（水利水电工程专业论文）二滩高拱坝径向变形监控模型与监控指标研究.pdf

摘要 大坝的破坏常常是由量变到质变，这一过程靠人的直觉是很难发现的，为了 对大坝在运行过程中的实际工作性态做出科学评价，必须依据实测资料对大坝进 行安全分析，以便及时采用正确的防范措施，延长工程寿命和防止突发性事故。 针对坝工界这一重要课题，本文探讨了大坝变形监测资料分析的多种方法及其应 用，从变形角度对二滩大坝的运行状况进行了详细评估，并提出了监控指标的上 下限。现将主要内容归纳如下： ( 1 ) 全面而系统的分析了二滩大坝安全监测系统和大坝不同蓄水时期的加荷卸 荷过程和温度变化特征。 ( 2 ) 详细研究了多元回归模型和稳健回归模型的建模过程；研究了b p 神经网络 模型的结构、算法，对传统b p 神经网络模型进行了改进，并对回归模型和b p 神 经网络模型进行了比较分析；研究了确定性数学分析模型的建模过程。 ( 3 ) 将多元回归模型、稳健回归模型和改进的b p 神经网络模型应用于大坝安 全监测水平位移的预报，研究了基于影响因子的大坝水平位移预测方法，详细比 较了改进的b p 神经网络模型和回归模型的预报结果。 ( 4 ) 开展统计模型和神经网络模型在基于时间序列的基础上进行水平位移预测 的方法研究，并对几种方法的预测结果进行了比较分析； ( 5 ) 研究了二滩拱坝水平位移监测的确定性模型，利用模型计算结果对大坝安 全水平进行了全面评估。 关键词：安全监测；回归模型；神经网络：水平位移；监控模型 a b s t r a c t i ti sd i f f i c u l tt od e t e c tt h et e m p o r a ld a m a g eo fd a mo n l yb yi n t u i t i v ea p p r o a c h t o v a l u a t es t a t u so fd a ms a f e t yd u r i n go p e r a t i o n ，p e o p l em u s ta n a l y s em o n i t o r i n gd a t a a n da d o p ts u i t a b l em e t h o d st op r e v e n td a ma c c i d e n t f o rt h i si m p o r t a n ts u b j e c t ，t h e p a p e rd i s c u s s e ss e v e r a lm e t h o d sa n da p p l i c a t i o n so fd a m d e f o r m a t i o nd a t aa n a l y s i s a n di n d e xd e f i n i t i o nf o rm o n i t o r i n gd a ms a f e t y ，a n dp r e s e n t sr e c o m m e n d a t i o no f b u i l d i n gm a n a g e m e n ts y s t e mo fm o n i t o r i n gd a ms a f e t y t h ef o l l o w i n ga r e s u m m a r i z e so ft h i sp a p e r ( i ) t h i sp a p e ra n a l y z e ds a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e mo fe r t a nd a m ，l o a d i n go ru n l o a d i n g p r o c e s s ，a n dt e m p e r a t u r ec h a n g i n go fv a r i a n ti m p o u n d i n gp h a s e ( 2 ) m o d e lb u i l d i n gp r o c e s so f am u l t i p l er e g r e s s i o nm o d e la n dr o b u s tr e g r e s s i o n m o d e lh a sb e e ni n v e s t i g a t e d ；t h es t r u c t u r ea n da l g o r i t h mo fb pn e u r a ln e t w o r k m o d e li ss t u d i e d ，t h ec o m m o nn e u r a ln e t w o r km o d e li si m p r o v e d ，r e g r e s s i o nm o d e l a n db pn e u r a ln e t w o r km o d e la r ec o m p a r e d ；m o d e lb u i l d i n gp r o c e s so fd e t e r m i n i s t i c m a t h e m a t i cm o d e lh a sb