（水工结构工程专业论文）混凝土坝变形安全监控指标的拟定方法研究.pdf

摘要 摘要 本文利用大坝安全监测资料、大坝监控模型以及结构计算方法，结合协同学方法、 熵理论、突变理论、粗集理论、最小二乘支持向量机、区间数学等理论和方法，对混 凝土大坝运行期的变形监控指标的相关问题进行了研究。主要研究内容如下： ( 1 ) 应用协同学中的有序化分析方法，定义了混凝土大坝应力序参量有序度、 裂缝序参量有序度和结构整体势函数，根据大坝受力特点，将应力有序度、裂缝有序 度以及势函数作为判别标准，提出了大坝变形三级监控指标的划分方法。 ( 2 ) 研究了粗集理论和约简方法，利用变精度粗集理论对可能影响大坝安全的 薄弱部位进行粗集约简，计算了约简因素集中各影响因素的粗糙隶属度，根据粗糙隶 属度大小确定了最敏感的薄弱部位：应用数值仿真方法和最小二乘支持向量机分析了 大坝敏感部位在不同荷载组合下的效应，据此确定大坝控制荷载组合。 ( 3 ) 针对混凝土大坝弹性参数的时变性特点，研究建立了空间场时变确定性监 控模型。应用该模型，研究拟定变形一级和二级监控指标；并在对大坝参数进行敏感 性分析的基础上，应用大变形粘弹塑性模型拟定变形三级监控指标。 ( 4 ) 在传统监控模型研究的基础上，引入区间分析方法，提出了大坝的区问统 计模型、区间混合模型、区间确定性模型和粗糙神经网络模型，并用上述模型对大坝 参数进行区间反分析和区间变形监控指标的拟定。 ( 5 ) 研究了协同学和信息熵理论，据此提出了能描述混凝土大坝整体变形有序 性的空间场变形熵表达式，并从理论和应用两方面进行了具体分析。此外，应用小概 率法和熵理论，研究并拟定了空间场变形熵监控指标。 关键词：混凝土坝、变形、监控指标、理论和方法 a b s h 积 a b s 仃a c t i l lt l l i sd i s s e n a t i o n ，d 锄s a f 乱ym o i l i t o r i n gd a t a ，d 锄m o n i t o r i i 培m o d e l 锄ds m j c t l l r c c a l c u l a t i o nl n e m o da r e 啊e d ，a n ds y n e r g c t i c s ，e n 虹0 p yt l l e o 瓢谢t a s 仃0 p h em e o r y ，p r e c i s i o n r o l l 曲s e t 协e o r y ，l e a s ts q u a r e ss u p p o r tv e c t o rm a c l l i n e s ，咖a 1m a 恤e m a t i c s 觚da t l l e r t h e o f i e sa i l dm e m o d sa r ec o m b i n e dt os t i l d yd e f o m l a t i o nm o i l i t o r i i l gi i l d e xo f c o n c r e t ed a i i l d u r i n g0 p e r a t i n gp e r i o d m a j nc o n t e n t so f t l i i sd i s 洲o n 勰船f o l i o w s ： ( 1 ) t h e 锄a | y z i n gm e t h o do ns y n e 唱e t i c si sa p p l i e dt od e f i co r d e r i yd e g r c eo fs t f e s s 缸dc r a c ko r d e d yp a m i n e t e r ，a i l dp c 岫n t i a lf i l l l c t i o no fo v e r a l ls 岫l c t i l r c a c c o r d i i l gt od 锄 m e c h a n k 越c h a r a c t e r i s t i c s ，s t r e s s 鑫i l dc r a c ko r d e r l yd e g r e ea n dp o t e n l i a lf b n c t i o na r eu s 嗣 勰a 鲥t c r i o nt op r o p o s et h r c em o | l i t o r i n gi n d e x e so fd a i l ld e f o 曲a t i o n ， ( 2 ) v a r i a b kp r e c i s 沁nr o u g hs 既t h e o 珂a n