基于最小作用原理的积水土坡水分入渗路径及规律研究

基于最小作用原理,以时间为最小作用量,建立了二维Richards方程水分入渗路径的泛函,提出了积水条件下土坡水分入渗的变分解,并在此基础上利用Brooks-Corey模型计算了锋面以上土体的水力坡降并讨论了入渗曲线的形态,同时利用Hydrus 2D软件分析了第一类边界条件下土坡内含水量分布。结果表明:二维斜面入渗的变分解与一维水平入渗、垂直入渗变分解具有相同形式;入渗曲线表现为外凸形态;数值计算得到的入渗量与湿润锋深度呈线性关系,与变分解的分析结果一致;变分解求得的湿润锋深度、含水量分布用于分析边坡稳定等宏观工程问题是可行的。

静态水位和坡脚压载对库区造地高边坡稳定性的参数影响分析

本文运用有限元边坡稳定分析软件GeoStudio,针对含有机质土层地基上的库区造地高边坡,考虑饱和与非饱和渗流理论,建立了有限元分析模型,分析了水位参数和坡脚压载参数对边坡整体稳定的影响。分析结果表明:在边坡高度一定的情况下,边坡最小稳定安全系数随着水位相对高度的升高先降低后增加,在水位与地面齐平时,边坡安全系数达到最小;坡脚压载的合理高度应小于边坡高度的30%~50%,压载有效长度与压载高度的比值约为坡度倒数的10倍。

喀斯特槽谷区侵蚀坡面的土壤质量评价及障碍因子

[目的]为准确评价喀斯特槽谷区顺/逆层坡侵蚀坡面的土壤质量特征,筛选出适用于该地区的土壤质量评价方法,探析限制其土壤质量的障碍因子。[方法]以重庆市青木关喀斯特槽谷区顺/逆层坡面的5种典型土地利用类型(林地、草地、裸地、玉米地、辣椒地)为研究对象,利用主成分分析法结合Norm值建立评价指标最小数据集(minimum data set,MDS),并通过非线性土壤质量评价方法和隶属度函数对喀斯特槽谷区顺/逆层坡面的土壤质量进行评价。[结果](1)喀斯特槽谷区土壤质量评价指标最小数据集(MDS)包括毛管持水量、毛管孔隙度和全磷;(2)通过非线性土壤质量评价方法得出,逆层坡土壤质量(0.519)优于顺层坡(0.451),其中逆层坡林地土壤质量最优(0.653),辣椒地土壤质量最差(0.426);(3)非线性评价方法在顺/逆层坡的决定系数(R 2)均高于隶属度函数,因此喀斯特槽谷区更适合采用非线性评分模型;(4)顺/逆层坡侵蚀坡面的土壤质量障碍因子差异显著,仅有全氮为共同的障碍因子。[结论]适当增加草地和乔木林的覆盖能提高喀斯特槽谷区土壤质量,研究结果可因地制宜地为喀斯特槽谷区顺/逆层坡侵蚀坡面的土壤质量调控和生态恢复提供依据。

ECT图像重建中最小坡度正则化参数选择方法

电容层析成像图像重建反问题常常是不适定的.提出了一种在最小坡度曲线段中选择Tikhonov正则化参数的新方法用于求解这一不适定反问题.对于测量数据的干扰,不适定问题的一些正则化解比其他的解敏感程度低.该方法使用一定准则选取不敏感正则化解中的一个,将这个解对应的正则化参数作为最优值.通过仿真实验,针对两种典型介质分布,将基于最小坡度方法计算的正则化参数与流行的L-曲线法在电容测量数据施加噪声情况下的图像重建结果进行了比较.实验表明基于新方法的图像重建结果要好于L-曲线法.

遗传算法在土坡整体稳定性分析中的应用

边坡稳定性分析的关键是如何确定最危险滑动面的位置并计算与之相对应的安全系数。由于传统的极限平衡分析方法很容易陷入局部极小值而不能找到真正的最危险滑裂面,因此采用瑞典条分确立土坡分析模型,用遗传算法搜索土坡最危险滑动面,进而求得土坡最小安全系数。该方法模拟了生物遗传进化的过程,克服了传统方法的局限性。通过和面积细分法所搜索的最危险滑动面和计算得到的土质边坡安全系数作对比,可得遗传算法在土质边坡稳定分析中具有较高的精度与可靠性。遗传算法可以很好地解决如何寻找土质边坡整体极值的问题。工程应用实例表明,遗传算法分析土质边坡的稳定性效果良好,具有很好的应用前景。

