（力学专业论文）水利及岩土工程新型安全监测数学模型研究.pdf

水利及岩土工程新型安全监测数学模型研究 摘要 安全是水利及岩土工程至关重要的问题，安全监测贯穿工程的设计、旅工、运 行整个过程，是掌握被监测体实时性态、预测将来发展状况、保证工程安全的必备 和有效手段。在通过各种观测设备获取被监测体本身状态指标及相关外界影响因素 的信息数据后，采用有效合理的分析方法透过这些数据揭示规律、发现问题，是工 作的关键，数学监测模型是运用最广、最有效的一种工具。由于监测数学模型提供 的实时掌握状态及预测等功能正是监测工作所期待的，所以水利及岩土工程监测数 学模型的研究一直是安全工作发展的重点。在诸如统计理论、系统理论以及力学基 础的支持下，针对监测工作的不同需要，监测数学模型出现了多种应用形式并不断 发展改善。本研究报告立足应用广、精度高、反映状态直接的位移( 变形) 监测 项，进行几种新型监测数学模型的研究。 水工建筑物的位移监测数学模型在已有的单测点单方向模型基础上，近年来向 多测点综合建模和多测项综合建模方向发展。多测点监测模型以模拟位移沿坝体等 建筑物分布情况为特色，揭示在外荷作用下，一定区域内变形的整体分布规律：位 移多测项监测模型以模拟位移空间向量变化规律为特色，全面掌握一测点在三维空 间的实际变形规律。这些模型为更全面掌握被监测体位移状况提供了方法，但也仍 存在不足：目前多测点监测模型仅对某一方向位移监测量建模，不能整体反映位移 是空间向量这一事实，不能对其规律进行拟合分析；而且前的三维空间向量位移模 、 型仅对一个观测点进行建模，没有揭示各测点间位移分布情况卉本报告在已有的研 究基础上，将多种位移测项与多个测点的观测信息加以综合运用，通过力学分析及 数学方法选取考虑多个测点的自变量因子形式，以位移空间向量为建模对象，采用 多因变量逐步回归方法，构造一种能涵盖建筑物不同部位空间位移发展状态的模 型，称为位移监测双空间模型或空间位移分布模型。该模型覆盖了已有的单测点单 l 方向模型、多测点单方向模型和单测点空间位移模型，是这类模型的最高层次。通 过实测资料，报告中说明了该模型的建立方法，论证了模型的可应用性，以实测资 料建立了模型实例d 监测数学模型的一个重要应用是利用模型对因变量进行预测，而统计模型预测 是应确定预测置信域。报告在综述回归监测模型置信域特征及几种模型置信域形状 的基础上，给出了空间位移分布模型预报置信域的计算及应用方法，结合建立的模 型实例对其步骤进行了实例说明。四外，鉴于单测点单方向模型、多测点单方向模 型、单测点空间位移模型和空间位移分布模型相互关联而各有特色，在实际工作中 根据观测情况和分析的需要有不同应用，报告以应用普遍而有效的位移垂线为对 象，结合其观测特点，给出了包括空间位移分布模型在内的四种位移模型相应的结 构，以同一条垂线的观测数据建立了四种不同的位移监测模型，在表明这些模型的 相通之处的同时，对它们在实际工作中的不同作用给出了实例说明。斗 监测数学模型在岩土工程中的应用领域十分广泛，本报告以边坡变形为分析对 象，提出两种新的监测模型。在几种常用的边坡变形监测及滑坡预报模型中，灰色 模型是近年来研究应用最为广泛的。( 由于边坡构造的地质材料变化较大，而变形测 点分布又较分散，不同测点的观测资料很难在一个模型中综合利用，本报告借助国 家基础性研究重大项目( 攀登计划b ) “重大土木与水利工程安全性与耐久性的基 础研究”中研制的拉索式滑动变形计特点与优势，将灰色模型沿时间建模的观点延 伸到沿测点位置建模，利用多个测点的变形值建立分布灰色模型，描述变形沿测线 的分布规律。在简要介绍拉索式滑动变形计原理后，结合该仪器在三峡工程永久船 闸边坡上的实测资料建立了分布灰色模型，并根据工程实际需要，提出了该模型的 具体应用。 寻找合适模型预测临滑边坡的滑动时间，预测边坡、峒室的最大值或最终收敛 、 值是仍在探讨的领域玎本文采用实测变形一次累减生成的新序列，建立1 - - l 丸g o v e r h u l s t 模型，利用模型曲线的特点，提出以变形增长速率等于零为界计算变形最 大值的方案。f 以边坡变形实测资料加以验证，模型预测值与实测情况相符，为支护 设计，反演分桁，变形预警提供了一个新的手段。太 本报告研究的空间位移分布监测模型是水工建筑物多测点监测模型、多测项监 测模型的最高类型，边坡变形分布灰色监测模型为分析边坡内部变形规律提供了方 法，l - - i a g ov e r h u l s t 模型提供了预测边坡变形最大值的手段。f 这些新型模型的研 究提出可解决工程监测的实际问题，有利于更好地掌握被监测体状态，保证工程安 全。