dbr e d u c t i o nm 胁o da r es t u d i e dt o r e d u c ew e a kp a r t st l l a tm a ya 行醯td 锄s a f b t y ，c a l c u l a t er o u g hm e m b e r s h i po ff c d u c t i o n f k t 0 溉锄dd e t e m l i l l et l l em o s ts e n s i t i v ew e a kp a r c su l t i i i l 砒e l ya c c o r d i i 培t or o u 曲 m 删p w i mr e g a r dt oe x c a v a 士e ds e n s i t 主v ew e a kp a 如，n u m 商c a s i m u i a t i o nm 幽d 姐dl e a s ts q u a r e ss u p p o nv e c t o fi n a c l l i n ca r ca p p l i e dt oc a l c u l a t ee f t b c tq u 枷t yo f s e n s m v ew e a kp a r t smd i f f e r c n tl o a dc o m b i r l a t i o n s t h e r e o t h ec o r l 仃d l l o a 出c o m b i n a t i o n o f c o r l c r e t ed a l l li sc i e t e m i n e d ( 3 ) a i m i n ga tt i n l e - e 任宅c tc h a r a c t e r i s t i c so fe l a s t i cp a 瑚i n e t e r so fc o n c r e t e 蛔， t i m e - e f f e c t ( 1 e t 锄j n i s t i cm o i l i t 0 血培m o d e lo f 等p e c i a ld i s p l a c e m e m 蹦di ss t u d i e da r l d e s t a b l i s h c d t h ea b o v em o n i t o r i r 喀m o d e li sa p 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的角度出发，提出了混凝土大坝空间变形场的变形熵表达式，该表达式描述了混凝土 大坝的整体有序性，能综合评价空间场变形的整体状况。在此基础上，提出了应用小 概率法拟定变形熵监控指标的方法。 ( 2 ) 利用变精度粗集对可能影响大坝安全的薄弱部位和因素进行粗集约简，计 算约简因素集中各影响因素的粗糙隶属度，并根据租糙隶属度大小确定最敏感的薄弱 部位。 ( 3 ) 研究了能反映大坝坝体、坝基以及库盘变形时变特性的空间位移场时变确 定性监控模型的建模方法，应用所建立的时空确定性监控模型，研究分析大坝一级和 二级变形监控指标。 ( 4 ) 将区间数学和传统的大坝安全监控模型与b p 神经网络模型相融合，提出 了适用于大坝安全监控的区间统计模型、区间混合模型、区间确定性模型以及粗糙神 经网络模型：研究了基于区间确定性模型和粗糙神经网络模型的大坝区间参数反演分 析方法；此外，还探讨了大坝的区间变形监控指标的拟定方法，定量分析了区间不确 定性因素对变形监控指标的影响。 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同事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。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 常呜 抑p 年r 月孑口日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海 大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 晦鸸 。啪年s 月；d 日 河海大学博士学位论文 1 1 研究目的和意义 第一章绪论 2 0 世纪5 0 年代以来，我国共修建8 5 万多座堤坝，其中，1 5 m 以上的大坝有1 8 万余座，这些工程在国民经济建设和社会安全中起到了巨大作用。然而，由于水文地 质、工程地质、设计施工以及老化等原因，部分大坝存在着不安全因素【l 】。