（水工结构工程专业论文）土石坝结构性态安全评价方法研究.pdf

瓣簧 i i i i i i i i l l1 1 - - i ! ，t _ _ 捎篓 裁i 廷爨l 擘9 磊每底绩诗，稳嚣恐建戏大巾小型求黪8 4 万聚缕，蔌审露璞占9 0 疆土。这黪工程程瑗涎经济建设巾发挥了甄大鞠 萋臻，热嚣，瞧饕大坝数量豹趱麴、 瓣瓣鹣豢穆、竣羚酌壤长，稳当器努夫埂移在饕蘩些不蜜垒霞豢，太援失凄黪游程 危除秀瓣夫。因蘧，弱麓骧鍪鬣溅辫辩，秘警努轿主香续蚤熬寝蟹疑蒸影响爨之阏瀚荧 系，瓣六璐结稳安全糕态镦密合理译褥，将憝磺饕繁裔惫义豁研究工襻。 涂文铮瓣石骥的运行特点，婿究了漤测瓷鞑误麓谈巍翱蕊溅瓷瓣分橱瓣裁方法， 撬出了石域结鞫往森多缀横颧模式谈剃嬲特征德方法，并瑙实例和淡勰桁。 1 给i 秘了媛登戏溯瓷鞑系统瀵差耱糖麓魏淡瓣方法；分瓣7 主石壤测压镑瘩位黪 影搠豳予，并建立了测蕊铃水位观测瓷料豹统计模黧 结合陵浮水库丈坝测腥营水经 实溅浚辫，霹上述蠼谂霹方法避器稔验裁论谣。 2 零文舒对双魏线强麴黪璃攒型灵活性蓑、囊逶痘能力麓约缺点，撼出辫建立了 疆鼗钱潍秘三渗数模鬻，大丈搓黼了鞭整线模型豹魏套秘颟溅精度。竣虢浮承疼大蠼 瀛黪躐测燮瓣分振为铡，浆双髓线翻嬲三参数模型与双麴载联魍露媛模型、黠敷攒犁、 敦龟横鍪对魄，绻渠撼示，双薅线滔鹣三参数横蠹预溅效祭最往。 3 。建立了曩缎辩效菱形豹臻m ( 1 ，1 ) 等绻聚息模型，遴邀对等缭毅憋摸裂缝 数穗域靛臻突，菠淡冀存褪一爱姨缎数送域。盘实秘势撬霹楚，最德潍数区肇鼹磷炎 瓣熊豹性矮帮数摄露酬憨黪点霄荚，霹逶避数镶试验袋臻京。 霹。嚣嚣b p 襻经瓣络模型学习收鼗遮壤嫒、密霹渗入羼辫缀小藏窝入王骥试l ： 馨 量夹等旋煮，本文挺爨了舔鲶数据线经燕格纯戆蘧方竣、记忆武褪始纯较毽瓣稳方 法虢蔹参数鑫旗藏选方法，辩穗p 穰燮遴行了竣避。经遘实锶努褥诞鹅，黻上辩人工棒 经阏络b p 禳黧的改避方法，x 圣予掇离随络运彳亍狡馥蘧菠、稼建貉久两部援夺蕊、掭藤 模爱耩寝等霹；眷较大懿菠蒜捧臻。灞辩，零文逶摄出了获懿獭擎旗疆、b p 麓麓模黧韵 建穰方法与蒜潞。 5 錾予互槎犊糊繁多缀援黼糗式镶剐理论串鼹太袋满寝琢粼静不适翊往，绪寄生 石琰安溺鼹悫状况辩褥点，键出蔫褥对、穗辩状态( 躐缀掰) 将缓德作为鄹麟或谈剐 大城安垒黻怨酌薪方法。并娃黼浑承簿为实例澍该程论藕方法舰以解瓣。分析藏袋纛 摘要 明，本文提出的土石坝实测性态多级模糊模式识别特征值方法是有效可行的，也为土 石坝实测性态安全评价提供了新的方法和思路。 关键词：土石坝，统计模型，三参数模型，最佳维数区，等维新息，b p 模型的改进， 多级模糊模式，特征值 摘要 a b s t r a c t i nt h ee n do f1 9 9 6 ，nh a sb e e ns h o w e ds t a t i s t i c a l l y t h a te a r t h 。r o c kd a mi sm o r e t h a n9 0d e r c e n ti n8 4 ，0 0 0l a r g e 、m e d i u m a n dm i n i t y p er e s e r v o i r sa n dd a m s w h i c hh a v e b e e nb u i l tu p t h ed a m sp l a yai m p o r t a n t r o l ei nb u i l d i n go fg r o s sn a t i o n a le c o n o m y ，b u t ， w i md a mn u m b e ri n c r e a s i n g ，t h eu s e d t i m eg o i n g b y , t h e d a m a g eg r o w i n g ，a n u m b e ro f d a m sh a v es o m eu n s a f ee l e m e n t s a n dp o t e n t i a ld a n g e ro fd a m si s 0 1 1t h ei n c r e a s e - t h e r e f o r e ，i ti sv e r yi n t e r e s t i n gr e s e a r c h t h a ta n a l y z i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e ne v e r ye f f e c t q u a n t i 够a n di n f l u e n c eq u a n t i t yo f e a r t h - r o c kd a ma n dh a v i n gr e a s o n a b l ee v a l u a t i n gf o r s a f e t yo f e a r t h - r o c kd a ms t r u c t u r e ，a c c o r d i n gt op r o t o t y p eo b s e r v e dd a t ao f e a r t h 。