土 关键词：监测，数学模型，大坝，边坡，变形 s e v e r a ln e w k i n d so fm o n i t o r i n gm a t h e m a t i c a l m o d e l si nh y d r a u l i c & g e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n g a b s t r a c t s a f e t y i s v e r yi m p o r t a n t t o h y d r a u l i ce n g i n e e r i n g a n d g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g m o n i t o r i n gw o r k t h a tc o n n e c t e dw i t he n g i n e e r i n g sd e s i g n ，c o n s t r u c t i o n ，r u n n i n gi su s e f u l t ok n o we n g i n e e r i n g sb e h a v i o rt i m e l y , f o r e c a s tt h ec o n d i t i o n si nt h ef u t u r e ，e n s u r ei t s s a f e t yu pt on o w , d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n ga n da n a l y s i s h a sb e c o m eo n eo ft h em o s t i m p o r t a n tp r o g r a m s b e c a u s eo fi t s h i g ha c c u r a c y a n dc o n v e n i e n c e m a t h e m a t i c a l m o n i t o r i n gm o d e li s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tw a y st oa n a l y z el a r g es u r v e yd a t a , t o d e s c r i b ea n df o r e c a s t s u r v e yi t e m s r e g u l a t i o n b a s e d o ns t a t i s t i c s ，s y s t e mt h e o r y , m e c h a n i c sa n ds o o n ，s e v e r a l m a t h e m a t i c a lm o d e l sh a v eb e e n d e v e l o p e d t o a d a p t m o n i t o r i n gw o r k n e e d p a y i n ga t t e n t i o nt od e f o r m a t i o nm o n k o d n g ，t h i sr e p o r th a sd o n e w o r ko ns e v e r a ln e wm a t h e m a t i c a lm o n i t o r i n gm o d e l s b a s e do nt h et r a d i t i o n a l o n e p o i n t o n e d i r e c t i o nm o d e l ，t h eo n e d i r e c t i o nd i s t r i b u t i o n m o d e la n do n e - p o i n tv e c t o rm o d e lh a v eb e e nd e v e l o p e di nr e c e n ty e a r s d e f o r m a t i o n d i s t r i b u t i o nm o d e lu s e ss e v e r a ls u r v e yp o i n t s o b s e r v e dd a t a , e s t a b l i s h i n ga ne q u a t i o nt o d e s c r i b ed e f o r m a t i o nb e h a v i o ru n d e rl o a d si nt h ea r e a m u l t i i t e m sd e f o r m a t i o n m o n i t o r i n gm o d e ld e s c r i b e st h er e g u l a t i o nc o m p l e t e l yo f d e f o r m a t i o ns p a c ev e c t o ro fo n e p o i n t h o w e v e r , t h e s e m o d e l su s e dn o wh a v el i m i t s t h ed i s t r i b u t i o nm o d e l o n l y e s t a b l i s h e so n ed i r e c t i o nd e f o r m a t i o nm o d e l i tc a nn o tr e f l e c td e f o r m a t i o ns p a c ev e c t o r s r e g u l a t i o n i nt h eo t h e rh a n d ，t h ev e c t o rm o d e lo n l ye s t a b l i s h e sm o d e lo fo n ep o i n t ， d e f o r m a t i o nd i s t r i b u t i o n r e g u l a t i o nc a nn o tb er e f l e c t e di nt h em o d e l o nt h eb a s eo f r e s e a r c hb e f o r e ，o b s e r v a t i o nd a t ao fs e v e r a ld e f o r m a t i o ns u r v e yi t e m sa n dm u l t i p o i n t s h a v eb e e nu s e dt oe s t a b l i s ho n em o d e li nt h i sr e p o r t t h i sk i n dm o d e li sn a m e da sd o u b l e s p a c ed e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gm o d e l i t s d e p e n d e n tf a c t o ri s d e f o r m a t i o ns p a c ev e c t o l i n d e p e n d e n tf a c t o r sh a v eb e e nd e t e r m i n e db ym e c h a n i c sa n dm a t h e m a t i c sm e t h o d s t h e m u l t i v a r i a t e s t e p w i s er e g r e s s i o n h a sb e e nu s e dt o e s t a b l i s ht h em o d e lb yc o m p u t e r p r o g r a m o n e - p o i n to n e d i r e c t i o nm o d e l ，o n e - d i r e c t i o nd i s t r i b u t i o n m o d e la n do n e p o i n t v e c t o rm o d e lc a nb ei n c l u d e da ss p e c i a lf o r m so f t h ed o u b l e s p a c em o d e l u s i n gs u r v e y d a t ai np r a c t i c e ，t h es t e p sa n dm e t h o d st oe s t a b l i s ht h em o d e lh a v eb e e ne x p l a i n e d ，a n dt h e e x a m p l em o d e lh a s b e e no b t a i n e d f o r e c a s t i n gt h ed e f o r m a t i o nv a l u e sa n dc o n f i d e n c er e g i o na r et h ei m p o r t a n ta p p l i c a t i o n s o fs t a t i s t i c a l m o n i t o r i n gm o d e l t h ew a yt od e t e r m i n ed o u b l e - s p a c em o d e l sc o n f i d e n c e r e g i o nh a sb e e np r e s e n t e d ，e x a m p l eb a s e do nt h em o d e le s t a b l i s h e da b o v eh a sb e e nd o n e t os h o wt h es t e p s i na d d i t i o n , u s i n gt h es u r v e yd a t ao fp e n d u l u mt h a ti su s e dw i d e l yt o m o n i t o rd e f o r m a t i o n f o u rk i n d so fs t a t i s t i c a lm o d e l sh a v eb e e ne s t a b l i s h e dw i t ht h ed a t a o fo n ep e n d u l u m t h e s em o d e l sa r eu s e f u lt oa n a l y z ep e n d u l u md e f o r m a t i o no v e r a l la n d c a l lb es e l e c t e di np r a c t i c a ld a t a a n a l y s i sa c