 年至1 9 7 5 年) 。分析表明： 在所有失事的大坝中，有3 0 左右由于遭遇特大洪水、设计洪水偏低和泄洪设备失灵而 引起洪水漫坝失事；约2 7 由于地质条件复杂导致基础失稳和意外的结构事故( 如假设 的荷载过分乐观等) 而溃坝；约2 0 则由于地基渗漏引起扬压力过高，渗漏量及渗透 坡降过大而引起坝基渗透破坏造成大坝失事；约1 1 是由于大坝老化，建筑材料变质 ( 如侵蚀、风化等) 及施工质量等原因，使材料强度降低而引起的失事；另有约1 2 的大坝失事由其他原因所致1 3 】。在上述失事的众多大坝中，土石坝有5 1 5 座，所占比例 高达4 6 8 ，同时，大部分均为缺乏必要的观测设施或设施不完善或对所记录的原型观 测资料长期未予以统计整理和分析，以致未能及时掌握坝体及基础的工作性态，未予以 及时的工程加固处理，而致使大坝工作性态不断恶化而发生突发溃坝的惨剧【4 】。鉴于此， 我国于2 0 0 1 年出台了重新修订的水库大坝安全评价导则t s ，按照“导则”要求：“土 石坝的安全评价内容主要是坝体的变形与抗滑稳定，对于比较重要的大坝，这两项核算要 求在观测资料的基础上，首先进行模型和参数的反演，再进行应力、应变及安全性预测，最 后提出评价报告。”由此，反演分析工作做为土石坝安全评价的一项重要内容引起了专 家学者们普遍关注。 为了充分利用原位监测资料的信息，对大坝的安全状态做出准确评价，需要对原位 监测资料进行全面深入的分析和反分析。按照大坝安全监控理论的观点，在水工建筑物 安全评价的体系中，资料分析称作“正分析”( 注：在第二章之后提到的“正分析或正 演分析”是指反演分析的逆过程，是系统辨识理论中的概念) 。反分析按其实际内涵包 括反演分析和反馈分析，两者既有有机的联系，又有区别。按系统辨识理论的概念可通 一1一 基于微粒群算法的堆石坝坝料参数反演分析 称为反分析，见图1 1 【3 】。 图1 1 大坝安全评价主要内容示意图 f i g 1 1t h em a i nc o n t e n to f d a m s s a f e t ye v a l u a t i o n 从图中可以看出： a 正分析：正分析的主要任务是由实测资料建立数学监控模型( 如统计模型、确定 性模型、混合模型、以及模糊数学和灰色系统理论建立的预测模型等) 。应用这些模型 监控大坝等水工建筑物的今后运行；同时对模型中的各个分量( 特别是时效分量) 进行 物理解释，借以分析大坝等水工建筑物的工作性态【3 】。 b 反演分析：利用原型观测资料的正分析建立的数学监控模型，仿效系统识别理论， 将正分析的成果作为依据，通过相应的理论分析，借以反求大坝等水工建筑物的材料参 大连理工大学硕士学位论文 数以及某些结构特性等，称为反演分析法1 3 】。 c 反馈分析：是综合应用正分析和反演分析的成果，并通过相应的理论分析，从中 找出某些规律和信息，及时反馈到设计、施工和运行中去，达到优化设计、施工和运行 的目的，并补充和完善现行水工设计和施工规范刚。 本课题主要针对堆石坝本构模型参数的反演分析进行研究。 1 1 2 研究意义 在土石坝变形和稳定的计算中，作为前提条件的物理、力学参数选取准确与否，对 数值计算的结果有十分重要的影响【6 】。但在具体的工程实际中，一方面由于所要分析的 坝料性态十分复杂，并带有其固有的不确定性；另一方面也由于坝料参数的确定还受到 材料的物理性质、荷载大小、加载方式及应力历史等各种因素的综合影响，所以，其参 数的重要性及其难以确定性成为一对共存的矛盾体，成为工程计算分析中亟待解决的一 个问题。 目前，常用且传统的确定模型参数的方法主要有试验法( 包括室内试验和原位试 验) 、工程类比法、以及专家经验法等。其中室内试验法对试样的扰动较大且取样的偶 然性使得试验结果的代表性难以得到保证。而类比法和专家经验法均要求使用者掌握丰 富的工程资料与实践经验，明显包含了过多的主观因素。