r o c k d a m i nt h i st h e s i s a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c s o fe a r t h r o c kd a mr e a lo p e r a t i o n b e h a v i o r i ti ss e a r c h e dt h en e w m e t h o do fe r r o ro fp r o t o t y p eo b s e r v e dd a t ar e c o g n i t i o n a n d p r o t o t y p eo b s e r v e da n a l y s i so f e a r t h r o c k d a m t h ec h a r a c t e r i s t i cn u m b e r m e t h o do f t h em u l t i p o l ef u z z yp a t t e r nr e c o g n i t i o no fe a r t h r o c kd a m s t r u c t u r ei sp r e s e n t e d t h e a b o v em e t h o d sa r ep r o v e db yt h er e a le x a m p l e 1 r e c o g n i t i o n m e t h o do f s y s t e m e r r o ra n dl o u r s ee r r o ro f t h ep r o t o t y p eo b s e r v e d d a t a o fe a r t h r o c kd a mi sp r e s e n t e d a n a l y z er e a s o no fp i e z o m e t r i cl e v e lo f e a r t h - r o c k d a ma n de s t a b l i s ht h es t a t i s t i c sm o d e lo f t h eo b s e r v e dd a t ao fp i e z o m e t r i cl e v e l c o m b i n i n g t h em e a s u r e dd a t ao fp i e z o m e t r i cl e v e lo fl u h u nd a m ，w ec a nc h e c k a n dd e m o n s t r a t et h ea b o v et h e o r ya n d m e t h o d 2 i nv i e wt ot h ei n q u a l i t yf l e x i b i l i t ya n da d a p t i v ed e f i c i e n c y o f g e n e r a lh y p e r b o l a 摘要 r e g r e s s i o nm o d e l ，i n t h i st h e s i s ，w ep u tf o r w a r da n dc r e a t et h eh y p e r b o l a r e g r e s s i o n t h r e e p a r a m e t e rm o d e l t h a te n h a n c e st h ef i ta n d f o r e c a s t i n ga c c u r a c yo f t h em o d e l i nt h e e x a m p l eo ft h e o b s e r v e dd a t a a n a l y s i s o fl u h u nd a ms e t t l e m e n t ，t h e h y p e r b o l ar e g r e s s i o nt h r e e - p a r a m e t e rm o d e l ，t h eg e n e r a l h y p e r b o l ar e g r e s s i o n m o d e l ，l o g a r i t h mm o d e la n dg r a ys y s t e mm o d e lh a v eb e e nb u i l t ，a n da n a l y z e d r e s u l t ss h o wt h a tt h ef o r e c a s to ft h eh y p e r b o l a r e g r e s s i o nt h r e e - p a r a m e t e rm o d e li s o p t i m a l 3 e s t a b l i s ht h en e wi n f o r m a t i o nm o d e lo fe q u a ld i m e n s i o no fg m ( 1 ，1 ) o f a g i n g d e