光学图像中一种新的边界断点连接方法

针对光学元件表面划痕不连续而导致的划痕长度难以确定的问题,提出一种基于斜率控制的不连续划痕连接方法。该方法首先经预处理确定不连续划痕区域;然后寻找划痕断点,并从划痕本身特点出发限定断点间距和所连边界的曲率;最后以单像素形式对断续处进行连接,从而得到完整连续的划痕区域。经理论分析与实验验证,提出的方法能够明显避免边界变形,减小测量误差,具有良好的实用性。除光学图像外,该方法也可用于其他涉及到断点连接的图像中。

山体斜坡附近有压隧洞最小覆盖厚度的解析解

以重力作用下三角形山体的初始应力场解析解为基础,求出初始应力场的最小主应力值表达式,再根据有压隧洞的内水压力应小于拟开挖隧洞处的初始应力场最小主应力准则,给出了确定山体斜坡附近有压水工隧洞的位置、最小覆盖厚度及最小坡高的解析表达式。计算结果表明:一般情形下,最小覆盖厚度不但取决于山体的坡角,而且与隧洞所处的坡高有关;只有当山体的2个坡角相等且为45°或山体的2个坡面相互垂直时,隧洞的最小覆盖厚度才与坡高无关。山体的2个坡角都为45°时,隧洞的最小覆盖厚度是水头高度的0.5656倍,这与修正的挪威准则给出的结果相同。

基于土壤管理评估框架的云南坡耕地耕层土壤质量评价

坡耕地作为云南地区耕地资源的重要组成部分,坡耕地耕层土壤质量评价和参数适宜范围确定是合理耕层构建的基础。基于土壤管理评估框架(soil management assessment framework,SMAF),构建坡耕地耕层土壤质量指数评价模型(cultivated-layer soil quality index,CLSQI),采用最小数据集(minimum data set,MDS)法筛选评价指标,对云南地区坡耕地耕层土壤质量进行评价,提出坡耕地合理耕层土壤参数适宜范围。结果表明:云南坡耕地耕层土壤质量评价最小数据集由pH值、全氮、总孔隙度、抗剪强度、田面坡度5个指标组成,基于MDS的坡耕地耕层土壤质量评价精度较高。在初选指标体系中,土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度、抗剪强度、田面坡度5个指标的权重较大,而在MDS指标体系中,田面坡度、全氮含量的权重较大。坡耕地耕层土壤质量指数(CLSQI)分布在0.39～0.84之间,均值为0.59±0.11,变异系数为0.19,坡耕地耕层土壤质量总体处于"中等"偏上水平。不同采样区坡耕地CLSQI差异显著(P<0.05),其大小关系为:楚雄>双柏>宣威>宁洱>马龙>石林。0～20 cm采样深度坡耕地CLSQI(均值0.59)大于>20 cm(均值0.56),紫色土坡耕地CLSQI(均值0.61)大于红壤(均值0.54)(P<0.05),垄作和等高耕作模式坡耕地CLSQI大于顺坡耕作,旋耕方式下的坡耕地CLSQI大于翻耕,不同农业分区坡耕地CLSQI的大小顺序为:滇东北山原区>滇中高原湖盆区>滇西南中山宽谷区。坡耕地合理耕层MDS土壤指标适宜范围为:pH值5.58～7.82,全氮≥1.37 g/kg,总孔隙度≥52.28%,抗剪强度≥5.19kPa,田面坡度≤11.79°。研究可为坡耕地耕层土壤质量评价及合理耕层构建提供理论依据和参数支持。

混沌优化算法在土质边坡稳定性分析中的应用

确定边坡最危险滑动面并计算与之相对应的安全系数是边坡支护的重要任务。本文结合简化Bishop法,用一种新的智能优化算法——混沌优化算法来搜索全局最优解。该方法利用混沌运动本身具有遍历性、随机性、"规律性"等内在特点,能在一定范围内按其自身"规律"不重复地遍历所有状态,易于跳出局部最优解,具有很强的全局搜索能力。通过坡高为12.3m的某电厂三层土质边坡的典型算例分析,并和遗传算法、枚举法计算结果对比可知,计算结果超于一致,其差值接近于0,因此混沌优化算法能在很高精度下搜索到全局最优解,能很好地解决边坡稳定性分析中的优化问题。

移动追踪的最小Sigma点斜率无迹粒子重构滤波

为提高移动物体的追踪精度,提出一种基于最小Sigma点斜率粒子重构滤波的移动物体追踪算法。首先,利用分裂重构跟踪器解决复杂跟踪环境下目标跟踪的不确定问题,分裂重构形成的多跟踪器,在降低计算复杂度情况下,可从不同位置进行目标多方向并行跟踪,降低目标丢失概率;其次,针对无迹粒子滤波(UPF)Sigma点聚集度差,计算负担大的问题,对裂变获得的子跟踪器,利用最小Sigma点斜率对其粒子滤波过程进行改进,提高无迹粒子滤波算法计算效率;最后,实验结果表明,所提跟踪方法与选定几种定位方法相比,能以更低代价获得更优定位效果,并可均衡网络负载,提高探测传感器网络的使用寿命。

