基于改进Monte-Carlo方法的土石坝坝坡稳定可靠度分析研究

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土石坝安全性态分析中坝坡稳定是其中一个传统的有难度而富有挑战性的重要研究领域。随着计算机技术的飞速发展,数值模拟方法的优势变得越来越明显;Monte-Carlo方法的思想作为一种数值模拟的类数学实验方法,在二战时期第一次被应用于核物理试验中。结构可靠度分析理论能够更加深刻、准确和真实的描述结构的失效模式与失效概率之间的关系。基于上述背景,本文建立了Hammersly一致点抽样Monte-Carlo模型,针对土石坝的坝坡稳定可靠度问题,该模型能够提供更加高效的进行数值模拟,同时,能够减小数值模拟结果的误差;文中最后对对模型中参数敏感度进行分析,探求其参数的规律变化。主要研究内容和成果如下:  (1)建立了土石坝在稳定渗流工况下的坝坡失稳风险率计算模型。采用Hammersly一致点抽样Monte-Carlo模拟方法建立求解模型,以某水库为例,计算了坝坡失稳破坏的失效概率,同时,与拉丁超立方、JC法模型的计算结果等进行对比。从计算结果上看,计算的最终结果略有不同,但数值相差不明显;从模型运行效率上看,一致点抽样的收敛速度大大优于传统Monte-Carlo方法的收敛速度;从误差理论上看,一致点抽样Monte-Carlo方法应当比其他方法更接近真实值。说明Hammersly一致点抽样Monte-Carlo方法有一定的优越性。  (2)建立了灰色关联度模型。对土的抗剪强度指标c、ψ、容重γ三种参数的变异系数对坝坡稳定的影响因素进行了敏感度分析、得出关联度排序;结果表明对于本例的均值土坝土的抗剪强度指标中内摩擦角ψ的变异系数变化值对坝坡稳定影响较其他因素权重较大。  (3)在不同工况下,将结构失效概率与结构安全系数进行比较。结果表明安全系数与失效概率呈反比,符合一般经验,但在地震工况下游坝坡安全系数最小,但失效概率却并非最大;说明失效概率与安全系数具有一定的相关关系,但并非可以说安全系数越大,表明坝坡越安全;同时,在敏感度分析中参数变异值越大,坝坡稳定失效概率显著增大,从侧面说明了某些安全系数较高的坝坡理论上也会产生失效,其失效原因的本质是将不确定模型用确定性模型来表征。  本文通过对实例进行不同的数学模型对比,证明了一致点抽样Monte-Carlo模拟具有较为高效的数值模拟速度与较高的计算精度,在今后土石坝坝坡稳定分析中有一定的应用价值。
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