f o r m a t i o no fe m b a n k m e n t d a m t h r o u g ht h er e s e a r c ht od a m ，w ef i n dt h e r el i e s a no p t i m a ld i m e n s i o na r e a a sc a nb es h o w e df r o ma n a l y z i n gr e a l e x a m p l e ，t h e o p t i m a ld i m e n s i o na r e a , h a v i n gr e l a t i o nb e t w e e nt h eq u a l i t yo f r e s e a r c h e dq u e s t i o n a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f d a t a s e q u e n c e ，c a l lb ed e f i n e db yn u m e r i c a le x p e r i m e n t 4 p o i n tt h ep r o b l e mo fb p m o d e ls u c ha ss l o w c o n v e r g e n c e 、e a s i n ge m b o g i n gl o c a l m i n i m u ma n d q u a n t i t y o fm a n u a l a d j u s t m e n t ，s o m e i m p r o v e d m e t h o d sa r e p r e s e n t e ds u c ha sn o n l i n e a rn o r m a l i z a t i o nf o rw e i g h tv a l u ea n dt h r e s h o l dv a l u e ， a n da u t o m a t i cs e l e c t i v ep r e f e r e n c eo f p a r a m e t e r i ti sp r o v e db yt h er e a le x a m p l e t h a tt h ea b o v e i m p r o v e dm e t h o d so nb p m o d e lh a v eg r e a tb e t t e r m e n tt oi n c r e a s e t h er a t eo f c o n v e r g e n c e ，a v o i de m b o g i n gl o c a lm i n i m u ma n d i m p r o v e t h ea c c u r a c y i nt h i s t h e s i s ，t h e m o d e l i n gp r i n c i p l e a n dm e t h o df o r g r a y b p m o d e la n d b p r e s i d u a lm o d e la r e p r e s e n t e dt o o 5 b a s eo nt h eu n w o r t h i n e s so ft h eb i g g e s t d e g r e eo fm e m b e r s h i pp r i n c i p l ei nt h e m u l t i p o l ef u z z yp a r e r nr e c o g n i t i o nt h e o r yo f e n g i n e e r i n gf u z z ys e t s ，t o g e t h e rw i t h 摘要 t h ec h a r a c t e r i s t i c so fo b s e r v e db e h a v i o ro fe a r t h - r o c kd a m ，c r e a t et h en e wm e t h o d t h a ta d o p tc h a r a c t e r i s t i cn u m b e ro fa b s o l u t er e l a t i v e ( o rc l a s s ) a st h en e wi n d e x m a r kt o j u d g e o r i d e n t i f ys o m e t h i n g t o g e t h e rw i t h l u h u nd a m ，w ee v e n d e m o n s t r a t et h ea b o v et h e o r ya n dm e t h o d t h ea n a l y z e dr e s u l t ss h o wt h a tt h e c h a r a c t e r i s t i cn u m b e rm e t h o do ft h em u l