1、 分 类号：硕 士 学 位 论文撸 粤 教师姓名 ： 挫 丕健副数 援申请 学位 级别 ：论文 提 交日 期 ：学位 授 予 单位 和日 期 ： 狟 模 型 和三 参 数 流 变 模 型 嵌 入 商 业 通 用 有 限 元软 件经网 络 参 数 反 分析模 型，提 出 了模 型建立 的具 体 方 法 和步 骤 。 第 一章绪 论第 一章绪 面板 堆石 坝 的 特 点及 其 发 展历 程成 ， 其 中 过渡 区和堆石 区又 可合 称 为 堆石 体 。 上游 面板 是 防 渗 体 ， 用来 防 止 上游的 库水 通 过坝 体 向 下 游 渗 漏， 其 材 料 可以用钢 筋 混 凝 土材 料 或者
2、沥 青混 凝 土材 料等 。 垫 层 区位 于 防 渗 体 与 过渡 区之 间， 由 高 密 实度 的 碾 压 的 小粒 径砂组成 ， 该 部分 为 面板 提供 了 一个 平 整 的 浇注 平 面， 并 将水 压 力 均 匀地向 过渡 区及 堆石 区传递 ， 缓 和堆石 区变 形 对面板 的 影 响 。 过渡 区位 于 垫 层 区与 堆石 体 之 间， 用以实现垫 层 与 堆石 的 过渡 。 堆石 体 一般 由 级 配 合 理 的 大 小块 石堆筑 而 成 ， 占 面板 坝 体 积的 绝大 部分 ， 块 石与 块 石之 间不 采 用水 泥 砂浆 或水 泥 石灰砂浆 等 胶 结 材 料 填 充，
3、因而 块 石之 间存 在 有空隙， 不 相互胶 结 仅相 互接 触 。 面板 堆石 坝 在 承 受水 压 力 、地震力 和其 它 荷 载 等 作 用下 ， 主 要依靠 堆石 的 重量和抗剪 强 度 来 保持 整 个 坝 体 的稳 定。 ， 裂 缝 竞 达 ， 故 在 年 代 ， 美 国 停止了 修建混 凝 土面板 堆石 坝 。第 一章绪 论在 没有面板 保护 的 情 况 下 ， 可以直 接 挡 水 或过水 ， 不 影 响 坝 的 安 全 。 这就大 大 简化了 施 工 导流 和渡 汛的 工 程设 施 ， 有利 于 加 快施 工 进度 ， 降低 临 时 工 程的 费用。由 于 面板 坝 坝 体
4、结 构 简 单 ， 堆石 填 筑 、面板 施 工 、趾 板 及 其 灌 浆 施 工 等 工 序 可以独 立进行 ， 工 序 间干 扰 少， 便于 机 械 化施 工 ， 施 工 进度 快。 另外 ， 气 候条 件 对堆石体 施 工 影 响 很 小， 只 要不 是 特 别恶 劣 的 天 气 ， 可以进行 正 常 的 施 工 。 瓻 【 就利 用单 向 固 结仪 对堆石料 的 流 变 特 性 进行 试 验研 究 ， 发 现 堆石 的 压 缩 变 形 存 在 类 似 于 粘土的 次 压 缩 变第 一章绪 论相对于 传 统 反 演 分 析 方 法而 言， 智 能反 演 分 析 方 法为 解 决复杂 岩
5、土问 题 提供了 新 的 思路 和手 段 。 它 是 通 过模 拟或揭 示 某些 自然现 象或过程而 得 到 发 展， 其 思想 和内 容 涉及 数学 、物 理 学 、生 物 进化、人 工 智 能、神经科 学 和统 计 力 学 等 学 科 ，具有良好的 自组织与 自适 应性 、可移 植性 强 、不 要求 目 标函数的 数学 分 析 性 质 等众 多 的 优 点。 国 外 在 这方 面研 究 起步 较早 ， 国 内 近 年 来 发 展很 快， 取得 了 一定 成 将实数编面板 堆石 坝 面板 脱空现 象是 指 ， 混 凝 土面板 与 垫 层 料 由 于 变 形 不 协 调 而 导致两 者 脱开