c o r d i n g t od i f f e r e n tc o n d i t i o n s m o n i t o r i n gm o d e l sa l s oh a v eb e e nu s e dw i d e l yi ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g t w on e w k i n d s m o n i t o r i n g m o d e l s h a v eb e e nr e s e a r c h e di n r e p o r t t h ef i r s ti s e s t a b l i s h i n g d i s t r i b u t i o ng r e y - m o d e lg m ( 1 ，1 ) t od e s c r i b ed e f o r m a t i o n sd i s t r i b u t i o ni nr o c ks l o p e u s i n gs u r v e yd a t ao fs l o p ei nt h r e eg o r g e sp r o j e c tp e r m a n e n ts h i pl o c k ，t h ed i s t r i b u t i o n g m ( 1 ，1 ) m o d e l sh a v eb e e ne s t a b l i s h e d t os o l v eq u e s t i o n si n p r a c t i c e t h es e c o n di s e s t a b l i s h i n gm o n i t o r i n gm o d e lt o f o r e c a s tt h em a x i m u md e f o r m a t i o n ，b a s e do ng r e y s y s t e m ，u s i n g1 - i a g o d a t at oe s t a b l i s hv e r h u l s tm o d e l c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h em o d e lc u r v e ，t h em a x i m u md e f o r m a t i o nc a r lb ef o r e c a s t e d i tc a nb eu s e di nt i m b e r i n g d e s i g n ，d e f o r m a t i o na l a r m , b a c k - a n a l y s i s a l lt h en e wm o d e l sa d v a n c e di nt h i sr e p o r tt h a th a v eb e e nu s e dt op r o v et h e i rr a t i o n a l i t y b ye x a m p l e sc a nb eu s e di np r a c t i c a le n g i n e e r i n g ，c a np l a yi m p o r t a n ta n du s e f u lr o l e si n e n g i n e e r i n gs a f e t y k e yw o r d s ：m o n i t o r i n g ，m a t h e m a t i c a lm o d e l ，d a m ，r o c ks l o p e , d e f o r m a t i o n 上海交通大学博士后研究工作报告 第一章数学监测模型与水利、边坡工程安全 1 1 工程安全监测重要性 工程安全是关系到工程建设进展、国家财产及人生安全的重大内容，受到工程 管理及建设人员的普遍重视。随着工程建设水平的逐渐提高，工程规模逐步扩大， 大型水利枢纽、超高边坡工程大量投入建设或进行规划。就人工边坡而言，在矿山 建设、水利建设中经常形成超百米的临时或永久边坡。例如，五强溪水电站坝址左 岸形成的边坡高度在1 3 0 m 1 5 0 m 之间；清江隔河岩水电站厂房人工开挖形成的台 阶式边坡高达1 8 5 m ，长3 5 0 m ；我国露天矿山规模宏大，最终设计边坡高度一般为 3 0 0 5 0 0 m ，有的已达7 0 0 m ，冶金部重点矿山大冶铁矿整个东露天采场上口尺寸2 2 5 0 1 0 0 0 m ，南北帮采深将分别达3 9 0 m 和4 2 0 m ，属典型高陡深凹露天大型矿山。水 利枢纽的建设则集防洪、发电、运输、灌溉、养殖等功能于一体，其主要建筑物如 挡水坝、溢流坝、船闸等等发挥着重要作用。我国的水利枢纽建设正在不断发展， 有许多具有国际领先水平的工程正在建设或论证，尤其是随着西部大开发及三峡水 利枢纽等工程的上马，大量的坝工建设及安全工作摆在工程人员面前。以三峡工程 为例m ”，大坝为混凝土重力坝，最大坝高1 7 5 m ，轴线全长2 3 3 5 m ，总库容3 9 3 亿 m ，坝后电站总装机容量1 8 2 0 万k w ，其主体建筑物土石方开挖量、混凝土浇筑量， 金属结构量、大坝坝体总混凝土量在世界已建和在建水利枢纽中位于首位。