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地下工程洞室群施工期反馈分析系统的构建

作　者: 郭凯
导　师: 李仲奎
学　校: 清华大学
专　业: 水利工程
关键词: 反馈分析系统拉格朗日元法 BP人工神经网络位移反分析程序开发
分类号: TU457
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

近年来,地下工程在各种领域中得到了越来越广泛的应用,地下工程岩体结构稳定问题受到人们的关注。尤其是在地质情况复杂、高地应力条件下的深埋大型地下洞室群工程,施工中常常碰到各种凭经验无法解决的问题,因此,随着数值计算理论的发展,借助于数值方法模拟实际工程情况的计算分析是较好的选择。而由于地下工程可能遇到很多不确定因素,依据在施工过程中的监测信息进行反馈分析已经在地下工程中得到普遍应用。此外由于地下工程施工中动态特性和时效特性,系统化、高效化成为对反馈分析软件开发的必然要求。本文致力于构建一套完整的地下工程洞室群施工期数值仿真反馈分析系统。该系统耦合了拉格朗日分析与人工神经网络智能分析两种算法,可用于地下洞室群的精确模拟、参数的反馈优化以及围岩稳定性的预测预报工作。反馈分析系统的核心正演分析计算算法采用拉格朗日元法,它能够准确模拟地下岩体情况、洞室结构、地应力场、施工开挖与支护措施等方面内容。系统的反演分析计算主要建立在考虑松动圈影响的位移反分析理论的基础上,采用正交试验设计法与BP人工神经网络反分析算法相结合的方式由程序后台自动计算完成地下围岩力学参数的反演计算工作。反馈分析系统的主体计算工作由FLAC软件提供的计算命令语言编写的核心计算流文件控制。同时,采用Visual Basic程序语言实现系统的界面化及可视化操作,达到人机数据交换和计算过程外部控制的目的。地下工程洞室群施工期反馈分析系统主要包括,用户前台、计算对象管理与数据接口、非线性正演数值分析,样本生成及BP人工神经网络反演计算,后处理等五大模块。各模块在用户前台的统一控制下稳定运行。本文最后,将地下工程洞室群施工期反馈分析系统应用于雅砻江锦屏一级水电站地下厂房洞室群的围岩稳定分析计算中。根据工程的实际监测资料,选取最有代表性的监测断面作为计算对象,准确模拟地应力场和施工过程,反演围岩力学参数,分析计算结果并对工程进行稳定分析评价,验证了反馈分析系统应用于实际工程的适用性、可靠性与准确性。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-10
第1章绪论  10-22
  1.1 研究背景  10-13
    1.1.1 地下工程的发展及其在水利工程中的应用  10-11
    1.1.2 数值计算方法在地下工程中的应用  11-13
  1.2 国内外研究进展  13-17
    1.2.1 岩石力学数值分析方法  13-15
    1.2.2 反分析理论与反馈分析法  15
    1.2.3 反分析的分类及其优缺点  15-17
  1.3 地下洞室群施工期反馈分析中存在的问题  17-19
    1.3.1 地下工程施工期反馈分析的特点  17-18
    1.3.2 当前地下工程反馈分析中存在的主要问题  18-19
  1.4 本文的研究意义和主要成果  19-22
    1.4.1 本文的研究意义  19-20
    1.4.2 本文的主要成果  20-22
第2章反馈分析系统正演分析计算的基本原理和计算方法  22-43
  2.1 概述  22
  2.2 拉格朗日正演分析法  22-28
    2.2.1 拉格朗日分析法的基本原理概述  23-26
    2.2.2 拉格朗日分析法求解方法  26-27
    2.2.3 基于FLAC 的拉格朗日分析法计算流程及其应用范围  27-28
  2.3 岩石的力学模型简介  28-31
    2.3.1 岩石弹性模型  28-29
    2.3.2 岩石弹塑性模型  29-30
    2.3.3 断层模拟  30-31
  2.4 地应力回归计算方法  31-38
    2.4.1 地应力研究的重要性  31-32
    2.4.2 地应力的组成及地应力场的分布规律  32-35
    2.4.3 地应力场的模拟及其回归计算方法  35-38
  2.5 施工支护模拟计算  38-42
    2.5.1 施工支护理论  38-39
    2.5.2 主要支护类型及其作用机理  39-40
    2.5.3 新奥法地下洞室群施工支护特点及其模拟计算  40-42
  2.6 本章小结  42-43
第3章反馈分析系统参数反分析的基本原理和计算方法  43-63
  3.1 概述  43-44
