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应用遗传算法搜索边坡最小安全系数的研究 陆峰 陈祖煜 李素梅（中国水利水电科学研究院结构材料所）提 要本文简要介绍了滑坡滑裂面搜索问题和遗传算法，并试用遗传进化算法从边坡任意形状滑裂面组合中搜索最有可能的滑裂面，也就是使安全系数最小的滑裂面。作为实例，分析了遗传算法在天生桥二级电站首部枢纽进水口右岸滑坡分析中的应用。关键词 边坡；安全系数；遗传算法；EMU程序。1．前言在应用条分法进行边坡稳定分析的过程中，从可能的滑裂面集合中确定相应最小安全系数的临界滑裂面是很关键的一步。这是一个确定安全系数这个泛函对滑裂面形状这个自变函数的极小值问题。由于实际情况的复杂性，求这一极小值的解析方法很难付诸实施。从实用角度出发，基于最优化原理发展起来的求边坡最小安全系数的方法是比较有效而且便于应用。这些方法有"穷举法"、"黄金分割法"、"鲍威尔法"等，但它们都只能应用于圆弧形滑裂面或圆弧-直线形（改良圆弧法）滑裂面的情形。对于比较符合岩质边坡的具有多个自由度的折线形滑裂面情形，孙君实用复形法取得较好的效果；陈祖煜提出了单纯形法，使最优化方法搜索边坡最危险滑裂面更加有效，且不会漏掉可能的最小值。单纯形法程序已在国内外多家工程、科研和教育单位得到应用，并不断随着应用工程案例数量的增加而不断完善[1]。单纯形法使最优化方法应用于岩质边坡稳定性分析的研究和应用前进了一大步。同为最优化方法，遗传算法是最近发展起来的一种仿生寻优算法。国内外已有一些学者试图将遗传算法应用于搜索安全系数最小的边坡滑裂面，以期获得更优的结果。文献[2]将此算法应用于基于圆弧滑裂面假定的任意形状坡面的非均质土坡情况，搜索的目标是使边坡安全系数最小的圆弧滑裂面圆心和半径。本文将在文献[1]和文献[2]的基础上，应用遗传算法搜索边坡安全系数最小的任意形状滑裂面，根据工程实践经验，主要是折线组合的滑裂面。 2．遗传算法及其应用于岩土工程的基础如前所述，搜索边坡最危险滑裂面问题是安全系数对滑裂面形状的泛函极值问题。数值方法求解这一问题的主要手段是迭代运算。一般的迭代方法容易陷入局部极小的陷阱而出现"死循环"现象，使迭代无法进行。遗传算法很好地克服了这个缺点，是一种全局优化算法。生物在漫长的进化过程中，从低等生物一直发展到高等生物，可以说是一个绝妙的优化过程。这是自然环境选择的结果。人们研究生物进化现象，总结出进化过程包括复制、杂交、变异、竞争和选择。一些学者从生物遗传、进化的过程得到启发，提出了遗传算法（GA）。算法中称遗传的生物体为个体（individual），个体对环境的适应程度用适应值（fitness）表示。适应值取决于个体的染色体（chromosome），在算法中染色体常用一串数字表示，数字串中的一位对应一个基因（gene）。一定数量的个体组成一个群体（population）。对所有个体进行选择、交叉和变异等操作，生成新的群体，称为新一代（new generation）。遗传算法计算程序的流程可以表示如下[3]：第一步 准备工作（1）选择合适的编码方案，将变量（特征）转换为染色体（数字串，串长为m）。通常用二进制编码。（2）选择合适的参数，包括群体大小（个体数M）、交叉概率PC和变异概率Pm。（3）确定适应值函数f（x）。f（x）应为正值。第二步 形成一个初始群体（含M个个体）。在边坡滑裂面搜索问题中，取已分析的可能滑裂面组作为初始群体。第三步 对每一染色体（串）计算其适应值fi，同时计算群体的总适应值 。第四步 选择计算每一串的选择概率Pi=fi/F及累计概率 。选择一般通过模拟旋转滚花轮（roulette，其上按Pi大小分成大小不等的扇形区）的算法进行。旋转M次即可选出M个串来。