e e nr e s e a r c h e d ( 3 ) am u l t i p l er e g r e s s i o nm o d e l ，r o b u s tr e g r e s s i o nm o d e la n di m p r o v e db pn e u r a l n e t w o r km o d e la r ea p p l i e dt ot h ef o r e c a s to fh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n tf o rd a ms a f e t y m o n i t o r i n g t h em e t h o do fd a m h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n tf o r e c a s ti ss t u d i e db a s i n go n i n f l u e n c ef a c t o r s ，f o r e c a s t i n gr e s u l t so fi m p r o v e db pn e u r a ln e t w o r km o d e la n d r e g r e s s i o nm o d e la r ec o m p a r e di nd e t a i l ( 4 ) t h ef o r e c a s tm e t h o d so fs t a t i s t i cm o d e la n d n e u r a ln e t w o r km o d e lf o rh o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n ta r ei n v e s t i g a t e db a s i n go nt e m p o r a ls e r i e s ( 5 ) t h ed e t e r m i n i s t i cm a t h e m a t i cm o d e l o fh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n tm o n i t o r i n gf o r e r t a nd a ma r es t u d i e d ，s a f e t ye v a l u a t i o no fd a mi sc a r r i e do u tr o u n d l yu s i n g c a l c u l a t i o n a lr e s u l t so ft h em o d e l k e y w o r d s ：s a f e t ym o n i t o r i n g ；r e g r e s s i o nm o d e l ；n e u r a ln e t w o r k ；h o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n t ；d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gi n d e x e s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，沦文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞鲞苤鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志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。 学位敝作者签名：多峰影 签字日期：卅年夕月如 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞盗盘鲎 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：y 汐年 导师签 签字日期： 口 塘 u研f月 可 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 众所周知，修建水库大坝对于调节江河径流，防止江河洪水具有重要作用， 大坝所拦蓄的水在正常利用时会带来显著的经济效益和社会效益。从2 0 世纪初 到9 0 年代，随着科学技术的进步，各国的水利水电事业得到蓬勃的发展，建造 了数以万计高度不一的大坝，形成了大小不同的水库群体，高坝、大库作为坝工 技术的标志，在各国不断涌现。随着大坝数量的增加，时间推移、坝龄的增长的 同时，大坝失事的潜在危险的机率也在随之上升。在不到一个世纪的时间跨度里， 由于各种原因，几乎所有国家都发生了大小不同的垮坝事件，其中包括像美国南 福克坝、堤堂坝，意大利瓦依昂坝，法国的马尔巴寨坝等这样一些著名的垮坝事 件，造成惨重的灾难和巨额的经济损失。我国虽未发生过高坝大库的失事，但 1 9 7 5 年8 月特大暴雨冲毁板桥、石漫滩水库的教训也是极为深刻的。