另外即使在设计时得到了较为 准确的土体参数，由于施工过程中施工工艺、施工方法和施工质量的影响以及运行期间 运行环境和管理方法的影响，也会使土石坝在实际工作状态的土体参数与工程设计时采 用的参数产生一定的差别。这样，如果采用设计计算时的土体参数进行土石坝工作性状 的计算分析，并以此作为土石坝安全性评价的基础，势必会造成不可估计的误差。 土石坝土体参数反演分析方法正是在这种背景下应运而生的，其目的主要是将已取 得的现场观测成果应用到原结构的计算分析之中，以便对运行中的坝体的工作性状进行 预测、控制和决策。土石坝土体参数的反演分析以土石坝的现场观测信息为基础，来反 算土石坝的土体参数，是现代规划理论、数值分析和观测技术的综合运用。它为较精确 地确定土石坝的土体参数提供了有效的手段，因而得到了越来越多的设计和研究人员的 重视并开始了这个领域的研究工作。特别是随着科学技术水平的提高，土石坝的观测设 备与观测技术得到了长足的发展，为土石坝土体参数反演分析方法的研究与应用奠定了 坚实的基础。 一 对于土石坝工程来说，位移的观测系统较容易建立，相对宏观的位移量测值也较可 靠。这使得根据实测位移来反演土石坝土体参数的反演方法即位移反演分析，成为了主 要的反演分析方法。因此，根据现有的土石坝位移观测资料进行土体参数位移反演分析 方法的研究，寻求和建立有效的反演分析方法，并发展相应的计算程序，可为土石坝的 安全性评价工作提供可靠的手段，具有重要的现实意义以及良好的应用和推广前景。 基于微粒群算法的堆石坝坝料参数反演分析 1 2 国内外研究现状 自1 9 7 1 年k a v a n g h 等 7 1 提出了反演固体弹性模量的有限元方法以来，岩土工程反 演理论研究很快成为国内外专家学者和工程师们关注的课题，并在较短时期内取得了大 量的研究成果。为解决岩土工程的本构模型及力学参数提供了切实有效的方法。学者们 针对不同的研究问题( 如弹性问题反分析，粘弹性、弹塑性问题反分析，参数辨识，模 型辨识等等) ，发展了各种各样的方法。如解析法、逆解法、图谱法、直接法等确定性 分析法以及非确定性分析法和智能反演分析法等等。下面对已有的研究成果进行简要的 总结和分析。 ( 1 ) 由于弹性问题位移反分析的实用价值大，理论简明，方法可行，这种反分析 首先得到了发展。 1 9 7 6 年k i r s t e n 在j o h a n n e s b u r g 召开的岩土工程勘测学术讨论会上提出了由实 测岩体变形来反分析岩体弹性模量、压力参数的方法。s a k u r a i 等人在1 9 7 9 年德国 a a c h e n 召开的第三届岩土工程数值分析国际讨论会上，提出了平面应变问题的弹性位 移反分析方法，并将其应用于地下工程辅助设计中，也应用于边坡的位移反分析中。1 9 8 5 年杨林德、黄伟等提出了初始地应力的有限元计算法【8 】，包括线弹性问题和非线性问题。 该方法适用于任意洞形地下洞室的任意开挖阶段，其平面应变问题有限元计算法还可排 除洞室开挖的空间效应的影响，并能单独确定初始构造地应力。1 9 9 5 年刘维倩等从弹 性力学的位移基本方程出发讨论了平面应变情况下的各类反演分析问题1 1 4 1 ，扩展了 s a k u r a i 的方法，并开发了相应的软件。1 9 9 6 年杨家岭论述了一种三维位移反分析的有 限单元法【1 5 1 ，包括对初始地应力参数的直接求解法以及对其它力学特征参数的优化求解 法，二者结合起来可应用于地下工程施工全过程的反分析。1 9 9 8 年严仁军等给出了基 于区域分解法的非均质介质反分析计算格式【1 6 1 ，使其能够将敏度矩阵的计算仅限于单介 质区域，从而使反分析的计算速度和收敛稳定性有了较大的提高。1 9 9 9 年，杜景灿和陆 兆溱提出了岩体结构面力学参数的加权位移反演分析方法【1 7 1 。