基于混合变异策略差分进化算法的边坡滑裂面搜索研究

摘要

我国是个占地面积广，各种地形交错分布的国家，也是各类地质工程灾害频繁发生的国家，其中给人们带来惨重后果的滑坡灾害更是不胜枚举。由于边坡生产成本大，治理费用高昂，失事带来的生命财产损失不可估量等特点，其稳定性分析一直备受工程行业及科研工作者的关注与重视。故其准确又高效的边坡稳定性研究对于灾害防治和边坡设计有着非常重要的实际意义。 边坡稳定离不开安全系数的求解以及临界滑裂面的寻找。目前差分进化算法逐渐走入边坡稳定寻求滑裂面的行列，而由于算法的全局搜索能力和局部开采能力是相互对立的，变异策略也高度影响着差分进化算法的性能。钱武文等人提出一种名为“反射变异”的新型变异策略，并与参数自适应调整方法结合，形成了一种新的反射变异差分进化算法(RMADE)。即便如此，考虑到“反射变异”某种程度上仍属于贪婪变异策略，仍易陷入局部最优，因此为进一步改进其全局收敛能力，本文在RMADE的基础上引入了一种基本变异策略组成混合变异策略来共同控制子代个体的生成。基于这个算法的改进，本文对以下几个方面进行了研究： (1)在RMADE的基础上引入一种基本变异策略组成混台变异策略共同控制子代个体的生成。通过5个包含三种类型的测试函数来进行30维情况下的测试，与其它5种不同差分进化算法的性能进行了比较。证明本文提出的算法全局收敛性能在5个测试函数下都表现最好且稳定。 (2)利用有限元方便获取应力，应变场的优势，研宄开发基于混合变异策略差分进化优化算法的边坡最危险滑动面搜索程序。将此程序与有限元软件有机结合在一起后，通过两个经典边坡实例验证，实现边坡潜在滑动面的安全系数计算和临界耀动面的搜索。再与几种传统方法计算结果进行比较，结果证明了本文的方法可行性，此程序是可靠的。 (3)将本文提出的方法应用至某尾矿坝实际工程，并同其它两种常用极限平衡法计算结果进行比较，对比分析了安全系数、滑动面的位置及形状的不同及其产生这种差异的原因。验证了本文方法应用至工程的可行性，可为实际边坡工程稳定分析计算提供相应参考。

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1绪论

1.1 研究背景

1.2 边坡稳定性研究现状

1.3 临界滑裂面搜索研究现状

1.4 研究内容及技术路线

2差分进化算法与有限元极限平衡法的有机结合

2.1 几种极限平衡法

2.1.1 瑞典圆弧法

2.1.2 简化Bishop法

2.1.3 Spencer法

2.1.4 Janbu法

2.2 有限元极限平衡法理论基础

2.3 程序结合

2.3.1 滑动面上任意点应力张量计算

2.3.2 本文滑动面构造

2.3.3 程序结合

3 基于混合变异策略的差分进化算法

3.1 基本差分进化算法

3.1.1 初始化种群

3.1.2 变异操作

3.1.3 交叉操作

3.1.4 选择操作

3.2 几种改进的差分进化算法

3.2.1 JADE

3.2.2 HSDE

3.2.3 SHADE

3.2.4 RMADE

3.3.1 混合变异策略

3.3.2 控制参数自适应调整机制

3.3.3 算法的基本思想和步骤

3.4 算法性能比较

3.4.1 测试函数

3.4.2 结果分析

3.4.3 成功率

3.5 本章小结

4 算例验证

4.1 均质边坡

4.2 非均值边坡

4.3 收敛性能比较

4.4 本章小结

5工程应用

5.1 工程概况

5.2 计算参数

5.3 计算工况

5.4 渗流数值分析

5.5 边坡稳定分析

5.6 本章小结

6结论与展望

6.1 结论

6.2 问题与展望

致谢

参考文献

附录