大坝的失 事不但直接危机国计民生，还严重影响社会安定和生态环境，世界各国从大坝的 可怕失事后果中，开始清醒，意识到保障大坝安全是何等重要，认识到大坝安全 是一个关系到社会公共安全的问题，必须加强大坝的安全监测和管理。 变形监测是大坝水利枢纽工程安全监测系统中重要监测项目之一。变形监测 成果直观，是建筑物工作性状的综合反映，是建立数学预报模型和评价大坝安全 的重要依据。大坝安全监测的成果是一系列数据，这些原始的观测数据往往只展 示了大坝的直观表现，人们要认识大坝的运行状态和大坝变形规律，找出它存在 的问题和判断其安全性，就必须对监测取得的数据进行分辨、解析、提炼和概括， 为生产管理部分提供决策信息，这就是监测资料分析工作的任务。大坝监测资料 分析是实现原型观测的根本目的，也是大坝安全监控最重要的一个环节。 二滩高拱坝是我国上世纪末建成的最高的拱坝，最大坝高2 4 0 米，顶部最小 宽度l1 米，底部最大宽度5 5 7 米，为双曲薄拱坝。该工程19 9 8 年5 月下闸 蓄水，2 0 0 0 年6 月竣工，至今已安全运行8 年。大坝共埋设和安装各类监 测仪器1 0 8 0 支( 台、点) ，分为变形监测，渗流渗压监测，混凝土内部应力 应变监测等。目前，大坝观测已积累了大量的观测数据，但还没有一套成 型的监控系统来指导大坝的安全运行，因此，通过已有的大坝观测资料， 进行分析，判断大坝的运行状态是否合乎规律，观测资料是否出现异常， 第一章绪论 以及对未来大坝的变形规律性进行预测预报，是及时发现隐患，保障大坝 安全的重要手段。本文通过二滩观测系统所获得的资料，对坝体的水平变 形位移进行了综合评估和预测研究。 1 2 大坝监控模型研究进展 1 2 1 大坝安全监测概况 我国是一个坝工大国，目前已经修建各种类型的大坝达8 6 万余座。其中， 高于1 5 m 的大坝有1 9 万余座，高于3 0 m 的大坝有2 7 0 0 余座。此外还筑有2 6 万余公里的堤防。几十年来，这些工程在防洪、灌溉、发电、城市供水等方面已 经发挥并且正在继续发挥着巨大的社会、经济和环境效益【1 卅。近年，随着二滩、 小浪底、三峡工程的修建，我国又开始了一个新的水电建设的高潮。一批以二滩 ( 2 4 0 m ) 、龙滩( 2 16 m ) 、拉西瓦( 2 5 0 m ) 、构皮滩( 2 2 0 m ) 等为代表的2 0 0 m 级，以及 以溪洛渡( 2 7 8 m ) 、小湾( 2 9 2 m ) 、锦屏一级( 3 0 5 m ) 等为代表的3 0 0 m 级的世界级高 坝已经或正将拔地而起。 据不完全统计，目前水利大坝中病险坝约占三分之一【5 1 。另外，我国还有13 0 多座大坝为水电大坝，归国家电力公司管理，而这些大坝多为高库大坝。根据 1 0 多年来进行的首轮定期检查资料的统计，共查出影响大坝安全的主要问题和 缺陷3 5 0 多项，存在的问题和缺陷大致分为1 4 类，即防洪标准问题、裂缝问题、 坝基处理问题、渗流问题、结构与强度问题、抗滑稳定问题、混凝土性态问题、 冲刷问题、水工金属结构问题、近坝岸坡稳定问题、监测设施问题、抗震问题、 水库淤积问题和其它问题。占其中8 0 以上大坝的安全监测设施不同程度地存 在问题1 6 - j l 】。 根据大坝不同的坝型、工程地质、水文地质等设定大坝监测项目并埋设相应 的监测仪器后，大坝安全监测很重要的一部分任务就转化为对原型观测资料的分 析和研究。 大坝原型观测资料中往往只展示了表面现象，要深入了解大坝的运行规律和 其变形机理，找出存在的问题，对其安全性和可靠性做出准确的评价，为生产管 理部门提供决策信息，就必须对数据进行分辩、解析、提炼和概括。一般情况下， 坝在平常的变化是缓慢而微小的，然而变化一旦呈现明显的异常，往往已经对安 全产生了严重威胁，甚至会迅速发展到不可救药的地步。通过对大坝安全监测资 料的分析研究，可以认识大坝的各种变化和有关因素的关系，了解大坝的各个物 理量变动范围和正常变化规律，在遇到观测值异常或出现不利的发展趋势时，就 第一章绪论 能及时发现问题并做出准确判断，从而采取预防措施防止大坝发生从量到质的剧 变。而在遇到大洪水或大地震等异常情况时，通过对观测值的分析，如果证实大 坝的变化仍在正常范围之内，就可以做出大坝处于安全状态的结论，做到心中有 数，从容调度。在我国大坝安全管理中，通过分析监测资料迅速做出反应，有效 保证大坝安全的成功实例已有不少，如湖北省丹江口水利枢纽大坝、安徽佛子岭 大坝等 1 2 】。由于没有重视安全监测资料而造成的某些大坝失事则给我们留下了 惨痛的教i ) l l ，如著名的法国马尔巴赛拱坝等 1 3 1 4 。 大坝安全监测资料分析除了作为判断大坝安全性的基本手段以外，还是检验 大坝设计和施工的重要方法。由于工程实际的复杂性和坝工技术水平的限制，至 今大坝设计理论还不够成熟和完善，一些设计前提带有一定的假定性，若干因素 只能进行简化处理，作用在结构上的某些荷载还不能准确的算出，对结构的破坏 机理、裂缝的发展过程等认识都不够清楚和准确。而大坝安全监测项目全、测点 多、观测频次密、跨越时间长，能体现现场复杂的实际条件，反映大坝的真实状 态，因此可以作为检验设计方法、计算理论、施工技术、工程质量、材料性能等 的有效手段。 国外一直注重大坝安全监测资料分析的工作，早在1 9 3 9 年瑞典召开的第一 届国际大坝会议上，第一个问题中就有“重力坝的内部温度及变形问题”。 