（工程力学专业论文）漫湾电站坝体力学参数的反演分析.pdf

摘要 摘要 本文首先阐述了电站在社会经济中所起的重要作用以及建成后坝体 具有危害性一面。接着介绍反分析和位移反分析的应用现状和发展动态， 提出了应用位移反分析反演坝体力学参数的可行性。 介绍了有关漫湾电站的工程概况以及内部观测系统。由于本文是在 观测资料的基础上进行的计算，观测资料的正确和精确性对坝体弹性模 量反演结果有直接的影响。因此对观测值的处理方法进行了介绍，对漫 湾电站的观测资料进行全面分析，确定出漫湾电站目前的运行状态是在 弹性阶段。以及坝体与基岩之问的关系。 为了计算能够顺利进行，建立模型是很重要的建模时进行了模型 的简化以及单元类型，的确立、材料基本参数的取得、边界条件和约束条 件的确定。进行模型检验，确定了计算模型。 从有限元基本方程出发，采用最小二乘法作为误差控制准则，推出 弹性模量的迭代式。在a 黼y s 中对其进行二。次并发，嗵过利用a n s y s 中 的参数化设计语言a p d l 编写了关于漫湾电站的建模和计算程序，并且 a n s y s 中得以很好的运行最终得到3 8 个时刻的弹性模量值。并对计算 得到的结果进行分类讨论分析。计算结果表明弹性模量经过最初一年的 增长后就进入衰减期，但是衰减趋势逐渐平缓。 最后，在上述研究成果的基础上，总结全文。对需要改进之处及今 后进一步开展的研究工作提出有益的建议。 关键词：漫湾电站；力学参数；反演；弹性模量；a n s y s 昆明理工大学硕士论文 a b s t r a c t a tf i r s t ，t h ei m p o r t a n ti n f l u e n c eo ft h ep o w e rp l a n t sa n dt h ed a n g e ro f t h eb u i l td a m sa r c e x p a t i a t e d i nt h es o c i a l e c o n o m yi n t h i s p a p e r t h e a p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to ft h eb a c ka n a l y s i sa n dt h eb a c ka n a l y s i so f d i s p l a c e m e n t a r ei n t r o d u c e da n dt h er e s e a r c hr e s u l t so ft h ef i e l di no u r c o u n t r ya n do nt h ew o r l da r es u m m a r i z e d t h ef e a s i b i l i t yo fa p p l y i n gt h e b a c ka n a l y s i so f d i s p l a c e m e n tt ob a c ka n a l y s i st h em e c h a n i c a lp a r a m e t e r si n t h ed a m sa r ep r o p o s e d s e c o n d l y ，t h eg e n e r a l s i t u a t i o na n dt h ei n n e ro b s e r v e d s y s t e m s o f m a n w a na r ei n t r o d u c e d t h ec a l c u l a t i o no ft h i s p a p e r i sb a s e do nt h e s e o b s e r v e dd a t aa n dt h e v a l i d i t y a n d p r e c i s e n e s s o ft h e s ed a t ai s v e r y i m p o r t a n tt ot h er e s u l t ，1s o t h a tt h em e t h o dd e a l i n go ft h e s ed a t ai s b r i n g f o r w a r d t h eo b s e r v e di n f o r m a t i o ni s f u l l ya n y z e d ，t h e r e f o r e w ec a n c o n f i r mt h a tt h ep r e s e n tr u n n i n gs t a t eo fm a n w a n h y d r o e l e c t r i cp o w e rp l a n t i se l a s t i cs t a t e t ， t h eb u i l tm o d e li sv e r yi m p o i t a n tt oc a r r y 强r o u g ht h el a t e rc a l c u l a t i o n t h es i m p l i f yo fm o d e l ，t h es e l e c t i o no fe