6、的 现 象。 面板 是 大 坝 表 面防 渗 体 系 的 主 要部分 ， 也 是 面板 堆石 坝 结 构 的一部分 ， 承 担着向 下 游 堆石 体 传 递 水 压 的 重任 ， 这是 影 响 面板 堆石 坝 正 常 运行 的主 要因素 。 混 凝 土面板 与 垫 层 料 之 间的 脱空对面板 堆石 坝 的 应力 变 形 整 体 协 调 极为 不 利 ， 甚至会 影 响 大 坝 的 安 全 运行 ， 因此 越 来 越 受到 人 们 的 关 注 。题 进行 了 初 步的 探 讨 ，并 对面板 的 脱空现 象进行 了 有限 元 分 析 ； 卢 廷浩 等 【 】 对某水 电 站 高 面板 堆石 坝
7、进行 了 三 维 非 线性 有限 元 仿真 计 算 ， 指 出 ， 只 要面板 不 是 一次 性 施 工 完 成 的 就有可 能出 现 脱空现 象， 并 从 计 算 结 果 中 预 测 了 脱空的 发 生 ； 郑仲寿掣 驯采用非 线性有限 元 计 算 方 法，在 静力 计 算 的 基 础 上，运用隐单 元 方 法，对容 易产生 脱空的 区域 模 拟了 面板 的 脱空现 象。 张 丙印 等 【 】 考虑 堆石体的 流 变 特性 ， 并 结 合 天 生 桥 一级 面板 堆石 坝 的 现 场 观 测 结 果 ， 对高 面板 堆石 坝 中 的 面板 脱空问 题 进行 了 有限 元 计 算 分 析 ，
8、研 究 了 坝 体 流 变 变 形 对面板 脱空和垫 层 亏 坡 问 题 本 文 研 究 的 主 要内 容型 ， 并 深 入 研 究 了 演 化人 工 神经网络 的 建立步 骤 ， 分 别对适 应值 函数、约 束 条 件的 处理 等 过程进行 了 修 改， 建立了 演 化人 工 神经网络 模 型 。 并 利 用基 准函数 蚐 疭 函数， 对建立的 演 化人 工 神经网络 模 型 进行 了 测 试 ， 以证明 演 化人 工 神经网络 模 型 能够快速 准确 地收 敛 到 全 局最 优 解 。 结 合 面板 堆石 坝有限 元 计 算 ， 建立了 面板 堆石 坝 演 化人 工 神经网络 反 演 分
9、析 模 型 。工 神经网络 反 演 分 析 模 型 ， 对堆石 体 的 材 料 参 数进行 反 演 ， 并 利 用得 到 的 反 演 参数进行 有限 元 分 析 ， 得 到 了 各 期 面板 堆石 坝 的 较为 合 理 的 脱空结 果 。 深 入 探 讨 了面板 堆石 坝 产生 脱空的 原因及 预 防 和处理 措 施 。第 二章 材 料的本 构模型 及 其有 限元 实 现 概述面板 堆 石 坝 具有 投 资 省、工 期短、安 全 可 靠 、施 工 简 便 、适应 性 强 等 众 多 优点 ， 已 成 为当今 坝 工 设 计 的主选 坝 型 之 一 。 在 这近二十年里 ， 我 国 面板 堆 石
10、 坝 发展迅 速， 其建坝 数 量和 建坝 高 度都 处 于世 界 前 列。 同 时， 随 着 建坝 高 度的不断增加， 堆 石 体 流变 特 性 和 面板 脱 空 等 混凝土面板 堆 石 坝 的变 形问 题更 加突 出 。 面板脱 空 是 面板 与垫层 料之 间变 形不协 调 造成 的。 堆 石 体 是 面板 堆 石 坝 的支 撑 体 ， 其变 形特 性 在 很大程度上决 定着 大坝 其它 部 分 的应 力 应 变 水 平， 以 及 面板 与垫层 料的接触性 状 ， 同 时随 着 对 已 建面板 堆 石 坝 的变 形的观测发现， 坝 体 在 建成 蓄水 后 ，其变 形并 没有 马 上结束 ，