中国在大坝安全资料分析及信息处理上起步较晚。2 0 世纪8 0 年代后由于一 大批重大工程的兴建，大坝安全管理工作更受重视，安全检查工作的开展及计算 机技术的广泛应用，使得该工作得以飞速发展。目前我国一些高等院校和科研、 设计等单位在监控模型、监控指标研究，专家系统开发，综合分析技术等方面取 得了一系列成果，并于1 9 9 9 年l o 月在宜昌三峡成功举办了“9 9 大坝安全监测 国际会议”【1 2 】。目前我国大坝安全监测正与坝工技术同步发展，并逐步步入 这一领域的世界前列。 1 2 2 国内外研究现状 立足于大坝安全监测资料的分析可以分为两个方面，一个是面向大坝将来的 预测和控制的，称为大坝安全监测资料的正分析；另一个是面向反演大坝设计计 算时所采用的各种参数、荷载、模型和条件的真实情况的，称为大坝安全监测资 料的反分析。 大坝监测资料的正分析是根据效应量的监测数据，联系效应量影响因素的变 量数据，对效应量的状况和变化规律所作的定量分析。它是监测资料分析的基本 手段之一，是对大坝性态和安全性做出评价和判断的前提。监测资料正分析一般 通过建立监测模型来实现，常用的数学模型大致分为确定性模型、统计模型和混 第一章绪论 合模型。近年来，关于大坝监测模型的研究得到了很大发展，但由于大坝及地基 结构的复杂性使得目前所采用的理论和模型在实际应用中常常遇到一些问题。 不是在失事之后，而是在结构正常工作期间依据原型观测通过反分析认识工 程结构及地基性态，定量地研究结构性能，是通常的三种研究手段( 理论分析、 模型实验、数学模型) 之外的新兴研究方式【1 5 】。它对于工程的施工控制、工程运 行状态分析、隐蔽性病害的诊断以及反馈设计、验证正分析，丰富和完善设计计 算理论和方法等具有非常重要的意义。目前反分析已经逐渐引起国内外学者的高 度重视，认为它是沟通理论与实践的桥梁。 ( 1 ) 在大坝安全监测资料正分析研究方面 大坝安全监测是适应大坝安全的需要并随着坝工建设的进展和坝工技术及 测控技术的进步而发展起来的。早期的坝一般都是一些规模不大的土石坝，大坝 的安全管理仅限于对外表的观察，谈不上监测。从上世纪初到上世纪中叶，坝工 理论逐渐形成体系，混凝土坝大量修建，当地材料坝也有了长足发展，尤其在我 国掀起了坝工建设的高潮。在这一阶段，人们开始在坝中安装测压管以及应力、 温度、孔隙水压力等观测设备和仪器，取得了大量观测资料，通过原型观测与设 计计算及模型实验的对比，对原设计方法进行了验证反馈。自上世纪6 0 年代， 大坝安全监测技术、手段以及监测资料分析理论方法开始走向成熟。随着复杂地 形、地质条件下的高坝大库的修建以及新的结构形式和施工方法的出现，对安全 监测提出了更高的要求。同时，美国的提堂、意大利的瓦依昂以及法国的马尔巴 塞等坝的失事，引起了社会各界对大坝安全的关注和重视。出现了观测深部岩体 变位的多点位移计、滑动测斜仪等新仪器，自动化和半自动仪器逐渐取代手工观 测仪器，很多坝安装了自动化监测系统，数学模型在监测数据分析中得到了普遍 应用。不少坝建立了安全监测信息系统，有的还应用人工智能理论开发了大坝安 全监测、大坝病害诊断专家系纠1 6 7 1 。 我国在大坝安全监测方面取得了很大发展。但也存在发展不平衡的现象。一 方面大中型水库混凝土坝观测项目比较齐全，因此对混凝土坝安全监测方面的研 究成果也比较多。尤其三峡工程，其大坝安全监测的规模和先进性已经达到国际 领先或国际先进水平。然而数量最多的土石坝( 特别是早期建成的土石坝) 以及大 量的小型工程的监测状况相对较差。据统计，以土石坝围挡水建筑物的大型水库 安装观测设施较全的占总座数3 0 ；仅有基本观测设施的占3 0 ：基本观测设 施不全的占3 0 ：没有观测设施或已有观测设施全部破坏的占1 0 。中型水库 据不完全统计，仅有2 0 有基本观测设施。至于小型水库，不论混凝土坝还是土 石坝，一般均无观测设施。具有观测设备的大中型水库，能坚持正常观测，及时 进行资料分析，能起到安全监测作用的仍然是少数【1 8 。 第一章绪论 在理论研究方面，意大利的法那林( f a n e l l i ) 和葡萄牙的罗卡( r o c h a ) 等从1 9 5 5 年开始应用统计回归方法来定量分析大坝的变形观测料( 统计模型) ，1 9 7 7 年法那 林等又提出了混凝土大坝变形的确定性模型和混合模型。此外，法国在资料分析 方面，采m d v 法，即在测值序列中分离出水压分量和温度分量，然后对时效和 残差的变化规律进行分析，进而评判大坝的安全状况。目前，葡萄牙、法国、意 大利、西班牙和奥地利等国家在大坝安全监测以及相关的各项研究方面不同程度 处于国际领先水平引。我国在大坝安全监测的资料分析方面的工作起步相对较 晚，最初只以定性分析为主。上世纪7 0 年代陈久宇、林见等开始应用统计回归 分析大坝安全监测资料；8 0 年代中期，开始了对确定性及混合模型的深入研究， 吴中如等在时效分量模拟以及监控指标的拟定等方面做出了突出贡献【1 ，1 9 埘】。 近年来，模糊数学、灰色理论、人工神经网络、滤波技术、遗传算法、小波 分析、混沌动力学等各种理论和方法也纷纷被引入大坝安全监测资料分析领域， 并取得了一定的成果 2 5 - 2 6 。