三维边坡极限平衡分析软件开发技术研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 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