  3.2 考虑松动圈的位移反分析研究方法  44-49
    3.2.1 围岩松动圈理论  44-45
    3.2.2 考虑围岩松动圈影响的位移反分析计算的必要性  45-48
    3.2.3 围岩松动圈反馈参数的确定  48-49
  3.3 智能反分析方法——BP 人工神经网络分析法  49-58
    3.3.1 引论  49-51
    3.3.2 人工神经网络的基本模型和工作原理  51-54
    3.3.3 引入BP 算法的人工神经网络法  54-56
    3.3.4 应用于岩体参数反分析的BP 人工神经网络计算方法  56-58
  3.4 样本选取的正交试验设计  58-61
    3.4.1 试验选取样本的问题研究  58-59
    3.4.2 正交试验设计的特点和作用  59-60
    3.4.3 正交试验设计法的应用  60-61
  3.5 本章小结  61-63
第4章反馈分析系统的构建与开发关键技术  63-82
  4.1 概述  63
  4.2 反馈分析系统的开发环境及支撑软件  63-65
    4.2.1 系统的开发环境  63-64
    4.2.2 其他支撑软件  64-65
  4.3 反馈分析系统的核心结构与运行流程  65-70
    4.3.1 核心计算文件结构  65-67
    4.3.2 系统模块组成  67-68
    4.3.3 运行流程  68-70
  4.4 用户前台与数据接口  70-71
  4.5 分析模型设置与地应力回归模块  71-72
    4.5.1 设置分析模型  71
    4.5.2 设置地下岩体断层构造  71-72
    4.5.3 地应力回归计算  72
  4.6 开挖过程和支护模拟模块  72
    4.6.1 开挖过程仿真  72
    4.6.2 施工支护模拟  72
  4.7 地下洞室围岩松动区模拟模块  72-73
    4.7.1 松动圈区域定义  72-73
    4.7.2 松动圈参数设置及计算  73
  4.8 样本生成及BP 人工神经网络反分析计算模块  73-74
    4.8.1 样本生成  73
    4.8.2 BP 人工神经网络分析  73-74
  4.9 后处理模块  74
    4.9.1 围岩特殊点计算结果显示  74
    4.9.2 围岩位移与应力结果显示  74
    4.9.3 其他结果显示  74
  4.10 本章小结  74-82
第5章反馈分析系统的工程应用  82-121
  5.1 概述  82
  5.2 工程概况  82-91
    5.2.1 工程基本资料  82-84
    5.2.2 工程地质资料  84-86
    5.2.3 开挖方案及支护措施  86-88
    5.2.4 围岩监测布置  88-91
  5.3 岩体监测情况的分析及计算对象的选取  91-94
    5.3.1 岩体监测情况分析  91-92
    5.3.2 计算对象的选取  92-94
  5.4 计算对象数值模型介绍  94-98
    5.4.1 计算数值模型介绍  94-95
    5.4.2 模型材料分区及断层模拟  95-96
    5.4.3 初始地应力回归  96
    5.4.4 开挖过程仿真  96-97
    5.4.5 支护模拟  97-98
  5.5 围岩松动圈参数反分析计算  98-109
    5.5.1 松动圈参数反演计算对象  98-99
    5.5.2 断面位移监测点选取  99-102
    5.5.3 参数选取与试验样本计算  102-108
    5.5.4 BP 人工神经网络参数反分析计算  108-109
  5.6 计算结果分析  109-118
    5.6.1 围岩位移与实测结果对比分析  109-111
    5.6.2 围岩应力与变形  111-115
    5.6.3 开挖后围岩塑性破坏区  115
    5.6.4 锚杆锚索受力情况  115-117
    5.6.5 围岩稳定性分析  117-118
  5.7 预测结果分析  118-120
  5.8 本章小结  120-121
第6章结论与展望  121-123
  6.1 本文的主要结论  121-122
  6.2 研究展望  122-123
参考文献  123-127
致谢  127-128
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  128

地下工程洞室群施工期反馈分析系统的构建

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