（水工结构工程专业论文）土石坝安全监测资料分析评价方法研究.pdf

摘婪 摘要 我国有相当部分的火、中、小型水库大坝存在着不同程度的安全问题，其中以士石 坝绝对居多。因而，根据士石坝原型观测资料，运用更成熟、更合适的理论和方法，对 观测资料进行分析，对土石坝的实测性态作出f 确评价，就显得尤为重要了。本文应用 p i 归分析、遗传算法、人工神经网络、灰理论和多级模糊模式识别理论，结合土石坝的 特点，对土石坝实测性态进行了研究。本文的主要成果如下： 1 ，对土石坝原型观测资料中误差的成因进行了分析，并介绍了识别方法：分析了土 石坝测艇管水位滞后性的原因和测压管水位的定性分析方法；通过对土石坝渗流进行成 困分析，建立了测压管水位的统计模型；分析了影响土石坝沉降的因素；根据土石坝沉 降的特点和各种函数的数学特性，探讨了土石坝的模型选择；最后用陆浑水库观测资料 对库水位和测压管水位进行了定性分析。 2 介绍了土石坝原型观测资料分析中常用的回归分析方法：一元线性回归、可化为 一元线性回归的曲线回归、多元线性回归及逐步回归分析方法。针对常用的基于最小二 乘法的回归分析方法不能抵御粗差的不足，作者引入了稳健回归中常用的m 估计，它能 有效的消除异常值的影响。介绍了m 估计的原理和求解步骤，从理论上说明了稳健回归 的优点和最小二乘法的不足：最后用渗流资料建模进行了验证。 3 引入遗传算法，考虑到实际问题，针对简单遗传法不易求解高精度问题及求解效 率不高的不足，对简单遗传算法加以改进。针对遗传算法局部搜索能力较差的不足，引 入模拟退火算法，为了提高搜索效率对模拟退火算法加以改进。结合土石坝的沉降规律， 建立了土石坝沉降的遗传算法和遗传模拟退火算法模型。水利工程影响因素众多，是个 高度复杂的非线性问题，将人工神经网络中的b p 网络模型引入到土石坝观测资料分析 中，建立了土石坝渗流和沉降的b p 网络模型。大量分析研究表明，土石坝时效变形具 有一定的单调性，针对这一特点，引入灰理论，对土石坝时效变形建立了能反映工程动 态变化的g m ( 1 ，1 ) 模型。最后用实测资料对上述方法进行了对比分析和验证。 4 ，土石坝实测性态是一个多层次、多指标的复杂分析评价问题，针对传统的大坝实 测性态评价方法不能反映土石坝整体性态的不足，提出了土石坝实测性态综合评价阅题 的研究体系，该体系研究内容包括综合评价指标的设置、评价指标的度量方法和综合评 价途径，并进行了比较深入的探讨；同时针对士石坝实测性态评价的特点，引入了多级 模糊模式识别理论，建立了土石坝实测性态多级模糊模式识别方法，并应用到实例中。 5 运用陆浑水库实测资料和本论文的主要研究内容，结合v i s u a lb a s i c 数据库编 程和软件丌发技术，开发出了陆浑水库安全监测分析评价系统。 关键词：土石坝，安全韭矗测，资料分析，实测性态；安全评价 a b s l r a c t 一_h+hh_-_ a b s t r a c t i no a rc o u n t r yt h e r ea r eag r e a tm a n yl a r g e ，m e d i u ma n dm i n i t y p er e s e r v o i r sa n dd a m s h a v es a f e t yp r o b l e m so fd i f f e r e n td e g r e e ，e s p e c i a l l yd ot h ee a r t h r o c k f i l ld a m t h e r e f o r e i ti s v e r yi m p o r t a n tt h a tu s i n ge v e nm a t u r ea n ds u i t a b l et h e o r ya n dm e t h o da n a l y z i n gp r o t o t y p e o b s e r v e dd a t aa n de v a l u a t i n gt h ec o n d i t i o n ，a c c o r d i n gt o p 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 f l l ld a n a i nt h i st h e s i sb ym e a n s o f r e g r e s s i o na n a l y s i s ，g e n e t i ca l g o r i t h m s ，a r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r k ，g r e yt h e o r ya n dm u l t i p o l ef u z z yp a t t e mr e c o g n i t i o nt h e o r y , t o g e t h e rw i t ht h e c h a r a c t e r i s t i c so fe a r t h r o c k f i l l 。