李珍照等针对建坝初期或施工期监测数据少，采用 多元统计模型建模困难的特点，将灰色系统理论引入到大坝安全监测资料分析 中，且根据认识监测结果或判断监测现象时需要处理一些模糊概念的特点，应用 模糊数学理论提出了大坝监测模糊聚类预测模型和模糊评判预测模型f l6 】。由于人 工神经网络模型具有良好的非线性映射( 泛函逼近) 能力，也被作为从环境量到效 应量的映射模型应用到监测资料分析领域。苏怀智等针对基于神经网络模型建立 时网络结构没有统一标准，一般靠经验确定的问题，采用遗传算法对网络的结构 进行了优化【2 2 2 引。汪树玉等讨论了大坝观测数据序列中的混沌现象等2 7 1 。 大坝安全监测是一个无论是在硬件方面还是在软件方面都正在快速发展的 新领域，随着现代科技的进步和其他相关学科的发展必将取得更多的新成果。目 前，在大坝安全监测资料正分析领域还存在一些问题尚未完全解决，例如： 1 ) 各种监测模型尚需在实际应用中进一步完善。统计模型是一种经验性模 型，模型中不能表达明确的物理概念，当原型监测数据少或大坝实际运行所经历 的不利组合情况不完备时外延预测性能较差；确定性模型虽物理概念明确，但由 于存在时效分量等难以有效模拟等问题，在实际应用中有一定局限性。 2 ) 关于统计模型的模型选择尚无统一标准，在模型的内插拟合和外延预测方 面的研究很少。 3 ) 对实际中比较普遍的效应量漏测及滞后等问题的研究还不够充分，传统的 分析方法存在一定缺陷。 ( 2 ) 在大坝安全监测资料反分析研究方面 反分析的理论研究自2 0 世纪6 0 年代就已在国外出现，但由于计算量大，准 确的实测资料难以获得，使其很难应用于实际工程中。近年来，随着有限元等数 第一章绪论 值方法的发展和计算机容量及运算速度的飞速提高，已广泛应用在土木工程、水 利工程、机械工程、航空航天工程、地质勘探、石油物探以及医疗等领域。 1 9 6 0 年p h i l i p 2 8 2 9 】提出了求解一维非线性渗流反问题的精确解法；1 9 6 9 年， 太沙基提出了观察设计法( o b s e r v a t i o nd e s i g nm e t h o d ) p ，利用现场的观测资料修 正参数和设计；1 9 7 1 年，k a v a n a g h 等p l j 提出了反算弹性模量的有限元法后，极 大地促进了反分析方法的发展；y e h 和n e u m a n 等 2 1 , 3 2 刊j 在地下水渗流反分析方 面进行了深入研究，y e h 还对渗流反分析方法作了系统总结并预测了发展方向； 村上章应用k a l m a n 滤波有限元方法对混凝土重力坝的弹性模量和泊桑比进行了 反演；樱井春辅等应用隧洞开挖中有限的相对位移，反算岩体的初始应力、弹性 模量，取得了可喜的成果。 与国外相比，我国在工程反分析方面起步较晚，但也取得了不少研究成果， 特别是近年来，随着我国水利水电开发步伐的加快和一批世界级甚至超世界级水 利工程的修建以及大规模的病险工程除险加固，坝工结构反分析开始引起了人们 的普遍重视，使得这方面的研究步伐加快。 在上世纪8 0 年代，郭怀志、马起超1 4 2 】根据实际工程的地应力实测资料，运 用有限元数学模型和回归分析方法求解了岩体初始应力场；崔广涛、练继建等根 据测得的结构动力响应值推求了水流激振的脉动荷载情况 4 3 埘1 ；张镜剑等应用 确定性三维有限元模型和优化方法对拱坝的坝体、岩基弹模和温度荷载进行了反 演分析1 4 5 】；林世胜和中尾健j l t 删在樱井春辅提出的反算法基础上，就有衬砌隧 洞的反问题( 反推山体的初始应力和弹模) 进行了进一步探讨；邓建辉等【4 m 8 j 提出 了多介质边坡弹模位移反分析模型和优化算法，并对三峡船闸高边坡位移反分析 实例进行了验证；沈珠江、赵魁芝 4 9 5 0 1 通过对鲁布革等4 座已建堆石坝的流变 参数反分析，确定了从软基到砂卵石的4 种不同质地堆石料的流变参数，为新建 类似工程提供了设计参考；吴中如和陈久宇等1 ，1 9 , 2 0 , 5 1 5 5 1 在水工建筑物的安全监 测和反分析方面做了大量研究工作，提出了有关变形参数、热学参数、断裂参数、 等价摩擦系数、徐变度等的反分析方法；陈国荣、姜弘道等1 5 6 j 采用线性逼近法并 结合三维有限元来反演粘弹性流变参数：刘文宝、李术才p7 j 分析了测量误差对大 坝位移反演结果的影响等等。 坝工结构分析领域常遇到的反问题有：1 ) 坝体、坝基的物理力学参数反演， 如：弹性模量、泊桑比、渗透系数、给水度、土性参数c 、多，以及线胀系数等 热学参数等的反演；2 ) 初始应力场反演；3 ) 动力荷载反分析等。就目前已经发表 的有关坝工结构反分析的文献来看，以针对某个具体问题的反分析实例居多，反 分析算法基本采取以最小二乘误差最小为目标的基于梯度下降的非线性优化方 法。从对反演量定义来看，大多属于确定性理论范畴( 没有考虑反演量的随机性) ； 第一章绪论 而基于梯度下降的优化方法在目标函数的超曲面呈多峰多谷状的复杂情况，且反 演量的取值范围较大时，往往只能得到局部最优解。对观测量与反演量间的关系、 反演参数的个数的合理确定( 即参数化问题) 以及如何利用先验信息改进解的不 唯一和不稳定性等的讨论少之又少。