t i p o l ef u z z y p a t t e r nr e c o g n i t i o nt h e o r yo f e a r t h r o c kd a mi se f f e c t i v ea n df e a s i b l e ，a n da l s op r o v i d en e wm e t h o da n d t h i n k i n g o f p r o t o t y p e o b s e r v e db e h a v i o rs a f e t ye v a l u a t i o no f e a r t h - r o c kd a m k e yw o r d s ：e a r t h r o c kd a m ，s t a t i s t i c a lm o d e l ，t h r e e - p a r a m e t e rm o d e l ，t h e o p t i m a l d i m e n s i o na r e a , t h en e wi n f o r m a t i o no fe q u a l d i m e n s i o n ， i m p r o v e m e n t o fb p m o d e l ，t h e m u l t i p o l ef u z z yp a r e r n ，t h e c h a r a c t e r i s t i cn u m b e r 第一章结论 1 1 概述 1 1 1 大坝建设概况 第一章绪论 随着科学技术的进步和经济建设的发展，我国水利水电事业得到蓬勃发展。第一 个五年计划期间( 1 9 5 3 1 9 5 7 年) ，在海河流域的永定河上修建了官厅水库，在淮河流 域河南省境内修建了石漫滩、白沙、南湾、板桥、薄山等水库，均为土坝。在安徽省 修建了佛子岭水库、梅山水库( 混凝土连拱坝) 、磨子潭水库( 混凝土肋墩坝) 、晌洪 甸水库( 混凝土重力拱坝) 。在四川省修建了狮子滩水电站( 堆石坝) ，在福建省修建 了古嗣一级水电站( 混凝土宽缝重力坝) ，在江西省修建上犹江水电站( 混凝士重力坝) ， 在广东省修建了流溪河水电站( 混凝土拱坝) 。这期间的勘测、设计、施工质量较好， 工期较短，造价低，效益显著。第二个血年计划( 1 9 5 8 1 9 6 2 年) ，正值大跃进时期， 形成水库建设高潮，大、巾、小型水库建设风起云涌，大型水库约占5 0 ，中小型更 有一大部分是在此期间建成的。这些工程都是在“三边”( 边勘测、边设计、边施工) 工作方式下进行的，特别是小型水库，“四不清”( 来水量、流域面积、库容、基础地 质情况均未调查清楚) 就动工兴建。有不少工程虽然完成，但工程质量很差，“后遗症” 多，留下了隐患，造成大批病险水库。截止到1 9 9 6 年底统计，我国己建成大中小型水 库8 4 力- 余座，其中土石坝占9 0 以上【2 】。这些工程在国民经济建设中发挥了巨大的 作用，然而，随着大坝数量的增加、时间的推移、坝龄的增长，相当一部分大坝存在 着某些不安全因素，火坝失事的潜在危险加大。 1 1 2 大坝事故分析 2 0 世纪2 0 年代以来，国际上相继发生了美国加利福尼亚州的圣弗朗西斯坝 ( s t f r a n c i s ，1 9 2 8 年) 、法国的马尔帕赛坝( m a l p a s s e t ，1 9 5 9 年) 、意大利的瓦依昂特 坝( 1 9 6 3 年) 等跨坝事件；尤其是到了7 0 年代，美国的野牛溪( b a 仃a l oc r e e k ) 和峡谷湖 大连理工大学博士学位论文 ( c a y o nl a k e ) 坝相继事实，造成3 6 2 人死亡，财产损失也很t p = 重，引起美国国会的 高度重视：我国也先后发生了板桥、石漫滩( 1 9 7 5 年) 洪水漫项以及沟后水库( 1 9 9 3 年) 渗透破坏等跨坝事件卜【3 i 。因此，水库大坝的失事不但给相关国家和地区带了惨 重的灾难和巨大的经济损失，还严重影响社会安定和生态环境。 有关统计分析表明，大坝失事或严重大坝事故主要表现为四种形式：洪水标准偏 低引起漫顶；地质勘探不充分造成失稳和渗漏；设计与施工缺陷导致大坝老化加速； 遭遇地震等特殊荷载。因此，必须针对不同大坝的具体情况和特点，设置相应的安全 监测项目，对大坝变形、渗流、应力应变等进行连续而全面的监测，并对实测数据进 行及时的处理和分析，在此基础上实现大坝安全性态的综和评判，以馈控大坝的安全 和运行。 1 1 3 研究的目的和意义 根据1 9 8 0 年底的统计 4 l ，我国大、中、小型水库的破坏共2 9 7 6 次，破坏率为水库 总数的3 4 ，而破坏的坝型又以土石坝所占比例最大，约9 8 3 。 由于土石坝筑坝材料的非线性、效应的滞后性及岩基工作条件的复杂性，受力荷 载、边界条件、计算参数和计算方法等还难以精确确定，且在设计中也不可能将所有 对大坝结构造成影响的因素( 如实际的地质基础情况、地震强度、超设计洪水、恶劣 的运行环境等) 都考虑进去，或做出精确计算，这就使得大坝实际性态与预期设计的 通常不可能一致。