（水工结构工程专业论文）土石坝渗流计算分析及实测资料分析.pdf

帮蜘大学碗十论文 舞扩掣 摘要 渗流问题是影响工程安全性的最重要的因素之一，因而渗流问题的研究具有 重要的理论意义和工程应用价值。本文从求解无压渗流场的有限单元法、渗透系 数的反演和渗流监控模型三个方面对该问题进行了探讨。能反映渗流运动规律高 精度的计算方法和能准确反映材料渗透特性的渗透系数是分析准确渗流场的前 提，二者相辅相成，缺一不可，而渗流监控模型描述了某一具体建筑物的渗流运 动规律。本文的主要工作如下： 1 对于有自由面渗流问题，其作为渗流域边界的自由面是待求的，因而这 类问题的分析是非线性的，需要反复迭代求解。本文利用通用有限元软 件a n s y s 的二次开发语言a p d l 编制了基于渗透系数调整法的有限元 程序，并将程序结果与试验结果进行对比，以验证程序可靠性。 2 渗流分析的结果的准确性同时依赖于计算模型的仿真性和计算参数的 准确性，介质渗透系数是渗流分析中最基本也是最重要的参数。渗透系 数的反演是典型的非线性问题，而目前尚无能较好解决此类问题的数值 算法。人工神经网络具有较强的非线性处理能力，本文正是利用人工神 经网络的这一特点，将b p 神经网络应用于渗透系数的反演。 3 在利用普通多元线性回归建立渗流监控模型中，监控指标之间存在的多 重相关性影响参数估计，扩大模型误差，破坏模型的稳健性。为了克服 多重相关性对模型的干扰，本文引入了能辨别系统信息与噪声的偏最小 二乘回归，并提出了一种基于偏最小二乘回归原理的土石坝渗流监控模 型。 关键词：渗流、有限元、渗透系数、反演、监控模型 型垄兰鳖兰丝兰 ! ! 竺! a b s t r a c t s e e p a g e p f o b l e mi so n eo ft h em o s ti m p o n a n tf a c t o r so ft h es a f e t yo fe n g i n e e r j n g ，s o t h er e s e a r c ho fs e e p a g ep r o b l e mh a ss i g n i f i c a mt h e o r e t i c a lm e a n i n ga n da p p l i c a t i o n v a l u e n i st h e s i sd i s c u s s e ss e e p a g ep r o b l e mf r o mf i n i t ee l e m e n tm e t h o df o rs o l v i n g u n c o n f i n e ds e 印a g ef i e l d ，p e m e a b i l i t yc o e m c i e n ti n v e r s i o na n ds e e p a g em o n i t o r i n g m o d e l t h eh i 曲- a c c u r a c yc o m p u t i n gm e t h o dw h i c hr e n e c t st h es e e p a g cl a wa dt h e p e 珊e a b i l i t yc o e 矗i c i e n t sw l l i c hr e n e c tt h em e d i u ms e e p a g ec h a r a c t e r i s t i cc o r r e c t l y a r ep r e m i s e st os o l v es e e p a g ef i e l da c c u r a t e l y ，a n dt h e yd e p e n do ne a c ho t h e lt h e s e e p a g em o n i t o r i n gm o d e ld e s c r i b e ss e e p a g el a wo fas p e c i a ls t m c t q r e t h em a i n w o r ko ft h i st h e s j sa sf b l l o 哺7 s ： 1 t l l l ef t e es u r f a c e ，a st h eb o u n d a r yo fs e e p a g ef i e l d ，i st ob es o l v e df b ru n c o n f i n e d s e e p a g ep m b l e m ，s ot h ea n a l y s i so ft h ep r o b l e m si sn o n l i n e a r ，a n dt h es e t t l e m e n t o ff r e es u r f a c en e e di t e r a t i v ec o m p u t a t i o n i nt l l i st h e s i s ，af e mp r o g r a mi s c o m p i l e db a s e do nv a r i a b l ep e 肌e a b i l 主t yc o e f f