相遇蚁群算法在边坡非圆弧临界滑动面搜索中的应用研究

边坡非圆弧临界滑动面搜索是边坡稳定计算中的一个关键问题,其实质为安全系数最小的滑动路径搜索问题,采用效果良好的路径搜索算法--蚁群算法是目前研究的热点。为了克服传统蚁群算法效率低、效果差的缺点,基于蚂蚁正反向搜索相遇形成完整路径的原理,提出了一种相遇蚁群算法。将该算法用于边坡非圆弧滑动面搜索问题,提出了一种非圆弧临界滑动面搜索的新方法。通过2个边坡的算例计算及一个水库岸坡的工程应用,验证了新算法的有效性。计算结果表明,相遇蚁群算法无论是整个搜索范围还是从某一点起的搜索范围都要比一般蚁群算法大,所以相遇蚁群算法在搜索边坡临界滑动面时所得到解的多样性也要比一般蚁群算法好,因此,相遇蚁群算法的搜索范围能以较大的概率包含全局最优解,算法最终也能以较大概率搜索到全局最优解。最终,相遇蚁群算法可以在更大的范围内以更快的速度找到边坡的临界滑动面。     

双重变异遗传算法及其在临界滑动面搜索中的应用

针对传统的优化算法难以在具有变量多、约束条件复杂、局部极值点多的边坡临界滑动面搜索中取得较好效果的问题,提出双重变异遗传算法（DMGA）。一方面,该算法通过探测变异操作提升算法的局部寻优能力,通过直接变异操作提升算法的全局寻优能力,两者的结合使算法能够在搜索的广度与深度上达到较好的平衡;另一方面,算法采用考虑个体适应度值与进化代数的自适应交叉概率及自适应变异概率,使算法在进化的早期能够增加种群的多样性,在进化的后期能够保护较优的个体不受破坏。将该算法与简化Bishop法相结合,对澳大利亚计算机应用协会（ACADS）提供的考核题及一个海堤边坡工程实例进行分析,计算结果表明：（1）对于均质边坡和非均质边坡,该方法均能准确搜索到边坡的临界滑动面及相应的安全系数;（2）与仅进行直接变异或探测变异的遗传算法相比,双重变异遗传算法具有更强的全局搜索能力及更好的鲁棒性,具有广阔的应用前景。     

基于蚁群算法的严格最大剩余推力临界滑动面搜索

临界滑动面搜索一直是边坡稳定性分析中十分重要的课题,由于极限平衡法具有理论简单,易于被工程师掌握的优点,因此,仍在工程应用中占主导地位。剩余推力法是国内学者提出的一种简单实用且有较高精度极限平衡法,已被纳入国家规范。针对目前剩余推力法条间力假设简单,只考虑了力的平衡而忽略力矩平衡的缺点,通过Spencer法迭代构造了严格剩余推力法边坡临界滑动面搜索优化的模型,并结合蚁群算法搜索出了最大的剩余推力相应的临界滑动面。该模型具有精度高,收敛快的特点。最后给出的两个算例与传统的蚁群算法直接搜索安全系数最小得到的结果做了比较,表明了本文方法的正确性。     

基于临界滑动场的岩质边坡临界滑动面搜索方法

在边坡稳定分析中临界滑动面搜索是关键问题。现行搜索算法包括数学规划法和智能搜索算法,均是以圆弧或圆弧加折线为假定滑动面形式在计算土质边坡基础上发展起来的,基本上不适用于岩质边坡计算。临界滑动场理论以余推力法和最优化理论为基础,采用新的结构面处理方法,可计算出与实际情况基本吻合的最大余推力方向场,能方便追踪出各可能出口点的滑动面,从而找出边坡整体临界滑动面。取一均质土质边坡算例对计算结果可信度进行验证,与强度折减法和Spencer极限平衡法所得计算结果相吻合。另取一露天矿边坡对该方法的实用性进行了验证。     

蒙特卡洛法与有限元结合搜索边坡临界滑动面

把蒙特卡洛随机搜索法与有限元法相结合,搜索边坡的临界滑动面及其对应的最小安全系数.通过随机跳跃法生成一定数量的初始试算滑动面,根据有限元分析的应力和孔隙水压力结果计算给定滑动面的安全系数,利用随机走步法不断更新试算滑动面,使试算滑动面安全系数不断减小,最终确定边坡临界滑动面及其对应的最小安全系数.本方法通过随机搜索,克服了大多数常规优化方法易陷入安全系数局部极小的问题.数值算例分析说明了本文提出的确定边坡临界滑动面的方法的有效性和优越性.     

土质边坡空间临界滑动面搜索的优化算法

将二维均质土坡作为平面应变问题,假定滑动面是一个圆弧,将滑弧圆心与半径转变为后缘剪入点、坡脚剪出点和过后缘点滑弧切线与x轴的交点等3个点的横坐标,然后以这3个参数为变量,给定合理的取值区间,应用黄金分割法搜索二维边坡的最小稳定系数及相应的临界滑动面。进一步假定均质土坡的三维空间滑动面为一旋转椭球体,旋转椭球体的竖向中轴面和二维的圆弧面一致,给定椭球体不同的水平轴半径值,采用以上二维滑动面搜索方法可求出不同水平半径所对应的三维最小稳定系数及相应的椭球面。结果表明：边坡的三维稳定系数没有极小值,但有极限值;对于横向延伸长的无限边坡,三维稳定系数逼近二维稳定系数,当旋转椭球长轴与短轴之比大于3时,二者很接近,边坡稳定性可简化为二维来分析;对于受地形、地下水等条件约束的短边坡,三维效应明显,在考虑实际边界条件的情况下按三维来分析。     