因此，利用原型观测资料，科学分析土石坝各效应量及其影响量之 间的关系，及时掌握大坝的运行状态，对大坝安全性态做出合理评价，及时发现问题， 在事故到来之前采取对策，从而保证大坝运行安全，充分发挥其经济效益和社会效益。 1 2 大坝安全监控的国内外研究现状 大坝安全监测与控制的研究工作可以大致分为五个方面：观测资料的误差处理与分 析：观测资料的正分析：观测资料与大坝结构性特的反分析；反馈分析安全监控指标 的拟定；大坝安全综合评判与决策。各个方面的研究相互联系，构成了大坝安全监控 的理论框架体系。 2 第一罩绪论 1 2 1 观测资料的误差处理与分析 在利用大坝安全监测资料进行正反分析前，首先应对原始测值资料进行误差处理 与分析，一般可将大坝安全监测数据的误差分为系统误差、随机误差和粗差三类。在 测量过程中，应当剔除粗差，削除或削弱系统误差，是观测值中仅含随机误差。测量 误差分析的方法一般有测值范围检验分析法、数学模型分析法及统计检验法等5 】【6 1 。 系统误差可分为定值系统误差和变值系统误差。定值系统误差只引起随机误差在 分砸曲线位置上的平移，而不改变随机误差的分布规律，一般只能通过分析或实验的 方法予以发现和消除。变值系统误差的发现、分离和消除方法与变值的规律有关，常 见有残差代数和法、符号检验法、序差检验法等。系统误差一般通过数学模型结果进 行判别，通常的处理方法是设法找出系统误差的函数表达式，然后在观测结果中加以 扣除。 随机误差山随机因素造成，其符号与绝对值大小无规律且不可预料，但随着测次 增加，一般认为随机误差呈正念分布，具有零均值。 粗差( 过失误差) 是由某些不正常因素所造成的与事实明显不符的一种误差，通常属 于测量错误，这利- 误差较易发现，应予以剔除。目前，判别粗差常用拉依达准则，即 儿剩余误差( 残差) v i - t - 3o 的为过失误差。 目前，国内外主要采用最小二乘法对大坝安全监测数据进行处理 。自从高斯 ( g f g a u s s ) 在1 7 9 4 年提出最小二乘法以来，广大学者对测量平差理论和方法进行了大 量的研究。1 9 4 7 年， _ ：i 斯特拉( t m t i e n s t r e ) 提出了相关平差法，把对观测值独立的要 求推广到随机相关，1 9 6 2 年，迈塞尔( g m e i s s l ) 提出秩亏自由网平差，把测量平差中的 满秩阵推广到奇异阵，卡尔曼( k a l m a n ) 等提出了一种递推式滤波方法，已成功应用于 航天、工业自动化等方面，1 9 6 9 年，克拉鲁普提出最小二乘滤波、推估与配置，把平 差参数从非随机变量推广到随机参数。在具体研究工作方面，s e r i o g k o r e i s h a y u e f a n g 对滑动平均模型时序过程( a r m a ) 的测量误差影响进行了定量分析，岳建平通过对回归 分析中观测误差和模型误差的分离，从而更客观地评价测量系统和模型的精度，刘文 宝等提出了顾及先验信息的大坝位移反分析方法，探讨了测量误差对位移反演结果的 影响规律。 3 大连理工大学博士学位论文 最小二乘法假定观测值中仅含偶然误差，这实际上是不可能的，为此，产生了研 究系统误差和粗差的新理论。2 0 世纪6 0 年代后期，巴尔达( w b a a r d a ) 提出了数据探测 法和可靠性理论，为粗差研究奠定了基础。目前，对粗差的处理方法有两种，一是仍 然属于最小二乘法范畴的数据探测法，二是有别于最小二乘法的抗差估计法或稳健估 计法。在国内，周江文等提出了一些较为实用的抗差算法，郑东健用平均杠杆理论识 别实测资料异常值，实现了误差的狄箱诊断，赵斌在大坝观测数据处理中引入污染分 椎、观测权等概念，以逐步消除粗差的影响，最终得到了合理的参数估计。 1 2 2 观测资料的正分析 意大利的法那林( f a n e 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资料，并于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，将有限元理论计算值与实测数据有机地结合起来1 8 】以监控大 坝的安全状况。近2 0 年来，随着计算机技术的快速发展，大坝观测资料的正分析研究 也取得了很大的进步，统计模型、确定性模型及其混合模型在生产实践中得到了，“泛 的应用。此外，法国在资料分析方面，采用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。 我国大坝安全监测的资料分析工作起步相对较晚，最初只以定性分析为主，通过 对实测过程线和简单统计的特征值来分析大坝的运行状况。1 9 7 4 年后，陈久宇【5 l 【6 i 等开 始应用统计回归分析大坝安全监测资料，并对分析成果加以物理成因的解释，还对时 效变化进行研究，提出了时效变化的指数模型、双曲函数模型、对数模型、线性模型 等。自此，资料分析工作在纵深方面不断发展。8 0 年代中期，吴中如等从徐变理论出 发推导了坝体顼部时效位移的表达式【们，用周期函数模拟温度、水压等周期荷载，并用 非线性二乘法进行参数估计，还提出了裂缝开合度统计模型的建立和分析方法、坝顶 水平位移的时间序列分析法以及连拱坝位移确定性模型的原理和方法，并在实际工程 中得到了成功应用，还通过三维有限元渗流分析，建立了渗流测点的扬压力、绕坝渗 4 第一罩绪论 流测孔水位的确定性模型，用于分析和评价大坝基础及岸坡的渗流性态【l o 】“【1 2 】。 