（水工结构工程专业论文）混凝土坝变形安全监控时变模型及其应用研究.pdf

摘要 摘要 应用数学、力学理论和方法，并结合坝工知识对混凝土坝变形的时变监控模型、时 变性参数的反演以及大坝变形性态转异评判方法等进行了较为系统地分析和研究，主要 研究内容如下： ( 1 ) 建立了混凝土坝变形安全监控时变模型，并将遗传模拟退火算法引入到混凝 土坝变形的时变监控模型的建立之中，据此对混凝土坝变形时变崎控模型中的影响因子 进行了优化。 ( 2 ) 研究了混凝土坝坝体弹性模量和坝基变形模量的反演分析方法，探讨了反映 大坝弹性模量时变特性的反演分析模型的构建方法；此外，用广义k e l v i n 模型描述了混 凝土坝的流变特性，由此建立了混凝土坝的流变参数反演分析的目标函数，并利用变尺 度( d f p ) 算法进行了优化求解，研制了相应的反演分析程序。 ( 3 ) 利用时变监控模型、弹性模量的时变规律、分形维数以及尖点突变模型等对 大坝变形性态进行了分析；并依据模糊数学以及层次分析法思想，将各种单一评判方法 进行有机融合，建立了混凝土坝变形转异的综合评判模型。 ( 4 ) 结合池潭大坝工程，应用前述的理论和方法，建立了该大坝典型坝段的时变 模型，反演了大坝的弹性模量及流变参数，并建立了综合评判模型；由此对大坝的变形 性态进行了综合评判。 关键词：混凝土坝变形时变模型弹性模量流变参数反演分析转异评判 a b s t r a c t a b s t r a c t b ym e a n so f t h et h e o r i e sa n dm e t h o d so fm a t h e m a t i c sa n dm e c h a n i c st o g e t h e rw i t hd a m e n g i n e e r i n gk n o w l e d g e ，t i m e v a r y i n gm o n i t o r i n gm o d e l ，t i m e v a r y i n gp a r a m e t e r s a n d m e t h o d so fa b n o r m a l i t yd i a g n o s i so fc o n c r e t ed a m sd e f o r m a t i o na r es y s t e m a t i cs t u d i e dt h e m a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) s a f e t ym o n i t o r i n gt i m e v a r y i n gm o d e lo fc o n c r e t ed a m sd e f o r m a t i o ni se s t a b l i s h e d ， a n dt h e g a s a ( g e n e t i ca l g o r i t h m a n ds i m u l a t e d a n n e a l i n ga l g o r i t h m ) i s a p p l i e d t o e s t a b l i s h i n gt h et i m e 。v a r y i n gm o n i t o r i n gm o d e l ，b a s e do i lw h i c h ，t h et i m e - v a r y i n gm o n i t o r i n g m o d e li so p t i m i z e d ( 2 ) b a c ka n a l y s i sm e t h o d so f e l a s t i cm o d u l u so fd a m b o d ya n df o u n d a t i o nf o rc o n c r e t ed a m a r er e s e a r c h e d ，a n dt h et i m e v a r y i n gb e h a v i o ro fe l a s t i cm o d u l u sf o rc o n c r e t ei ss t u d i e d i n a d d i t i o n ，t h eg e n e r a l i z e dk e l v i nm o d e li su s e dt od e s c r i b er h e o l o g i c a lb e h a v i o ro fc o n c r e t e d a m o nt h eb a s i so ft h i s ，t h eo b j e c tf u n c t i o ni se s t a b l i s h e dt ob a c ka n a l y z e r h e o l o g i c a l p a r a m e t e r sa n di ss o l v e db yv a r i a b l em e t r i cm e t h o d ，a n dc o r r e s p o n d i n ga n a l y s i sp r o g r a mi s d e v e l o p e d ( 3 ) o n t h eb a s i so f t h et i m e - v a r y i n gm o n i t o r i n gm o d e l ，t h e t i m e v a r y i n gb e h a v i o ro f e l a s t i c m o d u l u s ，f r a c t a ld i m e n s i o na n dc u s pc a t a s t r o p h em o d e l ，d e f o r m a t i o nb e h a v i o ro fc o n c r e t e d a mi sa n a l y z e d o t h e r w i s e ，b a s e do nt h ei d e a so ff u z z i n gm a t h e m a t i c sa n da h p ( a n a l y t i c