i c i e n tm a t r i xm e t h o db ya p d l s e c o n dd e v e l o p m e n tt o o l0 fg e n e r a lf e ms o f l w a r ea n s y s ，a n dt h er e l i a b i l i t y a i l dp r a c t i c a b i l i t yi sd e m o n s t r a t e db ya ne x p e r i m e n ta n dac a s e 2 t h ev e r a c j t yo fr e s u l to fs e e p a g ea l l a l y s i sj sr e l i e do nt h es i m u l a t i o no fc o m p u t i n g m o d e la n da c c u r a c yo fc o m p u t i n gp a r a m e t e r s ，a n dt h ep e 册e a b i l i t yc o e f f i c i e mo f m e d i u mi so n eo ft h em o s tb a s a la n dj m p o n a n tp a r 锄e t e f si ns e e p a g ea n a l y s i s t h e p r o b l e m0 fs e e p a g ec o e f f i c j e n ti n v e r s i o ni sat y p i c a ln o n l j n e a rp r o b l e m ，b u t t h e r ei sn og o o dm e t h o dt os o l v et h ep f o b l e m a n 诳c i a ln e u r a ln e t w o r kh a sv e r y s t m n ga b j l i t yt o s o l v en o n l i n e a rp r o b l e m ，a n dt h i st h e s i sj u s tb a s e do nt h e c h a r a c t e la p p l i e db pn e u r a ln e t w o r kt op e n n e a b i l i t yc o e f ! f c i e n ti n v e r s i o n 3 i nas e e p a g em o n i t o r i n gm o d e lb u i l tb yo r d i n a r ym u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o n ，t h e m u l t i c o l l i n e a r i t yb e t w e e ne a c hm o n i t o r i n gi n d i c a t o rw i l lj n n u e n c et h ep a r a m e t e r e s t i m a t i o n ，c n l a r g et h em o d e le h o ra n dd a m a g et h er o b u s t n e s so fm o d e l t ba v o i d m u l t i c o l l j n e a r i t y sd i s t u r b a i l c e ，p a n i a l l e a s t s q u a r e sr e 掣e s s i o nw h i c hc a ni d e n t i f y s y s t e mi n f 0 姗a t i o na n dn o i s ej si n t r o d u c e dt om o d e l ，a n d an o v e ls e e p a g e m o n i t o r i n gm o d e sj n t r o d u c e d k e y w o r d s ：s e e p a g e ，f e m ，p c 珊e a b i l i t yc o e m c i e n t ，i n v e r s i o n ，m o n i t o r i n gm o d e l i i 部豫太学碗| 论史 部重声蛳 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄 袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一切 法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ：耳彖碌盎 加口5 年工月如日 郑髓大学颤+ 论文 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 据资料分析，大多数岩土工程中发生的事故和地质灾害都与土中水有关。