阳江核电厂排水隧洞围岩稳定与结构可靠度分析

论文摘要

水工隧洞的稳定性问题日益受到人们的关注,其稳定状态与岩体的初始地应力状态紧密相关,因此所采用的初始地应力场的可靠性,将直接影响到地下工程设计与施工的安全性。同时,水工隧洞工程中存在诸多不确定因素,如果不能合理的量化这些随机性给工程结构带来的影响,必然会为结构安全带来较大的风险。本文运用线性回归、人工神经元网络、有限元等方法,以阳江核电厂排水隧洞工程为实例依托,开展地应力场反演方法研究,进行隧洞开挖稳定模拟分析和衬砌结构可靠度计算。本文主要研究内容和取得成果如下:（1）在分析了地应力的组成及其影响因素的基础上,并鉴于线性回归忽略了岩土非线性的物理力学特性,而神经网络存在样本构造的盲目性和训练结果可能为非全局最优解的问题,提出地应力反演的线性回归与GA-ANN组合方法。针对有限元软件地形建模的困难,引入了基于NURBS技术的地层建模方法,建立了工程区域范围内的精确地形、地质有限元模型,为保证地应力反演效果提供有效方法。最终结合统计学正交设计的原理,反演了研究区域的地应力,并与传统方法反演结果进行对比,证明这种方法精度更高。（2）分析了工程区域的地应力分布特征,并针对传统岩爆预测仅通过少量的实测点数据判断整个隧洞岩爆可能性的方法存在局限性的问题,本文通过反演获得的整个工程区域应力场,依据切向应力准则,对各个排水隧洞全程进行了开挖岩爆预测分析。采用有限元法分析了围岩二次应力场、变形场、塑性区分布情况,为保证施工安全提供了有效的保障。（3）计算了不同工况下隧洞衬砌结构应力分布情况,从而获得最不利的工况。针对隧洞工程中存在诸多不确定因素,传统的安全系数法定值分析结果带有一定的片面性、主观性的问题,本文引入了随机有限元的方法,采用Monte-Carlo法对隧洞结构进行可靠度研究。并对可靠度进行灵敏度分析,明确了影响隧洞工程安全的最不利因素,为工程施工过程中根据实际揭露的地质情况对衬砌结构进行及时调整提供了的科学的依据。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第二章 初始地应力反演分析方法及改进
• 2.1 引言
• 2.2 地应力的组成及影响因素
• 2.3 线性回归基本理论
• 2.3.1 地应力场线性回归的基本思想
• 2.3.2 待回归因素的选择与模拟方法
• 2.3.3 地应力多元线性回归模型
• 2.3.4 回归系数的确定
• 2.4 基于改进神经元网络的地应力反演分析方法
• 2.4.1 ANN 反演地应力场实现思路
• 2.4.2 地应力反演的ANN 模型及BP 算法
• 2.4.3 基于遗传算法的BP 网络改进
• 2.5 地应力反演分析的线性回归与GA-ANN 组合方法
• 2.5.1 地应力反演分析组合方法流程
• 2.5.2 组合方法的Matlab 实现
• 2.6 基于NURBS 地层有限元精细建模
• 2.7 本章小结
• 第三章 阳江核电厂排水隧洞区初始地应力场反演分析
• 3.1 工程概况及地质特征
• 3.2 排水隧洞区域地应力分布规律
• 3.2.1 隧洞区域钻孔分布及应力分析
• 3.2.2 隧洞区域主应力优势方向分析
• 3.3 计算模型及参数
• 3.4 地应力场多元线性回归分析
• 3.5 地应力场改进神经网络反演分析
• 3.5.1 训练样本的构造
• 3.5.2 反演效果对比
• 3.5.3 地应力场反演成果分析
• 3.6 岩爆预测分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 阳江核电厂排水隧洞开挖围岩稳定分析
• 4.1 引言
• 4.2 岩体弹塑性本构模型
• 4.3 计算洞段及计算参数的选取
• 4.4 围岩压力分析模型
• 4.5 毛洞开挖围岩稳定分析
• 4.5.1 围岩变形分析
• 4.5.2 围岩应力分析
• 4.5.3 围岩塑性区域分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 基于随机有限元的隧洞结构可靠度分析
• 5.1 引言
• 5.2 衬砌结构可靠度指标
• 5.3 隧洞工程随机参数选取及其分布特征
• 5.4 可靠度分析流程及ANSYS 实现
• 5.4.1 可靠度分析流程
• 5.4.2 灵敏度分析
• 5.4.3 ANSYS 概率分析及抽样方法
• 5.4.4 可靠度分析ANSYS 实现
• 5.5 实例分析
• 5.5.1 不同工况下衬砌应力分析
• 5.5.2 衬砌结构可靠度分析
• 5.5.3 灵敏度分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 结束语
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