i ti sr e s e a r c h e dt h eo b s e r v e db e h a v i o ro fe a r t h r o c k f i l ld a m t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1t h eg e n e t i ca n a l y s i sf u re r r o ro ft h ep r o t o t y p eo b s e r v e dd a t ao fe a r t h r o c k f i l ld a n a i sc a r r i e do u ta n dr e c o g n i t i o nm e t h o d so f e r r o ri si n t r o d u c e d n l er e a s o no f h y s t e r e s i sq u a l i t y a n dq u a l i t a t i v ea n a l y s i so fp i e z o m e t r i cl e v e li sa n a l y z e d t h es t a t i s t i cm o d e lo fp i e z o m e t r i c l e v e li se s t a b l i s h e dt h r o u g hg e n e t i ca n a l y s i sf o rs e e p a g eo fe a r t h r o c k f i l ld a m t h ei n f l u e n c e f a c t o ro fs e t t l e m e n to fe a r t h r o c k f i l ld a mi sa n a l y z e d t h es e l e c t i o no fs e t t l e m e n tm o d e li s d i s c u s s e d ，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 so fe a r t h - r o c k f i l ld a ma n dt h ef e a t u r e so fv a r i o u s f u n c t i o n s c o m b i n i n gt h em e a s u r e ds e e p a g ed a t ao fl u h u nd a m ，q u a l i t a t i v ea n a l y s i si s c a r r i e do u t 2 t h er e g r e s s i o na n a l y s i sm e t h o di si n t r o d u c e d ，s u c ha ss i m p l er e g r e s s i o na n a l y s i s ， c u r v er e g r e s s i o nw h i c hc a nb ec h a n g e di n t os i m p l e r e g r e s s i o na n a l y s i s ，m u l t i v a r i a t e r e g r e s s i o na n a l y s i sa n ds t e p w i s er e g r e s s i o na n a l y s i s i nt h el i g h to ft h ep r o b l e mo f c o n v e n t i o n a lr e g r e s s i o na n a l y s i sm e t h o db a s e do nl e a s t - s q u a r e sm e t h o db e i n gu n a b l et or e s i s t g r o s se r r o ri n t e r f e r e n c e ，w ea d o p tm e s t i m a t o ri nc o l n m o nu s ei nr o b u s tr e g r e s s i o n ，w h i c h c a nc o n q u e rt h ei n f l u e n c eo fo u t l i e r si no b s e r v e dd a t ae f f e c t i v e l y t h et h e o r ya n ds o l u t i o n p r o c e d u r eo fm e s t i m a t o ri ss u m m a r i e d ，a tl a s tw ep r o o ft h ea b o v et h e o r ya n dm e t h o db y a p p l y i n gi tt oo b s e r v e dd a t aa n a l y s i sf o rp i e z o m e t r i cl e v e lo f e a r t h r o c k f i l ld a m 3 g e n e t i