l e m e n tt y p e ；t h ea t t a i n m e n to ft h e b a s i cp a r a m e t e r so fm a t e r i a l ，t h ec o n d i t i o no fb o u n d a r ya n dr e s t r i c t i o na n d s oo ni sd i s p o s e d t h em o d e li sv e r i f l e da f t e rt h ee m p ! o y m e n t b a s e do nt h eb a s i cf u n o t i o no ff e a ，t h ei t e r a t e df o r m u l ao fm o d u l u so f e l a s t i c i t yi sd e d u c e dt h r o u g hm a t h e m a t i c a lm e t h o d a sd e v i a t i o nc o n t r o lr u l e t h es e c o n de x p l o i t a t i o ni sm a d eo na n s y sa n dt h e 、p r o c e d u r eo fb u i l d i n g m o d e la n dc a l c u l a t i o ni s c o m p l i e du s i n g a n s y sp a r a m e t e rd e s i g n l a n g u a g e - a p d l t h ep r o c e d u r eh a sf i n i s h e dt h i r t y - e i g h tt i m e sc a l c u l a t i o n t h er e s u l t sa n da t t a i ns o m er u l ea r ea n a l y z e d t h er e s u l t so ft h ec a l c u l a t i o n i n d i c a t et h a tt h em o d u l u so fe l a s t i c i t yo fm a n w n nd a mh a se n t e r e dt h e a t t e n u a t i o nm o m e n ta f t e ri n c r e a s ea n dt h ea t t e n u a t i o nw i l lg r a d u a l l yl e s s e n a tl a s t ，o nt h eb a s i so fa n a l y s i sr e s u l tt h ec o n c l u s i o ni sd r a w na n dt h e u s e f u lr e c o m m e n d a t i o na n dp e r s p e c t i v e sa r ep u tf o r w a r d k e yw o r d s ：m a n w a np o w e rp l a n t ；b a c ka n a l y s i s ；m e c h a n i c a lp a r a m e t e r s , m o d u l u so fe l a s t i c i t y ；a n s y s y5 6 6 25 壬 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，席 文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。承 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在论文中作了明确 说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：玄萝凌 日期：2 0 0 3 年4 月17 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 大坝工程是对流域资源、环境、生态巨系统进行人工调控的工程。 随着经济、社会和科技的发展，承受和抵御灾害能力的增强，建坝改变 了我们在自然条件下利用水的状况。修建大坝可以向缺水地区供水，改 善人民的生活条件，减少水灾损失、为城市的发展提供环境卫生条件， 以及提供既清洁又可再生的电能。因此修建大坝等水利枢纽工程在相当 程度上对社会和经济的发展起着重要的推动作用。很多时候大坝都将作 为一个很重要的可持续发展因素来加以考虑【i 】 据国际水力发电与大坝建设，杂志统计，到1 9 9 7 年为止，全世界 修建的水坝已超过8 0 万座，其中大坝4 万座( 坝高高于1 5 米称为大坝) ， 并且大约有3 0 0 多座巨型坝( 坝高至少1 5 0 米) 中国约有大坝1 90 0 0 座， 数量为世界第一，美国大约有55 0 0 座，位居第二【2 】。