土 中水的增加使非饱和土的基质吸力锐减；部分岩土软化，土的结构破坏；由于超 静水压使土体的有效应力减小；由土中水引起自重应力的变化常使应力增加，抗 力减小；当发生渗流时还可能出于渗透力的作用而增加许多不利因素。渗流与水 工建筑物的安全和正常工作有着密切的关系【“。许多水工建筑物的失事都与渗流 有关，例如1 9 6 4 年b a l d w i nh j l l s 坝由于铺盖与基础接触面产生渗透破坏而失事， 1 9 7 6 年t e t o n 坝由于右岸一个窄断层发生渗透破坏，在不到6 个小时就发生了垮 坝事故。我国已有的大坝多是上世纪7 0 年代以前修建的，由于当时的经济技术 水平的限制，或由于多年的水文地质的作用而出现老化等原因，许多库坝已出现 病险隐患问题。根据我国对2 4 1 座大型水库曾发生的1 0 0 0 件工程安全问题的统 计，其中3 1 1 是由渗流引起的。在1 9 8 1 年全国发生的水库失事事件中，除因 缺少水文资料而导致大坝漫顶冲垮外，渗漏是导致溃坝的第二大因素。如山西省 东榆林水库( 中型) ，副坝坝基表层为砂壤土，以下为粉质砂土。在修建副坝时， 上游未做好防渗处理，下游虽挖了排水沟，但未做好反滤。在上游水位仅3 m 时， 就引起了坝基严重管涌，造成副坝溃决。广东省揭西县横江水库( 中型) ，库区 连续降雨5 5 5 m m ，因土坝质量差，坝身渗漏，除险处理不及时，渗漏管涌，导 致溃坝。 1 1 1 渗流分析 在大坝、堤防、水闸，以及地下厂房、高边坡、深水围堰等众多水利建设中 【2 j ，渗流控制是影响工程安全建设和运行的决定性因素之一。无论是对将建、在 建的水利工程进行地下水渗流控制设计，还是对己建水利工程的渗流控制进行监 控和评价，或者对病险坝库进行除险加固论证时，首先必须准确计算相应区域的 渗流场分布。 此外，随着当代人类工程活动的类型逐渐增多，活动空间的不断扩大，出现 的工程渗流问题和工程诱发的环境渗流问题越来越多，越来越复杂，所造成各方 面的损失也越来越严重。在建筑工程中，深基坑开挖工程不可避免，为了避免基 坑渗透变形破坏及地下水集中大强度渗漏造成基坑淹没，首先必须在准确计算渗 流场的基础上进行基坑防渗及排水设计。在能源、交通等基础工程建设中，都存 在与地下水有关的安全问题【3 】。在采矿工程中，因岩体采动而导致地下水的原有 郑伯k 学硕士论文 第一章绪论 的平衡被打破。地下水运动导致矿井淹没、岩溶塌陷以及采区地表沉陷等灾害时 常发生，为了对此类地质灾害做出准确的预测预报，需要对采动岩( 土) 区的渗 流场进行准确计算。在农业工程中，灌溉渗漏与渗入会引起土地湿化、盐碱化， 从而造成效益下降。渗流还会引起一些环境问题。如有毒生活和工业废水的排放、 固体垃圾堆放引起的地下水污染，放射性核废料通过地下水的污染和扩散，都促 使从理论分析到数值计算对渗流问题进行深入系统的研究。 渗流计算的任务1 4 j 可归纳为： 1 计算通过建筑物及其地基的渗流量，以确定建筑物上游水库的渗漏损失水 量，分析其对水库蓄水的影响，以及是否需要采取其它防渗措施，以减少渗漏损 失。 2 计算土石堤坝坝体内的浸润线，以便分析土石堤坝坝坡的稳定性。 3 ：计算建筑物及其地基内各点处的水头和压力，以确定在建筑物及其地基内 的分靠和变化，预测产生渗透变形的可能性。 4 计算作用在建筑物底面上的扬压力，以便分析建筑物的稳定性及应采取的 防惨、排渗措施。 5 计算建筑物及其地基内各点处的渗透流速和水力坡降，特别是渗流逸出处 的渗透流速和水力坡降，以便分析建筑物及其地基的渗透稳定性及所应采取的防 渗、排渗措施。 1 _ 1 2 渗透系数的反演 大坝特别是坝基内部的结构是极复杂的，仅就材料的物理力学参数而言，人 们就无法或不可能全面准确地确定，基于这种情况的设计必然会与实际有一定的 误差。另外，工程在建成经历一定的时间后，其内部结构已发生了一定的变化， 如混凝土强度的提高、弹性模量的增大、土的固结压密等。如何将这些变化反映 到设计计算中，如何基于原形观测资料透视建筑物本来面目，并籍以评价其运行 状况，这就涉及到反问题i 5 j ( i n v e r s ep r o b l e m ) 。目前关于反问题的研究在国内外 都尚处于初级阶段，面l 临很多难题，诸如：解的惟一性及稳定性【6 7 】、最佳参数的 确定、观测误差等。正因为反问题的不适定性，工程界对参数反演的结果的可靠 性一直表现为不信任，这也是迄今为止反演方法不能走向实践的一个最大障碍。 1 1 3 渗流监控模型 对原型观测资料进行合理正确的成因分析，及时发现工程运行中的安全隐 患，为管理层提供科学决策支持，充分发挥工程效益并减少突发事件的发生。原 型观测资料的研究1 8 】不但有助于认识大坝老化病害机理和进行科学公正的评价， 还能为治理的新方法新技术新材料研究打下基础。 一般地，为了更完备地描述和分析系统，尽可能不遗漏一些至关重要的系统 郑抻i 大学硕十论熏 第一章绪论 特征，往往较周到地选取有关指标，而这样构成的多指标系统常存在严重的多重 相关性。土石坝的浸润线高低直接影响边坡稳定，是安全监测的必测项目。在土 石坝渗流监测模型1 9 】中，影响测压管水位主要受上下游库水位、降雨和筑坝材料 的渗透时变特性影响。由于库水位变化传递到测压管位置还存在一定的滞后效 应，所以库水位包括前期库水位。