在计算机上实现的步骤是：产生[0，1]间随机数r，若r 工程专业参考文献 [1] 王洪江、符长青主编，《公路工程施工组织设计编制手册》，北京：人民交通出版社，20xx年。 [2] 魏道升主编，《路桥施工组织设计范例》，北京：人民交通出版社，20xx年。 [3] 崔新媛、周直编著，《工程项目招标与投标》，北京：人民交通出版社，20xx年。 [4]《公路工程国内招标文件范本》，北京：人民交通出版社，20xx年。 [5] 刘燕主编，《工程招投标与合同管理》，北京：人民交通出版社，20xx年。 [6] 郭小宏、曹源文等主编，《公路工程机械化施工与管理》，北京：人民交通出版社，20xx。 [7] 苏建林编，《公路工程施工技术》，北京：人民交通出版社，20xx。 [8] 交通部第一公路工程公司编，《公路施工手册》，北京：人民交通出版社， 20xx。 [9] 周水兴、向中富，《桥梁工程》，重庆大学、新疆大学出版社，20xx年10月。 [10] 凌天清、杨少伟，《道理工程》，北京.人民交通出版社，20xx.4。 [11] 沈其明、刘燕编，《公路工程造价编制与管理》北京：人民交通出版社，20xx。 [12] 全国造价工程师职业资格考试培训教材编审组，《工程造价计价与控制》，北京:中国计划出版社，20xx.4。 [13] 全国造价工程师职业资格考试培训教材编审组，《工程造价管理基础理论与相关法规》，北京:中国计划出版社，20xx.4。 [1] 王玉杰.浅谈施工项目管理[J].城市建设理论研究，20xx(10)：56-58 [2] 李林.绩效管理在 HR 管理系统中的定位和作用--基于人力资源管理的工作流程[J].商情，20xx(4)：55 [3] 朱晨海.战略性职业生涯开发与管理研究--从人力资源计分卡到胜任力模型[D].上海：同济大学，20xx [4] 李溪.基于能力素质模型的人才测评系统的研究与实现[D].济南：山东大学，20xx [5] 彭剑锋.员工素质模型设计[M].北京：中国人民大学出版社，20xx:12-13 [6] 曹志强.基于 KPI 的绩效管理体系设计[D].北京：北京交通大学，20xx [7] 魏群.供电企业 KPI 绩效管理体系的建立[D].北京：华北电力大学，20xx [8] 战冰峰.基于胜任力模型的员工绩效测评体系的应用研究[D].北京：对外经济贸易大学，20xx [9] 徐中林.中国企业国际化经营发展战略研究[D].北京：对外经济贸易大学，20xx [10] 郭祥友.风险导向内部审计下审计人员能力素质模型构建[J].企业导报，20xx(1)：89-91 [11] 刘芳.基于胜任力视角的职业经理人的素质评价解析[D].北京：首都经济贸易大学， 20xx [12] 宫鹤.企业实施绩效管理过程的.问题研究[J].华章，20xx(36)：1 [13] 崔爱珍.腾飞的中建八局天津公司[J].天津建设科技，20xx(2)：23-24 [14] 赵岳.我国高校学生干部能力素质评价与培养研究[D].青岛：青岛大学，20xx [15] 李晶晶，张玉清.基于胜任力的绩效管理体系[J].企业导报，20xx(11)：82-83 [16] 李作学.人力资源管理案例(第 2 版)[M].北京：人民邮电出版社，20xx:89-97 [17] 吴晓琴.基于执行力的企业中层管理者的胜任力模型及评价研究[D].西安：西安电子科技大学，20xx [1]拓勇飞,孔令伟.湛江地区结构性软土的赋存规律及其工程特性[J].岩土力学,20xx,25(12):1879-1884. 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宗旨在报道和交流建筑结构领域中代表我国学术水平的最新研究成果，反映本学科发展最新动态和趋势，推动国内外的学术交流，主要刊登建筑结构、抗震防振、地基基础等学科的基础理论研究、应用研究和科学实验技术的学术论文，研究报告及最新进展动态，为我国建筑科学技术研究的发展服务。 