工程建 成后的运行不仅与长江防洪密切相关，而且工程建筑物本身安全与否关系着其下游 宜昌、葛洲坝乃至更远范围内长江两岸的安全。 随着这些工程规模的扩大，其安全性要求更为突出。水利枢纽中上游水头荷载 增大，水库库容增大，这就对主要建筑物的应力、稳定状态提出了更高要求，一旦 失事，如溃坝等，其后果不堪设想。边坡工程也是如此，开挖深度越大，边坡形成 范围越广，其地质条件、应力释放更趋复杂，而边坡下往往有大量工作人员及设备， 高坡上任何一处小的坍塌都可能造成严重损失。这些事故应该说不在少数。 第一章数学监测模型与水利、边坡工程安全 著名的法国马尔巴塞( m a l p a s s t ) 拱坝失事是坝工界众所周知的。这座修建于1 9 5 4 年，高6 65 m 的拱坝，于1 9 5 9 年1 2 月2 日晚突然垮坝，4 0 0 余人丧生，下游1 2 k i n 处的费雷久城成为废墟。1 9 6 3 年1 0 月9 日，当时世界上最高的一座拱坝，坝高2 6 2 m 的意大利瓦依昂拱坝水库区发生大规模的山坡滑动，高达1 2 5 m 的水浪漫越过坝顶， 横扫下游河谷内一切建筑物，致使大坝和电站报废。人员死亡近2 0 0 0 人。1 9 9 4 年 国际大坝委员会( i c o l d ) 坝失事统计解释委员会结束的一次对坝失事调查表明， 1 7 4 0 6 座于1 9 8 6 年底按照i c o l d 标准而注册的大坝( 不含中国的大约8 5 0 0 0 座坝 和美国高度在1 5 3 0 m 之间的坝) 中有2 1 2 座已经失事f 4 j 。 大小边坡失稳事件数目相对较多，小事故可以造成工期延误，财产、设备损失， 大事故则可能造成人员伤亡，甚至改变设计初衷。这里着重讨论人工边坡，人工边 坡往往随着矿山开采、水利建设而形成，边坡安全往往是建设、生产的制约环节。 1 9 8 5 年天生桥二级水电站进水口明渠开挖时，发生边坡坍塌，造成4 8 人死亡；此 外，该工程电站厂房因边坡稳定问题几度改址。1 9 8 9 年漫滩水电站左岸坝肩开挖时， 发生1 06 万m 3 滑坡，工程被迫中断，并导致更改枢纽原布置方案。大冶铁矿狮子 山北邦a 区在1 9 9 0 年4 月3 0 日发生6 0 0 0 m 3 体积滑坡，而后1 9 9 6 年7 月1 日再次 发生较大规模滑坡，滑坡体垂直高差2 4 0 m ，总体积约9 0 0 0 0 m 3 【5 。“。 由此可见，随着工程建设的发展，水利建筑物及边坡的安全同题愈加重要，有 必要从各个环节加强安全意识，提高安全状态识别及安全预测技术，以保证工程建 设、生产的顺利进行，减少因不安全问题造成的人身、财产损失。 工程安全涉及到的范围很广。要确保工程安全要从全方位、多环节加强工作。 一般而言，大型水利工程及边坡工程的建设要经历勘探、设计、施工、运行管理几 个过程，所有这些过程都与安全息息相关。从理论上说，如果工程影响范围内的地 质构造、初始应力情况、地质材料的物理力学特性等等因素能通过勘探、试验准确 获得，工程设计方法正确、计算准确，施工合理无误，运行管理得当，那么工程安 全应该是有保障的。当然，这里还没考虑进一些突发事件或无法抗拒的自然灾害。 即便如此，受到现有技术水平的限制，人们还无法达到上述条件，而且差之甚远。 例如，岩石边坡工程是在复杂的天然岩体中开挖建设，天然岩体不仅具有显著的不 连续性、非均匀性和各向异性，而且还有地应力和地下水的作用，这使得人们对工 2 上海交通大学博士后研究工作报告 程中常用的连续介质力学原理和方法是否适用于岩体中产生了疑问。此外，任何岩 石边坡工程建设，都使岩体受荷情况改变，并扰动了自然条件下的地应力( 初始应 力) 场。合理的计算模型要求能真实反映地应力释放和重分布时的岩体性状，但目 前对无论短期或长期的岩体性状都难以预测。大型水利建设也有类似的问题，坝基 和坝肩的岩体力学性态，混凝土材料的力学计算，渗流的作用等等都还不能全面、 准确予以掌握。另外，施工过程中的不定因素众多，又与前期勘测设计密切相关， 安全性控制难度很大；对工程运行期状况的实时把握，对安全度的评判及相应的合 理措施方面都存在许多有待研究的课题。 由此可见，制约工程安全的环节、因素众多，在现有水平下，仅仅在勘探、设 计等方面尽力做到安全考虑是不够的，工程旌工、运行过程中的状态到底如何，设 计计算是否合理，还需增加措施加以掌握、验证。现场安全监测及资料分析在此领 域担负着重要角色。自从人们认识到安全监测的重要性以来，它已发展成为水利工 程及岩土工程建设等领域不可缺少的重要组成部分。国内外工程界对此都给予极大 重视，许多国家成立有相应的专门机构，例如，法国1 9 6 6 年设立大坝安全管理常 务技术委员会，前苏联成立有电站水工建筑物安全监控委员会，我国有水电站大坝 安全监察中心、水利大坝安全监测中心等；国际土力学与岩土工程学会( i i n t e m a t i o n a l s o c i e t yo fs o i lm e c h a n i c s g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ) 设有技术委员会( t e c h n i c a l c o m m i t t e e s ) t c1 ：i n s t r u m e n t a t i o nf o rg e o t e c h n i c a lm o n i t o r i n g ，t cll ：l a n g s l i d e s ； 等等。 