当天库水位和前期库水位、降雨之间存在的相 关性会严重影响参数估计、扩大模型误差、破坏模型的稳健性。 1 2 国内外研究现状及问题 渗流学科的发展原来是作为很多学科领域的边缘学科向前发展的。渗流既是 水力学又是岩土力学所不可缺少的组成部分，也是水工结构、水文地质、地下水 文、农田水利、灌溉排水、地下水资源开发利用和石油开采以及矿床疏干等学科 中的部分内容。但由于各有关学科的不断发展和生产实践中提出的渗流问题目益 广泛复杂，现在，渗流已逐渐发展成为具有自己的理论、方法和应用范围的独立 学科。从本世纪2 0 年代开始，渗流对建筑物的影响逐渐为工程界所重视，许多 学者相继进行了研究，并取得了重大的成果。随着近代科学技术的不断发展，渗 流力学在基本理论、计算方法和应用方面都得到了极大的发展，已能用来解决多 种复杂的工程问题。 1 2 1 渗流计算分析方法的发展 渗流与水工建筑物的安全和正常工作有着密切的关系，这使得它对水工建筑 物安全和经济合理性的影响为工程界所普遍重视，也使得渗流力学在基本理论、 计算分析方法和应用等方面都得到了极大的发展。在大坝总量上占有绝对优势的 土石坝，由于筑坝材料的特性，受渗流影响最为严重，其渗流分析技术也最为成 熟。 早期渗流分析方法主要为水力学法，以后随着试验方法的兴起，特别是电模 拟法在渗流分析中的应用，和水力学法相互印证，使渗流计算更趋合理。水力学 法在分析中作了以下近似假定| 1o i ： ( 1 ) 渗流方向是水平的； ( 2 ) 在浸润线以下任何垂直剖面沿高程的水平渗透流速相等，其渗透梯度等 于垂直剖面顶浸润线的坡度。 由于水力学法有简化假定，其计算结果也是很近似的。在规范【4 】中，要求渗 流计算时要考虑坝体和坝基的各向异性，对1 级、2 级坝和高坝应按数值法计算 渗流场的各种渗流要素。规范对重要水工建筑物渗流场计算作了特别的规定，可 见规范只是有所保留的接受水力学法。 随着计算机和计算机技术的迅速发展，各种数值计算方法在渗流计算中得到 郑挑大学碗! t 论k 第一章绪论 越来越广泛的应用。目前渗流数值分析常用方法主要包括：有限差分法( f i ) m ) 【1 2 】、有限单元法( f e m ) 【1 5 1 、边界元法( d e m ) 1 1 6 j 、无单元法( n e m ) 、数 值流形法( n m m ) 等，这些方法都基于连续介质渗流理论。对于最常见的有自由 面的渗流，其作为渗流域边界的自由面位置是待求的，需要迭代才能求出，因此 自由面的求解也是渗流数值分析的重点与难点。 有限差分法使用比较早，在工程中应用比较广泛，当计算机普遍应用以后， 这种算法得到迅速发展。文献【1 2 】采用适体坐标变换与有限差分相结合的方法， 克服了普通差分法只能应用于简单边界条件的缺陷，对复杂几何边界进行精确模 拟，问题的数值求解过程均在变换后固定的矩形正交网格系统中进行。 在将有限单元法应用于渗流场求解问题时，会涉及到不少求解理论及求解技 术，其中包括建模理论、有限元网格前处理技术和计算结果的后处理技术、渗流 场特性参数的确定、计算域边界模拟技术等。前处理技术是指在确定计算域的实 际形状及边界后，采用合理的单元格式离散计算域，获取有限单元法计算所需的 网格数据；后处理技术是指根据网格数据和计算的结果，绘制相应的等水头线、 等压线、流场分布图形，以利于工程应用。目前，大多数商业计算程序( 如a n s y s ) 都有比较完善的前后处理技术。在有限元渗流场求解所涉及的理论和技术中，后 处理技术、数学模型方程及大型线形矩阵方程组的求解技术的研究已比较成熟， 而在有限元的前处理方面则仍有许多问题有待较好的解决。 1 9 6 5 年美国学者辛克维茨( o c z i e n k i e w i z ) 和张( y k c h a n 曲提出有限单元法 适用可按变分形式计算的场问题，这就为有限单元法应用于渗流计算提供了理论 基础。早期主要采用移动网格法求解，虽然取得了许多成功的经验，但也表现出 方法本身的缺陷1 1 4j ：( 1 ) 当初始自由面与最终自由面相差较大时，网格过分变形 导致单元畸形；( 2 ) 渗流域内有结构物时，网格移动会改变结构边界；( 3 ) 网格变形 改变了渗流域内不同介质的边界；( 4 ) 无法计算自由面以上区域的其它物理量，因 此无法进行耦合分析。为了解决这些问题，已经出现了多种固定网格法，如剩余 流量法【1 8 】，单元渗透矩阵调整法【1 9 】，初流量法【2 0 】，虚单元法m1 5 1 等。单元渗透 矩阵调整法每次迭代求出自由面的位置，再求出穿越自由面单元的水上、水下部 分的体积，水上部分的渗透系数取纠爿( _ 一般取1 0 0 0 ) ，水下部分渗透系数取七。 文献【1 3 】改进了单元渗透矩阵调整法，不需要确定穿越自由面单元的水上、水下 部分的体积，提高了求解效率。初流量法| l l j 在计算跨自由面单元的节点初流量时， 自由面下高斯点不予计算，实际上是把跨自由面单元当成复合材料单元来处理， 计算精度受到影响。虚单元法【1 4 ”j 以上一次有限元计算求得的节点势为基础求 出自由面与单元节线的交点，移动跨自由面单元的某些节点，使节点落于交点处。 自由面将单元分成2 个区域，自由面以上为虚单元，这一区域在下一次计算时不 参与形成渗透矩阵；自由面以下为渗流计算区域。