有《岩石力学学报》么？我只知道《岩石力学与工程学报》哦，它与《岩土工程学报》都为EI检索，且均不是SCI。。。。前者基本是关于岩的文章，后者岩、土皆有，侧重于岩 排在岩石力学与工程学报之后，在岩土力学之前，这三个学报是岩石力学方面国内三大顶级期刊，ei收录，都是不错的期刊 《岩石力学与工程学报》和《岩土工程学报》（包括《岩土力学》）是岩土界的3大王牌期刊。据我投稿经验：录用难易程度《岩土力学》<《岩石力学与工程学报》<《岩土工程学报》；《岩土工程学报》是本行业最权威的学报。 《岩石力学与工程学报》和《岩土工程学报》均为EI收录期刊，但没有被SCI收录。Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering (JRMGE) 和《岩石力学与工程学报》、《岩土力学》为中科院武汉岩土所三大期刊，而且JRMGE于2019年2月已经被SCI收录。 相对来说 ，两者中《岩石力学与工程学报》更好一些哦， 但这个领域更好的是综合性的《岩石学报》，属于SCI收录。 应该是：《岩石力学与工程学报》属于EI收录Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering学报是中国岩石力学与工程学会主办的国内物理力学与工程类影响因子最高的国家矿业工程、建筑科学与水利工程类核心期刊；2006～今为月刊，为中文核心期刊，现被EI和国内外较多收录机构收录。本刊收录在： 中文核心期刊要目总览(2011年版) 提示: 排序：建筑科学类 - 第1位 《岩土工程学报》也属于EI收录是由中国科学技术协会主管，由中国水利学会、中国土木工程学会、中国力学学会、中国建筑学会、中国水力发电工程学会、中国振动工程学会六个全国性学会联合主办的学术性科技期刊。《岩土工程学报》创办于1979年，在江苏南京登记，由南京水利科学研究院承办《岩土工程学报》已是我国岩土工程领域中具有重要影响的学术期刊，是岩土工程理论和实践的重要论坛，是我国从事水利、建筑和交通事业的勘测、设计、施工、研究和教学人员发表学术观点、交流实践经验的重要园地。《岩土工程学报》为我国培养了一大批水利、建筑和交通事业战线上岩土工程学科的带头人，为我国的基础性工程设施建设事业，特别是水利工程建设事业做出了贡献。本刊收录在： 中文核心期刊要目总览(2011年版) 提示: 排序：建筑科学类 - 第2位 有《岩石力学学报》么？我只知道《岩石力学与工程学报》哦，它与《岩土工程学报》都为EI检索，且均不是SCI。。。。前者基本是关于岩的文章，后者岩、土皆有，侧重于岩 本项研究受国家自然科学基金重大研究计划项目资助（项目编号：90102002）；本文原载于《岩土工程学报》，2003。 黄润秋戚国庆 （成都理工大学地质灾害防治国家专业实验室，四川成都，610059） 【摘要】滑坡基质吸力的现场观测，对于运用非饱和土力学理论研究降雨型滑坡判据至关重要。通过对某滑坡基质吸力观测研究，作者发现，滑坡基质吸力在深度上的变化受滑坡体物质组成分带性的影响，与Sweeney得到的边坡基质吸力剖面有差异。观察还发现，滑体非饱和带基质吸力随降雨因素的变化，在非饱和带的上部与降雨具有对应关系，而在非饱和带的中、下部则无明显的对应关系。作者对以上的观察结果进行了分析讨论。 【关键词】滑坡非饱和带基质吸力观测井 1引言 降雨是滑坡的主要诱发因素[1]。依据饱和土力学理论，降雨入渗使边坡体内潜水面或者饱和带地下水压力升高，导致边坡稳定性降低，产生滑坡[2,3]。 非饱和土力学理论则认为，处于非饱和状态土体的抗剪强度、应力－应变关系、固结以及非饱和土体中的应力分布、地下水渗流等都与基质吸力有关。