2 0 0 0 年，赵冰等将有限 元线法同岩土工程反分析理论相结合，提出了基于有限元线法的反分析方法f l s l ，为有限 元线法的应用提供了新思路，丰富了反分析理论。 ( 2 ) 粘弹性、弹塑性模型与弹性模型相比，可以更好地描述岩土介质的力学行为， 但针对这些本构模型的反分析也更加困难和复杂。 1 9 8 5 年杨志法等讨论了采用单纯形等方法的弹塑性位移反分析。1 9 8 6 年，薛琳、 杨志法等对粘弹性问题几种常用流变模型的位移反分析进行了系统的研究【嘲。1 9 8 7 年 杨志法和王思敬等讨论了弹性、弹塑性以及粘弹性问题的位移反分析和快速图解反分析 的原理与应用【2 0 l 。1 9 8 9 年李云鹏、王芝银提出了粘弹性位移反分析的边界元法【2 1 1 ，推 导了以边界元法为基础的粘弹性位移反分析公式，并与以有限元法为基础的基本公式作 了比较，通过算例说明了二者之间的差别及各自的适用范围。1 9 9 2 年孙钧、黄伟提出 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 了对岩体和岩性诸参数，包括其抗剪强度指标c 、巾值进行弹塑性反演分析的一种全 局优化方法，采用逐次优化的方法求解目标函数的全局最优解，得出了非线性逆问题的 唯一解吲。1 9 9 4 年刘维宁等提出了一种对地下洞室进行弹塑性反分析的数据库方法【2 3 1 ， 事先建立位移数据库，现场反分析时只需作少量数据优化计算即可迅速得出结果。1 9 9 5 年杨志法等进一步探讨了有关考虑松动圈影响的位移反分析法和反演正算综合预测法 的原理i 硎。1 9 9 8 年范益群、李锡夔以d r u c k e r - p r a g e r 准则为例，对弹塑性模型参数的 位移灵敏度进行了分析，导出了有限元计算位移对参数灵敏度闭合公式1 2 5 j 。1 9 9 9 年谭 波涛等提出了分区介质样条边界元位移反分析法【2 6 】，通过改造均质体边界积分方程，对 分区粘弹性介质的全定义域，建立位移反分析边界积分方程及数据求解格式，简化了分 区问题的反分析计算程序。 ( 3 ) 学者们针对不同问题发展了系列反演分析方法。在研究初期，解析法由于概 念明确，计算简单，得到了学者们的关注。 1 9 7 4 年，s a k u r a r i 根据粘弹性山体中隧道周边蠕变位移变化的测量值，提出了反求 山体初始应力及粘弹性系数的一种解析法1 2 9 】。1 9 8 2 年，陈子萌由位移测量值反算了流 变岩体变形参数冽。1 9 8 6 年，刘允芳推导了弹性介质中非圆形洞室的位移反分析公式 1 3 0 。1 9 9 2 年薛琳等进行了粘弹性介质力学参数反演的解析方法的研究【3 l 】。 ( 4 ) 数值法中的逆解法、直接法的确定性分析法，如利用黄金分割法、单纯形法、 变量替换法等，在岩土工程中具有的普遍适用性，一度得到研究者们的青睐。取得了一 系列具有代表性的研究成果。 1 9 8 1 年，g i o d a 等通过现场量测位移，运用有限单元逆解法，对作用于锚杆上的土 压力进行了反分析田】。1 9 8 6 年，基于圆形巷道的弹性位移解，提出了反求岩体初始地 应力的解析逆反分析法【3 5 】。1 9 8 8 年，王芝银等推导了粘弹性有限元的逆反分析公式来 求解粘弹性参数和地层应力酬。 1 9 8 0 年g i o d a 采用单纯形法和r o s e n b r o c k 法等优化方法求解了岩体的弹性及弹 塑性变形参数t 3 7 ，之后他又采用拟梯度法和p o w e l l 法等优化方法进行了反演分析计 算，并讨论了不同优化方法在岩土工程反分析中的适用性。1 9 8 4 年a s a o k a 提出了采 用二次梯度法求解弹性模量e 和泊松比l i 的方法 3 8 1 。