据不完全 统计，全国3 1 0 0 多座大中型水库大坝中有1 2 4 8 座大坝、8 万多座小型水库大坝中有 3 6 的大坝存在不同程度的病险问题【2 】；其它大坝，尤其是7 0 年代以前修建的大坝， 也存在老化和病变等问题口l 。与此同时，随着西部大开发、西电东送和南水北调等的 开展，如三峡、小湾、溪洛渡、锦屏、向家坝等高坝大库越来越多。这些工程的安全 不仅直接影响工程效益的充分发挥，而且威胁下游人民的生命财产安全，是关系到国 计民生的大事。 大坝失事是个渐变到突变的过程，开始时大坝出现一些缺陷或故障，当缺陷和故 障发展到一定程度时，大坝安全状态迅速恶化，溃坝随即发生1 4 】。因此，如能及时发 现大坝的一些异常，并对大坝的安全性态进行分析，则可以避免严重的溃坝事件。这 就需要对大坝进行安全监测，并能够及时收集监测资料，在较短的时间内根据监测信 息，对大坝的安全状态作出诊断。为正确综合分析和评价大坝的安全状态，需要对大 坝进行时空规律评判、力学规律评判、数学模型评判、监控指标评判、日常巡查评判 及关键问题评判等六项评判1 5 】，其中，监控指标作为一种最主要的大坝安全的评判准 则，是评价和监测大坝安全的重要指标，对于监控大坝等水工建筑物的安全运行具有 相当重要的作用。目前实施安全监控指标，是一种较为简便快速诊断大坝安全状态方 法。该方法主要利用监测值与安全监控指标进行比较，若监测值小于指标值，则大坝 安全，反之，则大坝的安全可能存在问题。因此科学合理的监控指标是大坝安全监控 体系的核心和关键所在。能否制定合理的安全监控指标，关系到大坝的安全、运行决 策和工程效益。如标准过宽会遗漏异常和险情信号，导致灾变；标准过严则可能酿成 谎报险情，干扰正常运行，影响工程效益的发挥。 坝工史上一些重大的溃坝事件大多与无监控指标密切相关。尤其是在2 0 世纪6 0 年代以前，坝工界将大坝观测用于安全管理的意识较为淡薄，虽设有一定的监测项目， 但对于监测资料的整理与分析却不够重视，形成只监测不分析的局面，以致于大坝监 测没有达到其监控的作用，且不懂得设立一定的监控界限和超限报警【6 l 。法国的马尔 帕赛拱坝和意大利瓦意昂拱坝溃坝就是著名的实例【l 。马尔帕赛拱坝坝高6 6 5 m ， 1 9 5 4 年起蓄水，观测坝下游面位移4 次，1 9 5 9 年1 2 月2 日溃决。事后的全调整试载 法计算表明，溃坝前四个月的实测位移偏大，且越向坝底偏大越多。拱冠和l 4 拱圈 第一章绪论 断面离坝底8 i n 1 0 m 处的径向位移实测值比计算值明显偏大，实测位移达 1 2 h 珊1 6 m m 是计算值的2 2 8 倍，显属异常。如当时懂得超限报警，按设计比拟法， 确定警戒限值为变形计算值的1 3 倍，为7 r r u n 9 m m ，则早在溃坝前四个月就会警觉 险情而能够防患于未然，避免重大灾难的发生。另外，意大利瓦意昂拱坝库岸滑坡是 另一典型的事故。该坝坝高2 6 2 m ，1 9 6 0 年蓄水后，坝前左岸滑坡体缓缓蠕动，至1 9 6 4 年1 0 月7 臼实测总位移达4 2 9 c m ，其中最后1 2 天的的位移速度达4 8 3 m m d ，明显 加速。但由于当时未能意识到这一最危急信号，以致发生1 0 月9 日滑坡体( 约 2 4 1 0 8m 3 ) 突然高速滑入水库，7 0 m 高的涌浪翻坝，死亡2 6 0 0 余人。 亦有的大坝因制定了安全监控指标，一方面，可以及时发现安全隐患，避免了大 坝失事的发生；另一方面，可以使大坝在保障安全的前提下充分发挥其综合效益。如 我国安徽佛子岭连拱坝水电站【5 】，因1 9 9 3 年1 1 月水库持续高水位，1 1 月下旬，又遭 强寒流袭击，坝的1 3 “垛的水平位移值达到5 8 l m m ，超过了历史最大值1 9 5 一5 3 5 ， 也超过了该垛的位移监控指标5 2 8 5 m m 。同时，垛的垂直位移也普遍增大，为保证大 坝安全，主管部门决定立即降低库水位运行，并进行安全检查，后查清了大坝变形异 常的物理成因，通过改变水库的运行方式，保证了大坝安全。又如陈村拱坝，在1 9 8 9 年定为病坝，在1 9 8 9 年以前的变形监测资料进行全面分析和反分析，提出关键坝段 坝顶水平位移为8 7 6 m m ，根据1 9 9 0 年1 9 9 3 年的实测资料，位移值小于监控值， 后经报原电力部批准将陈村拱坝改为正常坝，使工程效益得以充分发挥。 因此，科学合理地制定混凝土大坝监控指标，尤其是变形监控指标，对准确识别 险情、保障大坝安全具有重大的意义，是实现大坝安全运行的关键。拟定监控指标是 根据大坝和坝基已经抵御经历荷载的能力，来评估和预测抵御可能发生荷载的能力， 从而确定该荷载组合下，监控效应量的警戒值和极值。