（岩土工程专业论文）利用温度场探测土石坝渗漏问题的正反演研究——以南方某水库为例.pdf

摘要摘要土石坝渗漏形式多种多样，为保证土石坝安全运行与经济效益，必须采取相应的加固措施。为了有效治理土石坝渗漏，首先必须查明其渗漏的形式、位置、渗漏强度以及渗漏范围，因此长期以来，土石渗漏探测研究已经成为水利工程和岩土工程的一个重要研究课题。通过温度场探测堤坝渗漏在我国已经得到了广泛应用，但目前该方法还不尽完善，有必要进一步对该方法进行深入研究，并在此基础上，进一步研究利用温度场探测土石坝渗透系数以及集中渗漏参数的可行性、有效性，为解决渗漏作用下土石坝灾害的防治问题提供一个新的快速、有效、经济、简单的调查方法，这也是对钻孔温度方法的广泛应用具有积极推动作用。本文从研究利用温度场探测土石坝渗漏的可行性、有效性出发，结合南方某水库具体工程实例，对土石坝不同渗漏形式及渗漏参数影响下的温度场的正演和反演问题进行了深入研究，主要内容如下：( 1 ) 介绍有限单元法的基本理论与方法，建立了合理的土石坝渗漏影响下的温度场模型。通过对渗流影响下的土石坝温度场的模拟，定量分析不同渗透系数对土石坝温度场分布的影响：( 2 ) 建立不同空白j 位置、规模大小、温度集中渗漏通道模型进行j 下演模拟计算，定量分析集中渗漏通道的模型参数与温度场异常之间的定量关系。( 3 ) 介绍神经网络理论在非线性反演分析中的广泛运用，利用神经网络理论在非线性反演问题的优势，提出基于b p 神经网络的方法，实现利用温度场反演土石坝渗漏的相关参数方法，结合现场实测温度数据，实现了对土石坝渗透参数的反演分析。关键词：渗流场、温度场、有限单元法、渗透系数、集中渗漏、b p 神经网络、反演a b s t r a c ta b s t r a c t ：l e a k a g ee x i t si nt h em o s to ft h ee a r t h - r o c kd i k e s ，a n ds o m er e i n f o r c i n gm e a s u r e m e n t sm u s tb ee n g a g e df o rt h es a f e t ya n de c o n o m i cb e n e f i t i no r d e rt of a t h e rt h el e a k a g ee f f e c t i v e l y , t h ef i r s ts t e pi st od e t e r m i n et h el o c a t i o n , t h es t r e n g t ha n dt h e & l e ao ft h el e a k a g e t h er e s e a r c h e so nt h el e a k a g ed e t e c t i n gh a v eb e e na ni m p o r t a n tt o p i ci nh y d r o - e n g i n e e r i n ga n dg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gf o ral o n gt i m e d e t e c t i n gt h el e a k a g ew i t ht h et e m p e r a t u r ef i e l dm e t h o dh a sb e e nw i d e l yu s e di nc h i n a ；h o w e v e r ，t h em e t h o di sf a u l t ya n dn e e da m e l i o r a t i o n b a s e do nt h ef o r m e rr e s e a r c h e s ，t a k ead a mi ns o u t hc h i n af o re x a m p l e ，f i l r t h e rr e s e a r c h e sa r ec a r r i e do ni nt h i sp a p e r ,w h i c hi n c l u d et h er e s e a r c h e so nt h ef o r w a r da n di n v e r s i o np r o b l e m sa b o u tt h et e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o ni n f l u e n c e db yt h ed i f f e r e n tl e a k a g es t y l e sa n dp a r a m e t e r s t h ef e a s i b i l i t ya n de f f i c i e n c yo ft h et e m p e r a t u r em e t h o dd e t e c t i n gt h ed a ml e a k a g ea mt h o r o u g hd i s c u s s e di nt h ep a p e ra sw e l l t h em a i nc o n t e n t so f t