1 9 8 7 年，c r i o d a 总结了四种优 化法，即单纯形法，r o s e n b r o k 法，拟梯度法和p o w e l l 法在岩土工程反分析中的适用性， 认为这些方法各有其特点和不足，均可用于线性及各类非线性问题的反分析，具有很宽 的适用范围，缺点是计算工作量大，同时解的稳定性差。特别是当待定参数的数目较多 时，收敛速度缓慢 3 9 1 。1 9 9 3 年李素华、朱维申采用单纯形加速法、复合形加速法、混 合罚函数法和新鲍威尔法四种优化方法对地下工程围岩的岩体力学参数和初始地应力 进行了优化位移反分析的研究工作1 4 2 】，编制了平面问题直接算法的有限元程序，能解决 弹性、各向同性及弹塑性等多种岩体互层的复杂围岩的优化位移反分析问题。1 9 9 6 年 一5 基于微粒群算法的堆石坝坝料参数反演分析 吕爱钟探讨了6 种无约束最优化方法( 鲍威尔法、单纯形加速法、阻尼最小二乘法、 变尺度法、模式搜索法和变量轮换法) 在巷道弹性、粘弹性位移反分析中的应用情况， 从参数初值的选择、收敛速度、收敛精度和可靠性几个方面评价了上述六种方法的优劣 4 3 o2 0 0 2 年刘宁等采用变尺度优化方法( d f p ) 对材料参数进行确定性反分析研究【4 懿， 发现d f p 优化方法具有较高的计算效率和计算精度。对于较简单结构来说，d f p 法比 共轭梯度法具有更高的计算速度。 ( 5 ) 非确定性反分析法，有极大似然反分析，模糊有限元反分析，贝叶斯反分析， 扩张卡尔曼滤波器有限元反分析等等。 1 9 8 3 年，c i v i d i n i 等人提出了平面应变问题线弹性模型参数估计的b a y e s i a n ( 贝 叶斯) 方法1 4 6 。1 9 8 4 年，h o s h i y a 将扩张卡尔曼滤波器应用于地震结构系统的辨识鲫。 1 9 9 1 年袁勇提出了围岩弹塑性参数反算的极大似然法【4 矾，考虑量测位移及先验参数信 息的随机性和不确定性，使得到的结果更为可信。1 9 9 3 年，h o s h i y a 和s u t o h 提出了 将扩张卡尔曼滤波器与有限元耦合用于解决岩士工程问题【4 9 l 。同年，袁勇和孙钧以系统 辨识理论和连续介质力学原理为根据，较系统地阐述了岩土介质系统逆问题的建模、参 数优化识别及目标函数构造的原则和方法【5 0 j 。1 9 9 4 年k o h 等提出自适应滤波方法对 普通扩张卡尔曼滤波器进行了改进【5 ”。同年，s u z u k i 等使用卡尔曼滤波器进行了坝体沉 降变形的预测。1 9 9 5 年黄宏伟提出了随机逆反分析法 5 2 1 ，该方法不但考虑了量测信息 的随机性又考虑了物理模型的不确定性，基于随机有限元和特征函数法进行分析，更符 合实际情况。同年，朱全永等考虑到岩土体的各种反应为随机过程，提出了m o n t e - c a r l o 反分析法1 5 ”，该法可给出参数的均值、方差及其分布类型，从而为反分析提供了一种更 可靠的随机参数估计结果，但需抽取较大的样本数，计算工作量较大。1 9 9 6 年l e d e s m a 和g e m 等提出了一种基于极大似然法，考虑参数的先验信息，同时反演参数及其方差 的概率论方法，通过辨识与参数相对应的方差来描述量测结果的不确定性，并将该方法 应用于隧道开挖问题剐。1 9 9 9 年黄志全，王思敬等根据随机模糊概率理论，讨论了岩 体力学参数随机模糊概率分布的形式，提出了“置信闽值”的概念和置信度分析模型【5 5 】。 从理论上分析了力学参数取值的置信度问题，并就参数的可靠性分析提出了测试参数的 可靠性检验方法。2 0 0 0 年和2 0 0 1 年郑颖人、刘宁等分别介绍了目前具有代表性的几 种随机反分析的研究概况。就各种模型的特点、适用性进行了对比分析，并对非确定性 反分析的发展前景进行了展望【5 6 1 。