由于有些大坝可能还没有遭遇 最不利荷载，同时大坝和坝基抵御荷载的能力在逐澌变化，因此安全监控指标的拟定 是一个相当复杂的问题，也是国内外坝工界研究的重要课题，尚需要进行更加深入的 研究。 1 2 研究现状 1 2 1 监控指标拟定方法研究进展 常见的监控指标有变形监控指标、渗流和扬压力监控指标、应力监控指标等。从 国内外大坝安全监测领域几十年来的实践经验来看，变形和渗流监测是大坝长期安全 监测的重要监测项目，而应力应变一般只作为控制性部位在施工期和蓄水期的短期监 测项副5 1 。同时，应力、扬压力及渗流可采用设计规范或设计单位的拟定值，而变形 监控指标比较复杂，其与坝型、坝高、筑坝材料、地形地质、施工质量和运行时间等 各种因素影响，因而不同大坝的变形监控指标应结合具体的工程背景进行具体分析。 2 河海大学博士学位论文 拟定监控指标，一方面可以根据设计，运行单位的长期运行经验而确定，另一方 面需以实测数据为依据，各类设计规范为准则，选择适当的控制条件，通过复杂的力 学分析和反分析计算得到。在国内，河海大学吴中如、顾冲时等、长江科学院的王德 厚等3 枷l 对此问题进行了系统的研究，提出了用置信区间法、小概率法、极限状态法 等方法拟定变形监控指标。 1 2 1 1 置信区间法 置信区间法是根据以往的监测资料，用统计理论或有限元计算，建立监测效应量 与荷载之间的数学模型( 统计模型、确定性模型或混合模型) 。用这些模型计算在各 种荷载作用下监测效应量与实测值的差值，计算该值概率和监测变化趋势性，从而判 断大坝运行是否正常。 该法简单、易掌握。然而，当大坝没有遭遇过最不利荷载组合或者资料系列很短， 则在以往监测效应量的资料中，不包含最不利荷载组合时的监测效应量，显然用这些 资料建立的数学模型只能用来预测大坝遭遇荷载范围内的效应量，其值不一定是警戒 值。同时，资料系列不同，分析计算结果的标准差也不相同：显著性水平不同，置信 区间也不同：如果标准差较大，由该法定出的监控指标可能超过大坝监测效应量的真 实极值。另外，该法没有联系大坝失事的原因和机理，物理概念不十分明确，以及没 有联系大坝的重要性( 等级和级别) 等。 1 2 1 2 小概率法 小概率法是根据不利荷载组合的监测效应量或它们的数学模型中的各个荷载分 量，由此得到一个小子样样本空间，用小子样统计检验方法对其进行分布检验，确定 其概率密度函数的分布函数。然后根据大坝重要性确定失事概率，继而确定效应量极 值。该法定性联系了对强度和稳定不利的荷载组合所产生的效应量，并根据阻往监测 资料来估计监控指标，显然比置信区间估计法提高了一步。 小概率法适用的前提是：大坝有长期的监测资料，且真正遭遇较不利荷载组合； 否则，只能是现行荷载条件下的极值。为此，郑东健等提出了改进的小概率法【，该 方法用混合法拟定了大坝水平位移的监控指标，即通过结构分析和建立数值模型，计 算大坝水平位移的水压分量和给定概率水平下的温度分量极值，进而拟定水平位移监 控指标。改进的小概率法对水压分量进行结构计算，能模拟极限水位下的水压分量， 因此，在大坝没有经历最不利荷载的条件下，计算得到的监控指标比小概率法得到的 监控指标更加合理。 然而，上述的小概率法仍然存在一定的缺陷：确定失事概率还没有规范，失事概 率取值带有一定的经验性，由此估计的监控指标不一定是真实的极值：该法没有定量 联系强度和稳定控制条件。 第一章绪论 1 2 1 3 极限状态法 每一种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的破 坏，其极限方程为 月一s o ( 1 2 1 ) 根据计算s 和r 方法的不同，用极限平衡条件估计监测指标的方法可归纳为安全 系数法、一阶矩极限状态和二阶矩极限状态法。 ( 1 ) 安全系数法 在式( 1 2 _ 1 ) 中，抗力用允许抗力( 即允许应力、允许抗滑力和扬压力等) ，计 算抗力的物理力学参数用一阶矩确定( 即均值) 。荷载效应s 用最不利荷载组合时的 各个荷载的一阶矩( 均值) 计算。因此，该方法的平衡条件为： i 兰一i ：ojf 豆 一孽：o ( 1 2 2 ) k 。 式中：豆、司分别为抗力的均值和允许抗力，计算所用的物理力学参数由试验资料 用一阶矩确定或由原型观测资料反演求得；k 为安全系数，可参考有关规范确定；曩 为荷载效应的均值。 由式( 1 2 2 ) 可求出最不利荷载组合时的各种荷载，然后用监测效应量的数学模 型( 统计模型、混合模型和确定性模型) 求出该监测效应量的监控指标。 ( 2 ) 一阶矩极限状态法 抗力r 和荷载效应量s 的确定基本同于安全系数法，其相异之处为抗力不用允许 抗力。