每个国家几乎都在 使用水坝来对流域的水莺瓤分配，以确保水源的持续和开发，促使社会 稳定和经济发展可见，众多的水坝对世界的影) 喃是非常巨大的 我国是当前世界上坝工建设最多，最活跃的国家据不完全统计， 我国迄今约已经建成堤坝8 7 万座，数量居世界首位。其中，高于6 0 m 的有3 4 0 座，高于1 0 0 m 的有近7 0 座，高于1 5 0m 的有1 3 座；库容超过 l 亿m 3 的大型水库有4 0 0 座，库容在2 0 亿m 3 以上的有5 0 座，库容在1 0 0 亿m 3 以上的有1 2 座中国大坝的数量接近世界总数的5 0 f 4 】大坝对我 国国民经济的发展，特别是在防洪、灌溉、城市供水、航运、发电、水 产养殖、改善环境和发展旅游等方面起到了不可替代的。作用，给整个国 家带来了巨大的社会效益、经济效益和环境效益，在我国的经济发展和 社会进步中发挥了巨大的作用口】 我国修建的大坝以土石坝居多，并且还是世界上修建拱坝最多的国 家。其中，混凝土重力坝是中国高坝建设中的主要坝型目前，已建和 在建的坝高9 0 m 以上的重力坝有z 7 座l2 1 。从工程重要性和对社会的影响 程度来说，高坝远远超过了大坝比如，在英国一个科伊赫水库的库容 就相当于英国大坝记录所列出的3 2 7 座最小的水库的总库容。可见，着 重对高坝进行安全性分析是适当合理的“1 t 昆明理工大学硕士学位论文 当今世界上1 9 的电力为水力发电，有6 6 个国家的水电占全国总电 力的5 0 以上。世界上将近1 ，5 的电力是通过筑坝来生产的【2 1 。大部分 的大坝是为了重新分配水源，而几乎所有的巨型坝都要用来发电，是提 供能源的场所。 云南是中国水能资源最丰富的省份之一，其水电资源跃居全国第一， 可开发装机容量约9 0 0 0 万多千瓦，占全国水力资源的2 3 2 ，年发电量 约4 5 0 0 亿千瓦时，居全国第2 位。目前，已开发和正在开发的水能资源 约一千一百万千瓦，待开发的容量约八千五百万千瓦。约占全国三分之 一。此外该省水能资源开发条件优越，各电站坝址地质条件较好，1 交通 相对便利，筑坝条件优越，技术经济指标好，平均造价每千瓦仅为五千 元左右，具有明显竞争优势云南水力资源储量大，分布广且相对集中， 水量丰沛而稳定开发目标相对简单，淹没损失和迁移人口少，单位工程 量小、工程造价低，技术经济指标优越，前期工作充分。省内水资源主 要分布于金沙江、澜沧江、怒江、珠江、红河和伊洛瓦底江等六大水系。 其中金沙江、澜沧江、怒江等河流水能资源最为丰富：可并发水能资源占 全省可开发利用水能资源的9 2 。它们具备建设有良好调节性能的高坝大 库大型水电站的条件，具有建设水电能源基地得天独厚的优势，对下游 各梯级具有良好的调节性能，其综合开发条件在全国首届一指，是我国 水电资源中的“富矿”。以上这些因素为云南省提供了良好的资源条件和 保证。目前云南水能资源开发率只有6 5 ，远低于全国2 3 的平均水 平，开发潜力十分巨大 s - t 。 改革开放二十多年来，云南从满足省内经济发展的实际出发，集资数 百亿元相继建成鲁布革、漫湾、大朝山、阳宗海、曲靖、宣威等一批水 火电厂，建成总容量4 4 7 5 万千瓦，逐步闯出一条多元化办电的路子。 目前云南水电业发展已初具规模，全省有水电站2 8 1 0 座，其中装机百万 千瓦的1 座，2 5 万千瓦韵大中型电站1 8 座，水电总装机5 1 6 3 5 万千瓦， 年发电量2 1 6 万千瓦，以水电为主的电力产业总产值占全省g d p 的3 7 4 e l 。 一 云南水电资源发展前景是十分广阔的。如此良好的天然条件促使云南 省正全力打造以水电为主的电力支柱产业的条件牢牢抓住西部大开发 和“西电东送”、。云电外送”的历史机遇。加快云南水电开发，特别是 加快澜沧江、金沙江和怒江等流域的水电开发对于云南乃至全国的能源 2 第一章绪论 结构及布局，实现可持续发展战略具有十分重要的作用。云南省设想经 十五至二十年的努力，把以水电为主的电力产业培育成云南省的第一大 支柱产业，把云南建成国家“西电东送”和“云电外送”的重要能源基 地”。 但是，万物有利必有弊。当坝体建成运行后，大坝这个结构也变成 了一种潜在的巨大的危险物，其安全性和使用性对社会和经济的影响相 当大。尤其当大坝遭受异常的大洪水时，如果发生溃坝事件就会对洪泛 区造成更大的损失，所造成的损失往往要比不建大坝时大得多如果水 库出现裂纹，甚至是局部或整体出现倒塌，不仅影响发电量，而且这种 结构上的事故将给人们造成巨大的心理阴影，甚至造成巨大的不可挽回 的损失【”。 作为世界筑坝大国，我国在5 0 年代末至7 0 年代修建的大坝约8 万 座。由于历史原因，相当一部分大坝是边勘测、边设计。边施工的，加 之管理不普，不少犬坝成为病坝；少数大坝甚至溃坝失事据不完全统 计，在3 1 0 0 多座大中型水库大坝中，病险大坝约占2 0 ，小型水库大坝 中约有4 0 也是病险的【5 】。此外，在正常情况下大坝和所有人工结构物 一样，具有。自身的缺陷和一定的自然规律，一旦投入使用也就向着衰退 发展，最终导致破坏从这些事实和数据来看。对大坝进行安全性分析 是很有必要的 总之，鉴于工程的复杂性，大坝由于多种原因日趋者纯，呈现多种病 变的迹象，因此，对老坝的病交机理研究，并采取快速监测、检测技术 和补强加固新技术是坝工界和监测界的重要课题 从工程实际来说，由于坝址处地基地质的复杂性、设计施工技术的 局限性以及坝体投入使用后承载的不可测性等等这些情况都将造成坝体 的损坏，这就要求我们加强管理和增强坝体的研究。