基于水—岩耦合理论的坝基防渗帷幕优化研究

论文摘要

裂隙岩体渗流应力耦合研究是目前岩体工程的前沿性课题之一。对高坝工程进行坝基防渗设施优化是坝体及坝基稳定的重要保证,也是降低工程造价的有效措施。通过分析国内外裂隙岩体水—岩耦合研究发展及现状以及坝基防渗设施设计的基础上,采用等效连续介质模型对以密集裂隙分布为主的岩体进行非稳定渗流场与应力场耦合研究,并将渗流应力耦合理论引入坝基防渗设施优化研究中,以防渗帷幕的工程造价为目标函数,以通过帷幕的渗流量、坝基最大水力坡降及坝底总的扬压力为约束条件,建立优化研究模型,采用改进遗传算法进行坝基防渗设施优化研究。本文的主要研究内容及成果如下:(1)进行裂隙岩体渗流应力耦合模型研究,分析各种耦合模型的优缺点及其使用范围,即在进行岩体渗流应力耦合研究时,需根据不同地质情况采用不同的模型。(2)根据裂隙岩体渗流场与应力场耦合理论,采用等效连续介质模型进行二维,三维渗流应力耦合作用软件开发,并与改进遗传算法相结合,进行高坝工程坝基防渗帷幕优化研究。(3)对以密集裂隙分布为主的岩体进行二维、三维非稳定渗流场与应力场耦合作用研究,采用等效连续介质模型进行迭代耦合计算。通过工程算例计算,结果表明耦合作用使得坝基岩体内水头增大,即在岩体裂隙中产生更大的扬压力;当库水位下降时,坝基内水头具有滞后效应,并且库水位下降速率越大,滞后效应越明显,在坝基上游处形成更大的水力坡降。(4)渗流场与应力场耦合作用使得坝基岩体内应力场中的各应力分量均增大,但兰库水位以不同速率下降时,应力场变化不大。(5)建立基于渗流应力耦合作用的坝基防渗帷幕优化数学模型,针对简单遗传算法收敛时间过长、易早熟等缺点,采用改进遗传算法进行优化程序设计。(6)对某高坝工程坝基进行非稳定渗流场与应力场耦合研究,利用改进遗传算法进行基于渗流应力耦合理论的坝基防渗帷幕优化研究,求解一般情况下满足工程要求的坝基防渗帷幕最优参数组合。计算结果表明改进遗传算法进行多变量优化设计具有很好的收敛性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 国内外研究综述及现状
• 1.2.1 岩体渗流研究综述
• 1.2.2 岩体渗流应力耦合研究综述
• 1.3 本文的研究方法和主要内容
• 1.3.1 本文的研究方法
• 1.3.2 本文的主要研究内容
• 2 水—岩耦合模型及数值计算方法
• 2.1 水—岩耦合机理
• 2.2 水—岩耦合模型建立方法
• 2.3 水—岩耦合作用模型研究
• 2.3.1 等效连续介质模型
• 2.3.2 离散裂隙网络介质模型
• 2.3.3 双重介质渗流模型
• 2.3.4 多重介质渗流模型
• 2.4 水—岩耦合模型数值计算方法
• 2.4.1 迭代耦合法
• 2.4.2 直接耦合法
• 2.5 本章小结
• 3 裂隙岩体二维非稳定渗流场与应力场耦合研究
• 3.1 二维非稳定渗流场及其数值求解
• 3.1.1 二维非稳定渗流场
• 3.1.2 二维非稳定渗流场数值求解
• 3.2 二维非稳定渗流场与应力场耦合研究
• 3.2.1 裂隙岩体等效连续介质渗透系数张量
• 3.2.2 渗流场对应力场的影响
• 3.2.3 应力场对渗流场的影响
• 3.3 耦合模型程序设计
• 3.4 工程算例
• 3.5 本章小结
• 4 裂隙岩体三维非稳定渗流场与应力场耦合研究
• 4.1 裂隙岩体三维非稳定渗流场分析
• 4.2 裂隙岩体三维应力场数值计算
• 4.3 三维非稳定渗流场与应力场耦合分析
• 4.3.1 渗流场对应力场的影响
• 4.3.2 应力场对渗流场的影响
• 4.4 工程算例
• 4.4.1 工况一
• 4.4.2 工况二
• 4.4.3 工况三
• 4.4.4 计算结果分析
• 4.5 本章小结
• 5 遗传算法
• 5.1 遗传算法的基本结构
• 5.1.1 遗传算法的运行参数
• 5.1.2 遗传算法的编码方法
• 5.1.3 遗传算法的适应度函数
• 5.1.4 遗传算法的遗传算子
• 5.2 改进遗传算法
• 5.2.1 自适应遗传算法
• 5.2.2 复合—自适应遗传算法
• 5.3 本章小结
• 6 基于渗流应力耦合理论的防渗设施优化研究
• 6.1 灌浆帷幕的防渗标准
• 6.2 传统的灌浆帷幕设计
• 6.2.1 灌浆帷幕的形式
• 6.2.2 灌浆帷幕的位置
• 6.2.3 灌浆帷幕的参数设计
• 6.3 灌浆帷幕的优化设计模型及求解方法
• 6.4 本章小结
• 7 某高坝工程基于渗流应力耦合理论的坝基防渗帷幕优化研究
• 7.1 工程概况
• 7.2 坝基岩体工程地质条件
• 7.3 坝基防渗帷幕优化研究
• 7.3.1 坝基防渗帷幕参数设定
• 7.3.2 改进遗传算法进行坝基防渗帷幕优化研究
• 7.4 坝基非稳定渗流场与应力场耦合分析
• 7.4.1 工况一
• 7.4.2 工况二
• 7.4.3 工况三
• 7.4.4 计算结果分析
• 7.5 坝基设置封闭防渗排水系统
• 7.6 本章小结
• 8 结论与展望
• 8.1 本文主要研究成果
• 8.2 有待进一步研究的内容
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 附录一 攻读硕士学位期间撰写和发表的论文目录
• 附录二 攻读硕士学位期间参与的课题
• 附录三 参加学术会议情况