ca l g o r i t h m si si n t r o d u c e da n di m p r o v e d ，w h i c hi nc o n s i d e r e do ft h ep h y s i c a l p r o b l e mo fe a r t h - r o c k f i l ld a m i nl i g h to ft h es e a r c hc a p a b i l i t yo fg e n e t i ca l g o r i t h m si sn o t p o w e r f u l ，w ei n t r o d u c es i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h m s ，a n di m p r o v ei ti no r d e rt oi m p r o v ei t s s e a r c he f f i c i e n c y c o m b i n i n gt h es e t t l e m e n tc h a r a c t e r i s t i c so fe a r t h r o c k f i l ld a m ，t h em o d e l o fg e n e t i ca l g o r i t h m sa n dg e n e t i cs i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h m si se s t a b l i s h e d h y d r a u l i c e n g i n e e r i n gh a sal o to fi n f l u e n c ef a c t o r , w h i c hi sac o m p l e xa n dh i g hn o n l i n e rp r o b l e m t h e b pn e t w o r km o d e lo fa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ki si n t r o d u c e da n dt h eb pn e t w o r km o d e lo f s e e p a g ea n ds e t t l e m e n ti s e s t a b l i s h e d al o to fa n a l y s i sa n dr e s e a r c hi n d i c a t et h ea g i n g d e f o r m a t i o no fe a r t h r o c k f i l ld a mh a sm o n o t o n i c i t yp o i n tt h i sf e a t u r e w ei n d r a f tg r a yt h e o r y , c r e a t et h en o wi n f o r m a t i o nm o d e lo ft h eg m ( 1 ，1 ) ，b yu s i n gi t sc h a r a c t e r i s t i c st h a ti tc a n r e f l e c tt h ee n g i n e e r sd y n a m i cc h a n g e f i n a l l yw ea n a l y z ea n dp r o o ft h ea b o v et h e o r ya n d m e t h o db ya p p l y i n gi tt oo b s e r v e dd a t a 4t h eo b s e r v e db e h a v i o ro fe a r t h r o c k f i l ld a mi s ac o m p l e xm u l t i h i e r a r c h ya n d m u l t i o b j e c te v a l u a t i o np r o b l e m i nl i g h to f t h ed e f i c i e n c yo ft r a d i t i o n a le v a l u t i o nm e t h o d u n a b l et or e f l e c ti n t e g r a lb e h a v i o r , w ep r e s e n ta n dp r o f o u n dd i s c u s st h er e s e a r c hb o d ys y s t e m o fo b s e r v e db e h a v i o ro fe a r t h r o c l d i ud a n aw h i c hi n c l u d et h el o c a t i o no fi n t e g r a le v a l u a t i o n i n d e x ，t h em e a s u r i n gm e t h o do fi