再者大坝的病变机 理极其复杂，并随各座大坝的实际情况而不同，具有较强的个性。 目前对大型在役工程结构。的工作性态及安全性的评价，。很大程度上 还仅仅依靠直观的观测信息，没有深入分析利甩其观渊资料，无法做出 准确的评估；有时，误差较大或错误的观测信息掩盖了实际问题，给工 程及其运行造成极大的隐患，很有必要利用观测信息。在实际监测的基 础上，结合力学模型深入分析工程的运行状况。这对大型水利工程而言 尤其如此。 昆明理工大学硕士学位论文 综上所述，天论是由于这些水利工程是否是先天不足，随着运行时 1 9 的增长商潲要对它们的病变和安全机理进行分析研究，以便进一步采 取措施，提高其安全性和使用寿命，以消除潜在的危机；同时，为在建 和规划设计中的大坝提供借鉴。近些年计算机技术飞速发展，在计算机 系统中应用数学模型和物理模型来分析建坝前后的环境变化因素，以期 对坝体投入使用后的变化情况进行掌握及时得到数据进行分析提供了可 能。 1 。2 坝体寿命预测和弹性模量之间的关系 1 2 1 结构的寿命预测 所谓的结构寿命是指结构从开始使用到结构达到破坏极限状态为止 这段时间。一般丽言，由于结构本身质量、材料性能、作用荷载以及使 用环境的随机性，结构的寿龠实际上也是一个随机变量。通过分析坝体 力学参数的变化情况对电站坝体的寿命进行预铡，是结构耐久性可靠度 研究的一个分支领域，它将为在役结构的维修和加固提供了一定的理论 参考依据【9 ，1 0 】。 承上节所述，经过一百年大坝实践，据统计世界大坝溃坝率已从20 世纪初的4 l o 降至世纪末的约o 2 ，从坝的可靠度设计理论可控制 其失效概率在0 0 1 以下，可见两者的差距很大，说明目前大坝的实际安 全度还应设法提高 i 1 1 在完善大坝设计中，还耍注意对大坝可能出现的 风险因素进行深丸论证，同时还应做好风险管理以及为预防产生风险做 好大坝安全监测工作。从近百年来已建成夫坝的实际情况和统计资料说 明世界及我国大坝安全状况：溃填率r 从本世纪初的4 己、降低至世纪末的 约o 2 以下。通过百年努力，由于设计、施工、运行技术的提高，溃坝 率已有长足的降低。但溃坝率o 2 仍是相当惊人的：我国坝工建设已有约 3 0 0 0 年历史，但现代大坝从上世纪末叶或本世纪初才逐渐兴起。为了提 高坝的安全度倚单地提高大坝设计的安全系数是无济于事的近年来各 种工业民用建筑巴逐渐推行了可靠度设计，从目前大埂溃坝或失事率来 看，大坝的安全还有特避一步提高，还应从各工程的特殊情况有针对性 考虑。当今投资兴建工程，往往要求进行风险分析，对大坝中可能出现的 风险因素进行分析论证，在技术上和经济上进行风险评估，为工程决策 者提供依据，同时对有关风险提出抑制措施或对镱。一 4 第一章绪论 溃坝的原因从国外资料分析，各家观点不一，总的认为以基础原因 或以洪水过大而失事居多。大坝安全虽然已取得了明显的改善，但溃坝 率仍相当高。由于溃坝影响太大，故溃坝率还应尽量降低。 可靠度理论是分析和度量结构安全性的一种有效且先进手段。按照 我国建筑结构设计统一标准( g b j 6 8 8 4 ) 的定义，结构可靠性包括安全 性、适用性和耐久性三个方面，一般情况下，这三个方面的要求是相互 关联的1 1 2 1 。工程结构可靠性鉴定是结构耐久性评估与结构耐久性补强设 计的基础工程结构可靠性鉴定是针对具体的结构，给出当前的安全程 度定量( 定性) 的结论；结构耐久性评估是对现存结构，通过适当的方 法求出其各阶段可靠度，最终预测该结构今后可靠度的降低情况；结构 耐久性补强设计是在考虑影响结构耐久性的内、外因素作用下，将结构 的可靠度沿时间坐标轴展开，使补强设计后的结构可靠度在未来的使用 寿命内不低于规范要求，也即无需再花费大量整r 金维修与加固1 在结构体系可靠度研究基础上，结合重力坝系统的特点及服役系统 的特点，探讨服役重力坝系统可靠度分析方法及其概率寿命，并就今后 的研究方向进行了讨论。 1 服役重力坝系统可靠度分析方法1 1 2 l 对于重力坝来说，尽管在几何上是单一块体结构，由于有者不同的 破坏模式，承受着随机性较大的荷载和座落于随机性更大构岩土地基上， 使得重力坝体系的系统可靠度研究比较复杂。一般说来，坝趾压坏、坝 踵拉裂、沿建基面或深层滑动及倾覆等都是重力坝的潜在破坏模式，它 们存在相关性。考虑这些破坏模式的相关性，将提高整个重力坝系统可 靠度计算的准确性。 由于破坏模式相关性和基本随机变量之阅的相关性，坝段阔的联系 结构不同等，使得用单一失效模式去逐一计算其系统；失效概率比较困难。 考虑坝段问的相关性的并联体系可靠指标，一般来说要高于坝段独立工 作的串联体系的可靠指标。目前的研究是按备坝段独立工作( 坝段之间不 设横缝) 。将重力坝系统看成由三种主要失效模式( 即滑动、坝趾和坝踵 处强度失效) 所组成的串联体系加以考虑 2 服役重力坝系统的特点及可靠度计算【1 2 】 ( 1 )服役重力坝系统的特点及基本随机变量 服役重力坝的可靠度，指当前时刻之后未来一段时间内的可靠度。 5 昆明理工大学硕士学位论文 因此，考虑服役重力坝的系统可靠度时，必须考虑到由于结构抗力和荷 载效应随时间变化之后的影响。