三维边坡极限平衡分析软件开发技术研究

摘要

我国是一个多山、多雨雪天气的国家，滑坡灾害分布范围很广且频率很高。此外我国处在基础建设飞速发展的阶段，交通设施、水利水电设施的建设在全国范围内全面展开，极大的改变了地球浅表层的自然状态，打破了原有的平衡状态，使得滑坡灾害越发严重。因此，快速准确的边坡稳定性评价对指导边坡工程的设计施工、保证边坡工程的安全，具有极大的意义。 目前，二维方法仍是边坡稳定分析的最主要手段。但是自然界发生的绝大多数滑坡的三维效应十分明显，三维边坡稳定分析可以更加真实地评价边坡的稳定性。以垂直条分为基础的三维极限平衡分析方法已经有了充分的发展，并且开始用于边坡工程的稳定性分析。但是由于三维极限平衡分析方法本身的复杂性，其在工程应用中仍难以大规模推广。本文针对该问题，进行了三维极限平衡分析软件开发技术的研究，主要内容有以下几个方面： (1)选取水科院三维极限平衡分析方法作为应用技术研究的基础，详细推导了该方法的求解过程，并提出了迭代初值的确定方法。 (2)提出了Delaunay三角网数字地层模型加下覆土层规则构建坡体模型的方法，并设计了一种构建Delaunay三角网的新型生长法--壳外插入法。 (3)设计了一种新型的三维滑裂面--双二次Bezier滑裂面。基于垂直条分法的特点，提出了基于格网数据的三维滑体构造方法。 (4)建立了三维临界滑裂面求解的目标函数，根据其特点确定了以遗传算法为基础的搜索方法。收集整理了改进遗传算法性能的研究成果。对遗传算法的实现技术进行了研究，设计了内存二进制编码技术和基于多线程的并行遗传技术，同时以面向对象方法设计了遗传算法实现框架。 (5)研究了三维边坡稳定分析应用技术的集成方法，设计了三维边坡稳定分析软件的开发构架，并以该框架设计了Ramtil-SLOPE应用程序。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1选题依据

1.2国内外研究现状

1.2.1三维极限平衡分析方法

1.2.2滑体计算数据生成技术

1.2.3三维临界滑裂面搜索技术

1.3本文的研究思路和主要内容

第二章边坡稳定的三维极限平衡分析

2.1水科院三维极限平衡分析方法

2.1.1假定条件

2.1.2静力平衡方程的建立

2.2静力平衡方程的求解

2.2.1牛顿—勒普生法迭代求解

2.2.2各迭代分量的求解

2.2.3初值的确定及合理性条件

2.3本章小节

第三章三维数字坡体模型

3.1三维坡体的描述方法

3.2数字地层模型

3.2.1数字地层模型的概念

3.2.2数字地层模型的描述方法选择

3.3数字地层模型的构建方法——壳外插入法

3.3.1数字地面模型构建方法概述

3.3.2壳外插入法的提出

3.3.3实现壳外插入法的几个关键问题

3.3.4算法的数据结构及具体实现

3.3.5算法的测试与分析

3.4三角网数字地层模型的使用

3.4.1格网索引的建立

3.4.2具体三角形的定位——直线方位定位算法

3.4.3三角形高程内插

3.4.4三角网数字地层模型的使用流程

3.5本章小节

第四章三维滑裂面和滑体

4.1三维滑裂面的设计

4.1.1三维滑裂面形态的选取

4.1.2基于双二次Bezier曲面的三维滑裂面模型

4.2三维滑体的建模

4.2.1基于二维格网的描述方式

4.2.2滑体的确定及相应的不合理滑体假定

4.2.3滑体信息的求解

4.2.4离散土柱的计算参数求解

4.3滑体计算数据生成流程

4.4本章小节

第五章基于遗传算法的临界滑裂面搜索方法

5.1问题的建模

5.2遗传算法的引入

5.2.1问题的分析

5.2.2临界滑裂面搜索方法比选

5.3遗传算法的相关研究

5.3.1基本遗传算法

5.3.2适应度函数

5.3.3编码方法

5.3.4概率的动态调整——自适应交叉、变异算子

5.3.5更好的选择机制——小生境遗传算法

5.3.6强者圈定地盘——遗传算法的加速算子

5.3.7尖子生的催化剂——单纯形算子

5.3.8集体的魅力——并行遗传算法

5.4遗传算法实现技术研究

5.4.1内存二进制编码技术

5.4.2基于多线程的并行进化技术

5.4.3面向对象的遗传算法实现

5.5各种遗传算法的测试比选

5.5.1测试方案

5.5.2测试结果

5.5.3测试结论

5.6本章小节

第六章三维边坡稳定分析程序——Ramtil-SLOPE的设计

6.1程序的开发的基本需求及原则

6.2程序的总体设计

6.2.1程序的层次设计和模块划分

6.2.2程序的工作模式设计

6.3界面设计

6.4具体模块的设计

6.4.1主控模块

6.4.2图形显示模块

6.4.3坡体求解模块和临界滑裂面搜索模块

6.5 Ramtil-SLOPE程序的应用

6.6本章小节

第七章结论与展望

7.1本文结论

7.2发展与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要的研究成果