h ep a p e ra r ea sf o l l o w ：1 i n t r o d u c et h eb a s i ct h e o r ya n dm e t h o da b o u tt h ef e m 伍i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) ar e a s o n a b l et e m p e r a t u r ef i e l dm o d e li n f l u e n c e db yt h ed a ml e a k a g ei sf o u n d ，w h i c hi so r d e rt od ot h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a l c u l a t i o na b o u tt h et e m p e r a t u r ef i e l di n f l u e n c e db yt h es e e p a g ea n dt h e na n a l y z et h ee f f e c t so fl e a k a g ep a r a m e t e r so nt h et e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o n ；2 f o u n dd i f f e r e n tc o n c e n t r a t e l e a k a g e p a t hm o d e l sw i t hd i f f e r e n tl o c a t i o n sa n ds i z e s ，a n dc a r r yo nt h ef o r w a r ds i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n t h e na n a l y z et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep a r a m e t e r so f t h el e a k a g ep a t ha n dt h ea b n o r m i t i e so f t h et e m p e r a t u r ef i e l d ；3 i n t r o d u c et h ew i d e l yu s eo fn e u r a ln e t w o r ki nn o n l i n e a ri n v e r s ea n a l y s i s b a s e do nt h eb pn e u r a ln e t w o r k an e wm e t h o di sp r o p o s e dt og e tt h el e a k a g ep a r a m e t e r sw i t i lt h et e m p e r a t u r ef i e l di n v e r s ea n a l y s i s ，w h i c hc a nb eu s ei nt h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n g 、i t l lt h ea c t u a lm e a s r r e m e n td a t a k e y w o r d s ：l e a k a g ef i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，f e m ，p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t ，c o n c e n t r a t el e a k a g e ，n e u r a ln e t w o r k , i n v e r s ea n a l y s i 学位论文独创性声明：本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。论文作者( 签名) ：呈良2 。0 8 年多月幻日学位论文使用授权说明：河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。论文作者( 签名) ：是塾2 。8 年岁月砷日第一章绪论第一章绪论l l 课题研究意义土石坝具有可就近就地取材、对地质、地形条件要求不高、构造简单、施工技术易于掌握、具有一定的抗震性等优点，是当今世界建造数量最多、体积最大、高度最高的坝型，世界绝大部分国家中，土石坝建设一直居于首位。我国大部分土石坝是在建国后不同历史时期兴建的，由于历史条件、技术及经验不足等原因，相当一部分大坝不同程度地存在各种病险隐患，导致大坝灾难性破坏的原因很多，国内外众多学者对此曾进行过广泛的研究【2 棚，一般认为，主要有以下五种基本破坏模式：( 1 ) 溢洪道的泄流能力不足，洪水漫溢坝顶；( 2 ) 坝体连同部分地基沿软弱面发生滑移破坏；( 3 ) 因为扬压力过大，坝体沿坝基面滑动；( 4 ) 坝体或坝基因管涌或流土而破坏；( 5 ) 坝的上下边坡发生滑移破坏。