一些国家为安全监测工作制定了相关标准或规定】，我国制定了混疑土大坝 安全监测技术规范( 试行) ( s d j 3 3 6 8 9 ) 、土石坝安全监测技术规范( s t 6 0 - 9 4 ) ，一些建筑旅工类规范如锚杆喷射混凝土支护技术规范( g b j 8 6 - 8 5 ) 中也有 相关监测规定。些国家较早就有有此类规定，如前苏联颁布的电站水工建筑物 安全运行监视条例( 1 9 7 3 ) 、水电站水工建筑物观测小组工作条件( 1 9 7 6 ) ，美 国国会1 9 7 2 年通过了国家大坝安全法令等。 近期，有关岩土工程、水利工程的安全监测研究方兴未艾，许多会议将安全作 为会议的一大议题，另外也有一些专门的安全监测学术会，领域涉及矿山、水利、 交通以及灾害研究等领域。例如：2 0 0 0 年第六次全国岩石力学与工程学会设有三峡 1 第一章数学监测模型与水利、边坡工程安全 一一一 库岸滑坡专题；国际大坝委员会第6 8 界年会第2 0 界国际大坝会议( i n t e r n a t i o n a l c o m m i s s i o n0 nl a r g ed a m s6 8 t ha n n u a lm e e t i n g & 2 0 “c o n g r e s s ，2 0 0 0 ) 设有大坝与 基础的监测讨论专题；而9 9i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nd a ms a f e t y & m o n i t o r i n g 则 是安全监测的专门会议。 安全监测工作的蓬勃开展也带动了一大批监测仪器研制、生产部门的发展，一 些先进监测仪器在工程中得以应用【1 2 训。如g e o k o n 仪器就是主要用于大坝、隧道、 边坡、桥梁等等工业及民用结构的安全监控，我国的三峡工程、小浪底水利工程、 秦山核电站等工程中已有应用；s l o p ei n d i c a t o r 公司提供可用于岩土及结构位移、 应力等监测的传感器及一些相应数据处理等软件；我国北京、武汉、南京等地也有 监测仪器研制生产单位。 水利工程及边坡工程的安全监测贯穿工程的设计、施工、运行整个过程。有观 点将岩石工程监测根据工程进展分为三个阶段，即前期量测，施工期监测和工程运 行中的原型观测。根据目前监测工作开展过程则可将工程安全监测归于以下几个步 骤 2 2 - 2 7 1 。首先是监测方案设计与监测仪器选定。根据工程所处地质条件、工程规模、 工程特点及功能等因素，设计监测系统总体布置方案，制定仪器设备清单，提出施 工详图及埋设安装技术要求，规定各监测次数及频率，提交监测工程概算等。在此 阶段应考虑监测项目布置的合理性和监测数据的可利用性，以保证监测到被监测体 的状态，提供可供分析的数据，当然还要考虑监测工作的经济性。然后是监测仪器 的埋设安装。此阶段主要是作好仪器的检验、率定、埋设、安装、调试和维护工作， 要保证埋设安装到位，确保一定埋设安装成功率。由于仪器埋设经常是与工程建设 施工同步进行，施工现场工作条件复杂，而且仪器埋设安装与工程施工进度间有相 关制约关系，所以应充分做好准备工作、协调工作。仪器埋设安装成功后即进入观 测阶段。观测阶段通常按工程进展分为施工期和运行期监测。该阶段的主要工作是 获取实测资料，其历时视工程建设、运行情况可长达数十年之久。实测资料应尽量 做到真实、精确、延续性好，并做好及时整理、整编工作。最后一个步骤是资料分 析与反馈。安全监测的目的是要掌握被监测体的状态，及时发现可能存在的问题， 并将有用信息加以反馈。观测资料、数据不加以分析利用则成为废品，造成资源及 经济的浪费。所以分析工作从观测数据获得之始就应开始，并保证实时性、延续性。 4 上海交通大学博士后研究工作报告 这一阶段涉及到的主要工作内容包括被监测体状态的识别，安全性评价，未来状态 预测，以及一些力学参数的反演，对设计、旖工的验证等。 相关各界对工程安全监测如此重视，是因为更加认识到该工作的重要性，希望 发挥其巨大功能，对工程建设及安全起到更大作用。那么，安全监测的作用体现在 哪些方面呢? 可以概括为以下几点。 第一，实时掌握被监测体的工作状态，评价安全性。有施工期要将监测信息与 结论反馈给设计、施工部门，验证设计、施工方案，在出现异常情况时及时指导、 调整施工：在运行期将监测信息、结论反馈给管理、生产部门，以便根据被监测体 的状态调度生产运行，从而确保施工、运行的安全。 第二，根据已测资料预测被监测体下一步或近期工作状态，并给出安全评价， 对可能的不安全的情况给以预警，借以调整施工、运行、生产，并在出现不良后果 之前采取补救措施。 第三，以实测状态检验、提高现有设计、施工水准。监测资料包含被监测体( 包 括支护结构) 变形、应力、渗流等等项目的真实情况，而现有水平下的设计计算结 果由于种种假定及不确定因素影响与真实情况有所出入，甚至会由于重大疏漏或不 合理假定出现大的偏差。