11、 在 一 定时期内仍 然 发展着 ， 也就是 说 堆 石 体 具有 流变 性 。近些 年， 堆 石 体 的流变 性 也得 到 了 广泛的研 究 。 因此， 合 理的模拟堆 石 体 的变 形工 作 性 态 及 其流变 是 分 析、优 化 和 评 价 大坝 结构、分 析面板 脱 空 状 况 的关键。河 海大学 硕 士 学 位 论文模型 和 殷 宗 泽 双屈 服 面模型 。 狣 模型 将 堆 石 料的塑 性 变 形当作 弹 性 变 形来 考 虑 ， 通 过 弹 性 常 数的调 整 近似考虑 这部 分 塑 性 变 形， 不能 反映 压 缩与 剪切的交 叉影 响 ， 不能 反映 软化 ， 也不能 反映
12、堆 石 料本 身 具有 的各 向 异 性 ， 计 算 的坝 体 位 移与 实 测值差 异 较 大。 狟 模型 是 对 猽 模型 的修正， 如 果能 够 合 理、可 靠 的选 择 好材 料参 数 ， 就可 以 比 较 好 的反映 坝 体 和 面板 的变 形性 状 。 狟 模型 的主要优 点 是 可 以 在 参 数 的选 取 上有 比 较 成 熟 的经验 ， 并 且 确 定模型 的计 算 参 数 简 易方 便 ， 可 靠 性 较 高 。 由 试 验 研 究 确 定的 模型 参 数 反算 的应 力 应 变 曲线 和 多组 试 验 实 测的应 力 应 变 关系 曲线 符合 较 好 ； 根 据 应 力
13、应 变 关系 曲线 计 算 和 压 缩试验 ， 主应 力 比 相同 应 力 状 态 的切线 变 形模量与 压 缩试 验 的切线 模量基本 一 致； 由压 缩试 验 计 算 的割 线变 形模量和 类 似工 程观测资 料反算 的割 线变 形模量相近。由于积累 了 相当多 的实 际 工 程应 用 的经验 ， 目前 狟 模型 在 工 程上有 着 广泛的应 用 。 狦 模型 考 虑 了 堆 石 料的压 缩和 剪切， 但其试 验 应 力 路径 和大坝 实 际 的应 力 路径 不同 ， 数 据 整 理方 法 也不成 熟 ， 不一 定在 每种情 况 下 都 能 得到 较 好 的结果。 “南 水 ” 模型 和
14、殷 宗 泽 双屈 服 面模型 都 可 以 反映 堆 石 体 各 向 异 性的本 构关系 ， 都 能 比 较 合 理地 反映 土石 料的剪胀性 ， 计 算 结果反映 的堆 石 体 位 移及 面板 应 力 分 布比 较 合 理， 在 理论 上优 于非线 性 弹 性 模型 。 但是 目前 由 于试 验 设备 等 问 题， 模型 中 的某 些 参 数 值很难从 试 验 中 得 到 。 因此这两 种模型 的应 用 目前尚处 于探 索阶段 ， 工 程应 用 不多 ， 对 它 们 的分 析结果还需 大量的工 程来 验 证。综 上所 述 ， 本 文 选 用 狟 模型 来 模拟堆 石 料的变 形特 性 。 由
