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基于凸集比例因子和WOA-Kriging模型的重力坝非概率可靠性分析
刘要来, 王堡生, 周红波, 赵二峰, 李章寅
raybet体育在线 院报 ›› 2025, Vol. 42 ›› Issue (3) : 164-170.
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基于凸集比例因子和WOA-Kriging模型的重力坝非概率可靠性分析
Non-probabilistic Reliability Analysis of Gravity Dam Based on Convex Set Scale Factor and the WOA-Kriging Model
为了实现在统计资料匮乏时也能进行重力坝的可靠性分析,构建了仅需要不确定参数上下限的重力坝非概率可靠度评估方法。通过内切椭球模型描述了不确定参数的相关关系,引入比例因子将非概率可靠度计算模型转化为有约束的优化问题,利用Kriging模型对于高度非线性函数的适用性拟合重力坝单元功能函数,在此基础上,通过鲸鱼优化算法进行可靠度的寻优。经过实例分析计算,非概率可靠度计算方法与规范法得出的坝段的抗滑稳定均处于可靠状态,两种方法的结论相同,这验证了基于凸集比例因子和WOA-Kriging模型的重力坝非概率可靠度计算方法可以有效分析重力坝的可靠性。
To achieve reliable analysis of gravity dams with limited statistical data, a non-probabilistic reliability assessment method was developed. This method requires only the upper and lower bounds of uncertain parameters. The correlated relationship of these parameters was described using an inscribed ellipsoid model. By introducing a scaling factor, the non-probabilistic reliability calculation model was transformed into a constrained optimization problem. The Kriging model, known for its effectiveness in fitting highly nonlinear functions, was employed to model the functional behavior of gravity dam elements. Additionally, the Whale Optimization Algorithm (WOA) was used for reliability optimization. Case validation confirmed that the non-probabilistic reliability calculation method, based on the convex set scaling factor and the WOA-Kriging model, effectively analyzes the reliability of gravity dams.
重力坝 / 凸集比例因子 / Kriging模型 / 有限元模型 / 非概率可靠度
gravity dam / convex set scaling factor / Kriging model / finite element model / non-probabilistic reliability
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针对边坡工程稳定性分析中,因获取的参数原始样本信息的有限性,以及基于概率可靠性的常规可靠度计算方法的局限性,引入了边坡凸集模型非概率综合指标,形成了样本信息模糊特征条件下的边坡非概率可靠度求解方法。首先,根据有限的样本信息为参数划定一大致区间,在此区间构建边坡超椭球凸集模型。然后运用拉丁超立方抽样进行区间内采样,由于边坡工程的极限状态方程一般呈高度非线性隐式特征,采用Kriging代理模型来拟合其功能函数。最后,根据非概率可靠度和概率可靠度的相容性,引入非概率指标η,综合评估边坡的稳定性。当η>1时,评估标准为在标准的向量空间内坐标原点到极限状态曲面的最短距离;当0η<1时,采用概率可靠度作为评估指标,此时运用蒙特卡洛法依托MATLAB程序语言即可求得边坡的可靠度指标。算例表明:该方法切实可行,计算高效,结果精确。为概率可靠性方法做了有益的拓展和补充,也为求解边坡可靠度提供了新的可能性。最后,在某实际边坡工程样本信息不完备的情况下运用此方法,结果显示该边坡的失效风险很低,与简化Bishop法分析结论一致,并符合《公路工程结构可靠性设计统一标准》(JTG 2120—2020)中高速公路路基目标可靠度指标标准。
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院报, 2019, 36(8): 159-164.
为解决概率可靠性方法分析受限于重力坝不确定参数的统计信息较难获取,及其功能函数高度非线性且较难用显式解析表达式给予刻画等问题,构建了基于不确定参数界限的重力坝单元非概率可靠性(Non-probabilistic Reliability,N-PR)指标计算模型,在此基础上,融合Kriging模型较强预测和拟合优势,发展了一种基于Kriging模型的重力坝N-PR指标计算方法。经实例考证,所给模型与方法可有效规避概率可靠性分析中要求不确定参数随机变化且计算结果对参数高度敏感的局限,较好适应了重力坝功能函数高度非线性甚至难以显式表达的特点,可较深入分析重力坝可靠性。
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In the reliability analysis for gravity dam, statistical information is challenging to be obtained by probability reliability analysis due to the limitations posed by uncertain parameters, and the functions are highly nonlinear hence are difficult to be described with analytical expression. In view of this, a non-probabilistic reliability(N-PR) index calculation model of gravity dam in consideration of uncertain parameter ranges is constructed. On this basis,the calculation method of N-PR index for gravity dam in association with Kriging model’s strong prediction and fitting advantages is built.A practical engineering example demonstrates that the present method effectively overcomes the limits that the uncertain parameters shall vary randomly in probability reliability analysis and the calculation results are highly sensitive to the parameters. The method also adapts to the highly nonlinear function of gravity dam.
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