时间也就成了一个必须要考虑的量值。 服役重力坝，作为客观存在而不同于设计模型。由于荷载作用、环 境作用( 包括自然环境和使用环境) 及材料内部作用的影响，重力坝在经 历了一段较长时间的使用或遭受某次灾害作用( 如地震或洪水) 后，往往 使其存在不同程度的损伤，其抗力和荷载效应都与设计状态不同。作为 使用中的客观存在的结构，当前时刻的可靠与否不是概率问题，而是一 个判断问题，因为其可靠概率非1 即0 另外，服役结构的荷载最大特点 是存在所谓的“验证荷载”。对于服役重力坝系统，坝段之间的联系也相 当明确，上、下游水位及水荷载通过泄水建筑物由人工控制而成定值 ( 2 ) 抗力与荷载效应随时问变化模型 结构性能随时间的变化是一个复杂的物理、化学及力学损伤过程， 故结构抗力及荷载效应随耐问的变化是影响抗力及荷载效应变化因素的 复杂函数，而且这些影响困素( 如环境因素) 都是复杂的随机过程根据 不同的情况，变化规律及速率也不相同。 一般情况下，结构性能劣化过程极缓慢，除非环境非常严酷。根据 重力坝的三种主要失效模式及服役重万坝的特点，为简化起见，我们提 出对影响抗力和荷载效应的每个因素( 变量) 随对问变化的随机过程 3 服役重力坝的概率寿命 由于结构质量、材料性能、荷载作用及环境影响的随机性，结构的 寿命为一个随机变量，此时的结构寿命的概念是指结构从开始使用到达 破坏极限为止的时问结构的概率寿命为与某种失效或可靠概率相应的 结构使用时间。 本文在结构系统可靠度研究基础上，结合羼。役墓力坝系统的特点， 对其系统可靠度计算方，法及摄率寿命进行了探讨，并给出了应用实例。 由于水工结构随时问变化的荷载和抗力参数统计规律目前还缺乏资料， 而且破坏模式复杂，要建立数学模型来计算其系统可靠渡相当困难 对于服役重力坝系统可靠庄及概率寿命估计。还存在一些工作要做， 主要包括：( 1 ) 服役重力坝系统的随机变量的变化规律及统计和相关性分 析：( 2 ) 破坏模式相关性分析：( 3 ) 考虑到变量、破坏模式相关性的系统 可靠度实用计算方法：( 4 ) 维修加固与可靠度之间的关系研究，包括经济 及技术分析等。 6 第一章绪论 其在运用过程中，不断受到自然环境的物理化学作用，其耐久性和 强度逐步降低最终达到使用极限状态破坏。对其寿命做出客观估计，不 仅能预防意外事故的发生，两且能为工程管理部门的维修加固决燕提供 依据。本文通过分析影响坝体混凝土的力学参数( 弹性模量) 随时间变 化的规律，通过运用数学和力学手段，建立弹性模量的计算模型最终 得到一个可行的具有针对性的计算公式。 1 2 2 混凝土的物性参数 考虑坝体结构在内、外因素作用下，将结构的可靠度沿时间坐标轴 展开，确保坝体结构的可靠度在未来时刻不低于规范要求，尽量延长其 使用寿命，既能使资源得以更为合理的利用，也无器再花费大量资金维 修与加固。但是在对一个结构作可靠度分析时，往往要用到材料的物性 参数，这就是在进行可靠度分析时要首先确定出坝体混凝材料的物性 参数。 ， 在我国的大坝建设中，混凝土重力坝是主要的坝型之一。混凝土由 于施工方便、承载特点而被广泛她应用于水利水电工程中。水工结构物 混凝土的特点是体积庞大，鬈自身和周圉介质的影响较大。在温度、湿 度变化和周边基础约束的作用下，会产生很大的约束应力，容易产生材 料破坏【1 3 】。在实际工程中，混凝土重力坝的几何学、物理学、水力学j 热力学和其它特性将随时间推移而发生改变进而梅对建筑物可靠性和安 全性产生影响1 14 1 。但是，在不同情况下混凝士和铜筋漏凝土结构的变化 情况有可能不同，存在着较大的复杂性显然，运行中的水工建筑物不 同区域混凝土强度和弹性模量变化的评价和预涮，应根据这些区域的材 料老化特性和作用于各区混凝土的综合因素的特点而分别予以处理。 为了确立有关水工建筑物材料状况的正确概念，注意到局部破坏病 兆出现时，会发生材料破坏失去继续工作的能力，这在材料力学参数上 表现为材料性能的变化或参数的量值发生改变材料性能的变化特别 是内外部混凝土弹性模量向坏的方向的变化，不可避免地会造成建筑物 应力应变状态的变化应力应变状态可能疆渐器化，缝暴是建筑物继续 危险运行，而运行的潜能将耗尽。由于外部混凝土弹性模量降低，使决 定混凝土强度的建筑物最重要部位的应力增加，从而使应力图的变化更 加厉害，这时由于运行条件的改变( 正常蓄水位改变，扬压力增加等) ， 这样事件的发展概率是很大的【l “。 7 昆明理工大学硕士学位论文 。水工建筑物的特点是其材料混凝土和钢筋混凝土属于老化缓慢的材 料。它们性能老化，通常都较缓慢而隐蔽，使用寿命也比较长。因此， 要了解材料参数变化的规律和机理、掌握检测方法、正确评价参数的发 展程度和可能产生的后果，以便采用相应的检修和恢复建筑物运行能力 的方法，在结构设计、施工和运行中采取预防措施，限制老化过程在结 构内引起的不良变化，这是很重要的【l 5 1 在混凝土设计和质量控制中，弹性模量是通常规定的相当重要的材 料参数。这是因为与其它大部分物性参数比较，混凝土的很多性质均直 接与弹性模量相关。然而，由实验室提供给工程设计技术人员的通常只 是关于某一龄期混凝土的性能量值，只有在某些专门的研究报告上才偶 尔提供这些指标随混凝土龄期的变化情况。