渗流作用在后面四种破坏模式中起着重要的作用。此外，水库水的过量渗漏、水库岸坡的稳定性、水库的诱发地震等，也都与渗流的作用密切相判9 】，因此对土石坝渗流探测的研究是大坝安全监测一项重要内容。土石坝渗漏形式多种多样，常表现在以下方面：( 1 ) 土坝建成后蓄水，浸润线常高于设计浸润线水位，导致渗流从坝的下游坡面溢出，使下游坡失稳。( 2 ) 坝基和坝身产生危害性渗透变形，导致坝基或坝身淘空破坏。( 3 ) 地质条件差，往往认为土石坝对基础要求不高，因而忽视工程与水文地质条件及其基础的防渗处理造成基础漏水问题较普遍i ，因此必须采取渗流控制措施，以避免或减轻渗流危害。在采取渗流控制措施之前，查清渗漏原l 司和渗漏隐患的确切位置对于保证渗流控制效果是十分必要的，因此长期以来，土石坝渗漏探测研究已经成为水利工程和岩土工程的一个重要研究课题【1 1 嘲。目前用来调查土石坝渗漏方法主要是通过高密度电法探测、地质雷达、浅层地震反射、自然放射能法等物理间接探测方法【1 3 45 】，以及同位素示踪法、水质分析法、水位观测法等直接探测方法【幡1 8 1 。堤防渗漏等地质灾害防治问题的关键在于如何快速、精确地探明渗漏所在的位置，传统物理探测方法对大量地下水存在的地层，能够获得令人满意的结果，但对于一些集中渗漏的探测无法得到很好的解决，这是由于渗漏通道与周围土体的电阻率和地震波速没用显著差别。调查地下水还可以采用直接探测方法，水质分析法可以直接获得地下水的信息，不过这几种调查方法所获得精确度受到采水点的位置及多少的影响；天然同位素示踪法使用示踪剂探测堤坝渗漏花费时间长、经费多，在多含水层的水文地质情况河海= 学硕：l 学位论文下无法探测各含水层的地下水流方向，人工同位素示踪，但是由于放射性物质的使用，可能会对水质和鱼类污染，这是该方法的致命缺点。鉴于以上一些探测方法的局限性，迫切要求我们去寻找一种新的调查方法来避免这些不足，能够快速、经济、环保、精确探测堤坝渗漏。通过温度场来研究堤坝渗流是在国内外对于温度示踪法研究的基础上发展起的，为研究大坝渗流提供了新的研究理论和方法，它不仅能更准确、有效地反映体内部的渗流状态，而且有助于加深对渗流状态的发展变化过程的认识。一般情况下土石坝内部非渗流区的温度场分布受单纯的热传导作用控制，土石坝表层1 0 1 5m 范围内温度场受流体( 空气、水) 的季节性温度变化控制，越靠近表面区域与流体温度越致。由于土体具有较低的热传导特性，土体导热率低，温度场分布较均匀，流体温度与土体内部的温度差别随深度增加而增加。当土石体内存在大量水流动时，土石体热传导强度将随之发生改变，如果渗透系数大于1 0 。6 m s ，土石体传导热的传递将明显被流体运动所引起的对流换热所超越，势必打破该测量点处附近温度分布的均匀性及温度分布的一致性，土体温度随渗水温度变化而变化。通常即使很少的水体流动也会导致土石体温度与渗漏水温度相适应，由此引起温度场变化。在研究该处正常地温及参考水温后，就可独立地确定测量点处温度异常是否由渗漏水活动引起的，这一变化可作为渗漏探测的指征，从而实现对土石坝内渗漏的定位和监测。利用钻孔中地下水温度进行分析在探测堤坝渗漏方面具有其独特的优点，首先该方法在没有揭漏强渗漏位置时也能通过附近钻孔的温度数据实现对集中渗漏通道的定位；其次温度场属于天然的物理场，因而在探漏中，不需要人工形成特定的物理场，减少了探测工序的环节，不需要人工形成特定物理场设备和装置，所以利用温度场探测堤坝的渗漏有成本低廉，高效，节能环保等突出优点【1 2 】【1 9 1 。另外对于传统的确定渗透系数的方法往往通过现场压水试验【雏2 j 】由j d u p i l i t 公式或c v t h e s i s 公式解析求解实际地层的渗透系数。但是，这两个公式只有在渗流介质和边界条件比较简单的情况下才适用，在工程实践中，渗流介质和边界条件往往都比较复杂，尤其在非均质各向异性的土石坝中，要想用解析公式求解渗透系数或渗透张量则更加困难阎。此外，为了进行压水试验必须打专门的钻孔，并且需要固定的机械设备，在某些情况下实际应用困难、费用高，同时现场测试又存在着数据离散、代表性不强、时机延迟等问题。所以在大坝安全监测中，传统的试验确定渗透系数的方法受到很大的应用和发展限制。随着现代科学技术的进步，大坝安全监测系统广泛缝应用在大坝安全运行管理之中，其中重要一项就是渗流安全监测，它为渗流安全分析和评价提供了大量可靠的观测数据 6 3 4 1 ，加之数值解法及计算机技术的发展，因而能够采用数学模型反演土石坝渗流参数。2第一章绪论如果能够利用现有的坝体的测压管温度的观测资料，反演出坝体、基岩的渗漏参数、集中渗漏通道规模等，将会节省大量的时间和费用，并将为大坝渗流提供可靠的大坝渗流参数，进而分析评价大坝的渗流安全状态。我们利用钻孔温度数据确定大坝渗透参数的反演问题就是在这样的需求下提出的。本文在以往研究的基础上，从研究利用钻孔温度探测土石坝渗漏的可行性、有效性出发，结合南方某水库具体工程实例，利用有限元法模拟土石坝坝体、基岩以及特殊地质条件下渗漏影响下土石坝温度场分布，并在土石坝温度场正演问题研究基础上，采用b p 神经网络进行反演分析计算得到土石坝不同层位的渗透参数。