改进最小势能法与Bishop法边坡稳定计算对比分析

最小势能法是边坡稳定性分析的新方法,而滑面上储存的剪切势能是滑体系统总势能不可或缺的一部分,因此针对任意形状滑面,提出一种考虑滑裂面上剪切势能的最小势能法。为验证改进后最小势能法的合理性,将其与Bishop法从理论以及算例方面进行了对比分析。结果表明:改进后的最小势能法是合理且可行的,可以用于边坡稳定性的评价;最小势能法无需划分条块及迭代,分析计算过程简洁,相比Bishop法有一定的优势,便于在工程中推广应用。

基于单纯形-混沌优化算法的边坡稳定性分析

利用混沌现象固有的内在结构进行寻优搜索,为土质边坡的稳定性分析提供了一个新思路。将混沌优化算法的全局搜索能力和单纯形法的局部搜索能力结合起来形成单纯形-混沌优化算法,结合简化Bishop法对边坡进行稳定性分析。单纯形-混沌优化算法搜索到的是全局最优解。通过与遗传算法、改进的模拟退火算法的计算结果对比,表明在保证安全系数一定精度的情况下,单纯形-混沌优化算法搜索到的是最危险滑动面。可见,单纯形-混沌优化算法具有较强的全局搜索能力,结果更可靠。

基于期望造价的建筑场地填土边坡优化设计模型

建筑场地填土边坡的优化设计是边坡安全与风险评价的关键问题。根据场地工程特点,提出了以最小期望造价为目标函数的填土边坡优化设计模型,构建了模型的主要设计变量和约束条件;指出优化设计模型应与建设规划衔接、应考虑设计参数随机分布以及设计方案适用性。以广西平乐县二塘锰矿区建筑场地整平工程为例,通过优化设计模型的分析,得出了不同高度填土边坡的最优设计坡角和单位工程的最小期望造价,发现填土边坡的工程造价与设计坡高呈线性正相关关系,最优坡角与设计坡高之间为负指数相关关系。

基于遗传算法的土坡稳定性分析

基于圆弧滑动面假定,介绍了一种用遗传进化算法确定边坡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的过程,克服传统方法容易陷入局部极小值的缺点,是一种全局优化算法。

地形闭塞的山坡下部冬季气温特征分析

根据龙海站过去50a(1959-2009年)的低温历史资料分析,并没有达到荔枝树遭受冻害的标准,但1991/1992年度、1999/2000年度冬季位于该站西南偏南11km的双第华侨农场的荔枝树却遭受了较严重的冻害。为探寻冻害产生的真正原因,本文利用2008/2009年冬季在龙海气象站和龙海市境内的双第华侨农场自动站(位于地形闭塞的山坡地下部)观测的气温资料进行对比分析发现:与龙海站相比,双第站的平均气温和最低气温偏低、最高气温偏高、气温日较差偏大;两站日最低气温间呈极显著的正相关关系(r=0.9468>r0.001,n=90),两站的日最低气温差值随着龙海站最低气温的降低呈增大的趋势,说明龙海站的最低气温较低时双第站的会更低。采用差值法对龙海迁站(2001年)前后的年度极端最低气温资料进行了均一性订正,采用线性回归关系式推算出1991/1992年度和1999/2000年度冬季双第站的最低气温为-4.9℃和-3.8℃,这就是双第华侨农场当年冬季荔枝树发生冻害的真正原因。