n t e g r a le v a l u a t i o ni n d e xa n dt h ep a t ho fi n t e g r a le v a l u a t i o n 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 nt h e o r yi si n d r a f t e db a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co f e a r t h - r o c k f i ud a me v a l u t i o n , t h em o d e lo fm u l t i p o l ef u z z yp a r e mr e c o g n i t i o nt h e o r yf o r e a r t h 。r o c k f i l ld a mi sb u i l ta n dw ea p p l yi tt oe x a m p l ew h i c ha n a l y s i ss h o wt h a t i ti s r e a s o n a b l ea n df e a s i b l e 。 5 a p p l y i n go b s e r v e dd a t ao fl u h u nd a ma n dt h er e s e a r c ho f t h i st h e s i s , t o g e t h e rw i t h d a t a b a s ep r o g r a m m i n go fv i s u a lb a s i ca n dt h ed e v e l o p m e n tt e c h n i q u eo fs o t t w a r e ，w e d e v e l o ps a f e t ym o n i t o r i n ga n a l y s i sa n d e v a l u a t i o ns y s t e mo fl u h u nd a m k e y w o r d ：e a r t h r o c k f i l ld a m ，s a f e t ym o n i t o r i n g ，d a t aa n a l y s i s ，o b s e r v e db e h a v i o r , s a f e t y e v a l u a t i o n 郑重声明 v 7 8 2 9 0 7 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) 弘甥 ? ，4 芗年芗月，弓同 引言 引言 在我国为了充分利用水资源，兴水利除水害，共修建了水库大坝近9 万座，这些工 程在国民经济中发挥了重要的作用。由于水利工程规模大，影响因素多，有相当数量的 大坝存在着不同程度的安全问题，其中土石坝占绝大多数，这些安全隐患以渗漏、裂缝、 滑坡等破坏最为突出。另外，从已发生破坏事故的水库大坝统计来看，破坏的坝型又以 土石坝所占比例最大，约占9 0 0 , 6 以上。因而，利用土石坝原型观测资料，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，就显得极为必要、极有实用意义了。 土石坝的安全问题正日益受到坝工界的重视，越来越多的学者和工程技术人员对其 投入了更多的关注。但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，且在计算中也 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。因而，对土石坝问题进行处 理的各种分析理论和方法都不够成熟，且适用条件尚需作进一步的检验论证。此外，国 内外对大坝安全分析评价的工作尚处于摸索阶段，各种监控模型及评价理论还不够成 熟，对土石坝的研究则更少，有很多问题需要做进一步的研究和探索。 本文在土石坝实测资料分析方面作了一些工作，试着用一些新的理论和方法建立土 石坝安全监控模型，并与统计回归模型进行对比分析，探讨了各种方法的优缺点和适用 条件。此外，在土石坝安全评价方面，提出了土石坝实测性态综合评价问题的研究体系， 并对相关问题进行了初步的研究。本文的研究既是对土石坝安全监测分析评价理论的深 化和补充，也为土石坝安全监测提供了新的思路和方法，具有重要的学术价值，对于土 石坝实际工程安全监测也具有重要的应用和参考价值。 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 第一节研究的目的和意义 兴建水库可以调节利用水资源，除害兴利，促进国民经济发展和保障人民生命财产 安全。截止2 0 0 0 年底，我国共兴建各类水库8 5 万余座，其中土石坝占9 0 以上“1 。这 些工程在国民经济中发挥了巨大的作用。然而，由于水利工程规模大，所承受的荷载复 杂，相当一部分大坝存在着某些不安全因素。不少工程已经运行了几十年，随着运行时 间的延长，坝体材料逐渐老化；有些大坝出现危及大坝安全的裂缝和病变；有些大坝的 坝址地质条件复杂，导致大坝安全度偏低；还有些大坝的防洪标准较低等。