15、于 狟 跏 一 钳汜 ，回 弹 模量为别 为广义 主应 力 和 广义 剪应 力 ； 畆 为三 向 应 力 状 态 破 坏准 则 的广心 ， 为卸 载 模量指 数 ；在 有 限元 分析中 ， 单 元 应 力 一 应 变转 换 关系 为： 第 二章 材 料的本 构模型 及 其有 限元 实 现想 。 本 文 拟采 用 无厚度接缝连 接单 元 模型 来 模拟面板 之 间的接缝。连 接单 元 劲度表 达 式 河 海大学 硕 士 学 位 论文下 边 介 绍 几种在 岩土工 程中 常 用 的典 型 模型 ： 为粘 性 液体 ， 如 图 所 示 。 盯 刁当 彩 奔 釉 兀 饔 贸 允 积分 得占 由 并 联
16、 法 则 得 河 海大学 硕 士 学 位 论文尽 管 ； 模型 有 蠕 变， 但对 应 于一 定的应 力 ， 它 的应 变有 极 限值譬， 不能 无限增 加。 因此， 体 在 本 质上属 于固 体 而 不是 液体 。在 复 杂 应 力 状 态 下 ， 堆 石 料与 时间无关的变 形可 以 利用 经典 非线 性 模型 或 弹塑 性 模型 ， 进 行 模拟分 析。 建立 堆 石 料的流变 模型 就是 合 理的模拟堆 石 料变 形随时间变 化 的过 程。 沈 珠江 院 士 指 出 【 】 【 】 ， 因为堆 石 坝 的变 形大多 在 建成 若 干 年后 停止 ， 因此选 择 随 时间衰 减 的蠕 变
17、 模型 较 为适宜 。 他 提出 了 一 个简 单 实 用 的三参 数 模型 。刁厂由 式 杉 琧 猼 时的初 始 变 形率， 故上式 可 以 写 为亿 ，河 海大学 硕 士 学 位 论文在 甊 的假设 下 ， 应 变 率张 量为 钡 淖 钪 仗 寤 鞅 淞浚 徊问 齞 为 面板 堆 石 坝 有 限元 计 算 的实 现 简 称 公 司 的产品 。 是 功 能 齐 全 的高 级非线 性 有 限元 软件 的求 解 器， 体 现了 多 年来 有 限元 分 析的理论 方 法 和 软 件 实 践的完 美结合 。它 具有 极 强 的结构分 析能 力 ， 可 以 处 理各 种线 性 和 非线 性 结构分 析
18、， 尤 其在 非线性 方 面具有 强 大的功 能 。 是 基于位 移法 的有 限元 程序 ， 对 于非线 性 问 题采用 增量解 法 ， 在 各 增量步 内对 非线性 代 数 方 程组 进 行 迭代 以 满足收 敛 判定条 件 。本 文 研 制 了 狟 模型 的用 户 子 程序 ， 其程序 基本 流程图如 图 所 示 ：图 狟 模型 用 户 子 程序 流程图河 海大学 硕 士 学 位 论文 鱢 岬 乞譬缸式 中 ： 出 一 时间段 。 踼分析 蝗 绻 褂 米映 绦 颍 蛭 #簉 并 将 执 行 文 件 保 留 。坝 体 分级加载 具体 实 现如 下 ： 开 始 之 前 把 要填 筑的坝 体 单
19、 元 激活： 为开 始 ， 以 为结束 的。 本 章 小结在 此基础 上， 对 堆 石 料的流变 分析模型 的采 用 进 行 了 探 讨。河 海大 学 硕 士 学 位 论文方 法以 来 ， 研究取得 了 大 量的成 果 ， 但 还存在许 多 问题 ， 如受 人 为 因素 影 响 大 、收 敛速度 慢 、 全 局 搜索 能 力 差等 。 为 此 ， 本 文 在深入分 析 目 前 常 规 反演 分 析 方 法的基 础 上 ， 提 出 运用 演 化 算 法优 化 人 工神 经 网 络的结 构 和 权 值 ， 建 立 面 板堆石坝演 化 人 工神 经 网 络反演 分 析 模 型 ， 以 获 得 较 为 符合 实 际情 况的堆石体材 料 参 数 ，为 分 析 研究面 板堆石坝 的脱 空 状 况奠定 基 础 。