2 0 0 2 年刘宁等从数据信息的角度对极大似然反分析 法和b a y e s i a n 反分析法进行了重新认识，提出了反分析的最大熵原理i 绷，比过去仅从 数据和算法本身研究反演问题多了一个参照系，使得传统意义上反分析法中的不确定性 研究有了一个新的模式。 ( 6 ) 2 0 世纪9 0 年代以来，随着一些新颖优化算法的相继出现，交叉学科，前沿科 学不断被引入到岩土力学反分析中。反分析出现了智能化的趋势。 大连理工大学硕士学位论文 1 9 9 5 年，t h e o e a r i s 等将人工神经网络应用于塑性硬化本构模型的模拟【5 9 】。1 9 9 6 年 孙道恒和胡俏等提出了力学反问题的神经网络分析法【印】，基于神经网络的逆系统辨识， 将系统输入作为网络的输出，对应的系统输出作为网络的输入对网络进行训练，建立起 系统的逆模型对力学反问题进行求解。1 9 9 7 年，李立新等将人工神经网络应用于非线性 位移反分析，得到了岩体的粘弹性力学参数【6 1 】。1 9 9 8 年，t o m o n a r i 应用神经网络模拟 粘弹性隐式本构模型吲。同年，李端有等将人工神经网络应用于非线性位移反分析，取 得了三峡永久船闸开挖边坡多介质岩体的宏观等效弹性模量 6 3 j 。樊琨等基于人工神经网 络方法，建立了非线性力学反分析模型，用位移反求岩土工程计算中的邓肯参数【6 4 1 。1 9 9 9 年，冯夏庭等提出了参数与模型的智能辨识，并将人工神经网络与遗传算法相结合，提 出了一种用于位移反分析的进化神经网络方法嗍，这种方法用遗传算法搜索最优的神经 网络结构，用最佳推广预测学习算法，训练神经网络，再用遗传算法在全局空间上进行 岩体力学参数的最优辨识。他们还利用这种方法讨论了材料本构模型的唯一性，提出了 材料非线性本构模型结构和参数的耦合进化识别算法1 6 ”。2 0 0 0 年，葛增刹韶】对传统的 b p 算法进行了改进，采用逐次投影法，有效的加快了网络训练的收敛速度，并将人工 神经网络方法应用于深基坑开挖工程中的土体物性参数识别，取得了较好的反演效果。 2 0 0 0 年，王登刚和刘迎曦等采用改进的遗传算法，根据混凝土重力坝的水位位移分 量反演坝体和基础的弹性模量；后来又将该方法推广应用到一般岩土工程反问题的求 解，提出了岩土工程位移反分析的遗传算法l 明。同年，高玮等基于实数编码的遗传算法， 提出了一种对岩体本构模型参数及物性参数全面反演分析的方法 _ 7 0 1 。2 0 0 1 年，邓建辉 等为了减少反演计算量，提高计算效率，用b p 网络代替了有限元计算，基于遗传算法 反演了岩体边坡的弹性模量1 7 ”。同年，李守巨等基于遗传算法，根据结构在动荷载作用 下的动力响应观测数据，建立了在时域内同时识别结构振动参数和动荷载参数的数值方 法，数值模拟计算结果表明，该方法具有良好的抗观测噪声能力以及较高的识别精度【捌； 他们还基于遗传算法，根据巷道开挖后变形收敛观测资料，建立了岩体初始应力场非线 性反演方法，解决了传统线性化反演方法( 高斯牛顿法) 的不唯一性问题和迭代发散问 题 7 3 1 。2 0 0 3 年，朱合华等基于遗传算法，发展了阻尼最小二乘法一遗传混合算法与模 拟退火一遗传混合算法，并通过工程反演实例，将上述两种方法与单纯形法、阻尼最小 二乘法及遗传算法相比较，得到了一些有益的结论【m 。 1 9 9 5 年，g u p t a 等基于反演模型，采用模拟退火算法确定了多孔介质的随机渗透区 域1 7 5 。2 0 0 1 年，李守巨等基于模拟退火算法，利用水头和流量观测数据反演了含水层 参数【_ 7 6 1 。冯新等将“成功一失败”法引入模拟退火算法中，对模拟退火算法进行了改进， 用改进的算法反演了大坝的分区弹性模量，并将模拟退火算法与单纯形方法结合，利用 结构的一阶不完整模态数据，对混凝土坝体和坝基岩体的弹性模量进行了反演计算f 7 7 1 。 蚁群算法和微粒群算法是最近发展起来的智能优化算法，在土木工程反演问题中的 基于微粒群算法的堆石坝坝料参数反演分析 应用还很少。