降雨影响边坡稳定性、诱发滑坡的主要作用机理是：降雨入渗边坡使得边坡非饱和带土体的基质吸力降低，产生暂态饱和区。而基质吸力的降低，则使得边坡非饱和带土体的抗剪强度下降，进而导致边坡稳定性降低，甚至滑坡[4,5]。 因此，正确量测和掌握边坡非饱和带中基质吸力随外界条件的变化，对于研究降雨型滑坡，具有重要意义。1982年，Sweeney在边坡上开挖了两个混凝土观察井[5]，在井中不同深度上安置快拔型张力计，对边坡非饱和带的基质吸力进行了历时一年多的观测。1992年，中国—加拿大膨胀土合作研究项目在广西南宁市郊的一个缓坡上设立观察井，用热传导探头测读基质吸力随降雨等气象条件的变化。1994年，在新加坡南洋工业大学的校园里也进行了基质吸力的长期监测，使用的是带负压表的张力计，其探头直接插入土中0.5m、1.0m和1.5m深，除观测降雨影响外，还比较了有无植被的影响。1997年，武汉水利电力大学联合长江科学院土工所、清华大学等有关院校，在湖北省枣阳市七方镇对膨胀土边坡进行了基质吸力现场测量[6,7]，观测深度为2.5～3.5m。历时1～3个月。为了研究三峡库区降雨型滑坡的预报判据，2002年4月，成都理工大学地质灾害防治国家专业实验室在三峡库区某古滑坡上建立了深达20m的观测井，在井壁上布设了快拔型张力计和振弦式孔隙水压力传感器。对古滑坡体非饱和带的基质吸力、暂态水压力、暂态饱和区进行系统地观测研究。本文仅就现场古滑坡体非饱和带的基质吸力观测成果进行探讨。 2滑坡体概况及基质吸力现场观测 被观察的滑坡位于长江三峡库区湖北段的长江左岸岸坡上。滑坡平面上呈圈椅状，前后缘高程分别为60m、340m，滑体长约600m，宽约350m，地形坡度约30°。主滑方向为SW15°，直指长江，前缘滑舌没入江中约35m。长江洪水位高程可接近90m。水库第一期蓄水水位将至135m高程。 滑坡体物质多由碎石土、块石土组成。滑坡形成过程中可能经历过两次滑动，滑坡形成后，在其上又覆盖了一层崩坡积物、残积物，使得滑体在物质及其颗粒组成、渗透特性等方面，沿深度方向上具有分带差异性。依据勘察资料，滑体沿深度方向，从上到下大致可分为5个带： ①带：为崩坡积块石夹粉质粘土及坡残积碎块石土，块石为紫红色砂岩，块径0.5～20cm，土石比4∶6～3∶7，孔隙发育，渗透系数1.0×10-2～3.33×10-3cm/s，属强—中等透水层。 ②带：由碎石土、粉质粘土夹碎块石等组成，碎块石主要为灰绿色灰岩，块径10～20cm，土石比6∶4～7∶3，结构松散—稍密，渗透系数1.36×10-4～8.62×10-5cm/s，属弱透水层。 ③带：为次滑带，粘土夹碎石，碎石粒径0.5～3cm。致密，有地下水渗出。 ④带：为粉砂质粘土夹碎块石，块石为灰绿色砂岩，块径50～120cm，土石比7∶3～8∶2，稍密，渗透系数为2.7×10-6～6.2×10-8cm/s，透水性微弱。 ⑤带：为主滑带，碎石土，致密，有地下水渗出。 滑坡体物质为孔隙含水介质，除局部存在上层滞水（如③带、⑤带）外，在整个滑坡体内无统一的地下水位，为非饱和带。 观测竖井位于滑坡体中部偏右侧，如图1。井口高程171.5m，井径Φ2.5m，井深20m。 图1滑坡地质剖面图 观测竖井贯穿整个非饱和带，依次穿过了滑体的5个分带。其中：井深0.0～9.2m，为①带；井深9.2～15.7m，为②带；井深15.7～15.75m，为次滑带（③带）；井深15.75～19.6m，为④带；井深19.6～20.0m，为主滑带（⑤带），如图2所示。在井壁上沿铅直方向布设了30只快拔型张力计和20只VWPD型振弦式孔隙水压力传感器。快拔型张力计之间间隔为0.5m～2.0m，用于观测滑坡体非饱和带的基质吸力。孔隙水压力传感器之间间隔为1.0m，用于观测滑坡体非饱和带在雨季出现的暂态水压力及暂态饱和区。