实际上，由于混凝土既可能 因为莱些工程结构中混凝土的胶凝材料具备继续水化的环境条件而会不 断水化致使其弹性模量不断增强，也可能由于掰的因素影饷致使其弹性 模量减小。因此，了解和确定混凝土的弹性模量随时间的变化规律是有 益的。 从对混凝土的研究情况可知，影响因素及机理分析混凝土的破坏因 素有；裂缝、收缩、老化、剥落。这些因素对混凝土的使用寿命影响作 用对不同的水工结构来说彼此不同，有交互作用的，也有单独作用的。 这是因为不同的水工建筑其所处的地理位置不同就有可能遭受不同的外 界因素影响( 比如不同的气候情况、。不同类型外湔袭的作用等等) ，而且 不同的水工建筑物其结构形式、所采用的材料必定都是有差别的，因此 可以说每个坝工结构都具霄很强的独特性，应对其”具+ 体问题具体分析。 混凝土的弹性模量是指混凝土产生单位变形所需要的应力，是一个 工程应用中普遍关心韵问蘧。，也是混凝土材料的主要材料参数之一，是描 述混凝土材料力学性质的重要物理量同时弹性模量是衡量坝体好坏的 一项重要指标，也是对坝体进行力学计算的一个重要参数。渑凝士的弹 性模量的高低将直接影响结构很多性能，比如疲劳性能、柔度、承载能 力、抗裂能力等都有密切关系。数值分析和材料试验结果表明，混凝土 的弹性模量作为衡量混凝土刚度大小的指标，其数值与组成混凝土材料 的特性、混凝土的配合比及龄期有关m ， 1 研究中发现，即使是同标号， 同龄期的混凝土试样，由于试样成型工艺、养护条件等方面的原因，其 弹性模量也有较大的差异。 第一章绪论 在既有结构的分析中，混凝土的弹性模量是反映混凝土应力一应变 特性的重要物理参量。目前，既有混凝土弹性模量一般无法直接测得， 这时弹性模量具有未确知性。通常作法是采用估计值，是在无直接检测 资料下进行的。混凝士的弹性模量，需要根据混凝土的强度检测值来进 行估计。通常根据实测混凝土强度的平均值，选取规范中相近标号混凝 土的弹性模量值，因而混凝土强度均值相同，就有相同的弹性模量。事 实上，实测混凝土强度的均值相同但其强度分布值的构成不同的结构， 混凝土的应力一应变特性存在差异，其弹性模量显然是不相同的，这就 是目前使用方法的缺陷。因此，我们有必要在估计弹性模量值时。考虑 结构上混凝土强度值构成上的差异，寻求能充分利用检测信息的估计方 法。使其更符合实际。这就要求我们寻找一种能够充分利用强度检查时 所提供的全部信息，并考虑强度的分布情况的方法来计算弹性模量f i 8 1 。 确定混凝土弹性模量e 的问题，实际上是一种如何利用问接资料的 信息估计其真值的问题，弹性模量e 具+ 有未确知性的特点。为了能充分 利用这些间接资料所提供的信息，可采用证据理论询方法加以处理。证 据理论是一种估计方法，该方法能充分利用已有资料所提供的信息，使 估计值能更好地反映出既有混凝土的实际情况，且具体方法较简单，有 较强的实用性f l 。 证据理论是由g s h a f t 于1 9 7 6 年提出的。该理论主要解决如何在 一定证据的基础上，充分利用证据的信息，构造出一个对某命题为“真” 的信任程度等类问蹶，并把这种信任程度、的大小用信度表示出来。在既 有混凝土弹性模量的估计中我们所依据的主要证据是混凝土强度的实 测资料，由于弹性模量具有来确知性的特点，这些资料包括强度量值的 大小及这些量值的分布形式，都应包吉了该瀹凝土的物理性质的特异信 息，只有给予充分考虑，才能使估计的弹性模童更接近真值。因此，本 文基于证据理论提出了一种用信度估计既有混凝土弹性模量的方法【i 引。 综上所述，坝体混凝土材料物性参数，4 是大坝壤全监测和大坝抗震 数值模拟中不可缺少的重要数据。它对于大坝安全可靠性评定以及维护 和加固有着重要作用近年来，采用反棱方法来铺定坝体宏观等效物性 参数的方法受到人们的重视 1 9 - 2 2 。 9 昆明理工大学硬士学位论文 1 3 国内外反分析法研究概况 1 3 1 反分析法的研究情况 为了监控倔凝土大坝的安全运行状态。需要建立大坝的安全监控指 标的数学模型，而准确估计坝体混凝土和坝基岩石基础的弹性模量和泊 松比是建立大坝安全监控数学模型所必须的参数。为了获得材料的物性 参数( 如弹性模量、泊松比等) ，传统的方法可分为室内实验法和野外现 场测试法。众所周知，在混凝土体内或天然岩体中，普遮存在裂隙、层 理、解理等不连续结构面，使得室内实验得出的结果与实际情况有较大 的出入；现场测试又存在着数据离散、代表性不强、工艺复杂和成本昂 贵等问题因此人们不得以转为量测与待定参数有关的其它可获得的信 息，据此识剐待定的未知参数，这就是参数识鄹问题的实际工程背景。 随着大坝原型观测技术的发展和大坝位移观测仪器精度的握高，有效地 利用大坝已有的原型观测数据，识别混凝土大坝及其岩石基础的材料物 性参数的客观条件已经成熟1 2 3 j 。 所谓反分析法，雎以现场量澜到的反映系统力学行为的某些物理信 息量( 如位移、应变、应力或荷载等) 为基础，通过反演模型( 系统的 物理性质模型及其数学描述，如应力与应变关系式) ，犀演推算得到该系 统的各项或一些初始参数( 如初始应力、本构模型参数、几何参数等) 的方法 2 4 。2 9 1 。其最终目的是建立一个更接近现场安测结果的理论预测模 型以便能较正确地反映或预测结构的某些办学行为i l 2 1 。 