其极限状态方程为： r s = 0 ( 1 2 3 ) 式中：豆为抗力均值，如极限抗拉强度、抗压强度和抗剪强度等；j 为荷载效应量均 值。 由式( 1 2 3 ) 可求出满足该式时的最不利荷载组合，然后代入到监测效应量的数 学模型，即可求得该监测效应量的监测指标。 ( 3 ) 二阶矩极限状态法 如果抗力五和荷载效应s 都当作随机变量，则根据原型观测资料或试验资料，可 求得它们的概率密度函数，( r ) 、厂( s ) 及其特征值( 豆、i ) 、标准差( 、略) 。 由极限状态方程及失效概率足，用可靠度理论，可求得最不利荷载组合时的各种荷 载，然后应用监测效应量的数学模型，可求出监控指标。失效概率名根据大坝或被 盟测对象的重要性而定。 在应用极限状态法拟定监控指标时，要对结构进行性态计算分析，一般要用有限 元方法对大坝进行数值计算，并根据大坝处在弹性、弹塑性和极限荷载等不同状态， 将大坝变形分成三个监控级别进行分析，确定相应的监控指标。吴中如【 1 2 】、顾冲时 4 河海大学博士学位论文 【1 3 】、阳武5 1 等，系统地研究了基于该方法的变形监控指标拟定方法。该法考虑了大坝 的物理特性，可以模拟水压分量、温度分量以及时效分量，是一种比较好的方法。但 是必须有完整的大坝和地基的材料物理力学参数的试验资料，并求得的效应量极值， 其计算结果与选用的材料本构模型有关。 1 2 2 安全监测模型的研究进展 数学监控模型是分析大坝变形的重要手段，数学监控模型经历了较长的发展历 史，而且正处在发展阶段。2 0 世纪5 0 年代以前主要对观测值作定性分析，1 9 5 6 年 t o i l i n i 【l4 】首次将影响大坝位移的因素分成水压、温度、时效三部分，并对水压分量、 温度分量均以三次多项式来表示。x e f e z 等【1 5 】于1 9 5 8 年采用气温作为温度因子，并 取观测前不同天数的平均气温来分析c 鹊t e l o 拱坝的观测资料。r o c l l a 等人1 16 】于1 9 5 8 年采用大坝横断面各层平均温度和温度梯度作为温度因子，并以函数式来表示水位因 子。s i l v e r a 【1 7 】于1 9 6 4 年引入了幂函数来表示时效变化。中村庆一等【1 8 】于1 9 6 3 年采用 回归分析法分析大坝实测资料，并筛选出显著因子，以建立最优的回归方程。 w i d m 锄i l w 于1 9 6 7 年认为对大坝有影响的温度是气温，而气温的影响包括年平均气 温及观测时的温度偏离年平均气温两方面，对于水荷载影响还应考虑水位的上升、下 降过程。b o n a l d i 等 2 。】于1 9 8 0 年提出了混凝土大坝变形的确定性模型和混合模型，即 将理论计算值( 运用有限元计算) 与实测数据有机地结合起来。m a r a z i o 等【2 l 】于1 9 8 0 年首先用有限元法计算水压、温度、时效分量，然后建立回归模型。p e d r o 等田】于1 9 8 4 年采用定量和定性分析相结合的方法对观测序列建模。g u e d e s l 2 3 】于1 9 8 5 年应用多元 线性回归( 高斯一马尔柯夫概率函数模型) 来拟合原因量与效应量的关系，这种方法 能分离各个分量，并且能确定原因量和效应量的最佳经验公式。g o m e z l a a 等人i 驯首 先提出了混凝土坝坝基渗流量和扬压力的确定性模型。p u r e r 【2 5 】于1 9 8 6 年提出了用混 合回归模型来分析k o p s 拱坝的观测资料，此模型的特点是在因子中增加某因变量的 前期值作为自变量参加回归分析，其结果表明其残差比一般回归可减少5 0 ，复相关 系数也有所增加，因而提高了回归精度。k a l k a 越等【2 6 】于1 9 8 9 年采用多项式回归模型 来分析k r e m a s t a 拱坝渗压计测得的数据。c h o u i 彻r d 等【2 7 】于1 9 9 6 年采用主成分回归 分析i d u k k i 拱坝的监测资料。其他许多学者也在数学监控模型方面做了一些研究i 船 3 4 1 。 在国内，对数学监控模型的研究工作起步相对较晚，7 0 年代以前主要采用定性 分析，应用绘制过程线、统计最大、最小特征值等较简单的方法来分析大坝的健康性 态。2 0 世纪7 0 年代以后，在河海大学陈久宇教授等刨导下，应用统计回归分析原型 监测资料，并对分析成果加以物理成因的解释【3 5 1 。8 0 年代初中期，吴中如等【3 6 】从徐 变理论出发推导出了坝体时效位移的表达式，用周期函数模拟温度等周期荷载，并用 非线性最小二乘法进行参数估计。