借助实测信息发现这些问题，反演重要参数( 如材料力学 参数、初始应力场等等) 可以改善计算理论、设计方法、施工措施等，从而提高工 程建设水平及安全性。 安全监测设置的项目众多，主要包括工作条件监测( 如降雨、气温、施工进展 等等) ，变形或位移监测( 如外部水平、垂直位移，内部水平、垂直位移，相对位 移，裂缝等等) ，应力应变监测( 如衬砌、支护应力，锚杆荷载，混凝土应力应变 等等) ，渗流及地下水监测( 如渗流量，地下水位等等) ，以及声学测量等。其中变 形及位移以其测量精度高，观测方便，资料齐全，反映被监测体状态直接成为监测 及分析的重点，其应用范围与分析水平都处于各观测项前列，是分析被监测体规律， 掌握动态，评价安全的一项最有力凭据。本报告即以变形( 位移) 为代表进行安全 监测数学模型研究。 第一章数学监测模型与水利、边坡工程安全 1 2 监测模型的构造及其力学基础 在获得监测数据后，必须进行资料分析。资料分析可以分为定性分析与定量分 析两部分。前者通常包括对实测资料中有代表性的主要测值信息进行基本统计，例 如某阶段中的最大值、最小值及相关时间；以及绘制实测值变化曲线，借以进行初 步定性的状态识别，同时可考察测值的真实性。后者则需要从力学、数学等方面入 手，从定量角度较为深入、详细地揭示资料所含的信息，描述内在规律，进行预测 等。监测资料分析由定性向定量分析发展，并处在进一步研究、发展阶段，作为定 量分析的主要工具，数学监测模型在水利工程及边坡工程中得到广泛应用1 6 8 2 啦“”】。 工程人员借助监测模型可以对被监测对象的变化规律进行定量描述，在一定情况下 可以揭示观测量与影响因素间的定量关系，可以借助模型进行反演分析，而在监测 模型基础上的预测已成为目前应用最广的预测方法。正是由于监测模型能有效服务 于几乎全部的安全监测目的，它已成为监测资料深入分析不可缺少的组成部分，也 是深入研究的重点内容。 在水利工程( 水工建筑物) 及边坡监测工作中，有多种构造监测模型的思路， 本文以应用最广的位移( 变形) 监测模型为对象，将构造思路分为以下主要几种。 第一种，基于试验结果构造模型。利用试验获得的数据，本身可以建立性态模型， 而且由此揭示的规律可供实测资料建模使用。在对岩石蠕变的试验研究中f ”删，研 究者们对许多材料进行了试验，通过观测到的变形情况及相应数据，提出了一些描 述岩石蠕变特性的模型( 见表1 1 ) ，通过试验确定的这些模型结构及参数，本身 即是对蠕变规律的描述与监控。同时在获得实测变形资料后，表1 一l 中模型的构 造往往用来建立实测模型，例如对数形成的时间因子i n t 就是实测边坡变形模型中 常用因子。 第二种，基于理论模型建立监测模型。这里所谓的理论模型，是指对一些力学 机理并不明确的材料建立的理论化的应力、应变等关系。例如岩石蠕变研究中常采 用所谓力学模型方法，这些力学模型与实物试验不能完全满意吻合，但可反映材料 状态的若干主要方面的性质。这些模型有马克斯威尔( j m a x w e l l ) 模型、开尔文 ( k e l v i n ) 或伏格特( w v o i g t ) 模型等等，这些模型在一定程度上揭示了复杂作用 6 上海交通大学博士后研究工作报告 机理下应力、应变、时间的关系。混凝土的弹性徐变理论也可归于此类，通过该理 论可以获得混凝土建筑时效变形监测模型因子。混凝土是水工建筑的主要材料，其 力学性能复杂，各类参数也因其骨料、配比、拌合、温度等影响难以全面准确获得， 砼水工建物物浇筑建成后，混凝土的徐变是构成建筑长期变形的主要因素，为建立 其监测模型，我们由弹性徐变理论出发，有 即m h ， 南瑚，r ) 2 赤瑚，r 杠 c - 一d 式中s ( f ) 为总应变；c ( ，r ) 为徐变度；t 为变形观测时间，f 为加荷龄期。 表1 1 几种蠕变试验模型 研究者材料变形情况描述说明 6 ( 0 ；恒定荷载下岩石相 对变形 格里格斯石灰岩 占( f ) = a + b l n ，+ c f t ：时间 a 、b ，c ：取决于岩石类 型的试验常数 马纳舍维奇 煤 s ( f ) 口f + d 1 a 、b ：试验常效，其它同 上 占( ，) = 1 + a i n ，+ b 塞拉芬片岩、花浅岩 印) = 岛岫s 一参 8 0 ：瞬时变形 反、k ：；试验常数，其它 同上 混凝土与粘土质 s ( f ) ：剪变形 陶振宇等粉砂岩胶结面直e ( t ) = + a i n t 剪蛹变 其它阿上 兵中徐变压父为 s 。( f ) = 。( r 。) c ( ，r ) + j ：c ( t , r ) d t t ( r ) 积分求z 方向徐变”。( ，) 。( 归f 丘( t ) d x 考虑两种情况。当盯( r ) 恒定时，仃( f ) = 巧= c o n s t ( ，) = 盯p ( f ，f 。) d x ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) 7 第一章数学监测模型与水利、边坡工程安全 对建立监测模型而言，如果从中选取建模自变量因子，此时盯作为常数不予考 虑，仅需考察积分号中的部分。