通过推导均质地层集中渗漏通道影响下土石坝温度场解析解，实现对集中渗漏通道控制地层渗漏参数的初步估算，对于复杂地层采用有限元方法模拟不同集中渗漏通道温度、规模及埋深情况下温度场分布，通过b p 神经网络建立集中渗漏通道参数与温度场的网络联系，结合现场钻孔温度数据，实现集中渗漏通道参数的反演，从理论上、方法上论证利用钻孔温度测量方法探测堤坝渗漏的可行性、有效性，为有效治理堤坝渗漏设计、施工提供科学依据和建议。1 2 利用温度数据探测大坝渗漏的原理温度可以通过介质传递，在坝体中的变化是连续的，从物理上讲，坝体中的温度场分稚是某种形式热源的作用结果，不同类型热源的分布和作用方式不同，因而在坝体中将引起不同的温度场分布。根据传热微分方程和定解条件，进行正演分析，可以确定坝体中的相应温度分布，反之，对于坝体中一定的温度分布，也必定有与之相对应的热源1 2 5 1 。根据热源性质与温度场之间的这种对应关系，可以通过反演分析得到土石坝中的热源形式。在坝体中，渗漏水是一种良好的热载体，在坝体不同位置之间的热量传递中起着主要作用，由渗漏水传递的热量可以大于j 下常传导热流量的几倍甚至几十倍。另外水库底部的水温通常较低且变化较小，而正常地层中温度场分布恰恰相反，温度在坝体中的变化是连续的，所以坝体中发现的局部温度异常一般与库水渗漏有关 2 6 - 3 0 l 。一般情况土石坝中渗漏水流经坝体中的裂缝、裂隙、基岩导水断层等缺陷部位时，通过温度场都可以探测出这些集中渗漏区域。另外对于土石坝温度场的升高或降低不但来自在集中渗漏区域流动的渗漏水带来或带出的能量，而且还与其均匀渗流、热传导等因素有关，因此通过对土石坝温度的监测不仅能够探测出一些集中渗漏通道的模型参数，而且对于那些非集中渗漏控制的坝段，由于坝体、基岩等均匀渗流作用而引起的温度场的改变，通过对温度异常的研究分析，同样能够建立温度异常与土石坝渗透特性的对应联系。河海丈学硕i ：学位论文1 3 渗流影响的大坝温度场研究现状1 3 1 定性分析阶段通过观测温度分布及其变化来监测坝体、坝基渗流( 简称“渗流热监测”技术) ，是一项很有发展前途的技术，这一方法是从勘探地下水所进行的地温研究得到启发而开始的。1 9 6 5 年，美国加利福尼亚o c c i d e n t a l 大学地质系的j o s e p h h b i r m a n 等人将这一技术用于水坝的漏水探查，并申请了专利。美国垦务局也将这一技术成功地应用于一些病险土石坝的治理。紧随其后，在从上世纪七十年代以来，德国、西班牙等国也开始采用温度场来研究大坝渗漏，将温度作为天然示踪剂，通过温度异常来发现坝体异常发现坝体、坝肩或坝基是否存在集中渗漏，这个阶段是温度用于探测渗漏的启蒙探索阶段，其中不少文献通过简述温度在堤坝中的异常特征，绘制反映堤坝异常的温度曲线，再参考堤坝环境( 库水或江水，大气1 温度变化特征，从反映的堤坝场址的地下水的运动特性判断堤坝中可能存在渗漏。在这个研究阶段，由于对温度探测大坝渗漏没有提出和建立可靠理论依据和计算模型，只能作为其他探测方法的辅助手段，因而常把温度异常曲线和其它物探曲线作定性对比分析，一是和电磁，地震波的测试结果作对比；二是和电导值测试结果作对比，或者联合起来作渗漏分析。温度异常分析的目的通常有两种；( 1 ) 用于定性分析地下水渗漏的流速；( 2 ) 是判定大坝渗漏的位黄- 4 0 l 。1 3 2 解析解定量分析阶段精确分析解法指的是，以数学分析为基础求解导热定解问题，得到以函数形式表示的准确解。这个函数表示着在导热现象所在区域内的一种连续温度分砸。采用精确分析解法比较复杂，求解的方法也很多，其中最常见的是采用分离变量法、拉普拉斯变换法、格林函数法、虚拟热源法、杜哈美尔法等。目前，一些模型的解析解已经成功应用于堤坝渗漏定量化探测。陈建生等人将堤坝的管涌渗漏通道看作是一个持续作用的线热源，通过研究管涌渗漏对地层温度的影响，利用传热学中热源法的原理建立了管涌渗漏的持续线热源模型，实现了对管涌通道的定量化描述【4 】；陆艳梅等根据定的边界条件及初始条件推导出拉氏空间下以b e s s e l 函数表示的无量纲解析解，运用围道积分法，得到实空间解【4 2 1 。王新建通过一些假定把集中渗漏通道简化为圆柱状并作为边界条件，结合钻孔探测温度实际，运用稳定热传导理论，建立了圆柱状堤坝渗漏温度示踪模型t 4 3 1 。精确分析解法的主要优点是，整个求解过程中物理概念与逻辑推理都比较清晰，求解过程所依据的数学基础大都己有严格的证明，求解的精确解可靠而且能比较靖楚地表示出各种因素( 如坐标、时4第一章绪论间、各定解条件1 对温度分布的影响。由于这些优点，精确分析解的结果常作为近似分析解法或数值解法所得到结果正确与否的一种检验。但它的缺点是由于数学理论的限制，解析解只适用简单情况下的地质构造、地质问题，对于复杂问题难以求出解析解，另外以上这些模型只考虑了集中渗漏问题，忽略坝体均匀渗流对温度场的影响或者人为确定集中渗漏影响边界这些都限制了解析解的应用。1 3 3 基于数值方法大坝温度场模拟有限元法自6 0 年代出现以来，经过近半个世纪的发展，尤其是随着计算机科学和技术的快速发展，已成为当今科学研究和工程分析中应用最为广泛的数值方法，有限单元法将求解域离散为若干个子域，并通过它们边界上结点相互连接成为组合体，然后利用每个单元内所假设的近似函数来分片地表示全求解域内待求的未知场变量。每个单元内的近似函数由未知场函数在单元各个结点上的数值和与其对应的插值函数来表达。