甚至还没有一个关于坝工结构反分析的统一 定义，有的人一提到反分析就认为只是参数反分析。 通过调查资料和文献分析，在坝工结构反分析领域至少还存在以下一些主要 问题未能很好解决： 1 ) 研究对象结构复杂，内部机理不明了，对模型简化和反分析模型的选择等 尚未提出实用的方法和标准； 2 ) 观测点位置、观测项目、观测量数目及观测数据精度对反分析结果的影响 以及如何对观测项目、测点数量和测点位置进行优化等问题有待深入研究； 3 ) 坝工结构反问题不适定性理论及保证解的唯一性和稳定性的有效方法体 系尚不完善； 4 ) 一般情况下，连续介质求解域因含有无数多个变量而无法求解，那么采用 多少个参数变量比较合理，即未知参数维数问题如何处理； 5 ) 在反分析中采用最多的非线性最优化法常常遇到不收敛或收敛于局部极 值点等问题，需采取有效措施。 6 ) 对坝工结构反分析的概念、理论和方法体系尚缺乏系统的研究和总结。 1 3 大坝变形分析与预报模型研究进展 变形是指变形体在各种荷载作用下，其形状、大小及位置在时空域中的变化。 变形是自然界的普遍现象，整个宇宙，包括我们的地球及其上的各种建筑物都处 于变形之中，我们的现实世界是一个变形世界。大坝变形在一定范围内是允许的， 但当变形超过大坝所能承受的允许范围，则往往会带来毁灭性的灾害( 如溃坝) 。 变形研究受到了国际上的广泛重视，有许多国际性组织从事或涉及到变形研究。 对于大坝变形问题，人们不仅关注以前发生的变形，更关注产生变形的原因 和将来可能的趋势，大坝变形分析与预报具有重要的现实意义。在对大坝进行变 形分形与预报时，一般要建立一定的大坝变形分析与预报模型。1 9 5 5 年，意大 利范耐里( f a n e l l i ) 和葡萄牙的罗卡( r c h a ) 等人在变形观测资料的分析中首次采用 了统计回归方法进行定量分析。由于变形分析的重要性、复杂性以及人们更准确、 全面掌握大坝形态的要求，大坝变形分析与预报模型一直在不断完善和发展，目 前应用较多的主要有三类位移模型：( 1 ) 依赖于统计分析建立的统计模型，在这 类模型中，以多元回归分析模型、逐步回归分析模型和岭回归分析模型为主，时 间序列分析模型、灰色系统公析模型、模糊聚类分析模型等也得到了成功地应用。 第一章绪论 ( 2 ) 靠力学关系和演绎推算建立地确定性模型，在这类模型中，以有限元方法为 主；( 3 ) 一部分靠物理力学关系、另一部分靠统计分析建立的混合模型。此外， 在变形分析预报中，卡尔曼滤波、非线性动力模型法、突变模型法、小波分析法、 专家评估法和专家系统法、人工神经网络法等也得到了不同程度地应用。 1 3 1 统计模型 统计学模型是根据长时间观测数据的时间序列，通过统计回归原理建立起来 的效应量与原因量相互关系的数学模型，用以预测未来时刻效应量的变化趋势。 大坝变形总是受到多种环境因素的复杂影响，其变形观测数据及作用于大坝的各 种环境因素变化具有一定的随机性。从大坝一定数量的监测点上采集的数据经过 日积月累，其数量是庞大的。利用统计方法，通过分析所观测的变形和内外因之 间的相关性来建立荷载一变形之间关系的数学模型，以揭示大坝变形的规律。由 于该法利用了过去的观测数据，因此具有后验的性质。 建立大坝变形分析与预报统计模型主要有两个途径：一是以环境量( 如水位、 温度等) 作为自变量，将效应量( 变形值) 作为因变量，利用数理统计方法建立起效 应量和环境量之间的依赖关系，预测时是从环境量中挖掘收集关于效应量未来时 刻的信息。这类统计模型主要有多元回归分析模型、逐步回归分析模型和岭回归 分析模型等。另一个是运用数理统计方法建立效应量自身变化的统计规律，而不 涉及其他环境量，这是一种无因果关系的统计模型，预测时是从效应量自身过去 到现在的观测值中提取它在未来时刻取值的信息。这类统计模型主要有时间序列 分析模型、灰色系统分析模型、模糊聚类分析模型等。 统计学模型建立简单，使用方便，预测精度也很好，是大坝安全监测数据分 析预报的传统手段。但也存在突出的局限性问题：一是在施工期和运行初期无法 建立统计学模型；二是无法预报没有经历过的特殊情况，如超高洪水，即扩展性 不好；三是属于线性模型，不能反映预测预报中的非线性问题。 1 3 2 确定性模型 大坝变形分析确定性模型是利用荷载、变形体的几何性质和物理性质以及应 力一应变间的关系来建立荷载与变形体之间的函数模型。和统计模型相比，它具 有先验的性质。在建立确定性模型时，需要知道变形体的物理性质和力学性质， 如力学参数杨氏模量和泊松比，但不需要用到大量的变形观测资料，且在变形初 期( 尤其是在分析大坝施工期的变形时) 也能进行预报。首先通过物理理论计算成 果构造环境自变量与大坝位移量之间的确定性关系形式，再经实测值的数理统计 第一章 绪论 分析来实现计算假定和参数的合理调整建立起因果关系数学模型。 确定性模型中各环境影响分量的结构形式一般由相应的物理理论计算成果 来确定，个别分量用物理理论计算方法确定若困难则借助统计方法确定。温度位 移和水压位移的结构形式由弹性力学有限元的计算成果来确定，时效位移的结构 形式则往往由统计方法给出。 在采用“有限单元法”计算时，需解大型方程组，计算工作量较大，同时由于 变形体本身材料性质不一，使得变形体不可能是完全的弹性体，因而在确定性模 型的实际应用中，计算结果可能与实际值误差较大。