这些因素不 同程度的影响了工程效益的发挥，甚至威胁着下游千百万人民的生命财产安全。 t 9 7 5 年8 月4 7 日河南省中部的一场特大暴雨( 通称“7 5 8 ”暴雨) ，造成板桥、 石漫滩两座大型水库，田岗、竹沟两座中型水库和5 8 座小型水库漫溢垮坝，使下游地 区的经济建设和人民生命财产遭受了严重灾害嘲。事后分析表明溃坝有设计、施工、运 行管理等多方面的原因，但如果观测设备齐全，定期进行观测并及时分析监测资料，则 可以及早了解坝体浸润线等性态状况，控制蓄水位抬高，溃坝事故将会得到最大限度控 制，灾害损失也可以减轻到最小程度。 根据1 9 8 0 年底的统计跚，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 。有关分析表明，大坝 失事或严重大坝事故主要表现为四种形式：( 1 ) 设计洪水偏低引起漫顶；( 2 ) 地质勘探 不充分造成失稳或渗漏；( 3 ) 设计或施工缺陷导致大坝老化加速；( 4 ) 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，设置相应的观测项目，对大坝的变 形、渗流、应力应变等进行连续而又全面的监测，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的安全性态的综合评价，以馈控大坝的安全运行。 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，这就使得土石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，从面保证大坝运行安全，充分发挥其经济效益和社会效益。 2 郑i h 大学硕士学位论文 第一章绪论 第二节研究现状和问题 一、研究现状 早在1 9 5 5 年，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 ) 等就开始应用 统计回归方法来定量分析大坝的变形观测资料。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，即将有限元理论计算值与实测资料有机地结合起来， 以监控大坝的安全状况“1 。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取 得了广泛的应用。此外，法国在资料分析方面采用了 i d v 方法，即在测值序列中分离出 水压分量和温度分量后，然后对时效和残差的交化规律进行分析，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。 我国的大坝安全监测资料分析工作起步较晚，最初只以定性分析为主，通过绘制过 程线和最大、最小等简单特征值的统计来分析大坝的运行性态。1 9 7 4 年以后，在河海 大学陈久宇教授等人的开创下“”1 ，应用统计回归法分析原型观测资料，并将分析成果 加以物理成因的解释。同时对统计模型中因子群，进行深入研究。根据正常大坝时效( 如 时效位移) 的变化规律为初期变化较快，后期渐趋稳定，提出了各种时效数学模型，如 指数模型、双曲线函数模型、对数模型、线性模型等。8 0 年代初中期。吴中如等从徐 变理论出发推导出了坝体顶部时效位移的表达式。1 ，用周期函数模拟水压等周期荷载， 并用非线性二乘法进行参数估计。向期还提出用组合流变模型研究时间效应脚。近年来， 对大坝原型观测资料分析的多种监控模型相继提出，国内外资料分析工作也逐渐向纵深 方向发展。 8 0 年代以来，模糊数学、灰色理论、人工神经网络、遗传算法，虑波法、小波分 析、混沌动力学等各种新理论和方法也逐渐被引入到大坝安全监测资料分析中来，并取 得了一定的成果。 在大坝安全评价方面，我国以往都偏重于工程结构安全系数k 的复核评判。美、加 “等国已用s e e d 法及风险值的概念来加以计量。加拿大大坝安全协会( c d s a ) 州还 制订了全国导则，计算在某时段某一座水坝发生地震、洪水和其他类事件的总概率：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 领域的十分复杂的课题，需要大量动态信息的数据库和多种复合数学模型才能较可靠地 算出风险值。美国y o nt h u n “”提出的风险除了某种功能失效概率和因此引起的损失两 因子外，还增加了不同破坏型式( 如漫顶溃坝、溢洪道或其他辅助设施破坏等) 发生的 概率。我国南京水利科学研究院李君纯等人在水库大坝总体安全度评价方法中采用水坝 总安全度( s d = 只r ) 来作为评判标准o ”，其考虑了坝工结构安全性只和水库对社会 经济的影响r l ，在一定程度上避免了单纯强调结构可靠性的片面性，取得了一定的成果。 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 同时，大坝结构性态数学模型法、层次分析法、模糊综合评价法等方法也在大坝实 钡4 性念安全评价中得到了很好的应用。 二、存在的问题 随着水利资源的深入开发利用、水库大坝运行环境的复杂多变，大坝的安全问题日 益突出。