通过和原问题数学模型等效的变分计算或加权余量计算，建立求解基本未知量的代数方程组或常微分方程组，最后用数值方法求解此方程，从而得到问题的解答。有限单元法起初主要适用于固体领域，如导热温度场及应力场的计算。随着计算机应用的发展，有限单元法技术得到提高，各国尝试将其应用于解决流体问题，如计算流体动力学、渗流、对流换热等并取得一定成果一l 。土石坝渗流影响下温度场有限元模拟主要分为两块：渗流模拟和温度场模拟，以往渗流场和温度场分析往往是分丌进行的。其解析解往往只局限于定解方程和边界条件非常简单的情况，朱伯芳进行了渗流对坝体稳定温度场的影响的研究，得到了考虑渗流影响的一维导热问题的近似解分析了坝体渗流随坝高、水头、渗透系数变化对坝体稳定温度场的影响，但实际工程应用受到限制【4 卯。而对于比较复杂的实际问题，其求解只能借助于数值方法。随着高速数字计算机的出现和数值方法理论的发展，使以前许多不可能解决的物理数学问题得到了解决，为了比较客观地反映渗流场与温度场之间的相互作用关系，综合考虑堤坝温度场与渗流场研究的也越来越多。柴军瑞等混凝土坝中的渗透水流通过参与热量传递与交换而影响坝体温度场的分布，坝体温度场又影响渗透水流及混凝土的渗透系数，从理论上分析了混凝土坝渗流场与稳定温度场相互影响、相互作用的机理，提出了混凝土坝渗流场与稳定温度场耦合分析的连续介质数学模型1 4 6 。许增光等利用有限元法求解二维稳定温度场的基础上，推求了渗流影响下二维稳定温度有限元计算格式，并通过算例指出当渗透系数大于1 0 。9m s 时，就必须考虑渗流对温度的影响i 棚。陈建余等从热传导基本原理出发，建立了受渗流场影响的温度场数学模型，给出了有限元求解格式通过算5河海人学硕士学位论文例，定性分析了渗流场影响温度场的主要因素，定量分析了各因素对温度场的影响，并指出水位、渗透性、渗控措施和温差对温度场的影响较大【4 引。李端有等进行了土石坝渗流场与温度场的耦合模型研究，提出通过借助有限元数值计算土石坝温度场，定量地得出渗流场的渗透系数的方法【i9 】。总之，有限单元法是目前计算渗流影响下堤坝温度场的较为成熟的方法，具有以下优点：( 1 ) 理论基础简明，物理概念清晰，可以比较真实地反映渗流场对温度场的影响( 2 ) 可以计算各种复杂几何形状的结构、地质条件及边界条件( 3 )可以模拟不同季节气温及水位变化引起温度场的变化，便于对堤坝进行长期监测。随着更为合理的计算模型的提出以及计算技术的发展，有限单元法在温度场分析中的应用前景将更为广阔。1 4 反演问题研究现状反演分析是依据正分析的成果，应用计算力学( 包括结构和渗流有限元等方法) 反求大坝的计算参数、有限元模型及其计算结果等，以校准影响计算精度的主要参数，称之为反演分析。反演问题是一个复杂的问题，即根据已知的系统模型和系统响应来反演系统参数或根据己知的系统参数和系统响应来推求系统模型，前者又称为参数识别，后者又称为模型识别，反分析一般是要建立在j 下演问题被解决的基础上。我国大坝数量众多，土石坝尤其应用广泛而不少大坝由于运行多年，其综合防渗能力有所调整和改变，其主要防渗结构的实际渗透参数与原设计值不同，因此有必要对大坝各部分的综合渗透系数进行反演分析，为进一步深入分析坝体、坝基和两岸绕坝渗流状况，渗流参数反问题的研究在岩土工程中具有重要的意义，引起了广泛的关注 4 9 - 5 4 1 。文献【4 9 】介绍了间接法中的正则化最小二乘法和逐个修正法，并在二维渗流分析中反演导水系数，。将反演的结果进行了比较。文献【5 0 j 利用结构面控制反演法来确定岩体的渗透参数；文献【5 l 】利用正则化方法识别了含水层参数；文献吲利用非线性最小二乘法进行渗流反分析。文献l 钉l 通过采用有限元方法数值求解非稳态渗流方程，建立了反演坝体渗流参数的计算方法，将参数反演问题转化为参数优化问题，利用大坝运行水位变化过程中坝体内某些测点上的水头测量数据，用牛顿一拉夫逊算法化出坝体的渗流参数。文献 5 4 1 建立了天然渗流场反演分析模型，有选择地确定了反演变量的类型，将目标函数序列二次化，应用序列二次优化方法来求解，收敛稳定且效率较高，提出了效率及精度更高的灵敏度分析方法。针对线性问题的反演理论和方法己很成熟，建立在线性问题基础上的非线性反演问题的线性化解法也发展了多种方法和理论，应用比较多的主要是最优化理论。对于完全非线性反6第一章绪论演问题现在的研究工作也有了很大进展，目前常用的有遗传算法、模拟退火法、人工神经网络法等完全非线性反演法。人工神经网络是8 0 年代中后期，迅速发展成为前沿研究领域，并被广泛用于各个学科领域。目前，国内外基于人工神经网络的参数反分析研究成果多处可见。就渗流参数分析而言，其主要的思路是通过数值计算求解正问题，及给定系统参数求解状态变量，由这二者组成样本对神经网络进行训练，获得状态变量与系统参数之自j 的神经网络联系，然后把实测值输入给已经得到的网络，神经网络模型则会输出相应的参数值。与传统的方法相比，人工神经网络是一个高度复杂、非线性的动态分析系统，具有良好的模式辨识能力，几乎可模拟任何复杂的非线性系统，同时它无须知道状态变量和系统参数之间的关系，可实现相同或不同位数量之间非线性映射。因而神经网络模型被广泛运用于堤坝渗透参数反演问题的研究，并取得了很好的效果1 5 5 侧。