对单个测点而言，其位置固定，因子形式取决于 c ( f ，f ，) ，选择其合适形式后即可构成建模因子；对多个测点同建一个模型的情况， 要将积分算出，再确定因子。 当考虑盯( f ) 不恒定时，情况相对复杂，要概据荷载来源，其作用机理具体考察， 必要时采取合理简化方式，对大坝在上游荷载下徐变时效因子的选择可参考文献 4 7 l 。 第三种，基于经典力学推导、数值计算构造监测模型。水利工程水工建筑物的 位移监测模型采用这种方式的较多，应用很普遍1 4 s 】。对于某些结构，如重力坝，在 一定简化条件下，可以通过力学分析推导出位移与某荷载( 如上游水荷) 的关系式， 从位移表达式中提取建模因子，构造模型；通过有限元等数值计算结果，选取荷载 作用因子基本形式，也能构造模型：这些模型构造后与实测资料以一定数学方法结 合，形成实际监测模型。这部分内容在后文接合研究内容加以详细说明。边坡工程 数值计算发展较好，利用实测位移进行反分析也有一定研究，但利用数值计算成果 与实测变形系列接合建立实测监控模型难度较大，其原因主要是边坡材料复杂、荷 载描述不明确等原因所致。 第四种，基于系统理论及纯数学分析角度构造监测模型。由于边坡、水工建筑 物变形机理复杂，许多学者采取将作用机理视为模糊系统或灰色系统的方法，以相 应的理论分析实测资料规律。模糊数学 4 9 5 “、时间序列分析 5 2 - 5 4 】、灰色理论 5 5 - 6 2 】在此 领域都有研究应用。尤其是边坡变形及滑坡预测，近年来灰色模型成为主要研究、 应用手段，这部分内容在后面相应章节中予以详述。 从上述内容可以看出，监测模型的建立与相关力学的研究、应用有着密切关系。 在模型的构造中，力学试验，经典力学理论，力学模型发挥着重要作用，建立模型 过程往往与被监测体的力学特性相关，岩石力学研究中对岩石流变的认识，为边坡 变形与时间关系模型提供了一些有效结构：对温度作用下大体积混凝土力学特性的 认识使温度因子成为水工建筑物变形监测模型三大主要因子之，其它两类主要 因子，水压因子与时效因子形式的选取也是在力学分析基础上进行的。同时，建模 8 上海交通大学博士后研究工作报告 以后的分析过程也是与建立在岩石力学、土力学、水力学等等学科基础上对被监测 体的认识密切相关，正是通过分析对比，验证和改善计算理论、设计方法，进一步 掌握材料力学特性，使监测作用得以更好发挥，确保工程安全。 在实际工作中，一个好的监测模型在构造思路上往往不局限于单一形式。前文 根据徐变理论寻求混凝土时效变形因子中，c ( f ，r ) 形式的选取应参照同类试验结果， 而力学推导获得的模型因子往往与经验因子、试验成果共存于一个模型中。事实上， 衡量变形监测模型的优劣，关键在于它能否客观揭示被监测体变形规律，能否准确 预测，是否有利于工程安全。 1 3 监测模型作用的实例说明 在安全监测工作中，不同的监测模型往往担负着不同的安全监测及分析目的。 些模型侧重于描述实钡5 值的规律，有些模型仅用来进行专门预测，还有些模型担 负着反演分析任务。结合本文研究内容，本节中以两个实例对变形监测模型的几个 主要作用做简单说明。 例l ：以紧水滩拱坝一坝顶水平切向位移实测值序列建立传统的监测模型。取 建模时段为1 9 9 1 年7 月1 9 9 2 年1 2 月，观测样本3 9 个，以逐步回归方法建立的 模型为 y l = 一1 0 0 2 + 01 1 2 f 2 一l 1 6 4 1 0 5 疗3 十o 2 0 5 一一 简单说明：y 。代表水平切向位移，指向坝左为正。h 为上游水深，酽为水压因 子：f 为时效值，是观测日到时效基准日的时间长度，t 2 为时效因子：五一。为温度 因子，表示位移观测日前9 0 天坝址气温平均值。水位曲线及坝址气温实测曲线参 见后文图3 - 6 和图3 - 7 ，参与建模的位移测值曲线见图1 - 1 ，模型因子来历及模型建 立方法祥见后文。 该模型是一个典型的常用位移监测数学模型，从模型结构可知，该位移弘与时 效、水压、温度关系密切，分别考察水压位移分量、时效位移分量和温度分量可知： 0 第一章数学监测模型与水利、边坡工程安全 随着上游水位增高，坝前水深加大，水压位移分量( 一1 1 6 4 1 0 。h 3 ) 数值减小 即该点水平切向位移的水压分量向坝右发展；随着时间的推移( f 值增大) ，时效位 图1 - 1 实测及拟合曲线 移分量( + 0l1 2 t 2 ) 数值增大，即该点水平切向位移的时效分量向坝左发展i 当位 移观测日前9 0 天坝址气温平均值偏大，温度位移分量( + n 2 0 5 t ，一。) 数值增大 该点水平切向位移的温度分量向坝左发展。借助于此，可以了解该位移与主要作用 因素的关系，并进一步掌握规律，预测未来位移，发现异常情况及时报警，指导枢 纽运行。 例2 ：预测滑坡时间是边坡变形检测的重要内容，晏同珍等提出以灰色v e r h u l s t 模型预测临滑时间，曾对新滩1 9 9 1 年大滑坡进行算例验证。作者用自编的灰色 v e r h u l s t 建模程序对该观测数据做过相同工作，计算过程如下。 采用的建模实测位移数据为：1 9 9 1 年6 月2 5 日l o 时，6 o c m ；1 9 9 1 年6 月2 6 日1 0 时，7 o c m ；1 9 9 1 年6 月2 7 曰1 0 时，9 4 c m ；1