吴中如等1 3 7 】提出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 第一章绪论 在实际工程中得到应用。河海大学1 3 8 】于1 9 8 5 年首先将确定性模型的理论用于佛子岭 连拱坝结构性态分析，取得较好的效果。顾冲时等口川研究了混凝土坝空问位移场的确 定性模型；沈振中等【1 9 5 】用粘弹性模型模拟坝基开挖和混凝土浇筑的全过程，建立了 施工期特殊监控模型，以监控施工期大坝的安全，并确定变形初始值。 随着现代数学方法的发展和应用，2 0 世纪9 0 年代后神经网络、模糊数学、粗集 理论等方法逐渐应用于大坝监控模型领域。赵斌【4 0 】等利用b p 网络建立了大坝位移的 神经网络模型，可以实现对位移的预报。徐洪钟【4 1 1 提出了确定水压、温度、时效分量 在效应量中所占比例的神经网络方法。李雪红【4 2 】将主成分分析和模糊神经网络相结 合，建立了大坝观测数据的主成分模糊神经网络模型，解决了各因子间的相关性问题。 张乾飞m 1 采用模糊聚类理论方法对因子集进行模糊聚类，利用神经网络的方法建立样 本因子集类别变量特征值与样本观测值之间的预测模型，提出了将模糊聚类、模糊模 式识别以及神经网络三者有机结合的预测理论。苏怀智h 4 j 利用模糊神经网络独特的结 构和强大的处理信息的能力，应用模糊神经网络和遗传算法等人工智能技术，将模糊 联想记忆神经网络技术与大坝安全监控的领域特点相结合，建立位移、扬压力等的监 控模型进行预报。赖道平等【4 5 】利用e l r n a l l 回归神经网络建立大坝位移的监控模型， 拟合效果与预报效果好于b p 网络和统计模型。陈继光【4 6 】讨论了不同影响因素( 水 位、温度等) 与大坝位移变形量间的模糊关系，将模糊人工神经网络分析方法用于土 坝位移的预报。包腾飞1 47 j 提出遗传算法和混沌优化算法改进的神经网络方法建立裂缝 的预测模型。雷鹏【4 叫提出了基于粗集理论的大坝监测资料，该方法可以确定水压、温 度、时效分量在效应量中所占的百分比，同时可以应用约简的规则集对大坝未来变化 趋势进行区间预报。 1 2 3 反演分析方法及其研究进展 资料反分析是根据原型观测资料，引入适当数学模型，求出正分析中的计算参数。 大坝和坝基存在某些不确定因素，因此，原型观测与反馈工作得到了广泛的应用和发 展。 太沙基在1 9 6 9 年提出的观测设计法( o b s e r v a t i o nd e s i 助m e t h o d ) ，是反分析思 想的最早应用，他用现场观测结果修正参数和设计。近年来，在隧道工程中，由于推 行奥地利学者l v r a b c e 、v i t h 提出的新奥法( n e wa u s t r i at h i l l l e l l i l l gm e t h o d ) 而取得 了显着的经济效益。新奥法的内涵是：在隧洞开挖过程中，通过对围岩及支护的观测， 反馈旋工和设计1 4 9 5 0 1 。 国内外对大坝的反馈工作开展得比较深入，尤其是混凝土坝的反馈工作。吴中如 等【5 卜5 5 1 利用原型观测资料，由确定性模型及统计模型、结合有限元计算的成果，反 演坝体混凝土的综合弹性模量和温度线膨胀系数：b o n a l d i 、f a n a i l i 和g i u s e p p t t i 等【5 6 别提出有明显物理概念的确定性模型，并以此来反演坝体混凝土的弹性模量、温度线 膨胀系数和热力学参数；吴中如i 删、刘眉县等6 1 蝽u 用离下游不同深度的温度计测值、 6 河海大学博士学位论文 并考虑坝面粘滞层的影响、反演混凝土的导温系数。 在渗流参数反分析方面，国内外学者做了大量的研究工作。王士军、刘嘉忻【6 2 】 利用钻孔中实测的地下水位，通过反分析推算岩体的渗透系数：朱岳明等1 6 副利用测孔 水位结合渗流有限元分析，反演坝体和基岩的渗透系数。 近二十年来，位移反分析方法发展很快，已从弹性问题的位移反分析发展到弹塑 性以及粘弹塑性问题的位移反分析。在弹性问题的位移反分析中，国内外学者作了较 多的工作。s h i m i z u f 删提出了边界元位移反分析方法；樱井春铺f 6 5 】在隧洞开挖过程中， 假定其周边问题为位移初应力的线性函数，从而实现了平面应变问题的位移反分析方 法；刘允芳【66 l 提出了利用解析方法解决弹性介质中非圆形洞室的位移反分析原理及公 式：杨志法掣6 7 6 8 】利用有限元图谱实现了隧洞的位移反分析；此外，吴凯华【矧、g g i o d a 等【”j 在隧洞、非圆形洞室的位移反分析方面提出了各自的位移反分析法。