文献【5 5 1 利用经典的人工神经网络对大坝的渗透系数进行了反演；文献i s 6 】利用人工神经网络中c h n n 模型进行了渗透系数的反演：文献1 5 7 1利用l e v e n b e r g - - m a r q u a r d 算法的神经网络对岩体的渗透系数进行了反演：文献1 5 8 】利用r b f n n 模型反演了某碾压式粘壤土坝的渗透系数。文献 5 9 1 提出了模拟退火g a u s s n e w t o n算法的神经网络模型反演大坝渗透系数。文献【删根据心墙土石坝的测压管观测资料，采用人工神经网络的方法可识别大坝不同部位的平均渗透系数。关于导热问题的反演，国外对导热反演问题研究最早可以追溯到2 0 世纪5 0 年代，8 0年代有3 0 0 篇论文，而我国起步较晚，最早一篇论文发表于8 0 年代，相关文献报道较少。目前导热反问题在航天、核物理、冶金等工业研究领域中有着广泛的应用背景，借助于导热反问题可以对一些难以直接测量的热物理量和瞬态过程进行检测和诊断。计算机的发展推动了导热反问题的发展，并取得很大成果【6 卜6 7 1 。文献【6 1 啦6 5 1 主要介绍热物性参数识别。文献 6 4 - 6 q 采用数值方法，实现边界条件识别，热源有关项识别。目前热传导反问题的研究主要局限于一维情况，需要进一步深入研究各种反演方法在温度场解释中的应用，寻找更适合温度场解释特点的反演方法。1 5 本文主要研究内容本文从研究利用钻孔温度探测堤坝渗漏的可行性、有效性出发，以给探测土石坝渗漏提供一个更简单、经济、快速的调查方法为目的，结合南方某水库具体工程实例，来对利用温度场探测土石坝渗漏的正、反演技术进行深入研究。通过有限元方法正演土石坝坝体、基岩不同渗透系数下温度场分布，结合b p 神经网络模型实现对渗透参数的反演。通过模拟不同温度、位置、规模集中渗漏通道影响下温度场分布，利用b p 神经网络建立温度场河海大学硕士学位论文与集中渗漏通道参数的网络联系，实现对集中渗漏通道参数的反演。本文通过现场实测温度数据、数值模拟来研究、分析堤坝渗漏与其引起的地温异常分布之间的定量关系，通过反演分析实现对堤坝渗漏的探测。( 1 ) 广泛阅读国内外相关资料，总结、归纳、概括前人研究成果，展现了温度场探漏研究发展历程、特征和规律。从本领域的研究历史上看，定量计算和数值方法是研究本主题的一个发展趋势。借鉴已有的理论和方法，构造了温度探测土石坝渗漏的相关参数的理论和方法。提出通过温度场探测土石坝渗漏的过程可分为正分析和反分析两个步骤，为建立以后章节的数学模型和计算建立理论基础和提出工作方法。( 2 ) 介绍数值模拟计算的方法与技术，建立合理的堤坝渗漏影响下的温度模型，对堤坝温度场进行数值模拟计算，定量分析不同渗透参数对堤坝温度场分布的影响；建立不同空间位置，规模大小、温度集中渗漏通道模型进行正演模拟计算，定量分析集中渗漏通道的这些因素与温度场异常之间的关系。( 3 ) 介绍神经网络理论在非线性反演分析中的广泛运用，利用神经网络理论在非线性反演问题的优势，提出基于b p 神经网络的方法实现利用温度场反演土石坝渗漏的相关参数。8河海大学硕士学位论文第璋渗流影响下温度场有限元模拟基本理论考虑渗流影响的土石坝温度场模拟，是通过对多孔介质岩土体对流传导问题与渗流问题联立求解( 一般采用相同的有限元剖分) 。首先由渗流控制方程及其边界条件采用有限元法求得各节点的压力水头后，结合达西定律得到土石坝渗流流速分布，然后带入对流传导方程，应用g a l e r k i n 有限元方法，便可实现渗流影响下温度场的模拟，本章主要介绍有限元方法求解渗流影响下土石坝温度场的基本理论。2 1 多孔介质模型2 1 1 多孔介质简介多孔介质不仅在工程上，而且在自然界和日常生活中也经常遇到。建筑材料中的砖，混凝土、砂粒、木材，在水利工程方面通常把具有孔隙的岩石称为多孔介质，如：沙层或疏松砂岩，另外对于含裂隙水的岩石，如裂隙发育的石英岩、花岗岩等称为裂隙介质。简单的说，多孔介质是指含有大量空隙的固体。也就是说，是指固体材料中含有孔隙、微小裂隙等各种类型毛细管体系的介质呻l 。一般情况对于土石坝的填土、基岩在有限元分析中都视为多孔介质处理。一般来说，可以用以下几点来描述多孔介质：( 1 ) 多孑l 介质是多相介质占据一块空间，其中固相部分称为固体骨架，而未被固相占据的空间称为孔隙。孔隙内可以是气体、液体或是多相流体。( 2 ) 固相应当遍布整个介质，孔隙亦应遍布整个介质，就是说取一个适当大小的单元，该单元内必须有一定比例的固相颗粒和孔隙。( 3 ) 孔隙空间大部分为相互连通的，且流体可以在其中流动，这部分孔隙空白j 称为有效孔隙空间。2 1 2 多孔介质的主要性质( 1 ) 多孔介质的空隙率多孔介质的结构是非常复杂的，地下水是沿着些形状不一、大小各异、弯弯曲曲的通道流动的。因此，研究个别孔隙或裂隙中地下水的运动很困难，实际上也没有必要。通常人们不去直接研究单个地下水质点的运动特征，而研究具有平均性质的渗透规律。水在土壤中的渗流是在土颗粒间的孔隙中发生的。由于土体孔隙的形状、大小及分布极为复杂，导致渗流水质点的运动轨迹很不规则。如果只着眼于这种真实渗流情况的研究，不仅会使理论分析复杂化，同时也会使实验观察变得异常困难。考虑到实际工程中并不需第二章稳定渗流影响下二维温度场有限元模拟基本理论要了解具体孔隙中的渗流情况，因而可以对渗流作出如下的简化：一是不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主要流向；二是不考虑土体中颗粒的影响，认为孔隙和土粒所占的空间之总和均为渗流所充满。