随着渗流计算区域逐步逼近实 郑姐夫学颀士论文 第一章绪论 际渗流区域，此法求出的结果也逐步逼近问题的真实解。 边界单元法1 1 9 】是在近代有限单元法发展的基础上兴起的新的计算方法。它的 基本思想是把边界离散为单元，从而可把边界积分方程转换为线性代数方程组以 获得问题边界值数值解，然后通过解析公式求得讨算区域的任一点的解。其特点 在于将数值方法与解析解有机的结合起来，把求解问题的维数降低了一维，减小 了计算量，计算精度较高且具有一定的普遍应用型。文献【1 4 1 提出了采用边界元 方法确定渗流自由面的改进迭代方法，其基本思想是：先初步估计渗流自由面的 位置，并假定渗流自由面上法向渗流梯度为0 ，然后根掂边界采用边界元法求解 渗流场，根据求解结果再调整自由面的位置，反复迭代直到渗流自由面和自由面 渗流梯度满足精度为止。 在有自由面渗流中，以往的有限单元法都涉及到单元的处理问题。文献1 2 ” 利用无单元节点可以随机分布且和积分网格无关的优点，摆脱了单元的约束，可 以避免积分子域在迭代中的变动。无单元法通过待求节点在其影响域进行插值， 可以建立场函数的高阶连续可导的的近似函数，具有灵活和精度高的优点。 渗透探测方法是研究渗流场的一种行之有效的方法，并在许多工程中取得成 果。常规的渗透探测方法有：人工破损探测法、电法探测，示踪探测技术【2 2 】也 不断完善和发展。在许多复杂的情况下，如多种补给、绕坝渗流等，示踪探测技 术能得到其它探测手段不易或不能得到的重要参数。示踪技术和相关井流理论的 发展，为复杂渗流场探测增加了一种新颖而准确的探测手段，具有良好的应用前 景。 1 2 2 大坝反分析 通过原型观测资料的难分析，建立各种数学监控模型，用以监测和评价大坝 的运行情况。如果仿效系统识别理论将正分析的结果作为依据，通过相应的理论 分析，借以反求水工建筑物和地基的材料参数以及某些结构特性等，则称之为反 演分析法。反分析的最终目的是建立一个更接近现场实测结果的理论预测模型， 以便能较正确地反映或预测水工建筑物的某些特性。 在渗流场求解的过程中，计算模型、介质水力学参数、边界条件的确定是求 解的前提，但有时因为地质勘探及水力学试验的不足，这些十分重要的因素难以 得到有效的计算和确定，这时，反分析方法就显得十分重要。 反演分析方法目i j 主要有脉冲谱法和数值优化法，其中优化法的应用比较普 遍。脉冲谱法的主要原理是通过l a p l a c e 变换将原时间一空间域的问题转化为频率 一空问域的问题，并在频率一空问域中把求解参数反问题的过程转化成求解正问题 和求解积分方程耦合迭代过程。目前脉冲谱法还仅局限于解决各向同性非均质的 渗流参数反问题。优化法的基本原理是通过建立目标泛函，把确定的系统参数问 题转化为目标未知数的优化问题。参数的优化调整可是人工的，也可以是采用不 郑蚺人学碗。l ：论盅 第一章绪论 同的优化方法直接求解优化问题。根据建立目标泛函依据的误差准则不同，优化 法可以分为直接法和间接法。直接法通过方程残差向量构造目标泛函，将参数反 问题转化为优化问题。直接法不仅计算工作量大，计算结果不可靠，而且不能用 来计算非线性渗流参数反问题。在工程实践中，直接法的应用很有限，远远不如 间接法应用广泛。间接法依据实测水头值与模型输出值的误差建立目标泛函，将 渗流参数反问题转化为非线性优化问题。间接法的优点是不受非线性问题的限 制，反演过程稳定性相对较好。但间接法求解反问题最终要解非线性优化问题， 目前尚未有一种有效可靠的非线性算法，因此应用徊j 接法的难点还在于寻找适合 实际问题的可靠的优化算法。文献【2 3 】利用间接法巾的逐个修正法把反问题转化 为一系列正问题求解，克服了反问题的解对实测数据的不连续依赖性，计算速度 快并具有良好的稳定性。由于渗流反问题是典型的非线性反问题，难以用简单的 数学、力学模型来模拟，随着人工神经网络【卸、遗传算法【2 5 】等前沿学科不断被 引入反分析领域，进一步推动了反分析的发展。文献 2 3 1 针对经典的b p 神经网 络算法收敛较慢且易陷入局部较小的缺陷，提出了基于模拟退火的交替迭代算法 的神经网络模型，并将该方法应用于大坝渗流参数辨识，取得了较好的效果。其 主要思想是将有限元计算的参数和结果作为神经网络的训练样本，利用模拟退火 的交替迭代算法进行计算，得到最优的网络连接权值。与传统的参数反演算法相 比，遗传算法是一种直接的随机寻优方法，其模拟了自然界生物进化过程中的优 胜劣汰和适者生存的法则，将选择、交叉和变异等概念引入算法中，克服了传统 优化算法的连续性和可导性的限制以及易陷入局部最优的缺点，搜索具有隐含并 行性，可较快搜索到全局最优解，并且对目标函数的形态没有具体要求。文献f 2 4 1 利用遗传算法的基本操作模拟自然选择和自然遗传过程中的繁殖、交配和变异现 象，从待反演参数组成的解种群中逐代产生新的群体，作为三维有限元的计算参 数，再利用有限元计算的结果作为个体适应度函数的参数，最终搜索到最优个体， 即为反演的参数。 1 2 3 渗流监控模型 1 9 5 5 年意大利的法那林( f a n e l l i ) 和葡萄牙的罗卡( r o c h a ) 等，应用统计回归方 法定量分析了大坝的变形观测资料。