目前我国对病险水库大坝进行了大量的除险加固，但仍然有1 t 4 左右的大中型 水库大坝、2 5 左右的小型水库大坝存在着不同程度的安全问题，其中以土石坝绝对居 多i lj 。这些安全隐患以渗漏、裂缝、滑坡等破坏最为突出。因而，根据土石坝原型观测 资料，运用更成熟的理论和方法，对土石坝渗漏、变形等性态做出科学分析及评价，就 显得极为重要了。 尽管目前对大坝的原型观测资料分析及实测性态安全评价工作已取得了一定的成 果，但应该看到：( 1 ) 国内外对大坝安全分析评价的工作尚处于摸索阶段，各种监控模 型及评价理论还不够成熟，还需要做进一步的研究和探索：( 2 ) 目前从事混凝土重力坝、 拱坝等的原型观测资料分析及安全性态评价方面的研究较多，但对于土石坝，由于其筑 坝材料的特定复杂性，各种分析理论和方法是否完全适用尚需作进一步的检验论证；( 3 ) 由于各种分析方法的理论基础不同，其适用条件存在着差异，它们之间的联系与区别有 必要做一定的对比分析，以期在不同的工程实践中选择最优的理论方法进行分析。针对 上述问题，作者在土石坝原型观测资料分折及实测性态安全评价方面做了一些分析和研 究工作，得到了一些有意义的成果。 第三节本文主要研究内容 本文结合陆浑水库太坝实际情况，依据实测资料，建立了逐步回归模型、双曲线回 归模型、倒指数回归模型、m 估计模型、遗传算法模型、遗传模拟退火算法模型、b p 网络模型、g m ( 1 ，1 ) 模型，并应用多级模糊模式识别方法对该坝进行了综合评价的研 究。本文研究内容归纳起来主要有以下几个方面： 1 介绍了原型观测资料的系统误差、偶然误差、粗差的概念和识别方法：分析了 土石坝测压管水位的滞后性原因：介绍了测压管水位的定性分析方法；通过对土石坝渗 流进行成因分析，考虑了水压、降雨和时效等因子，建立测压管水位观测资料分析的逐 步回归模型；分析了影响土石坝沉降的因素；根据土石坝沉降的特点和各种函数的数学 特性，探讨了石坝的模型选择；最后用陆浑水库大坝观测资料对测压管水位进行了时 程曲线分析。 4 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 2 介绍了土石坝原型观测资料分析中常用的回归分析方法：一元线性回归、可化为 一元线性回归的曲线回归、多元线性回归及逐步回归分析方法。针对常用的基于最小二 乘法的回归分析方法不能抵御误差的不足，作者引入了稳健回归，并重点介绍了m 估计 的原理和求解步骤，从理论上说明了稳健回归的优点和最 j , - - 乘法的不足。最后用渗流 资料建模进行了对比分析。 3 遗传算法是一种自适应全局优化概率搜索算法，具有很强的鲁棒性，由于思想简 单、易于实现、应用效果明显等优点而被众多领域接受，本文正是基于此点引入了遗传 算法。考虑到实际问题，针对简单遗传算法的不足，对简单遗传算法加以改进。针对遗 传算法局部搜索能力较差的不足，引入了局部搜索效率较高的模拟退火算法，为了提高 搜索效率对模拟退火算法加以改进。结合土石坝沉降的特点，建立了土石坝沉降的遗传 算法和遗传模拟退火算法模型。人工神经网络的b p 网络模型具有很好的鲁棒性、容错 性和可以模拟任意的非线性输入输出关系。由于水利工程影响因素众多。是个高度复杂 的非线性问题，将b p 网络模型引入到土石坝观测资料分析中，建立了土石坝渗流和沉 降的b p 网络模型。大量分析研究表明，土石坝变形主要为时效变形，而土石坝时效变 形具有定的单调性，针对这一特点，引入灰理论，对土石坝时效变形建立了能反映工 程动态变化的g m ( 1 ，1 ) 模型。最后用实测资料对上述理论和方法进行了对比分析和 验证。 4 土石坝实测性态是一个多层次、多指标的复杂分析评价问题，针对传统的土石坝 实测性态评价方法不能反映整体性态的不足，提出了土石坝实测性态综合评价问题的研 究体系，该体系研究内容包括综合评价指标的设置、评价指标的度量方法和综合评价途 径，并对这三个方面的内容进行了比较深入的探讨；同时针对土石坝实测性态综合评价 的特点，引入了多级模糊模式识别理论，建立了土石坝实测性态多级模糊模式识别模型， 并将上述理论和方法成功的应用于陆浑水库大坝的实测性态安全评价中。 5 运用陆浑水库实测资料和本文的主要研究内容，结合v i s u a lb a s i c 数据库编程 和软件开发技术，开发出了陆浑水库安全监测分析评价系统。 郑州大学硕士学位论文 第二章土石坝原型观测资科分析 第二章土石坝原型观测资料分析 第一节原型观测资料的预处理 原型观测资料是指监测系统对各种工程物理量( 如变形、应力应变、裂缝开度、扬 压力、渗流量等) 及其相应影响量( 如水位、温度、降雨、时效等) 进行量测所得的实 测数据。在利用大坝安全监测资料进行分析前，首先应对原始观测资料进行误差处理和 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。由于各 种复杂因素的影响，观测资料中不可避免地存在误差。因此，要保证观测数据的可靠性， 就必须对观测数据进行预处理，识别系统误差和扭差，消除或削弱系统误差、剔除粗差， 使观测值仅含随机误差。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。 