反分析方法的产生可以说和岩土工程中对初始地应力的研究是分不 歼的。由于初始地应力的大小和分布规律对于我们了解岩土地质情况、 实施岩土工程影嗨很大。但由于自然界中的岩体受到许多因素长期不断 交替作用，使其中扭始应力发布显得非常复杂，揖难形成完整而系统的 理论来描述初始地应力的分布， 长时间以来，人们计算初始地应力是建立= 在瑞士地质学家海姆 ( h e i m ) 教授舶“静水压力”假说和前苏联学者金尼竞的弹性假设基础 上进行的1 3 0 1 、这些理论适用的仅仅是莱种具有典型条件的岩体，但是自 然界的岩体千变万化，从而很需要发展新的理论来弥孙这一不足。 随后经过四十多年的发展，国内外学者在对地应力量测技术上有了 较为完善的成果。其中水压致裂地应力测量理论、技术成为了目前直接 第一章绪论 测定深部岩体地应力状态的位移有效的方法。 众所周知，在岩石力学中用现有的力学理论分析地质作用过程中地应 力的变化及变化后的状态势极为困难的。这就导致以量测信息为基础的， 针对某种条件进行统计分析的方法很快受到重视，近几年内很快得以发 展。它具有很大的优越性，主要表现在 3 0 1 ： ( 1 ) 以反映地应力量测过程中岩体地应力分布及扰动程度，作为测 量技术准确性的检验手段； ( 2 ) 现场测量的基础上可为工程目的拟合出一定范围内的全场地 应力，或者，作为一种相对独立的方法，用位移和应力资料反演出全场地 应力，作为工程设计和施工中的参考依据l ( 3 ) 进行地应力分布基本规律性方面的研究，用以弥补现场测量在 技术可行性或经济合理性方面无法实现的不足 ， 根据现场量测信息的不同，岩土工程反分析可以焦为：应力反分析 法、位移反分析法和混合反分析法。应力反分析法是结合区域地应力场 产生条件的规律性认识建立该区域地应力场的有限元模型，根据工程 所在地区少量地应力实测资料进行回归计算，使得计算应力场与实测应 力达到最优拟台以求得工程区域初始应力场。位移反分析结合实测位移， 反演岩体初始应力。混合反分析法就是把部分应力和部分位移结合起来 作为反演的基本量。其中由于位移信息较易获取，精度可靠受到的人们 广泛采用。如果按计算方法划分，位移反分析法又可分走解析法和数值 法。解析法的优势在于概念明确，计算速度快，但只适宜求解简单几何 形状和边界条件下的线粘弹性和无支护洞室问题数值法则主要用于解 决复杂工程性态和非线性问题。因此数值法对于复杂的工程更具有普遍 的适应性l ，“。 就数值法的求解过程而言，它可以划分为逆解法、直接法、正反耦 合法、图谱法、神经网络法和模糊法等。 “ 逆解法是采用与“正分析”相反的解析过程。反推得到逆方程，从 而得到待求反演参数( 如初始地应力参数碱其它力学特性参数等) 。显然， 上述求解过程的必要条件是实际量测的位移数据的个数不能少于欲求未 知量的个数。且当量铡得到的位移个数大于未知量个数时，需采用优化 方法以期求得最佳值。该法的优点是计算速度快”可一次求解出所有待 定参数，但仅适用于线弹性等比较简单的问题a 昆明理工大学硕士学位论文 直接法( 也称直接逼近法) 是直接采用“正分析”的过程和格式，利用 最小误差函数通过迭代优化，逐次修正特定参数的试算值，直至逼近最 优值。这种应用迭代逼近和最优化的方法，可利用现有的正算程序，适 应性强，可用于线性及各种非线性的复杂岩土问题的反分析，是目前工 程应用的主要方法。但是不足之处在于计算时间长，计算前需给出各待 定参数的取值区间和试算值，且当未知量较多时，收敛速度慢，解的稳 定性差。 正反耦合法是基于区域分裂法的原理将直接法和逆解法相结合的算 法。即将岩体弹性区域和塑性区域分开计算，弹性区域上用反算法，塑 性区域上用正算法，再利用区域分裂法通过弹性区域与塑性区域之间的 重叠部分将二者结合起来，从；而使整个计算区域的问题得以求解。就岩 土工程而言，大部分发生的是弹性变形将弹、弹塑性区域划分开来 反算的非线性有限元数日可以大大减少。这对减少计算工作量、提高分 析效率有着积极的意义。但由于其计算收敛的前提条件是每步计算的结 果必须唯一，而目前尚不能很好解决反分析解的唯一性问题。因此该法 在实际计算中常常难以收敛。 图谱法是中科院地质所杨志法教授提出的一种通过位移反分析求初 始应力水平分量和弹性模量的实用图解位移反分析法该法将岩体视为 弹性介质，通过有限元计算得到相应于不同弹性模量下的位移与初始应 力水平分量的关系图( 直线) ，根据实测位移值利用上述关系图建立一系 列图谱和图表，由相似原理反推初始地应力分量和弹性模量。这种方法 结合计算机检索。可以方便的解决线弹性反分析问题，且具有较好的精 度。但其结果对输入较为敏感，且仅适用于弹性介质。、 神经网络法是采用神经网络的系统辩识理论，根据岩土工程力学正 分析的理论和方法，先建立系统输入和输出的正分析求解样本，再用神 经网络对这些样本进行系统的逆辩识学习。从而得到反分析的解。但神 经网络中被辩识系统的基本特性属于完全辩识阔题，亦即“黑箱闯题”。 而工程上的辩识问题多为。灰箱闯夏”。因此+ 它灌辣解学习过程中。无法 对已有的先验信息加以区飘和利用。 模糊法是将常规的反分析方法与模糊有限元法结合起来考虑岩土工 程反分析问题中的不确定性的一种反分祈形式。它还可以通过模糊分析 得到反演参数的敏感性系数及反演结果的可靠度由于模糊分析首先要 _t 1 - 2 第一章绪论 确定隶属函数，但这在模糊理论中仍是一个尚有争议的领域。