作了这种简化后的渗流其实是种假想的土体渗流，称之为渗流模型。为了使渗流模型在渗流特性上与真实的渗流相一致，还应该符合以下要求：在同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的流量；在任一界面上，渗流模型的压力与真实渗流的压力相等；在相同体积内，渗流模型所受到的阻力与真实渗流所受到的阻力相等。有了这样的渗流模型，就可以采用液体运动的有关概念。本文将多孔介质看作由孔隙和固体基质组成，两者被界面分开。选取包含研究点p ( p表示位置矢量) 在内的一个很小的研究区域( 比单个孔隙空间大的多，但远小于整个流体流动区域) 为控制单元，嚣为表征体元，简称r e v 。显然这一小区域的容积y 与孔隙大小有关，而且只有矿足够大时，才不至于因为v 的细小变化引起多孔介质中p 点处的某一标量或矢量密度。发生显著变化，塑坠婴：o 式中为r e v 的容积。r e v 与参数宏d i v - t o观测量的传感器尺寸一致，使参数具有宏观可测性。因此，引入r e v 这一概念，可将研究视角从微观的孔隙尺度转移到r e v 这样一个能够表现多孔介质可观性的尺度上。从而将多孔介质假定为连续体。在r e v 上对流体参数和固体参数实行体积平均化，从而获得假想连续介质在典型单元体上的平均参数，进而分析其中的流动、换热、传质等过程。下文中各个体积平均输运方程都是基于多孔介质体积不小于典型单元体积的平均参数的表斛叫。( 2 ) 多孔介质的渗透特性多孔介质原则上都是可以渗透的，除非周边被封死，流体可以从一侧渗透到另一侧，但在相同的压力差下容许渗透的流体流量将受到多孔介质特性的制约，而由达西定律限定得到：渊竽( 2 】)式中q 为渗流量，a 和l 为过水断面面积和流程长，卸为流动压力差，k 为引进的比例系数，表征流体的渗透能力，称为渗透系数。2 1 3 多孔介质导热系数及比热容( 1 ) 导热系数七w ( m k )1 0河海= 学硕上学位论文在热传递过程中，导热系数表征岩层导热能力的大小，数值上等于某方向上存在1 单位温度梯度时，通过垂直该方向的单位截面的传导热量。在地表条件下，一般岩石的热导率值变化于1 - - 6w ( m k 1 之间，松散土壤、粘土、砂土的热导率值最低，一般在o 2w ( m k ) 之问【7 0 - 7 2 1 。选择了一些岩石的导热系数如表2 1 ：表2 1 常见致密岩土体导热系数( t = 2 0 )i岩7 i 类型彳i 灰岩砂岩花岗岩辉长岩粘土橄榄岩il 热传导系数w “m 的2 2 2 82 42 62 11 2 83 8土是由岩石风化而成，土的主要组成是岩石和矿物的微小颗粒，因此组成土体不同的成分差异，必然会产生热传导系数的差异，另外一般岩土体，具有不随单向压力或压缩而改变的孔隙，对于土石坝这些孔隙被水填充，由于水与岩土骨架热传导系数的差异，此时他们的热传导系数不同于致密岩石，对于坝填土更是这样，通常采用以下公式计算：k = 妒局+ ( 1 一矿) 巧( 2 2 )k 为充满流体多孔介质的导热系数，墨为流体的导热系数，墨为骨架导热系数，为孔隙率。( 2 ) 比热容c ( j ( k g k ) 1单位质量的岩石增温l 所吸收的热量称为岩石的比热容c ，它表示了岩石的储热能力。岩石比热c 与其密度p 的乘积称为岩石单位体积热容量。一般情况，水的比热较大，因此含水的岩土体具有较大比热。表中列出常见的几种物质的比热如表2 - 2 。表2 2 常见致密岩土体比热容( t = 2 0 )岩t i 类型钙质砂岩砂岩花岗岩彳漠砂土粘j ：i 蝴j ( k g k )8 4 07 1 08 0 58 0 5 8 3 08 6 0一般沉积岩及粘土材料通常具有较高的孔隙率，其比热容随土体孔隙度的增加而减少。水对土体的热容量有很大影响，当它们被水饱和时，比热相应随之升高，因为水的比热相对较高，例如丁= 2 0 c 时，气= 4 1 8 x 1 0 3 j k g k ，当岩土体为多孔介质，并且孔隙被水、石油或天然气等物质完全充填时，该岩土体比热容可以用加权平均来计算。c = 阳+ ( 1 一妒) q( 2 3 )c 为充满流体多孔介质的比热容，q 为流体的比热容，q 为骨架比热容，矿为孔隙率。第二章稳定渗流影响下二维温度场有限元模拟基本理论2 1 4 研究区域基本假定土石坝填土及基岩一般认为是多孔介质，在多孔介质的任何位置，岩土体骨架和流动水处于热力学平衡状态。由于问题的复杂性，采用数值方法进行研究时，在达西定律一些基本假设的基础上进行模拟分析。( 1 ) 把土石坝渗流影响的区域视为一种处于饱和地带的、平均化的，且各土层均值、各向同性的多孔介质。( 2 ) 土石坝渗流影响区域土体中同时存在固相和液相，固相部分为岩土体骨架，以外的部分为孔隙空间，孔隙空间中充满水，土体骨架遍布于整个多孔介质中，孔隙空间的孔隙相互贯通，不存在死端孔隙。( 3 ) 液相流动在层流范围内，符合d a r c y 定律。( 4 ) 假设水和岩土体的热平衡是瞬间发生的，即砂粒骨架和周围流水具有相同的温度；液相通过对流作用输送热量，同时液相和固相通过热传导输运热量。( 5 ) 忽略由粘性应力造成的单位流体体积的能量耗散率。