基于聚类及PCA分析的红壤坡耕地耕层土壤质量评价指标

为准确评价红壤坡耕地耕层土壤质量特征,该文采用聚类分析法(CA)和主成分分析法(PCA)分别建立了南方红壤丘陵区坡耕地耕层质量诊断最小数据集(minimum data set,MDS),并利用最小数据集土壤质量指数(soil quality index-CA,SQI-CA和soil quality index-PCA,SQI-PCA)和全量数据集土壤质量指数(soil quality index-total,SQI-T)对坡耕地耕层特征进行分析。结果表明:1)红壤坡耕地耕层土壤质量变化特征差异明显,其中耕层平均厚度(19.93±4.9)cm,接近作物生长适宜水平;土壤有机质、全氮平均含量分别为(17.43±8.71)和(0.97±0.42)g/kg,处于中度贫瘠化水平;土壤有效磷和速效钾含量丰富,平均含量分别为(26.1±22.22)和(155.46±88.35)mg/kg;p H均值为(5.34±0.77),土壤呈弱酸性。2)红壤坡耕地耕层土壤质量评价最小数据集由耕层厚度、土壤容重、土壤贯入阻力、土壤有机质、p H值和有效磷组成。基于不同数据集的耕层土壤质量评价结果差异明显,土壤质量指数变化范围、均值表现为SQI-T>SQI-CA>SQI-PCA,变异系数表现为SQI-T<SQI-CA<SQI-PCA,SQI-CA与SQI-T的Nash有效系数和相关度高于SQI-PCA,而相对偏差系数和平均相对误差则低于SQI-PCA,这表明基于聚类分析最小数据集(MDS-CA)较基于主成分分析最小数据集(MDS-PCA)更适合替代全量数据集(total data set,TDS)对耕层土壤质量进行评价。3)从保水、保土、保肥及增产潜力角度看,红壤坡耕地合理耕层诊断指标适宜性阈值为耕层厚度≥20.39 cm,土壤容重0.92~1.21 g/cm3,土壤贯入阻力≤1.21 kg/cm3,土壤有机质含量≥18.82 g/kg,p H值5.04~5.38,有效磷≥28.83 mg/kg。合理深松是构建合理耕层的有效措施之一。该研究结果可为南方红壤丘陵区坡耕地耕层质量恢复、农作物生产适宜性调控和坡耕地水土流失阻控提供参考,有利于红壤丘陵区坡耕地资源持续利用。

均质坡设计最小安全系数的非圆弧曲线搜寻法

挖方边坡设计的目标是确定设计安全系数下的坡角和坡高,设计边坡是安全系数大于1的稳定边坡,不存在滑面,搜索的目的是寻找与设计安全系数相等的最小剪应比(面)。提出一种非常简单的指数型曲线搜索法,可搜索存在地下水的均质坡设计最小安全系数与其相应的坡角或坡高。从坡肩向外,进行等步长点搜索通过坡趾的曲线族。在每一点、指数由1逐渐增大变动指数曲线,对曲线与坡面线间的坡体进行条分,把每个条块底面抗剪强度与剪应力分解为水平与垂直分力,根据平行力系可移动原理,求各条块抗剪强度与剪应力的水平分力与垂直分力的合力,然后计算该曲线剪应比面的抗剪强度与剪应力,得到该剪应比面的剪应比,逐点对剪应比大小进行比较,搜索出曲线族的最小剪应比,直到通过某点的指数曲线的最小剪应比等于设计安全系数为止。通过3个算例与其他方法计算结果进行对比,表明这一方法的有效性具有实用价值,提出边坡设计应以最小安全系数为主要参照标准。

天山北坡西部树木年轮对气候因子的响应分析及气温重建

利用博尔塔拉蒙古自治州三个采点的树轮宽度年表，通过相关和响应面分析的方法，分析三个树木年轮宽度对气候因子的响应。分析表明，三个年表与博州地区的年平均最低气温和7月降水量呈较显著的正相关，且呈现相同的响应，仅在气温偏低时，三个年表响应不一致。通过分析，选择年最低气温作为重建对象，具有明显的树木生理学意义。利用树轮年表重建了博州1576—2002年的年最低气温，通过逐一剔除检验，发现重建值稳定可靠。在427a中，存在2～3a和40～50a左右的周期性振荡，1631年、1832年、1920年和1961年左右发生过突变。

锚杆(索)加固边坡的最小势能稳定分析方法研究

最小势能边坡稳定性分析方法是一种正处于发展完善中的新型边坡稳定分析方法。建立了采用锚杆(索)加固边坡后的最小势能稳定分析新方法,并进一步提出了一个考虑滑床剪切势能影响的近似计算模型,算例表明:(1)最小势能边坡稳定分析方法的结果,不论有无锚固均与现在工程常用的极限平衡方法的结果较为一致,表明了这一新方法的适用性;(2)滑床剪切势能计算模型引进与否对单一地层边坡的安全系数影响微小,可忽略不计,而对多地层边坡有较明显影响。总之,最小势能方法求取安全系数的过程简洁、概念明确合理、结果可显式表示,与极限平衡方法或有限元方法等方法相比,更具有实用价值。

极限平衡分析的精确解法与国内外几种常用计算方法的分析比较

在建立了任意型态的边坡面与滑动面普遍表达式后,针对圆弧型滑动,根据Mohr-Coulomb破坏准则,推导出了沿滑动面上的正应力σ与剪应力τ的精确积分式(取名"精确解法")。结合新疆蒙库铁矿实例,比较了精确解法与国内外常用的几种方法(包括Ordinary(常规法)、Bishop、Janbu、Spencer、Morgenstern-Price、GLE(通用极限平衡法)),并将精确解法的最小安全系数与包括精确解法在内的7种方法的最小安全系数取平均值相比较,发现精确解法的最小安全系数与7种方法取平均值的最小安全系数比较接近。故此认为精确解法的结果可以在工程中放心使用。