因而该法 在实际应用时，隶属函数的确定含有较大的人为因素。 1 3 2 坝体位移反分析法研究概况 众所周知，巨型坝的坝体是一个高度复杂的系统。首先材料本身带 有其固有的时间和空间域上的可变性和不确定性，受到材料的物理性质、 荷载大小与性质、温度、时间、加载速率以及应力历史和加载路径等多 种因素的综合影响。其次现场量测到的信息也并非原状岩土的客观值， 而是自然坝体系统与人为量测系统之间相互作用的信息，其本质是不确 定和随机的，此外反分析所采用的反演模型无一不是在考虑工程因素、 岩体特性及其它未知、随机因素意义下的“综合”半经验数学表达式。 因而反分析自始至终都是“灰色”或“等效”含义下的方法，则其所反 演得到的参数也只是一种“灰参数”或“等效参数”或“综合参数”，已 与原来含义不尽相同，其物理概念已不复存在，此时得到的待求参数的 意义，仅在于利用该值进行计算，可以得到与实际情况比较一致的分析 结果。在坝体的应力场分析中，为了能够得到较为准确的参数值，而避 免在分析时由于力学参数的本身就存在偏差，而导致分析结果与实际情 况不符。所以，在工程中为能较准确地得到结果，首先取得参数准确值 是很有必要的。位移反分析法自七十年代被提出以来日益受到岩石力学 界和工程地质界的重视，原因在于它为解决岩土工程的稳定分析和设计 中最棘手的计算参数的确定问题提供了一个独特而实用的方法。 位移反分析方法是根据结构中所测得的位移来反算岩体的初始地应 力及结构的力学参数的方法。这一方法是1 9 7 1 年由k a v a n a g h 等首先提 出的，基本思想是根据现场实测的位移，利用有限元方法来计算岩体的 力学参数。自从k a v a n a g h 和c l o u e h ( 1 9 7 2 ) 3 2 】发表反演弹性模量的有 限元方法至今，虽然只有2 0 多年的历史，但是已经取得了较为迅速的发 展。特别是在岩土工程中，对反分析方法的研究和应用取得显著进展。 在1 9 7 6 年约翰内斯堡举行韵岩土工程勘溺研讨会上，k i r s t e n p ”使用 有限元法求影响系数，然后代入到解析解中，按解析方程确定岩体的弹 性模量。1 9 8 0 年意大利的g i o d a 3 4 , 3 5 1 提出采用单纯形等优化方法求解岩 体的弹性及弹塑性力学参数，并讨论了不同豹优化方法在岩土工程反分 析中的适用性。至此，在国外，日本、意大利对这个课题已取得成果， 其中最著名的是日本的樱井春辅( s a k u r a i ) 3 6 , 3 7 在1 9 7 9 和1 9 8 3 提出了 1 3 昆明理工大学硕士学位论文 位移应交反馈分析法。 在国内，中科院地质所最早开始研究初始地应力的位移反分析法。 他们提出的方法是初始地应力计算的位移图谱反演分析法。其原理是根 据围岩应力的有限元计算成果编制一系列图谱，在使用中直接根据图谱 由位移量测值确定初始地应力或围岩参数，或同时确定二者。杨林德教 授【2 9 】在初始地应力位移反分析法中做了大量的研究工作。他提出了有限 单元法的精度应力，包括弹性问题计算的基本关系式，弹塑性问题计算 的数值处理法；建立了平面应变弹性问题和弹塑性问题计算的有限单元 法的具体方法，可单独确定产生构造地应力；此外还研究了用边界元法 反演分析初始地应力和弹性参数的逆反分析法，并完成了初始地应力的 粘弹性问题的反分析计算。完成粘弹性反分析计算法研究的还有杨志法、 王建宇等。1 9 9 7 年顾冲时【3 ”等应用场论和力学分析提出了结合实测资料， 建立坝体、坝基和库盘的整体空间位移场正反分析模型的方法，以及考 虑因子相关与不相关两种情况时，提出了反演坝体、坝基和库盘分区与 整体变形参数的方法。这种方法在龙羊峡工程中得以很好的应用，但这 种方法由于要采用分层使得问题比较复杂，难处理，适用性要差一些【l 0 1 。 随着坝体工程的发展，国内外众多研究者采用不同方法对反分析法及其 应用作了大量研究，在考虑多种荷载以及多种荷载之间的耦合关系上进 行线性和非线性位移反分析；利用少量实测位移由拉格朗日插值法反算 坝体力学参数在应力空间及应变空阿用边界元法进行弹塑性位移反分 析；在考虑时间相关性、空间效应、消除量测前丢。失位移的影响等方面， 针对五种常用流变模型( m a x w e l l ，k e l v i n ，p o y t i n g - t h o m s o n ，广义k e l v i n 及b u r g e r s 模型) 1 3 9 “3 】进行了有限元法和边界元法位移反分析的系统研 究，提出了逆解回归法和逆解优化法。 位移反分析法在最初的对计算初始地应力方面应用逐渐被推广到各 个工程领域，其中在坝体力学参数( 例如弹性模量、膨胀系数) 方面也 采用了这种方法我国学者就为此作了很多具有建设牲的工作。郭乙木【4 叫 等人在2 0 0 1 年提出以混合模型反演大坝等水工建筑物及其基础弹模的方 法，应用“后验法”方法进行反演成果检验，从而建立一个优化反演流 程，保证了反演计算的精度。该方法力学意义明确、工程概念清晰，在 固体力学的实际工程问题中，具有较好的应用价值，只是在利用模型分 离万h ( 坝替位移的水压分量) 时，由于涉及因子相关问题，