2 2 温度场研究的基本概念土石坝内部空间一切点的瞬白j 温度值的总和称为土石坝的温度场。根据温度是否随时自j 变化，可将温度场分为非稳定温度场和稳定温度场。任意点的温度不随时自j 而变化的温度场称为稳定温度场，即温度仅是坐标的函数，与时间无关。土石坝的热力学特性比较复杂，土石坝内部的温度场受太阳辐射能量、气候、大地热流及坝填土、基岩介质热物理性质的影响。土石坝中的热量传递方式有传导、辐射和对流两种方式或者是综合。对土石坝而言传导传热是坝体内部热传递的普遍方式，对流传热主要发生在坝体内部有物质转移的地区，如渗漏水流动区等，辐射传热主要发生在坝体表面和太阳之间【2 5 】。2 2 1 热传导热传导是依靠物体内部分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递的过程。在导热过程中，热量就地传递，各部分物质之间不发生宏观相对位移。热传导永远和物体内部温度分布的不均匀性联系在一起，例如在物体内部，热量从温度较高的部分传递到温度较低的部分；在相接触的物体之间。热量从温度较高的物体传递到温度较低的另一物体。在一个渗漏较小的土石坝内，温度分布主要是由纯热传导的方式控制的。坝内7 - 1 0 m 深处的温度场主要受到坝表面的周期性温度变化控制。坝表面以下部分，周期性温度的最大值和最小值直接与空气和水的温度值相关。由于土石料的热传导系数不高，因此1 2河海大学硕士学位论文随深度的增加，大坝表面温度的变化与坝体内的温度变化的相位差也增大。相位差的大小主要依赖于热扩散系数r 即导温系数) ，一般建筑材料的热扩散系数在o 5 到1 5 m 2 s 的范围。导热现象可以用傅立叶( f o u r i e r ) 定律来描述：厅；- 塑：一k v t - rk v( 2 1 3 )口= = 一l z 1 j ，颤式中：牙一导热的热通量密度( w ，m 2 ) ，沿等温面法线指向温度降低的方向；七一导热数( w m k ) ；婴一温度梯度( q m ) ，。为单位法向量。m2 2 2 对流换热对流传热是指由于流体微元的宏观运动使流体各部分之间发生相对位移而产生的热量传递，即当固体壁面与其邻近的流体之间存在温度差时，由于流体微元位移，壁面与流体之间发生热交换。对流传热可以由强制对流传热或自然对流传热引起。所谓强制对流传热是指流体的运动受到某种外力的作用，如受到风扇、泵、大气层中的风力等作用而产生的热过程；而自然对流传热则由于流体内部存在温度差，形成流体的密度差，从而使流体微元在固体壁面与其附近流体之间产生的热过程1 7 4 】。对于土石坝而言，一般只研究强迫对流换热的方式，其传输比纯热传导更有效，只要有小量的水流就会对温度分布产生相当大的影响。研究表明，在量级为1 0 一1 0 击m s 的非常低的渗透速度下，总的热传输也还是由对流部分所控制，在这种情况下坝内的温度分布主要受水流温度的影响1 2 “- 2 9 。在坝内或坝基内，少量水流也会引起坝体温度的调整。对流换热量可以根据牛顿冷却定律来计算。它定义为：当物体放入介质中冷却时，单位时间内从物体表面传给四周介质的热量和物体表面与周围介质之间的温度差成正比。设物体表面的温度为死，流体的温度为l ( t c20 ) ，则流体吸收的热量可表示为：q = 舾也- t ：)( 2 1 4 )其中s 为物体的表面积，h ( w m 2 k ) 为表面传热系数。表面传热系数的大小与换热过程中的许多因素有关，不仅取决于流体的物性以及换热表面的形状、大小与布置，而且还与流速有密切的关系。水的换热系数较大，在自然对流状态中，水的换热系数为2 0 0 1 0 0 0 ( w ，m 2 k ) ；在强迫对流状态中，水的传热系数较高，为1 0 0 0 1 5 0 0 0 ( w m 2 k ) 1 7 9 4 0 1 。第二章稳定渗漉影响下二维温度场有限元模拟摹本理论2 2 3 大地热流密度( m w m 2 )从地球内部向地面传递的热量叫大地热流量。在温度平衡过程中，热量沿着温度梯度方向传递。单位时间内流过单位面积垂直方向的热量称为热流密度q ，表示为：j tq = 一k 兰( 2 1 5 )一锄2 3 有限单元法的原理有限单元法以剖分离散和分块插值为指导思想，其基本方法是将连续的求解区域离散化为一组有限个、且按一定方式相互连接在一起的单元组合体，利用每一个单元内假设的近似函数来分片地表达整个求解域上待求的未知场函数。由于单元能按不同的连接方式进行组合，且单元本身又可以有多种形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。单元内的近似函数通常由未知场函数或其导数在单元各个结点的数值和其插值函数来表达。这样以来，未知场函数或其导数在各个结点上的数值就成为新的未知量，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。经求出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，进而得到整个求解域上场函数的近似值。显然随着单元数目的增加，或者随着单元自由度的增加及插值函数精度的提高，解的近似程度将不断改进，只要单元满足收敛要求，近似解最后将收敛于精确解。有限元法实质上是分割原理和变分原理相结合的产物。在变分计算中，首先出现泛函变分法，不久又出现从微分方