在粘弹性参 数反演方面，刘怀恒7 1 】和杨林德7 2 矧做了较多的研究，在国内具有代表性，他们引入 基于时间的等效弹性模量，由此首先反演若干时刻的等效弹性模量，然后反推流变参 数，但这种算法只局限于简单的线弹性材料；沈家荫、林炳仕等r 7 4 】提出了由位移观测 资料反演分析的边界元法。薛琳等【7 卜7 7 l 建立了以岩体介质蠕变柔量为中心的解析法 反演理论，并在实际工程中取得了较好的效果。此外，国内外众多学者还进行了各种 研究探讨，提出了一些较实用的方法。刘世君等【7 8 j 研究了利用位移和蠕变柔量两步反 分析法辨识粘弹性本构模型的方法。许宝田等i 阳】基于实测数据，运用模糊关联分析法 对岩石粘弹性模型进行识别，反求粘弹性模型方程的参数。伍振志等【8 0 1 研究了基于改 进遗传算法反演粘弹性岩体力学参数的方法。对于弹塑性问题的位移反分析，意大利 学者g i a d a 、s a k u r a i 和m a i e r 等【8 1 州利用单纯形优化法进行了弹塑性反分析，国内外 学者在此基础上，进一步完善和发展了这种方法。 对于粘弹塑性问题的位移反分析，陈子萌【8 5 l 对圆形洞室经l a p l a c e 变换，导出了 广义开尔文模型的位移解析解，并利用直接搜索法求解非线性方程中的待定参数；王 芝银等【8 6 ，87 】研究了西原流变模型的反分析问题，并提出了粘弹塑性增量位移反分析的 复合形法；沈振中【8 8 】在单纯形法的基础上，通过动态约束搜索误差，提出了参数反分 析的可变容差法，以加速迭代速度；胡维俊等1 8 9 】基于优化理论，提出了拱坝位移反分 析的多点拟合法，得到了合理的成果。 人工智能和信息科学等新兴学科在大坝原型观测资料反分析中也获得了一定的 应用。李守巨等采用三层前馈网络的反向传播b p 学习算法来识别大坝混凝土和岩石 基础的弹性参数【叫；刘迎曦等利用遗传算法，根据混凝土重力坝的水位分量来识别坝 体和坝基的弹性模量 9 l 】：冯夏庭等将人工神经网络与遗传算法相结合，提出了一种用 于位移反分析的进化神经网络方法睇l 。 1 2 4 区间不确定性分析及其研究进展 第一章绪论 1 2 4 1 区间数学方法 处理不确定的方法主要有3 种：( 1 ) 随机模型【9 3 州】，以此为基础建立了比较完 善的随机有限元理论，主要用来解决具有随机性的问题，目前己广泛应用于结构的概 率可靠性设计中；( 2 ) 模糊模型【9 5 删，它是在美国著名控制论专家z a d c h 提出的模 糊集合的基础上发展起来的，利用模糊统计来研究不确定性，主要用解决工程分析中 的模糊性信息，目前此模型研究发展速度较快；( 3 ) 区间分析模型【9 ，以区间分 析方法来研究不确定性，目前还处于摸索阶段，还需要进一步深入地研究。 区间分析方法是自2 0 世纪5 0 年代末m o o r e 提出区间算法的概念【l 叫之后发展起 来的。区间分析方法在工程实际中具有广泛的存在背景，比如工程范围提供的材料参 数如弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角等常在一定的区间范围内；大坝管理单位 为了监控大坝运行状态，要经常量测变形、裂缝、应力、渗流等各种测值艿，但是往 往由于仪器精度和测量技术而产生一定的量测误差万，则实际量测结果可以用区间 数表示为p 一j ，艿+ 占1 。 区间有限元方法是区间分析与有限元方法相结合的产物。从求解工程响应区间的 着眼点来看，区间有限元分析方法可分为两类：基于不确定性区间参数的区间有限元 分析方法和基于有限元区间控制方程的分析方法。从输入与输出响应的关系可以分 为：线性区阃分析方法和非线性区间分析方法。 众多学者研究了基于区间控制方程的区间有限元方法。r a o 等【l ”j 通过区间方程 组中所有区间元素上下边界的组合，研究了区间方程组的直接组合解法，但此解法得 出的区间小于原问题的真实解区间，并且当自由度较多时，其计算量将是非常庞大的。 吴晓掣旧1 1 提出了基于泛灰数及其运算性质1 0 2 1 的不确定性区间分析方法，该方法将有 限元区间控制方程转化为泛灰区间方程组，然后可以像求解线性方程组那样直接对泛 灰区间方程组进行求解。虽然该方法求解比较简单，但是由泛灰区间的运算性质可知， 泛灰区间的运算会导致区间的收缩【1 0 3 1 ，最终得出的解区间比实际问题的区间范围要 小。m a r l ，o v l l 0 4 j 提出了求解区间线性方程的j a c o b i 迭代方法，并对其收敛性进行了研 究，但该方法对区间劲度矩阵有特定要求。郭书祥掣。05 】提出了基于区间运算特性的 区间有限元的迭代算法，用该方法进行计算时只需满足迭代的收敛条件即可，但不确 定参数离差较大时该方法无法收敛。