边坡的潜在滑动面分析

边坡稳定分析是土力学的经典课题之一。极限平衡法是边坡稳定分析最常用的方法, 也是规范推荐的方法。通常认为最小安全系数对应的潜在滑动面就是最可能滑动的临界滑动面。本文对这一问题进行分析, 提出了将最大加速度对应的滑动面作为潜在滑动面的思路, 这里称为加速度临界滑动面。对典型算例进行分析, 表明最大加速度与最小安全系数具有较好的相关性。     

基于整体稳定性分析法的边坡临界滑动面搜索

临界滑动面搜索是边坡稳定分析中很重要的内容,针对现有方法的不足,提出了一种新的搜索方法。基于边坡稳定性的整体分析法,建立了确定临界滑面的非线性优化模型。该模型将滑面离散点的纵坐标和安全系数都视为独立变量,目标函数取为安全系数本身,约束条件是平衡方程组和滑面凸性。由于目标函数是线性函数,约束条件至多是二次多项式,非线性程度较低,可采用经典优化算法和常见的非线性优化工具求解,比如Matlab。通过实例分析并与传统的滑面搜索方法进行对比表明,所建议的方法在数值稳定性及收敛性方面均具有优势。     

遗传算法在边坡抗震稳定性分析中的应用

根据遗传算法的思想和拟静力瑞典法基于圆弧滑动面的假定，提出一种用遗传算法搜索最危险滑动面及其对应的最小安全系数的方法。该方法模拟了生物遗传进化过程，克服了传统方法容易陷和局部极小值的缺点，是一种全局优化算法。并通过一个工程实例对其进行了验证。     

临界滑动场技术在排土场边坡设计中的应用

边坡临界滑动场技术是近年发展起来的一种边坡稳定性分析方法。它能准确快速确定多层介质、多台阶边坡任意形状的临界滑动面,全面评价边坡整体和局部稳定性。文章首先应用临界滑动场技术对原设计15坡角时的龙桥排土场边坡进行临界滑动面搜寻,确定边坡整体安全系数为1.42,证明原设计的15坡角取值过于保守。然后再应用临界滑动场技术的扩展方法进行反向分析,在给定安全系数为1.30的条件下,求得最佳设计坡角为17。研究成果为将来矿山的排土工作提供指导,具有一定的工程实用性。     

Determination of the critical failure surface for slope stability analysis using ant colony optimization

Slope stability analysis of any natural or artificial slope aims at determining the factor of safety of the slip surface that possesses the lowest factor of safety. In this study, an ant colony optimization (ACO) algorithm is developed to solve this factor-of-safety minimization problem. Factors of safety of slip surfaces are found by using the Morgenstern–Price method, which satisfies both force and moment equilibrium. Nonlinear equations from the Morgenstern–Price method are solved numerically by the Newton–Raphson method. In the proposed ACO algorithm, the initiation point and the shape of the slip surface are treated as the search variables. The proposed heuristic algorithm represents slip surfaces as piecewise-linear curves and solves for the optimal curve yielding the minimum factor of safety. To demonstrate its applicability and to investigate the validity and effectiveness of the algorithm, four examples with varying complexity are presented. The obtained results are compared with the available literature and are found to be in agreement.     

土坡圆弧临界滑面的网鱼算法

提出了一种新的搜索土坡临界滑面的优化方法——网鱼算法。该方法原理简单,具有较强的全局寻优能力。网鱼算法首先通过对较大范围内试算滑面作计算,得到局部最优值,然后再以局部最优为初值进行小范围、高密度的搜索,从而确定临界滑面。实例证明,该方法适用于复杂土坡的临界滑面搜索。     

基于最小势能法的三维临界滑裂面搜索方法

为了得到三维边坡的临界滑裂面,提出了6个参数控制的三维滑裂面构造方法,基于边坡三维最小势能稳定性分析方法建立目标函数,采用遗传算法实现了临界滑裂面的搜索,并开发了相应的搜索程序。为检验文中搜索方法的合理性,将其与其他方法得到的临界滑裂面以及最小安全系数进行比较,并且将室内模型试验得到的临界滑面与理论搜索的结果进行对比。研究表明：搜索方法可实现稳步收敛;针对算例进行多变量同时变化的搜索验算,得到了与极限平衡法较为接近的结果,表明提出的搜索方法是合理的;理论计算结果与室内模型试验坡面加载得到的边坡临界滑面较为接近,再次验证三维边坡临界滑面搜索方法是可行的。     

基于有限元计算的边坡三维滑裂面搜索

提出一种基于有限元计算的边坡三维滑裂面搜索的方法,根据有限元计算的应力结果,计算可能滑裂面的安全系数,然后用遗传算法搜索出最危险滑裂面,并得出相应的安全系数作为边坡的安全度评价指标。该方法的优越性是只需进行一次有限元计算,不需要假定滑裂面,可以用于具有复杂地貌和地质构造的三维边坡。通过算例,验证该方法的可行性和程序的正确性,以大岗山水电站库区边坡工程实例验证该方法的实用性。     

蚁群算法在水库优化调度中的应用

提出了一种新的随机启发式搜索算法——蚁群算法。算法利用蚂蚁群体相互协作机制寻找水库优化问题的最优解。算法中引入状态转移规则、信息素更新规则和领域搜索以获取最优解,所有蚂蚁个体完成单次寻优后,按照信息素更新规则更新信息素。该过程不断迭代,直到满足迭代终止条件。文中实例计算表明,相对于动态规划,该算法计算速度快、收敛性好,提高了计算效率,较好的解决了传统的动态规划方法求解水库(群)优化调度问题存在"维数灾"问题。