一、系统误差 系统误差是指在偏离规定的测量条件下多次测量同一量时，误差的绝对值和符号保 持恒定；或在该测量条件改变时，按某一确定的规律变化的误差l l 。 系统误差可分为定值系统误差和变值系统误差 1 3 1 。定值系统误差只引起随机误差 在分布曲线位置上的平移，而不改变随机误差的分布规律，常用的方法有“检验法和t 检 验法。变值系统误差的发现、分离和消除方法与交值的规律有关，常见的有残差代数和 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评判，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。 在大坝原型观测资料中，产生系统误差的原因是多方面的：( 1 ) 随着大坝监测技术 的日益改进和监测系统的不断完善，一些大坝的监测系统得到较多的更新改造，使得实 测资料系列的基准不一、连续性差；( 2 ) 大坝运行时间长，坝体结构及基础通常经过补 强加固等工程措施，相应结构和基础的力学性态发生了变化，使得实测数据特征变化较 大：( 3 ) 在多年的运行时间内，大坝难免经历了各种不利荷载工况，加上筑坝时工程技 术、施工水平的限制以及坝体结构和基础等历史遗留下来的隐患，大坝出现异常事件的 机会增多，造成大坝结构和基础的受力状态发生重调整，在实测数据序列值上，表现为 产生趋势性或跳跃性交化。这些因素都可能引起原型观测资料系列产生系统误差，从而 对原型观测资料分析的结果产生很大影响。因而有必要对系统误差进行识别修正。 大坝观测数据一般为大样本( 疗 5 0 ) ，因此可以采用”检验或r 检验来进行系统误 差的识别。将观测数列，特别是大坝发生较大事件、观测系统更新改造或出现故障等作 为分界点h l ，将测值序列分为两组或若干组，并假设观测数据的概率分布形式为正态 分布，即k 。( “，o - , 2 ) ，e ( 鸬，叮；) ，可以通过z 2 检验和x s 检验来判断分布形 6 郑j i 大学硕士学位论文 第二章土石坝原型观测资料分析 式假设的正确性【15 1 。 1 系统误差识别的“检验方法 选择统计量为： u ，：些：丝 _ 文飞+ s ： 式中： 只、兄分别为两组样本的平均值； n a 、 1 2 分别为两组样本的样本数； s 、墨分别为两组样本的方差 若p i - v o ，2 ，则存在系统误差a 否则，不存在系统误差。 取口= o 0 5 时，2 = 1 9 6 。 2 系统误差识别的r 检验方法 选择统计量为： 扣c 兄一兄，倍器嚣高 若h 乞，则存在系统误差。否则，不存在系统误差。 取值可参见f 分布分位数剽1 6 1 。 若存在系统误差，应分析系统误差产生的来源及其数值的大小，采用修正法【 1 进 行修正。本论文实例分析中均未考虑系统误差的影响。 二、随机误差 随机误差是由随机因素造成的，其符号和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态分布，具有零均值。因而，一般不考虑随机误差的影 响。 三、粗差 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、超出在规定 条件下预期的误差，是由于读错、记错或仪器的突然震动等异常情况引起的异常值，通 常属于测量误差【1 2 】。如果一系列测值中混有粗差，必然会歪曲被测物理量的实际形态， 因此，租差必须被识别并剔除。 1 初步识别 在计算机上绘制各测点全系列测值过程线，由过程线查找，再根据该测值的前后测 值及当时环境因素的变化情况来判断异常测值是否为粗差，若为粗差，根据该测值前后 记录数据对粗差进行更正。 2 拉依特准则识别1 ”i ： 7 郑州大学硕士学位论文 第二章士石坝原型观测资料分析 采用回归模型识别法辅以合理性检查来判断观测数据中的粗差。首先采用测点全系 列测值，考虑水压、时效及降雨等因子，建立回归模型，在实测值与计算值的绝对值超 过三倍剩余标准差的测值中，判断是否为粗差。即： i 允一m l 3 6 ( 2 1 ) 式中：奠为计算值 ) ，为实测值 彦为剩余标准差 若式( 2 - 1 ) 成立，则判断为粗差( 或异常值) 。此时应对粗差点进行成因分析，判断其 产生原因。若确为粗差，即可剔除。但要注意；若剔除的数据点数大于l t 扣5 测点总 数，则应在其附近增加测点数，并重新判断是否存在粗差，否则应用不同准则进行比较。 拉依特( p a t ) 法准则的应用与测点数”有关。若门1 0 ，则可用式( 2 1 ) ；若” 2 d r ( 2 - 2 ) 第二节土石坝渗流观测资料分析 土石坝的坝体和坝基渗流监测是土石坝运行监测中不可缺少的重要内容。在坝体和 坝基的适当部位，设置一定数量的测压管并迸行观测，可以了解坝体的浸润线和各点渗 透压力的大小。这对坝体的稳定分析和渗流分析都具有很大的实用意义。一般说来，土 石坝的测压管布设在坝体的一些典型断面，反映的是这些部位的渗流状况，两渗流量则 是坝体一定范围内工作状况的反映，因此，在土石坝观测中应同时观测土石坝各部位的 测压管水位和渗流量，获取实测资料，并及时进行整理分析，从而了解坝体的浸润线和 各点渗透压力大小，这对坝体的稳定分析和渗流分析都具有很大的实用意义。 