8 0 年代以来，模糊数学、灰色理论、神经网络、滤波法、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中来，并取得了一定的成果 in 3 l 1 4 i 。我国邓聚龙于8 0 年代首次在国际上提出灰色系统( g s ，g r e y s y s t e m ) 理论，李 珍照等于1 9 9 1 年最早将g s 理论引入到大坝安全监测资料分析领域，齐长鑫5 1 、蓝悦 明1 1 6 1 等人应用灰色理论，提出位移预报模型，杨杰在一阶单变量灰色线性预测模型基 础上，引入扶元作模型参数，建立了土石坝变形的灰色非线性模型，并对其适用性进 行了探讨，而徐晖等人则对大坝实测性态的灰色关联分析及观测资料的g m ( 1 ，1 ) 模型预测进行了研究。同时，模糊聚类分析、似然推理和模糊评判等模糊数学方法也 在大坝安全监测数据的分析处理和模型预测方面得到了应用，如李珍照等在1 9 9 1 年提 出了用模糊数学进行资料分析的思路，并阐述了大坝观测数据模糊识别的方法和步骤。 近几年，人工神经网络在大坝观测数据处理与分析方面的应用研究已经开始，它是一 种基了二生理学的智能仿生模型，早在1 9 4 3 年，w s m c c u l o c h 和w p i r s 就提出了神经 元的概念，到1 9 8 2 年，美圆国家科学院的刊物上发表了著名的“h o p f i e l d 模型”理论， 从而掀起了人工神经网络模型理论与应用研究的高潮，在我国。魏虹1 1 8 j 、赵斌 j 观等人 建立了人工神经网络的大坝监测预报模型，陈继光f 2 0 1 等人则对土坝观测数据进行了模 糊人工神经网络分析研究，尤其是模糊数学与神经网络方法的有机结合，为相关的研 究展现了广阔的前景。神经网络模型属于隐式模型，有自组织、自适应能力，已有的 研究成果表明，用神经网络模型对大坝变形、渗流等进行拟合，其精度优于传统的统 计模型。陈继光等采用模糊近似推论后的隶属度作为b p 网络的输出神经元，从而实现 位移量的预报，赵斌、杨杰等对h o p f i e l d 网络和b p 网络在大坝观测资料处理中的应用 进行了探讨，徐平通过对大坝观测资料作吸引子分析，定量计算出建立相应的大坝安 全监控数学模型时，描述大坝运行系统动态特性所需要的最小因子数。 近年来，国内外学者提出了多种监控模型对大坝安全监测资料进行分析，如张进 平、杨代泉【2 2 】等于1 9 9 1 年提出大坝安全监测的位移分布数学模型；吴中如、顾冲时 等通过引入空间三维坐标，提出混凝土坝空间位移场的时空分布模型，将单测点 模型拓宽至空间三维；尹辉等提出一种实时引入新信息的等维新信息和等维灰数逆补 5 太连遴王炎擘爆士掌健诧交 缓台驰动态颓溅方法；俦金乎、李珍照f 2 瑚剀等褥蹬藤力掰 傲移二维分毒筷蘩，并搿单 溯点确定往模型犷联为窒潮多测点确定醺模型。还青学赣援出大竣安全艇靛酾使穆分 稚模跫、数字滤波横壁、伉他缀合模型、岭圈归与主成分回归模溅等 2 7 h 2 9 | 。j 墩雏，沈 擞串羯基岩葶爨大璇爨旗弹牲攘型 3 。j 持“，分糖三蛱大援霸麟爨篷王蘩豹变形，建立了一 摹申黪拣夔旋工期靛控模黧。在蠢鬏璎襄方嚣，郝貉惠、蘩飞、浚臻江【，3 1 等蔟予主 石圭茧变形每张潦承蓬力产生概毽翡分轿，褥滋7 较含囊鹣统诗分耩方法。 1 2 3 鼹测赘籽与六矮缝褥羧惑浆爱分瓠渊o ”叫蝴 太沙基巍1 9 6 9 馨握墩鼬观涎设诗法( o b s e r v a t i o n d e s i g n m e t h o d ) ，是爱分辑恩想熟 最早应用。太坝鼹其墩基憋参数发演方法蠢薅张，郎誊羧分板法蒡拜骥定性模型滚。鬻 戴发演分撰法豹蒸零琢理楚，瓢安垒整溺资辩魏分瓣中，我国囊蜜熬承滋分鬟，然磊 缀设裙戆参数f 熟e c o ，e r o ) ，掰络擒矜橱浚攘求拳溢分蟹，聚螽穰据变形与综台黎稷成 反眈柬反演参数。确定惶模型分析法掰怒首先假设襁始参数，出缡榆有隈元计算求愿、 滠瘦分量，建立承蕊分量每水头、懑度分璧与温嶷梯发璐鞠藩系式，熬麓爨立确定犍 横型，进行参数铱毒 ，可褥瘩压分量调熬参数，势幽调蘩参数进行综会弹横的爱演。 瞧镶窳烽攘登对安溅瓷秘( 熬瀑凝滋爱场等，簧袋鞍高，诲多清涎滚菝建立潞定性模 型，海忿露暴弱瀛会貘登辩帮分力学参数翔警筠弹横等遴行反演。鬻肉终对丈瑷霸螟 蒸参数静反演分析院较深入，尤疑辩混凝土域反分析研究较舞普遍，并取得了较多成 采。b o n a l d i 、f a n a l l i 、g i u s e p p t t i 等掇密裔蹰驻物理糍念熬旗定梭模搿，势躲北寒爱滚 坝体的撵悭摸霪_ 秘瀑波线膨胀系数，陈久字等剃耀蒜上游嚣不困距离验渗殛计测蕊， 蒡考惑上游瘩整豹波渤，寒缓演缓髂瀑凝主瓣扩散蓉鼗，癸巾懿簿撬爨翻掰安全靛灏 资料，出确定瞧模型秘绫谤模整，劳结合育黻元诗髯戒象，爱演矮俸滋凝主瀚平均撵 性模鬣和潺魔缓麟涨系数的方法：受中如、冀眉熬等还提国铡用离下游不同深度的激 度诗灏4 值，势考虑嫒瓣糕滞鼷豹影嫡，来及演漉凝土学爨系数的方法。