另一方面，复杂的变形体其 变形有时很难用确定的理论公式来表达，这在某种程度上对确定性模型的广泛运 用也是个限制。到目前为止，确定性模型仅对混凝土变形分析，取得较好的成果。 而渗漏量、扬压力、应力等观测量的确定性和混合模型有待进一步研究。为此， 有较长时间的观测资料时，一般常用统计模型。 1 3 3 混合模型 在实际工作中，统计模型和确定性模型两种方法不应截然地分开，事实上， 每种方法都包含统计和解析成分。对变形体的行为一般的了解有助于在回归分析 方法中建立荷载一变形的数学模型。而确定函数模型法所建立的确定性模型还可 以用统计分析来进一步改进，例如校正变形体材料的某些物理参数。 大坝效应监测量受环境因素的影响，它是众多环境因素共同作用下的综合反 映。影响大坝效应监测量的因素很多，有些环境因素与效应量间的关系是明确的， 通过相应的物理理论和方法就可以建立这些环境自变量与效应量的函数关系式， 而另一些环境因素与效应量问的关系尚不明确，采用相应的物理理论和方法难以 建立这些环境自变量与效应量间的确定性关系式。针对这种情况，人们在建立大 坝效应监测量数学模型时，对各环境影响分量的形式的确定可采用不同的方法。 从而使所得的数学模型既保证有较明确的物理概念，又计算简单，使模型的质量 较好。 1 3 4 神经网络模型预报方法 如上所述，以往大坝变形分析与预报时一般要建立一定的数学模型，如统计 模型、确定性模型或混合模型等。这些模型主要用来描述变量间确定的函数关系， 但事实上在变形分析中各影响因素与变形量之间的关系并非确定的，由于大坝工 作条件的复杂性，大坝的变形是一个复杂的非线性系统，各影响因素之间关系复 杂，很难拟定一个顾及各种因素非线性影响的精确表达式( 数学模型) ，故而最终 第一章绪论 也会影响模型的拟和及预报效果。用这样的模型来预报的另一个缺陷是抗噪声能 力差，因子的误差几乎以相同的比例影响最终的预报值。因此，仅仅采用上述方 法对大坝变形进行分析与预报具有许多的局限性。 近十几年来，人工神经网络( a r t i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k , 删以其独特的网络 结构及对数据的处理方法，在众多领域得到广泛的应用并取得了显著成效。a n n 是由大量简单的处理单元组成的非线性、自适应、自组织系统，它试图通过模拟 人类神经系统对信息进行加工、记忆、处理的方式，来实现对信息的系统处理。 由于a n n 方法具有非线性、高维性、不可预测性、吸引性、大规模并行处理、 信息的分布或储存、自组织、学习、联想与记忆以及容错等特征，在预测具有高 复杂程度的非线性时间序列方面明显优于传统预测方法，具有十分广阔的应用前 景。刎讯幞型的最大优点是避免了知识表示的具体形式，不必要求有前提假设与 事先的因子选择，且在理论上可以实现对任意函数的逼近，从而避免了因子选择 不当而引起的预报误差。它属于隐式数学处理方法，将由网络训练从数据中概括 出来的知识，以多组权值和阈值的形式，分别存储于各神经元中，构成网络知识， 然后利用该知识来预测相似因素的结果。相对于传统的数据处理方法，它更适合 处理模糊的、非线性、含有噪音及模式特征不明确的问题。 作为一种新兴的、功能较强的信息处理方法，神经网络可以应用到大坝监测 领域多个方面，如大坝监测值预报、大坝结构实测性态的综合评价等。神经网络 方法与传统信息处理方法相比，虽各有特点，但在某些方面，它具有明显的优越 性，因此，神经网络模型作为大坝监测学科前沿性的研究课题，对其进行深入研 究具有重要的理论意义和现实意义。 1 4 本论文研究内容 ( 1 ) 研究二滩拱坝大坝变形监测的系统组成、分布特点： ( 2 ) 详细研究了多元回归模型和稳健回归模型的建模过程：研究了b p 神经网络模 型的结构、算法，对传统b p 神经网络模型进行了改进，并对回归模型和b p 神经 网络模型进行了比较分析；研究了确定性数学分析模型的建模过程。 ( 3 ) 将多元回归模型、稳健回归模型和改进的b p 神经网络模型应用于大坝安全监 测水平位移的预报，研究了基于影响因子的大坝水平位移预测方法，详细比较了 改进的b p 神经网络模型和回归模型的预报结果。 ( 4 ) 开展回归模型和神经网络模型在基于时间序列的基础上进行水平位移预测的 方法研究，并对几种方法的预测结果进行了比较分析： ( 5 ) 研究了二滩拱坝水平位移监测的确定性模型，利用模型计算结果对大坝安全 第一章绪论 水平进行了全面评估。 第二章二滩大坝安全监测系统及其变形过程分析 第二章二滩大坝安全监测系统及其变形过程分析 二滩拱坝是我国拱坝发展历史的一个里程碑，其大坝安全监测也在积极的探 索发展中。本章详细介绍7 - 滩大坝安全监测系统的目的、组成部分和各部分的 特点，并对大坝变形过程做了初步分析。 2 1 二滩工程概况 二滩水电站系以发电为主的雅砻江梯级开发的第一个水电站，枢纽由混凝土 双曲拱坝、泄洪建筑物、地下厂房、引水建筑物及过木机道等组成。电站位于四 川省攀枝花市，下距该市区4 6 k m 。雅砻江为金沙江最大支流。干流全长1 5 7 1 k m ， 全流域面积1 3 6 万k m 2 ，坝址以上控制流域面积1 1 6 4 k m 2 ，河口多年平均流量 1 9 1 0 m 3 s ，多年平均年径流量5 2 7 亿m 3 。