2002年10月开始观测，每日观测一次。 3基质吸力观测结果及其分析 由竖井观测得到的滑坡基质吸力随井深的变化如图3所示。旱季滑体非饱和带最大基质吸力为12.0kPa，且①、②带的基质吸力值比④带基质吸力值大。沿深度方向上，基质吸力的分布规律为：在①、②、④带均是上、下部基质吸力小，而中部基质吸力大。这与Sweeney(1982年）得到的边坡基质吸力剖面有差异[5]。产生这一现象的原因是滑坡体非饱和带基质吸力的大小不仅受滑体含水量的影响，而且还受滑体的结构、颗粒组成（颗粒级配）及土体中有机质含量的影响，是这些因素共同作用的结果。 图2基质吸力井结构 图3滑坡不同深度处的基质吸力 非饱和土体中的基质吸力大小与水的表面张力和孔隙半径有如下关系[5]： 地质灾害调查与监测技术方法论文集 式中：（ua-uw）为基质吸力；Ts为水的表面张力；Rs为弯液面的曲率半径，相当于土中孔隙半径。 由公式（1）可知，土中的孔隙半径越小，则基质吸力的值就越大。而土体的孔隙半径是由土体的颗粒成分决定的[3]。土体颗粒越小，粘粒含量越多，级配越好，则孔隙半径就越小。因而，基质吸力就越高。 非饱和土基质吸力还与土体含水量有关[5]，基质吸力与土体含水量的经验关系公式为： 地质灾害调查与监测技术方法论文集 式中：（ua-uw)r为残余含水量θr所对应的基质吸力；（ua-uw)b为土的进气值；（ua-uw）为非饱和土基质吸力；θ为体积含水量；θs为饱和体积含水量。 公式（2）显示：当非饱和土体含水量由残余含水量θr增加到饱和含水量θs时，基质吸力（ua-uw）便由（ua-uw），降低到（ua-uw)b。也就是说，非饱和土体中含水量增加，基质吸力将降低。 在观测竖井中，从上到下的①、②、④带，土体颗粒由粗变细，粉砂质粘土含量增高；而天然含水率ω则由小变大。 在①带上部，由于农作物的根系作用和有机质含量较高，使得基质吸力较①带中部小。②带土体颗粒较①带细，在①、②带接触面附近造成含水量相对较高，①带下部、②带上部基质吸力数值变小。 主滑带、次滑带形成相对隔水层，在其上部存在上层滞水，造成附近土体饱和，基质吸力为零。于是出现了②带下部及④带上、下端基质吸力较低的情况（见图3）。 4基质吸力随大气降雨的变化 滑坡区属亚热带气候，空气湿润，雨量充沛，多年平均降雨量1000mm，最大日降雨量85.5mm。降雨多集中在6～9月，其降雨量约占全年降雨量的70%左右，降雨连续集中，强度大。 依据2002年10月～2003年2月的观测资料，在滑体降雨入渗的过程中，滑体非饱和带物质的基质吸力随着含水量的增加而降低，如图4。 由图4可以看出： 图4滑坡不同深度处基质吸力随降雨的变化 滑体①带上半部，地表以下0～4.0m范围内，滑体非饱和带基质吸力的降低与降雨具有对应关系，且基质吸力降低的滞后时间不超过1天。表明在这一范围内，雨水沿铅直方向向下入渗，水分的非饱和渗流具有一维特征。 在滑体①带下半部，即地表以下4.0～9.2m范围内，降雨后，基质吸力出现两次不同幅度的降低。第一次基质吸力降低与降雨具有对应关系，其滞后降雨的时间为7～8天。基质吸力降低的机理与滑体①带上半部的基质吸力降低的机理相同；第二次基质吸力降低是在第一次基质吸力降低的3天以后，第二次基质吸力降低是由于滑体中水分运移造成的，水分的非饱和渗流具有三维特征。 滑体②带、④带中基质吸力的降低，与降雨的对应关系不明显，这说明在滑体②带、④带中，基质吸力不仅受降雨的影响，而且还受非饱和带中水气运移的影响。 5结论 （1）滑坡体非饱和带中基质吸力沿深度方向上的变化不仅与土体含水量的大小有关，而且还与滑体的结构和细颗粒土含量、颗粒组成以及有机质含量有关。因此，实际的滑坡基质吸力剖面也应具有分带特征，这与Sweeney(1982年）得到的边坡基质吸力剖面不同。 （2）在旱季，降雨对滑坡体非饱和带基质吸力的影响，并非如以往文献研究成果所显示的那样，基质吸力的变化一定与降雨具有对应关系，且存在滞后时间。而实际情况是：在滑坡体的上部（本文滑坡在0～9.2m深度范围内），降雨与基质吸力的降低有明显的对应关系；在滑坡体中、下部（本文滑坡在9.2～20.0m深度范围内），降雨与基质吸力降低的对应关系不明显，基质吸力的变化是观测井附近降雨下渗与非饱和带中水气运移综合作用的结果。 （3）快拔型张力计读数直观，性能较稳定，操作比较简单，能用于吸力较低的现场测量。但在长期观测中，需要经常对张力计储气瓶进行排气，这给测量带来不便。可以通过研制循环排气装置或以其他液体替代水等方法来解决这一问题。 参考文献 [1]孙广忠.中国典型滑坡[M].北京：科学出版社，1998 [2]E Hock,J W Bray著.卢世宗等译.岩石边坡工程[M].北京：冶金工业出版社，1983 [3]钱家欢，殷宗泽.土工原理与计算[M].北京：中国水利水电出版社，1996 [4]张有天，刘中.降雨过程裂隙网络饱和/非饱和、非恒定渗流分析[J].岩石力学与工程学报，1997,16(2）:104～111 [5]弗雷德隆德 D G，拉哈尔佐 H.陈仲颐等译.非饱和土力学[M].北京：中国建筑工业出版社.1997 [6]王钊，龚壁卫，包承纲.鄂北膨胀土坡基质吸力的量测[J]，岩土工程学报，2001,23（1）:64～67 [7]龚壁卫，包承纲，刘艳华，王钊.膨胀土边坡的现场吸力量测[J].土木工程学报，1999,32（1）:9～13 [8]张蔚榛.地下水与土壤水动力学[M].北京：中国水利水电出版社，1996 是收费的，一般没有稿费。我这有A累杂志。CN刊号/ ISSN刊号齐全。 建筑科学类核心期刊表 1 岩土工程学报2 建筑结构学报3 土木工程学报4 岩石力学与工程学报 5 建筑结构6 工业建筑7 哈尔滨建筑大学学报8 中国给水排水9 岩土力学10 建筑技术通讯.给水排水（改名为：给水排水）11 施工技术12 建筑技术13 世界建筑14 建筑科学15 世界地震工程16 建筑学报17 混凝土18 工程勘察19 城市规划20 暖通空调21 西安建筑科技大学学报.自然科学版22 水文地质工程地质23 建筑机械24 四川建筑科学研究25 重庆建筑大学学报26 新型建筑材料27 空间结构28 城市规划汇刊水利工程类核心期刊表 1 水利学报2 泥沙研究3 河海大学学报.自然科学版4 水利水电技术5 人民黄河6 水力发电7 水科学进展8 人民长江9 岩石力学与工程学报10 水力发电学报11 水利水运工程学报12 中国农村水利水电13 长江科学院院报14 水利水电科技进展综合性交通运输类核心期刊表 1 西南交通大学学报2 交通运输工程学报铁路运输类核心期刊表 1 铁道学报2 铁道车辆3 中国铁道科学4 铁道运输与经济5 内燃机车6 中国铁路7 铁道建筑8 长沙铁道学院学报（改名为：铁道科学与工程学报）9 铁道工程学报10 路基工程公路运输类核心期刊表 1 汽车工程2 中国公路学报3 汽车技术 4 公路5 桥梁建设6 公路交通科技7 现代隧道技术8 西安公路交通大学学报（与西安工程学院学报的一部分合并为：长安大学学报.自然科学版）9 国外桥梁（改名为：世界桥梁）10 世界汽车11 筑路机械与施工机械化12 中外公路 《岩石力学与工程学报》和《岩土工程学报》（包括《岩土力学》）是岩土界的3大王牌期刊。据我投稿经验：录用难易程度《岩土力学》<《岩石力学与工程学报》<《岩土工程学报》；《岩土工程学报》是本行业最权威的学报。 《岩土工程学报》是EI检索，但不属于SCI检索。两种学报各有所长，关键是根据自己需要。岩土工程与环境岩土工程学报
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