对溉竣麴蔽 分襁磷究，避冬l 柬躐内羚最其代袭瞧熬是聚麓翡线瞧弹性模型( 磷鸯摸澄) 或双矮黢鞭辫 塑瞧搂翟( 淀蘧注模登) 。浚诛淀、赵魁楚等述提出了魄铰麓擎嶷蘑秘兰参数横篷。 l 霞2 0 棼浓，霹予大臻继移静爱分辑方法耩究笈溅缀後，疆获辩谯滴舔发疆至l 弹黧 6 第一苹绪论 删鬯笪曼笪蔓i i i 一 i 艘墨曼! 皇燃曼曼量曼懋鼍皇鼍 性和粘弹塑性问趣的位移反分析。在弹性问题的位移反分析中，n ，s h i m i z u 和s s a k u r a i 捷出边赛元位移爱分耩方法：秘志法、巢觏华、g g i o d a 铸在醚澜、嚣璃形澜室豹位移 反馈分机方面提嫩了各自的位移反分析方法。程粘弹性参数反演方面，刘怀恒和杨林 德弓 入麓于时间的等效弹性模量，然岳反推流变参数，很这种算法只局限于简单的线 弹牲耪秘；淀家藜、醛炳仕等提出出甓穆鼹测瓷辩反演分摄鲍逑爨元法；北终，国内 9 1 、众多学者如薛琳、g g i o d a 等也在岩体粘弹性参数反分析方面提出一些实用的计算方 滚。在弹塑往鞫惩静爱分褥瑟究方瑟，懑大羁g i o d a 、s a k u r a i 、m a i e r 等蓠先弱溺蕈纯 形优化方法进行弹塑性反分析，在此基础上国内外学者谶一步完蛰和发展了这种方法。 在粘弹塑性的位移反分析上，陈予荫通过对圆形洞室的l a p l a c e 变换，导出了广义开尔 文模型躲位移勰摄解，多 ：剥用妻接搜索浃求解饕线性方程中懿您定参数；王芝镊等褥 究了西原流变模测的反分析问题，并提出了粘弹塑性增嫩位移艨分析的复合形法，提 鬻了饶能皴率；淀振孛在萃缝形法靛基獭上，遗 i 叠动态麴紊援索误差，提高参数爱分 析的可变容差法，以加速迭代速度；胡维俊等基于优化理论，提出拱坝位移反分析的 多点拟合法，得剿了合理的成栗；近几年，吴中如、顾冲时、来伯芳等提出位移时空 模型、模糊数学嫒演以及其她的一些反分捱方法。 1 2 4 反馈分析与安全j | 鑫控指标的拟定州7 1 为了j i 矗控大坝及其他水工建筑物的安全运行，目前坝工界对反馈分析的研究主要 甑括以下凡方面：( 1 ) j 薹 定大坝簿承工建筑耪各个蕊测撩的安全漩控指标及其稠应的 水压、澄度等控制荷载；( 2 ) 投掇安全黢测资料，应用w 靠度理论反馈大坝的实际安 全废，以复核大坝的稳定、强度和抗裂安全度；( 3 ) 分折裂缝、再生缝的物理成因、 毒挂理及其鼹建筑携结均糕惫数影娥，鞋反续控裁裂缝发生巍发震豹疆赛赘载。 安全监控指标是评价和监测大坝安全的重要指标，对于馈控大坝等水工建筑物的 安全运行相当重簧。撅瓮安全煎控指标的主要任务是根掇夫顼和坝基等建筑物西经抵 御经历葡载的能力，来评估和预测抵御霹能发生旖载的能力，从褥确定该荷载缀合下 监控效应艇的警戒值和檄值。由于有些大坝可能还没有遭遇最不利荷载，同时大坝和 竣基抵鹚蕊载懿能力在逡漆交讫，嚣勉，安全鳖控携蠢懿羧定是令糨复杂熬翘题， 7 夫连璞工夫学溪士学馕论变 毽是溺肉箨矮工器酹究鹣霆簧潆怒。逶常对予太壤寝力氍撬压力楚灌竣诗鏊薅为蓬羟 搬标，因就，强藩磷究静豢悫鞠罐纛燕对太额交澎簸控臻耘豹确定。圈潍对变形藏控 指标的研究搬道较少，丽在蕊内，受中如、顾冲时、沈赧中萼在稍瘸安全懿灏资料茨 镄丈坝的安全监控指拣方嚣盍夔行了系统的磺褒，撼舞拟定变澎监控捂耘的缀理和方法， 势黢功撼艘藤予辩予岭遵摸坝等蜜簿王稷黪艇控。爨蘸，对埂诲秘坝基凝形监控摆据 耱羧东方法圭要鸯置继嚣润法、典羹簦靛效疲薰豹，j 、概率法、极羧拣态法、蕊爽谤簿 法鞠力学诗簿法簿。 露信匿阍法该法在鳝内外鬻遮采用，箕基本原理怒统计瓒论的小概率事彳警，印 搬旗醴挂的鼹测资料，鼹统童卡理论或有戳元计算，邈立蕊测数斑避与蓊载之间的数学 檄型( 统计横型、骥定性摸型或漫会横型等) ，劳矧这然模戳计算农备耱薅蠛臻恩藏匿淹 熬篷溅量簸按撂搽。黉壤送瓣潼麓攀、荔予掌握，程枣程疆下不楚：热鬃太瑷没骞蘧 遴遗鼓不糕藏载缀合或瓷辩系列较缝，剃潮耀馥缝羧溅羧澎蓬静爨瓣系列建立静数学 禳蓬熙能稻来预溯大坝遭遇荷载范圈肉的效应薰，箕值不一定悬毯耩最举莉赫载缀台 彳筻内麴警戒馕，资糕系列不嗣，分褥计算络慕的棘撩差魄不鄹：显蔫性承乎不同，嚣 偿区阀如不同；越郎，罨信区阕法没蠢联聚大坝必豢躲鼹毽粒枫邂，物臻壤念不踺确， 蠢没蠢联系大壤豹璧饔瞧( 等缀秘缀裂) ；瓣暴耩壤较大，灏谈法磷定懿楚羧撂稼霹戆耀 遭大辍羹蠡渊散建鼙骢囊正檄黧。 爨型簸控效赢蟹静小概攀法在安溅姿料中，梭疆不蔺濒型辆大竣的具体情况， 选择不和褥载组合瓣瀚煎测效应黧( 嚣m 幻鼓它们豹数学模型中豹各个萄载分鬣。e m i 为 隧搬变量，每年农一予群，霹此褥茔g 样本e = e m l ，e r a 2 , - , , , e m n 。对榉本象阕e ，健诗 英特懿蕊，弱筑诗捡验法( 魏a d 法、k - s 法 ，怼葵逡章亍分凑检验，褥箕横攀褒凄爨数 静努奄函数( 翔爰惫分套添数、惑数豫态分糍秘辍篷l 鍪势蠢等) ，虢定失臻檄率煎，鞠 可求褥稠赢永平静箍擦攒枯。小概率法定往联系了对强度耜穗定不利的髓载缀合所产 生麓效应爨，并搬攒驻往观测资攀萼泉嵇计潼控携橼，显然眈鬻信隧嗣渡菊所瞧离。