1 9 7 7 年法那林等将理论计算值与实测资料 有机结合起来，这类模型对监控大坝安全比较适用。法国在资料分析方面要求简 捷、迅速，他们采用m d v 法监控大坝，即在测值序列中去掉水压和温度分量后 的剩余部分( 即时效和残差，也称“已核币过”的值) ，并分析其规律，判断大坝 的允许工况。 在1 9 7 4 年以前，我国的监测资料分析工作主要以定性分析为主，1 9 7 4 年以 后，在河海大学陈久宇教授的丌创下，应用统计回归法分析原型观测资料，并将 分析成果加以物理成因解释，使其逐渐用于监测大坝的安全运行和评价分析大坝 部媳是学硕t 诧逆 第一章绪论 的工况。 在坝工实际问题中，影响个事物的因素往往是复杂的。例如大坝位移，除 了受库水压力影响外，还受温度、渗流、施工、地基、周围环境以及时效等因素 的影响。因此在寻找预报量和预报因子之间的关系式时，不可避免地要涉及到许 多因素，找出各个因素对某一预报量的影响，建立它们之问的数学表达式，即回 归模型。借此推算某一荷载集时的预报量，并与其实测值比较，以判断建筑物的 工作状况，对建筑物进行监测。同时，分离方程中的各个分量，并用其变化规律 分析和估计建筑物的结构性念。原型观测资料统计回归分析法主要有：多元回归、 逐步回归、加权回归、正交多项式回归和差值回归等。 多元回归利用最小二乘原理找出预报量与自变量的数学表达式。逐步回归分 析法是从一个预报因子开始，按其对因变量作用的显著程度，从大到小依次逐个 地引入回归方程，当引入的因子由于后面的因子引入而变得不显著时，就将它剔 除。因此，逐步回归中有的步骤引入因子，有的步骤剔除因子，每一步都要作统 计检验，以保证每次引入新的显著因子以前，回归方程中只包含显著因子，直到 显著因子都包含在回归方程以内为止。差值回归的基本原理是尽量使各类自变量 因子始终保持在相对独立的前提下进行回归计算，以避免由于自变量因子的相关 性而产生分离各个分量的偏差。加权回归法为了体现各数据和各因子的重要性， 对每个数据或因子给以不同的权系数。当多项式的项数很多，阶数较大时，将多 项式回归化为线性回归，使回归方程的因子数增大，法方程就会变得相当“病态”， 必须采用具有更高数值稳定性的计算方法。目前常用正交法，即应用 g r a m m s c h m i d c 正交化过程求解矛盾方程组得最小二乘解。 由于影响大坝安全因素的客观复杂性，在使用回归模型对实际工程进行分析 时，有时得不到满意的回归效果，即安全监控模型存在欠拟合问题。为了提高模 型拟合精度，回归模型中引入了遗传算法 2 6 和神经网络【2 7 l 等算法，建立了新的 数学模型。陈维江j 在逐步回归法初步建立的回归模型的基础上，使用改进的 遗传算法对模型的回归系数进行重新评估，以得到网归系数的全局最优解或相对 全局最优解，并建立新的大坝安全监控模型，拟合精度比混合模型有明显提高。 1 3 本文的主要研究内容及技术路线 由于渗流对水工建筑物的安全有重要的影响，本文在参考大量国内外文献的 基础上，结合陆浑水库及其他工程实例从渗流计算分析、渗透系数的反演以及渗 流监控模型三个方面阐述渗流运动规律及其防治。渗流的计算方法是在一定的描 述渗流运动规律方程下的算法，该算法应该能得出渗流支配方程的相对精确解， 否则无法反映方程所描述渗流的运动规律。渗流计算方法和渗透系数反演相辅相 帮抽大学张l 论文 第一章绪论 成。渗透系数是反映了材料的渗流特性，准确的材料渗透系数是渗流计算分析的 前提，较精确的渗流计算方法是反演渗透系数的基础。渗流监控模型是反映某一 具体建筑物渗流规律，是大坝安全监控的重要组成部分。本文的主要内容归纳如 下： ( 1 ) 根据的渗透系数调整法，利用通用有限有分析软件a n s y s 的二次开 发编制无压渗流的有限元分析程序，并将程序计算结果与实验结果进行对比分， 以验证程序的可靠性。对工程实例进行渗流有限元分析，证明了程序在计算多种 材料模型的通用性。 ( 2 ) 利用上述有限元分析方法获得设计参数的大致范围，设计计算参数不 同水平的组合，利用有限元计算为人：f j 神经网络提供训练样本。根据工程实测资 料反演材料的渗透系数，并讨论反分析解的唯一性问题。 ( 3 ) 在利用普通多元线性回归建立渗流监控模型中，监控指标之间存在的 多重相关性影响参数估计，扩大模型误差，破坏模型的稳健性。为了克服多重相 关性对模型的干扰，引入了能辨别系统信息与噪声的偏最小二乘回归，并编制了 程序。基于偏最小二乘原理，本文提出了一种新的土石坝渗流监控模型，得到了 较好的结果。 1 4 本章小结 ( 1 ) 根据我国多座大型水库安全问题的统计资料以及其他大量岩土工程事 故和地质灾害的成因的分析中得出，渗流与工程安全问题密切相关。 ( 2 ) 系统地总结了国内外多孔连续介质渗流场计算分析方法的研究进展， 并着重介绍了求解有自由面渗流的几种有限单元法。 ( 3 ) 阐述了大坝反分析的目的、意义和反演分析的主要方法。 ( 4 ) 介绍了国内外监测资料分析的发展历程、主要方法和当前研究的前沿 方向。 ( 5 ) 在总结国内外已有的研究成果的基础上提出了本文的主要研究方向。 郑豫大学顿 论文 第二章渗流分析基础理论 2 1 引言 第二章渗流分析基础理论 水或其它流体在岩土等孔隙或裂隙介质中的流动，可以统称为渗流，其流动 的性质取决于作为渗流骨架的岩土性质与其中流体的性质。