2 0 0 2 年，高玮等用蚁群算法对硐群施工顺序进行了优化，取得了良好的效 果( _ 7 8 1 。同年，陈昌富等改进了蚁群算法，构造了与安全系数相关的信息素状态函数，给 出了一种适应复杂边坡临界滑动面搜索的启发式蚁群算法 7 9 1 。2 0 0 6 年，李亮将基于排 序的路径选择方式引入到蚁群算法中，对复杂士坡进行圆弧临界滑动面搜索，并将蚁群 算法搜索得到的较优解应用于基本复合形法的寻优过程中，构建了蚁群复合形法，实例 表明，混合复合形法的全局搜索能力比基本复合形法有大大提耐8 0 1 。 2 0 0 4 年张慧基于圆弧滑动面的假设，把微粒群算法应用于土坡稳定问题，将滑弧圆 心及半径作为决策变量，安全系数最小作为目标，利用微粒群算法搜索土坡中具有最小 安全系数的临界滑动面，取得了优于二分法的计算结果i s 。同年，孙木楠等应用微粒群 算法，对于一个钢结构，利用部分实测的振动模态数据进行了结构模型修改的研究，确 定结构刚度的折减度，并与基于灵敏度分析、神经网络和遗传算法的模型修改方法进行 了对比，以修改后模型计算出的模态数据与实测模态数据的相似度来衡量模型修改的准 确性。结果表明，在多数情况下，基于微粒群算法模型的修改方法得到了最好的修改结 果网。2 0 0 6 年，李亮将变异过程引入到粒子群算法中构成了变异粒子群算法，降低了 基本复合形法搜索结果对初始复形的依赖程度，并将变异粒子群算法搜索得到的较优解 应用于基本复合形法的寻优过程中，对复杂土坡进行圆弧临界滑动面搜索的表明，粒子 群复合形法的全局搜索能力比基本复合形法大大提耐删。 ( 7 ) 与其他岩土工程相比，土石坝反演分析的工作开展较少。 1 9 9 6 年朱满培提出土石坝原型观测资料计算机管理分析系统，用正分析、反演分析 和有限元数值计算等方法综合评价大坝的工作状态1 6 副。2 0 0 1 年郭雪莽、田明俊等人尝 试把遗传算法应用到土石坝土料的参数反演中1 4 l j 。2 0 0 3 年吴中如等详细介绍了利用现 场观测资料及邓肯一张模型反演土石坝材料物理力学参数和徐变度【3 】。2 0 0 4 年陈斌等建 立一套面向对象的土石坝反演分析方法，并针对岩土工程反分析中使用的传统b a y e s 方 法中存在的缺陷，提出了扩展b a y e s 方法，从概率论和数理统计的原理出发，建立了基 于决策信息论中的a i c 准则和最大熵准则的岩土工程随机反演的准则函刻躅。2 0 0 5 年 袁会娜等提出了基于综合应用人工神经网络和演化算法的土石坝位移反演分析方法 f l 删。文献对成屏面板堆石坝进行反演分析，选取蓄水前坝体填筑到设计高程时，位 于坝体中心断面约1 2 坝高偏下的三个测点的实测位移，作为反演的依据。同年，夏富 洲利用b p 神经网络，以坝体中心断面某些测点在竣工期的实测位移为基准，进行了面 板堆石坝坝料参数的反演分析嗍。 1 3 本文的主要研究工作 本文的主要工作内容是根据现有的堆石坝位移观测资料，运用智能微粒群算法，进 行坝体本构模型参数的位移反演分析研究。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 第一章首先阐述了反演分析研究的背景和意义，然后对国内外岩土工程反问题的 研究现状进行了系统的回顾。 第二章首先从数学、力学、信息论和系统论四个角度对反演分析的基本概念给出 了系统的陈述，然后阐述了反演分析的分类并总结了常用的反演分析方法，最后引出新 颖的智能微粒群算法，并陈述了算法原理、参数选取方式以及算法在堆石坝本构模型参 数反演中的应用。 第三章引入了两种改进收敛性的微粒群算法和两种解决多目标优化问题的微粒群 算法，改善了标准微粒群算法的收敛性，提高了微粒群算法进行反演分析的适用性。 第四章以一实际工程为例，编制基于微粒群算法的反演分析程序，对该反演分析 方法进行了验证。 ( 1 ) 介绍了工程概况，及原型观测资料的运用原则； ( 2 ) 阐述了结构本构模型参数反演分析中本构模型的选取原则； ( 3 ) 针对具体问题，对所选本构模型的参数进行了敏感性分析，为下一步反演分 析做前期准备工作； ( 4 ) 分别运用两种改进收敛性的微粒群算法和两种解决多目标优化问题的微粒 群算法对西北口面板堆石坝坝料参数进行了反演分析。最后比较了四种方法 的分析结果，总结出了反演分析的规律性，得到了些有益的结论。 结论及展望 9 一 基于微粒群算法的堆石坝坝料参数反演分析 2 反演分析的基本理论和常用方法 2 1 反演分析的基本概念吲 为更加清晰的阐述反演分析的概念，先回顾一下有限元正演分析的概念。 在岩土工程问题中，正演分析为，首先建立描述岩土介质力学性状的模型，然后通 过室内外试验等方法确定材料相应的模型参数，并将上述参数和计算模型应用于具体的 工程，在给定的条件下( 边界条件，初始条件等) 对岩、土体的变形及其内部的应力分 布状况进行预测分析。 反演分析是正演分析的反过程。在工程实践中，荷载所引起的岩、士体的位移及应 力往往可以通过现场监测得到，反演分析就是根据现场监测的水平位移、沉降、应力、 孔压等，通过一系列数值分析方法来反推材料的本构模型或力学参数。其分析过程可用 图2 1 示意。 勘查几何参数 至垂至引应力t 美孔压，l 试验介质参数 建设要求荷载参数 图2 1 岩土工程问题反演分析和正演分析过程示意图 f i g 2 1t h ep r o c e s so f b a c k - a n a l y s i sa n da n a l y s i si ng e o m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g 反演分析在工程中应用广泛，学者们对该问题的研究也日益深入，为了对反演问题 有一个统一全面的认识，下面分别从数学、力学、信息论和系统论的角度对反演分析进 行描述。 2 1 1 数学上的统一描述8 4 j 设d 为甩维空间的连通开区域，变量f 缸1 ，h ) ，其中某变元可表示时间或位 置，d 的边界记为b d 。问题可描述为 l ( u ，q ) = f , x d ( 2 1 ) m ( u ，q ) = g ，x b d ( 2 2 ) 式中：q 一系统的状态变量，其中可测量出的部分称为输出； ”一系统中与介质特性有关的物理量，分量中含内因( 如介质特性参数等) 及 外因( 如外力作用等) ； 广一是系统的输入，通常表示源、外力、控制等外部作用； 工一作用在d 上的微分算子； m - - 作用在边界b d 上的微分算子； g 一边界上的输入。 一1 0 一 大连理工大学硕士学位论文 q ，“， g 均为x 的函数。式( 2 1 ) 表示系统的方程，式( 2 2 ) 包含边界条件和初 始条件。 假定“，g 属于某个容许函数集合，代入式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) e 0 ，均存在某种意义下 与物理背景符合的广义解，其求解过程称为解正问题，它是提出反问题的基础。没有正 问题定性及定量的研究基础，反问题提出是没有根据的。 如“， g 已知，把“，办g 代入式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) ，则解q 全部可知。如”，g 并非全部已知，而在d 的某个子集c b 上，可实测出解q 的某些信息。那么，如何从 这些实测信息中求得u ，g 中的未知量，使式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 完全定解，则称为一个反 分析过程。 2 1 2 力学上的统一描述。