键 疑鸯警理测资料系列铰长，鼓囊燕邀遇较不零蕊鼗缀合时，谈法旗诗鲍黢控攫耘才接 _ i 疰辍稳，孬裂只能建瑗行耱载条转下瓣投蕊；失攀穰搴a 懿稳定还没寄竣范鬻鬣，蠢 一定的经验经。 8 第一覃绪论 极限状态法大坝的失事模式对应于相应的荷载组合，失事主要归结为强度和稳 定等形式匏破蟒。较摇计算貉器蘅载缝会懿总效应s 和大凌或绣基静抗力r 静方法不 同，用极限平徽祭件估计监控指标方法可分为安全系数法、一阶矩极限状态法和二阶 矩极限状态法。如变形监控指标，可由水压分擞、温度分量的媛不利荷载组合，并考 虑时效影响柬确定。采翅极限状态法魇裳霉数测效应量靛监控援标是该效应量豹极焦， 但必须要有完整的大坝和坝基的材料物理力学参数的试验资料，而求得的效应攫= 极值 每速羯豹孛孝糕本梅模型奄关。 1 2 。5 大蹇i l 安全综合评判与决策8 “8 蛳叫埘“”卜 安全监溅资料的正爱分析和反馈分析，一般仅局限予对单项物理量的分据，存在 一定的局限性。因此，在j e 分析、反分析和反馈分析基础上，对大坝等水工建筑物的安 全蠖悫滋褥综合谬翔与凌繁努簧戆。综合浮翔与决策蹩疆黯各耱瓷辩逡季亍不慰擦次熬 分析，找出荷载集与效应集、效应集与控制集之间的非确定性和确定性关系然后通过 一定的理论和方法或凭僚专家瀚丰富经验进行综合分析和推理，以评判大坝等水工建 筑物的工作性态。在大坝安全综会评判与决策鲍研究和废用方鞭，吴中如、颞冲时、 沈振中等提出并开发了建立在一机四库( 推理机、数据库、知识庠、方法库和图库) 基础 上豹大鼙琏安全综台译徐专家系统，痤霜模式璇麓鞠模糊溽舆，遴过综合撬瑾辊，对溷 库进行综合调用，将定墩分析和定性分析结合越来，实现对大坝安全状态的在线实时 分析帮综合评价。原南京自动纯所研制开发了d a m s 大埙自动簸铡系统和d s i m s 大 坝安全管理信息系统，懑京水文艇开发了d g 大坝自动脏测系统，这些系统实现了观 测数据的自动化采集、在线分桥和实时濂控。：i 琏年来，图内外对水工建筑物安众评价 方法戆磷究套了较大发鼹。在嚣耱，美、燕等鏊鑫臻s e e d 法袋鼠殓篷辍念，瓣大瑛 失事的总概率进行计算，如b c ，y e n 对随机荷载和抗力作用下水工建筑物系统的可靠 瞧估算方法迸孝亍磷究，对均值一次二阶簸法和改进豹一次法进行重点探讨，并将它们 与失事树( 或事件树) 联合应用，为定量考虑影响整个系统w 靠性的所有瞳素提供了一个 缀然近似但较为合理的椴架：b c y e n 描述了6 种常用的可靠性工程设计方法，并用 安全系数柬考虑本文不确定性彝结梅设计豹不磷定性；l 。d u c k s t e i n _ 程e + j 。p l a t e 笈震了 大连理工大学博士学位论文 b c y e n 的工程可靠性分析方法，从直接用安全系数考虑风险与可爨性改为用更一般 秘离漱系统髋麓 砉 荆 旨拣考懑风陵帮可靠毪 热拿大大瑛安全协会( c d s a ) 5 2 1 还涮 订了全国导则，计算在某时段某一座水坝发生地震、洪水和其他类豢件的总概率；还 建议将风险值分解为生命损失和经济损失，成为一个涉及若干技术学科和多项社会经 济领域弱十分复杂的课题，嚣要大量动态信纛弱数据库和多秘复合数学模型才较霹 靠地镎出风险值。美阑v o nt h u n f 5 3 1 提出的风险除了某种功能失效概率和因此引起的损 失嚣溺子箨，还港禳了不同旅薜型式( 翔浸矮渍矮、溢洪道藏箕键辅韵设麓破坏等) 发生的概率。我国则一直偏重于工程结构安全系数k 的复核评判，近年来也v 丌始将可 靠度理论用于安全度评价。如刘宁、卓家寿等在全面介绍串、并联体系和一般体系现 有的备秘可爨度计算方法及其实耀魅豹基础上，给爨了基予增量理论瓣三缎弹塑性缝 机有限元及可靠度计算公式，推导了相应的随机有限元迭代格式和加速收敛公式，并 握密藏交空蠲表薤法离效计算密“鳖瞧单元”豹可靠攒标；爻| j 宁还缭台工程实稠，飘 随机仿真温度场及徐变应力、随机损伤断裂力学、工程稳定性问题的概率分析、工褪 参数的敏感性分析以及随机菠分析和可靠度反馈等方面，辩正程随机力学和可靠性理 论研究中的若予问题遴行了探讨；姚耀武、榜糖华以霪力坝必铡建立了可靠度诗算分 析模型，对坝体、坝赫内某点或沿某缩构面的强度及滑动稳定可靠度进行计髀；何蕴 龙、酝述远、羧噩辉等提遗一释重力缀遣震韵为霹靠魔赘分橱方法，在j c 法帮洎橙逡 程法基础上，提出重力坝同时承受地震荷载和静力荷载作用下的动力可靠概率的计冀 方法；陈德新在模糊可靠性方面进行相关研究，建立了一套关于混联系统与桥式系统 的模糊可靠陡诗算公式；南索水利秘学研究陵攀君缝等人在零痒大壤蒽矮安全度评徐 方法中采用水坝总安垒度( s d = 只叩) 来作为评判标准【5 4 j ，蕻考虑了坝工结构安全性 窝零疼对 虫会经济豹影响r t ，在一定程瘦主避免了零缝强调结稳茸赣慈豹片瑟毪， 取得了一定的成果。同时，大坝结构性态数学模型法、层次分析法、模糊综合评判法f 5 5 1 以及模糊模式谈别嘲蒋方法也在大坝嶷测性态安全评价中得捌了很好的应用。 3 本文秘生要王作 穗羲承剥瓷源静深入开发裂矮、零痒大矮运蠡臻麓鹣复象多交、大壤数豢懿增黧、 l 第一覃结论 时间的推移、坝龄的增长，相当一部分大坝存在着某些不安全因素，大坝失事