一、测压管水位滞后因素的分析” 通过观测人们发现，埋设在土石坝防渗体内的浸润线测压管的水位是比较小的，而 且管水位的变化与库水位变化不同步。管水位变化达到峰( 谷) 值的时刻往往比库水位 达到峰( 谷) 值的时刻来得晚，存在着时阅差。这就是测压管水位的滞后性“”。而且同 一断面各测压管水位滞后时间明显不同。 由于坝身防渗体的渗水性小，坝身浸润线测压管水位的滞后时间是比较明显的。对 浸润线测压管水位观测资料分析时，需要把滞后时间找出来。一方面，在因子选择时考 虑其影响：另一方面，可以作为分析坝身渗透状态的一项指标。 窘 邦州大学硕士学位论文 第二章土石坝原型观测资料分析 造成测压管水位滞后的原因是很复杂的。它是各种因素综合影响的结果，可归纳为 如下几个方面： 1 水压力传递需要时间 由于土体为一松散介质，尽管施工时碾压密实，但仍然有大量空隙。在水从上游渗 透到下游的过程中，水充填空隙必然要有一定的时问，因此，同一断面不同测压管的滞 后时间不一样。当水位降低时，水体的排出同样也需要时间。 2 测压管本身充( 放) 水需要时间 当开敞式测压管的水位突然变化曲时，在管内外水位差曲作用下，两水位渐趋相 等。亦即，测压管需从管外土石坝坝体中收集( 或消散) 相当于曲高的水柱，这需要 有一定的时间。所以，测压管水位的升降必然滞后于土体中水位的升降，而且测压管管 径越大，滞后的时间越长。 3 非饱和土体的充水( 或无压饱和土体水的消散) 需要时间 因为处于自由面变动范围内的土体孔隙相当于贮存或释放水的容器。当自由面随时 间变化时，它们的充( 放) 水都需要相应的时间。 4 不稳定渗流的影响 水库中的水位是不断变化的。由于上述几方面的原因，在某一水位条件下要形成稳 定渗流必然需要一定时间，而在这个时间过程中，可能库水位早已发生变化。这种作用 水头的变化也必然影响到测压管水位的变化。实际上，坝身测压管的滞后时间主要是由 于不稳定渗流过程造成的，坝身浸润线也是连续变化的，而不是象设计中所考虑的固定 不变。 5 坝身填筑质量不均匀性的影响 很显然，坝体填筑质量的不均匀直接影响坝体的密实度，这也必然影响到水压力的 传递时间。 由于实际情况的复杂性，测压管的滞后时间是很难求得的。通常可根据测压管水位 和库水位的时程曲线来估算。其方法有如下两种： ( a ) 当库水位和管水位各有一段较长的相对稳定时段对，在它们各自的时程曲线上选出 有稳定状态开始变化( 升降均可) 时两转折点的时差，即为相应测压管的滞后时间。 ( b ) 取二时程曲线对应的峰、谷值时差作为滞后时间。 二、测压管水位的定性分析。” 在分析坝身渗透时，往往要求将实测的浸润线与设计浸润线进行比较。由于存在着 上述“滞后时间”，如直接将实测浸润线与设计浸润线进行比较，则在高水位时往往得 出“实测浸润线比设计浸润线低”的结论。这是因为设计计算采用的是稳定渗流概念， 而在土石坝运用中，观测到的管水位是在库水位变动情况下非稳定渗流的瞬时状态成 果。 9 郑州大学硕士学位论文 第二章土石坝原型观测资料分析 为了合理地分析测压管水位和库水位的关系及坝体的渗流状态，可取库水位为纵坐 标。测压管水位为横坐标，按时间顺序，绘制库水位与测压管水位时序曲线。然后，根 据时序曲线的变化过程，分析渗流状态，为统计模型的因子选择提供依据。一般说来， 库水位与测压管水位h 时序曲线的关系有以下凡种： ( 一) 接近在一条直线上往返变化。这一般发生在砂卵石或坝身土料渗透系数较大的情 况。由于渗透性较强，其入渗与排渗大致枢等，滞后时间较小。但两者不呈直线变化， 而是呈曲线变化。 ( 二) 呈套圈曲线。这类曲线又有以下几种：( a ) 呈闭合的单套圈曲线( 图2 - 1 ) 。由 于测压管水位滞后于库水位及渗透系数与排出系数不等，造成同一库水位有不同的管水 位。一般情况是相同的库水位，在库水位上升时对应的管水位比下降过程的管水位低； 土石坝的渗透系数越小，滞后时间越长，套圈的横向幅度越大。( b ) 呈不闭合的多网曲 线( 图2 - 2 ) 。在图2 - 2 ( a ) 中，套圈的旋转方向向左，说明在相同水位条件下，坝体运 行过程中管水位逐年降低，可能是坝前淤积和土体沉陷密实、渗透系数改变等原因，防 渗朝有利的方向发展。在图2 2 ( b ) 中，套圈的旋转方向向右，说明在相同水位条件下， 坝体运行过程中管水位逐年增高，防渗朝不利的方向发展。此时需分析原因，加强观测， 弄清原因。( c ) 呈重复的套圈曲线( 图2 3 ) 。这说明在相同水位条件下虽然有一定波 动，但管水位变化较小，渗透处于稳定状态。 图2 1 单套圈曲线 图2 - 2 不闭合曲线图2 - 3 套圈曲线 ( 三) 库水位与测压管水位关系接近一条直线。这可能是防渗体质量很好，库水位的变 化反映不到坝体内部，但也可能是测压管堵塞后不灵敏，应视具体情况具体分析。 三、库水位与测压管水位的时程曲线分析 为了合理地分析测压管水位和库水位的关系以及坝体的渗流状态，可分别对库水位 和测压管水位建立时程曲线，即以时间为横坐标，库水位和管水位为纵坐标，描点连线。 根据时程曲线，可以分析管水位时程曲线与库水位时程曲线的相似性与滞后性，分析库 水位与管水位的变幅、坝基渗流量的大小、各断面区间透水介质渗流通