格i 一般力学问题均可表示为数学偏微分方程的形式，对一般的力学问题，其微分方程 可统一描述如下： 求解问题：上 ) = 厂( x ，t )x q ，t ( o ，+ ) ( 2 3 ) 初始条件：，( ) = 妒( 工) x q ，t = 0( 2 4 ) 边界条件：b ( “) = 矿( x ，t ) z f ，t ( o ，+ ) ( 2 5 ) 附加条件：4 ( ”) = k ( x ，f ) x f ，te ( o ，+ _ o o ) ( 2 6 ) 式中，矿，k 分别为初始条件、边界条件及附加条件；l ，i ，b ，a 等为作用 算子。对一个力学系统，若“未知，其余均为己知，则为正分析；若可实测得到部分 或全部，而其它量中存在未知条件，则为反分析过程。 依据未知量在微分方程中的不同，可将反问题分为：模型识别、参数识别、几何识 别、源反分析等等。 其中：模型识别一算子l 中局部组项未知，如岩土本构模型的识别等； 参数识别一算子l 中某些参数未知。如介质弹模、泊松比的反演等； 几何识别一边界i 的局部位置和形状未知。如结构缺陷检测等。 2 1 3 信息论上的统一描述i 蹦l 反分析的目的是设法利用观测信息及经验信息等来识别用于分析系统的其它一些 未知信息。因此，反分析的实质为一种信息传递的过程。实际系统的反分析主要依靠数 据本身来进行识别，用观测数据和理论分析数据在观测和模拟计算中建立反馈联系，数 据只是信息的载体，反分析过程所利用的仅是数据所携带的与实际系统有关的那部分信 息。 对任一物理系统，均可用参数空间攻来描述，其中参数，= ( 肌刃) 的信息状态表达 了我们对于它在空间攻中所处状态的一种认识，其认识程度由其概率密度，? 砂来表达。 当物理系统的参数空间攻选定后，可确定关于参数x 的背景信息 1 0 ，这样状态，m 基于微粒群算法的堆石坝坝料参数反演分析 所表达信息的信息量定义为熵： ，( 门= e l o g f ( x ) a ( x ) ( 2 7 ) 它唯一地确定了空间以上的信息度量，从而，可推导出参数空间上的一个信息传 递综合关系，它称为反演定理。此定理表明了未知参数的3 种己知信息( 观测信息、 理论预测信息、经验信息) 的综合，给出了含更高信息量的后验信息： 后验信息= 先验信息( 经验信息) + 观测信息+ 理论信息量 该形式是唯一确定的，表明了反分析中的一个基本信息结构，是基本信息传递形式。 2 1 4 系统论上的统一描述 一个简单的系统是由输入、输出和模型三部分组成。输入也称为系统的外因，模型 则称为系统的内因。由因( 外因和内因) 求果( 输出) ，就是通常所说的正问题；而由 果求因( 外因或内因) ，就是反问题。 文献【s 7 l 提出：岩土力学研究对象实质为一个复杂的巨型系统，人们对研究对象进行 的各种施工活动，均可看成是系统的输入；而人们能看到的位移、变形、破坏等均可视 为系统对输入的反应和输出。外观表现( 即位移、应力、应变等) 可观测得到，而施工 活动等因素也能人为控制，因此反演分析通常需要反演的是系统模型、物理参数等，实 质为系统辨识问题，包括模型识别和参数识别等。此过程可用图2 2 表达： 施工活动等 已知条件 系统输入 岩上工程 体系 系统 位移、变形、破坏 等外残袭现 系统输出 图2 2 岩土工程反演分析示意图 f i g 2 2t h ep r o c e s so f b a c k - a r m l y s i si ng e o m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g 2 2 岩土工程反演分析的分类及常用分析方法 2 2 1 岩工程反演分析的分类 ( 1 ) 根据反演计算时采用的测量信息分类： 根据反演计算时采用的现场测量信息的不同，反演分析可以分为应力反演分析、位 移反演分析和混合反演分析三类【嘲。 应力反演分析一利用现场量测的有限个应力值，反推系统的力学特性模型或力学特 性参数、初始地应力