由于这些性质，特别 是介质的空隙大小形状及其分布异常复杂，就很难用孔隙形式表征其渗透性，也 不易像地表水那样寻求水流质点的真实流速，所以常用平均概念和综合性的参数 代表其渗流性质。这种方法的实质就是用和真实水流属于同一流体的、充满整个 含水层的假想水流来代替仅仅在空隙中运动的真实水流，通过对这一假想流体的 研究来达到了解真实水流平均渗透规律的目的。 从不同的角度呵将渗流问题分为以下几类： ( 1 ) 从运动形态的角度分类 按运动要素随时间的变化，渗流可分为稳定流和非稳定流。前者指渗流的 各运动要素仅随空间坐标的变化而变，与时间无关；后者指渗流的各运动要素不 仅随空间坐标变化，而且随时间坐标的变化而变。 按运动要素与空间坐标的关系，渗流可分为一维、二维、三维运动。 ( 2 ) 从渗流场中水的流态角度分类 渗流运动可以分为层流和紊流两种流态。通常用r e y n o l d s 来判别二者： ， r e ；兰( 2 1 ) ， 式中：v 一渗流速度； 卜含水层颗粒平均粒径； 、r 一运动粘滞系数。 巴甫洛夫斯基求得临界雷诺数为7 9 ，当临界雷诺数小于该值时即为层流，反之 即为紊流。 2 2 渗流基本定律和渗流介质的渗透系数 2 2 1 达西定律 1 8 5 6 年，达西( d a r c y ) 【2 9 j 在设计第戎( d i j o ) 城的公共供水工程时，通过试验 得出： 。：一七业 出 ( 2 2 ) 郑蛐大学礤i 论文 第二璋渗流分析基础理论 式中：k 一土的渗透系数。 公式( 2 2 ) 即为达西定律，他表示渗流流速v 与水头h 的导数成正比。 将达西定律普遍化到各向异性渗透时，可写成下面的一般微分形式： v ，：一k ，竽 ( 2 3 ) v ，一b 祟 ( 2 4 ) 叱；一女：譬 ( 2 5 ) 达西定律是描述能量损失的线性阻力关系，渗流坡降i 的大小反映阻力的大 小，代表单位重流体能量沿程的损失率，从伯诺里能量方程出发也可以说明达西 定律是描述流动的工程中能量守恒的一个表达式。 达西定律规定渗透流速与水力坡降成线性关系，比例常数是渗透系数k 。这 是在流体处于层流和流变方程符合牛顿定律的前提下才成立的。对于大颗粒土， 存在大孔隙通道，在高水力坡降下可能渗透变成紊流；在粘土中，水与颗粒表面 的相互作用也可能是流变方程偏离牛顿定律。这分别成为了达西定律的适用情况 的上、下限。 水在粗颗粒土，例如砾石、卵石的孔隙中流动时，水流的形态可能发生变化， 随着流速增大，呈紊流状态，渗流不再服从达两定律，类似于管道水流，用雷诺 数r e 来判断粗粒土中水的流态。 r e r e 5 时，过渡区，v = 材“”； r e 2 0 0 时，紊流区，v = u o 5 。 也可以不计流动形态，用统一公式模拟试验结果，如下式： j = 口q + 6 留2 ( 2 6 ) 或，2 凹”( m ：1 。2 )( 2 7 ) 式中：口、6 为试验确定的常数。 般认为达西定律对于粘性土也是基本适用的。可是在较低水力坡降下，某 些粘土的渗透试验表明，v 与j 之间偏离直线。对于这一现象有不同解释，但是 一般认为这是由于粘土颗粒表面与孔隙水间化学作用的结果，亦即双电层内的结 合水与一般的流体不同，是半固态，有较大的粘滞性，不服从牛顿粘滞定律，只 有在较大的起始坡降下，才开始流动。 需要指出，关于粘土渗透的起始坡降问题，认识并不一致。1 9 7 6 年在苏联 郑蛳丸学碗士论文第二章渗流分析基础理论 基辅召开的国际第三届渗流问题就认为，粘土渗流过程可按达西定律确定，没有 起始坡降问题。 虽然，在较人的水力坡降下，粗颗粒砂砾石中的较快流动，或在粘土中的微 小流速，都不是层流运动。然而在工程实用上，由于和整个流场相比，这些超过 达西定律上下限的局部区域经常是不大的，而且大多数自然状态的土( 砂、粘土 和细裂隙岩石等) 中渗流均能符合层流规律或偏离不远，故为了求解简单，一般 仍可按达西定律处理问题。因此在求解渗流场的问题中，无论是稳定的或非稳定 的渗流场，以及可压缩的固结问题等，引证渗流的基本方程( 拉普拉斯方程、扩 散方程、固结方程) 时，都是以达西定律作为假定的基础。 2 2 2 杜布依近似假定 i 、，! ，、。| 1 。 。 r 叫一舭 l ! 一一一； ( a ) ( b ) 图1 1 杜布依假定的说明 杜布依( d u p u i t ，1 8 6 3 ) 研究地下水缓慢流动时，由于渗流自由面的坡度很 小，认为可以假定沿深度方向的铅直线式等势线，即测压管水头h = 常数，以简 化问题。如图1 1 所示的二维稳定渗流的纵剖面，自由面是一条流线，正确的等 势线及流速分布如图1 - 1 ( a ) 所示。按照达西定律，沿自由面上任一点的流速应 为 v 。：一t 塑；七韭：廿s i n 口( 2 8 ) v 。皇一七_ = 七= 七s l n 口 ( 2 8 ) d s出 因为水面倾斜度毋角很小，杜氏建议用t 驴= 曲，毗代替s i n 口，也就是相当于假定 等势线是铅直线，即流速是水平向的，具有静水压力分布，如图1 1 ( b ) 所示。 