坝区极端最低气温0 4 ，极端最高气 温4 1 0 ，多年平均气温1 9 7 ，最大风速l8 3m s ，多年平均相对湿度6 7 。 水库正常高水位为1 2 0 0 m ，发电最低运行水位1 1 5 5 m ，总库容5 8 亿m 3 ，有 效库容3 3 7 亿m 3 ，正常蓄水位时水库面积l o l k m 2 ，正常蓄水位时回水长度1 4 5 k m ，库容系数6 4 ，属季调节水库，水量利用率7 6 6 ，电站装机容量3 3 0 0 m w ( 6 5 5 0 m w ) ，多年平均发电量1 7 0 亿k w h ，年利用小时5 1 6 2 h 。电站地震基本 烈度7 度，设防烈度8 度。 二滩工程具有河谷狭窄、水头高、流量大的特点，枢纽主要建筑物包括高混 凝土双曲拱坝：左岸引水、尾水系统和地下厂房系统；坝上表、中孔和坝下水垫 塘、二道坝、右岸2 条泄洪隧洞等溢洪消能系统等。 混凝土拱坝采用抛物线形双曲拱坝，最大坝高2 4 0 m ，为我国已建成的第一 高坝，居世界双曲拱坝高度第三位。拱冠顶部宽度1 1 o m ，拱冠底部宽度5 5 7 4 m ， 拱端最大宽度5 8 5 l m ，坝体厚高比0 2 3 2 ，拱圈最大中心角9 1 5 0 ，上游面最大 倒悬度0 1 8 ，左半拱和右半拱采用不同曲率半径，项拱中心线曲率半径在 3 4 9 1 9 m - - 9 8 1 1 5 m 范围，坝顶弧长7 4 4 6 9 m 。坝体混凝土量为4 0 9 万m 3 。 泄洪建筑物按千年一遇洪水流量2 0 6 0 0 m 3 s 设计，5 0 0 0 年一遇的洪水流量 2 3 9 0 0 m 3 s 校核，最大泄洪功率达3 9 0 0 0 m w 。大坝设置表孔和中孔泄洪。表孔共 7 孔，沿拱坝顶部径向布置，每孔尺寸分别为1 1 o m x l l 5 m ( 宽高) ，表孔设计 洪水泄量为6 2 6 0 m 3 s ，校核洪水泄量为9 5 0 0 m 3 s 。中孔共6 孔，布置在表孔闸墩 第二章二滩大坝安全监测系统及其变形过程分析 下方，其孔口尺寸为6 0 r e x 5 0 m ( 宽高) ，采用压力平弯、上翘、扩散型短管， 出口采用挑流。中孔设计洪水流量为6 9 3 0 m 3 s ，校核洪水流量为6 9 5 0 r n 3 s 。 两条泄洪洞均在河谷右岸直线平行布置，洞的中心距离4 0 m 。采用浅水式短 进水口龙抬头明流泄洪洞，出口采用挑流消能。l # 号洞全长9 2 2 m ，2 群号洞全长 1 2 6 9 0 1 m ，隧洞断面采用圆拱直墙形式，尺寸1 3 0 m 1 3 5 m ( 宽高) 洞内最大 流速约4 5 m s 。两条泄洪洞设计洪水泄量和校核洪水泄量分别为7 4 0 0 r n 3 s 和 7 6 0 0 m 3 s ，约占总设计和校核流量的1 3 。最大泄洪功率达1 3 0 0 0 m w , 其规模为国 内已建成工程之首。 拱坝下游的消能防冲建筑物包括水垫塘和二道坝及二道坝下游护坦。水垫塘 全长3 0 0 m ，采用复式梯形断面，底宽4 0 m ，底板厚度3 m - - 5 m 。水垫塘底板和 边墙护坦板块周边设止水，同时在板缝下设排水廊道和排水暗沟。 引水发电系统布置于左岸，地下厂房发电系统主要由厂房、主变室、尾水调 压室、母线洞、尾水管等建筑物组成。并以主厂房、主变室和尾水调压室三大洞 室为主体，形成“上下分层、前后分列、纵横交错”的地下洞室群。地下厂房尺寸 为2 8 0 2 9 m x 2 5 5 m 6 5 3 8 m ( 长宽x 高) ，厂内安装6 台5 5 万k w 水轮发电机组， 规模居世界地下厂房的第四位。主变压器室尺寸为2 1 4 9 1 8 3 2 4 8 m ( 长x 宽x 高) ，尾水调压室尺寸2 0 3 o 1 9 8 6 9 8 m ( 长宽高) 。 2 2 二滩大坝安全监测系统 二滩工程无论在设计上或施工上都有很多突破，使用了很多国内尚未使用过 的新技术与新工艺，与现行国内规范不符合之处较多。因此，积极地开展原型观 测具有极其重要的意义。二滩拱坝安全监测设计参照混凝土坝安全监测技术规 范和工程实践经验，并密切结合二滩工程的特点，提出了高拱坝安全监测合理 可行的布置设计和解决方案，初步通过了二滩水电站运行检验，取得了较好的成 果，为大坝的安全及工程可靠运行提供了可靠的保障，亦为我国高拱坝设计提供 了可借鉴的丰富和宝贵经验。 2 2 1 拱坝监测设计原则及观测项目 二滩拱坝安全监测设计坚持仪器少而精，一种仪器多用途，重点部位多方法 监测，监测内容相互检查校核的布置原则。安全监测设计项目主要包括以下几个 方面内容： ( 1 ) 变位监测：坝体坝基水平位移、坝体坝基垂直位移、坝体坝基倾斜、 应力应变、拱端推力、钢筋应力、接缝开合度裂缝等。 第二章二滩大坝安全监测系统及其变形过程分析 ( 2 ) 渗流渗压监测：基础扬压力、基础渗流量、坝体渗漏量、绕坝渗流、 地下水位、水质分析等。 ( 3 ) 温度监测：坝体温度、坝面温度、坝基温度、运行期气温、库水温等。 ( 4 ) 水位监测：上游库水位、下游水位。 ( 5 ) 特殊观测：结合二滩工程特点，特殊监测项目包括：局部结构应力监 测一j ! i 中孔闸墩的混凝土应力、钢筋应力；闸墩预应力