区间扩张是区间迭代法的致命缺点，为解决这一 问题，r 丑o 【9 3 1 提出了区间截断的方法，该方法可以较好地处理区间运算中的扩张。由 于该方法在端点不能自动退化，吕震宙等【晰1 提出了改进的区间截断方法。邱志平【1 0 7 】 基于n e u m 砌展开与摄动理论相结合的线性方程组的解法，提出了基于区间线性控 制方程的区间摄动方法，由区间摄动法的收敛条件可知，当区间离散程度较大时可能 不收敛，因此又提出了子区间摄动方法，子区间摄动方法可以保证在参数区问离散程 度较大时收敛，可以获得较好的结果。 基于不确定区间参数的区间有限元分析方法也取得了众多成果。郭书祥等【l “j 指 河海大学博士学位论文 出由有限元区间控制方程所求得的解区间与基于不确定性区间参数的有限元的解区 问是不等价的，主要原因在于区间控制方程形成时没有考虑区间之间的相关性，使得 由区间控制方程得出的解区间产生扩张。由此，国内外研究者也提出了基于不确定性 区间参数的有限元分析方法。m c w i l l i 锄【1 0 9 】和郭书祥等【1 0 8 】提出了基于参数组合的单 调性法，该方法通过考虑响应结果关于不确定参数的单调性问题来减少需要组合的次 数，当所有不确定参数的单调性确定时，仅需要两次有限元控制方程的求解就可以得 出原问题的解区间，该方法比较适合有具体工程背景的情况。刘世君【l 加】提出了基于 不确定性区间参数的优化方法，该优化方法除了考虑不确定参数的区间约束外，还考 虑了有限元控制方程约束。邱志平提出了基于不确定区间参数的摄动方法【l l ，其核 心思想是将劲度矩阵和荷载向量按照结构有限元和子结构理论进行分解，然后用摄动 方法进行求解，但这种方法忽略了劲度矩阵和荷载向量中不确定性参数的相互作用。 m c 谢l l i a m i l 0 9 l 提出了改进的区间摄动法，可以部分考虑这种相互作用。刘世君【1 10 】将 区间劲度矩阵和荷载向量在均值处进行t a y l o r 展开，然后用摄动方法进行求解。由于 区间参数摄动方法要求劲度矩阵的变化范围较小，而实际工程中不确定参数的变化范 围一般又比较大，这时采用考虑参数区间分区摄动的方法来处理，该方法适合于岩土 工程中区间数离散程度较大的情况，并且可以得到较准确的解区间。 1 2 4 2 区间反演分析 在工程设计和施工方案中，采用的材料参数往往是通过现场或室内试验得出或根 据以往的经验得出，而现场或室内试验又往往收到经费和工作条件等客观因素的限 制，一般难以客观地反映整个工程的实际情况，因此，有必要在工程方案的具体实施 过程中，通过系统响应的实时监测资料来反演得出材料参数，并对原设计和施工方案 进行实时监控或动态设计施工【儿2 】；另一方面，基于反分析结果对计算模型或参数进 行修正，对工程结构进行更准确的评价和实时安全监控预报，也可对已建结构物进行 实时的安全监控。 区间反分析只需要较少的区间数据信息就可以描述参数或量测信息的不确定性， 比较符合客观实际，减少了人为假设的影响，为工程实际提供了简单可行的方法。因 此，国内外学者建立了基于区间分析方法的区间反演分析模型。日本学者j u l l a c h i 和 s a t o m 【n 3 】首先于1 9 8 0 年利用带有误差的位移来反演接触面的应力分布，具有了一定 的区间反演的思想。n “【a g i r i 和s l l z l l k i 4 】于1 9 9 9 年比较详细地论述了区间有限元反 演分析的思想，文中在假设劲度矩阵是确定值的情况下，通过拉格朗日乘子方法辨识 了在不确定位移下方板平面结点荷载的分散程度，并通过荷载对不确定位移的敏感性 分析来评价反演荷载不确定性的影响。刘世君等5 】建立了基于参数摄动方法的摄动 反演模型，该模型先经过一次确定性反分析获得不确定性参数的均值，然后再由摄动 公式依次求出不确定参数的离差，并利用该模型对岩石力学参数弹性模量和泊松比进 行了反演分析，但该方法需对参数求偏导，计算量比较大。王登刚等【1 1 6 ，7 】建立了同 9 第一章绪论 时用于反演巷道围岩的初始应力和弹性模量的反演模型以及混凝土坝振动参数的区 问逆分析模型，并用约束变尺度方法求解了两种反演模型，但是此反演模型对初值比 较敏感，实际计算时经常需采用不同的初始点进行计算，然后取其最大最小值，计算 量也比较大。 以上方法应用于工程实际，并取得了一定的成果。但由于实际工作问题的复杂性， 如何建立比较简单合理的反演模型，以及区间反演结果好坏的评价标准仍需进一步研 究。对于反演计算效率问题，借助于大型有限元分析软件计算速度快的特点进行计算 也是一种趋势。 1 3 问题的提出 虽然很多专家、学者对混凝土大坝变形监控指标的拟定方法进行了大量研究，但 是还有