基于这种假定时，平均流速与单宽流量为 v ，：一七警，h ：h ( x )( 2 9 ) q 一柚 ) 警 ( 2 _ 1 0 ) 杜氏假定能使原来问题的多个独立变量( x ，z ) 减为一个，以h ( x ) 代替h ( x ，z ) ， 在式2 - 1 0 中的z 不再以独立变量出现而变为一元水流问题。 杜氏假定实际上是略去了纵剖面上的垂直流速分量v ，：如竺，该值在水平 一 麟 k 冀 j 孓妒一 、 二 。闶叫 郑静| 大学碗 论文第二章渗流分析基础理论 不透水底面上是”z = 0 ，到自由面上为v ： 地方采用杜氏假定将产生较大的误差。 ；一t 丝：一ts i n ：疗，因此自由面很陡的 d z 应用杜氏假定与水平不透水层上的缓变无压渗流 n 4 一z 2 + g - 2 一n z 2 i 芒) “ 式中：h 1 、h 2 一上下游水深；、 h 一从下游起任意距离x 处的水深。 从而可i 画出近似的渗流自由面。 2 2 3 渗透系数 可得到自由面的公式 ( 2 1 1 ) 渗透系数表示土的渗透强弱的程度，它与许多因素有关，如土的种类，土颗 粒的级配，土的密实度，渗透液体的动力粘滞系数及温度等。土的种类不同，其 渗透系数的大小也不同，粘性土的渗透系数较小，非粘性土的渗透系数较大。土 的颗粒级配对土的渗透系数的影响最大，因为土的颗粒级配在很大程度上影响到 土的孔隙尺寸、孔隙的形状和孔隙比的大小。颗粒越细，越不均匀时，土的渗透 系数就越小；颗粒越粗，越均匀和越浑圆时，土的渗透系数就越火。 土得密实度也直接影响到土中孔隙和孔隙比的大小，所以对土的渗透系数也 有很大影响。土的密实度大，则孔隙比小，土的渗透系数小；士的密实度小，则 孔隙比大，土的渗透系数大。孔隙比固然与渗流有关，而孔隙通道的大小更为直 接地影响透水性，并对研究管涌起决定性作用。 填充孔隙中的水，除能自由流动的重力水外，还有受分子力作用的吸着水和 薄膜水，以及毛细水等各种形态的水，而且有水气和气泡存在，所以真正作为水 流动的孔隙必然减小。我们把这种能供给水流动的孑l 隙称为有效孔隙，它不仅与 土粒和其间的孔隙大小有关，也受水头压力的影响。饱和度与渗透性密切相关， 因为气泡存在能使渗水的孔隙体积减小，并增加对渗透的阻力。 渗透系数与液体的动力粘滞系数有很大关系，试验表明，液体在土中的渗透 流速与液体的动力粘滞性系数成反比，与液体的质量成正比，故渗透系数也与液 体的动力粘滞性系数成正比，与液体的质量成正比，即： t ：盯堡：r 丛：墨( 2 1 2 ) 叩p ， y 式中：盯士的内在透水率； p 液体的密度； v 液体的运动粘滞性系数； 部姐大学颓i 论文第一章渗流分析基础理论 卵液体的动力粘滞系数。 由公式( 2 1 2 ) 可知，液体的动力粘滞性系数大，则渗透系数小；动力粘滞 性系数小，则渗透系数大。 霍伯特( m k h u b e n ) 曾对直径为d 的均匀玻璃圆球组成的理想孔隙介质 进行试验，用密度为p 和动力粘滞性系数为目的液体作为流体，发现通过介质的 渗流流速v 不仅与流体水力坡降掣成正比，而且与介质颗粒直径的平方矿和流体的质 d 5 量m ：j 9 9 成正比，与流体的动力粘滞性系数目成反比，即： 。：一翌盈塑 ( 2 ，1 3 ) d s 式中：c 一比例常数，如果渗流介质是土，则常数c 与介质的颗粒大小及分布、 颗粒的球度以及其密实度有关。 由式( 2 1 2 ) 和式( 2 1 3 ) 得土的内在透水率为： j f = c d 2 ( 2 1 4 ) 土的渗透系数t 通常可通过实验室试验和野外试验的方法来确定。 渗透系数一傲情况下不随时间变化。但在某些情况下，如因外部荷载的作用 改变了骨架的结构与构造，或是粘上的膨胀作用、干燥脱水等，则可将它看成时 间的函数。 2 3 渗流的基本方程 2 3 1 运动方程 地f 水运动方程可以由作用到液体上各力的平衡求得，这些力是：液体表面 的水压力、重力、渗流受到的阻力。这些力可概括为表面力与体积力两类。因为 推导过程与一般流体力学中的运动方程相同，所以可直接引用一般流体运动方 程，只要把水质点运动速度当作多孔介质中孔隙水流运动速度，再按照孔隙水流 真实速度p 与全断面上平均深流速度p 的关系转换为y 即可。 现在对比引用流体力学中最一般的运动方程纳维司托克斯方程，该方程 是在考虑流体粘滞性产生的剪切应力，并将剪应力和f 应力表示为流速梯度引证 出来的。对于不可压缩流体，纳维。司托克斯方程为： 丝；，一土望+ 内：v ： ( 2 1 5 ) 以da x 4 型j 兰堡兰! 丛 塑三皇堡坚坌塑塑! 垄堡 盟；f ，一三望+ 啊z 。2 出 i7 p 砖。 3 ( 2 1 6 ) 盟；f 一三望+ 何：v ： ( 2 ，1 7 ) 出 。 pd z 上式的物理意义为质量力、液体压力、流体阻力和加速力的平衡关系，也是描述 能量守恒的方程。当粘滞性v = 0 时，最后一项消失，即变为理想流体运动的欧 拉方程。 对于多孔介质中的渗流，可把上式中的水质点的真实流速v 。转换为全断面的 平均流速v 除以孔隙率h 得到相应的运动方程： 三冬；，一三g r a d p + 兰v ：f ( 2 1 8 ) n 出口。 ” 应为i = ih ，y ，z ，f ) ，将其求导展开： 生：盟。+ 盟。+ 翌。+ 翌 ( 2 1 9 ) 石2 面”z + i ”y + i ”z + i “。引 渗流速度及其在各坐标方向的导数很小，可以略去，则