h i e r a r c h yp r o c e s s ) ，t h ea n ys i m p l e e v a l u a t i o nm e t h o d sa r e s y n c r e t i z e d ，a n ds y n t h e s i s e v a l u a t i o nm o d e lo f d a md e f o r m a t i o l li se s t a b l i s h e d ( 4 ) b a s e do np r a c t i c a is i t u a t i o no f t h ec h i t a nd a m ，t h et i m e v a r y i n gm o n i t o r i n gm o d e lo f i t st y p i c a lm o n o l i t hi ss e tu pb y u s i n gt h ea b o v et h e o r ya n dm e t h o d s ，a n dt h ee l a s t i cm o d u l u s a n dr h e o l o g i c a lp a r a m e t e r sa r eb a c ka n a l y z e d i na d d i t i o n ，t h es y n t h e s i se v a l u a t i o nm o d e lo f i t sd e f o m a t i o ni se s t a b l i s h e d a n di t sd e f o r m a t i o nb e h a v i o ri se v a l u a t e d k e yw o r d s ：c o n c r e t ed a m ，d e f o r m a t i o n ，t i m e - v a r y i n gm o d e l ，e l a s t i cm o d u l u s ，r h e o l o g i c a l p a r a m e t e r , b a c ka n a l y s i s ，a b n o r m a l i t yd i a g n o s i s i i 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) ： 南交蠡皇。瞬f 月2 3 日 学位论文使用授权说明： 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) ：壶自丑芝瓣箩月2 3日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 随着国民经济的发展，世界各地水利资源不断地开发和利用，大坝和其他水工建筑 物的数量不断增加，规模也越来越大。我国水利水电事业也得到蓬勃发展，至今己修建 了8 6 万多座堤坝，形成了大小不同的水库群。其中1 5 m 以上的大坝有1 8 万座，3 0 m 以上大坝有3 0 0 0 多座，装机约8 0 0 0 多万k w ，万亩以上灌区有7 0 0 0 多处，灌溉面积 7 2 亿亩。这些工程在国民经济中产生了巨大的社会和经济效益。然而，随着建坝数量 的不断增多，坝址地质条件的日趋复杂；加之由于水文、施工质量、运行管理及老化等 原因，使部分大坝存在不安全因素，还有不少病险水库。据不完全统计，在全国3 1 0 0 多座大中型水库大坝中有2 0 、在8 万多座小型水库大坝中有3 6 存在不同程度的病险 问题；其他大坝，尤其是2 0 世纪7 0 年代以前修建的大坝，也存在老化和病变等问题。 与此同时，随着西部大开发和西电东送的开展，如三峡、溪洛渡、小湾等高坝大库也越 来越多，对安全提出了更高的要求。另外，大坝的不安全因素不但影响其工程效益的发 挥，而且还会给下游人民生命财产带来严重的威胁。因此，大坝运行的安全显得更为突 出和重要了i “引。 e h 于大坝及基岩工作条件复杂，荷载、计算参数、计算模型等还难以精确模拟，并 且在设计中不可能将所有对大坝结构造成影响的因素( 如实际的基础情况、地震强度、 超设计洪水，恶劣的运行环境等) 都考虑进去或作出精确的计算，这就使得目前水工设 计难以做到与工程实际完全吻合，有时会造成浪费，或者存在安全隐患。因此，为了确 保大坝的安全运行，就必须对大坝进行全面的安全监测和检查，并及时根据原型监测资 料，分析和反分析大坝及基岩的运行状态。一方面可以及时掌握和评价大坝和基岩的运 行状况，对可能存在的安全隐患问题事先采取处理措施，以确保工程安全；另一方面可 以作为检验设计、施工、发展坝工技术的重要手段，从而不断积累经验，反馈设计，发 展和完善设计、施工理论和工程技术。因而对大坝原型监测资料进行正反分析具有重大 的科学理论价值和实用价值，是理论联系实际的重要途径。 混凝士坝的整体工作性态，主要反映在变形、渗流、应力应变等变化，而其中变形 变化状况尤为直观可靠，国内外坝工专家公认大坝的变形是目前能够说明大坝实际状况 的唯一精确且可靠的指标 4 】，变形不仅直接反映了大坝在各种荷载作用下的变形和稳定 河海大学硕士学位论文 状况，还间接反映了大坝的应力和渗流状况。当大坝应力超过弹性极限进入屈服阶段时， 坝体产生屈服变形，表现为变形明显增大：当应力超过混凝土抗拉强度时，坝体出现裂 缝，同时，由于裂缝的影响，坝体变形也出现异常变化；当应力超过抗压极限时，由于 局部混凝土压剪破坏，在大坝变形中也有所反映。因此，大坝的变形状况一定程度上反 映了坝体应力变化状况。扬压力是作用在大坝上的主要荷载，其变化( 尤其如突增或突 降) 也会对大坝变形产生影响。因此，大坝变形性态综合反映了各种因素对大坝工作性 态的影响，其变化是评价大坝安全状况的重要依据。 混凝土坝在服役期间，其变形性态随时间而发生变化，即表现为其具有时变性。大 坝变形监测测数据如水平向位移、垂直位移等都是大坝在环境与外荷载作用下的性态反 应，它们一方面受外载与环境因素的影响，另一方面取决于大坝坝体与基础的性状( 如 坝体混凝土的弹性模量、基岩的变形模量等) 。而大坝的外载、工作环境不断变化，必 然会造成大坝的变形处于不断变化之中；另外，大坝材料流变特性而引起其变形性态具 有时变性，同时大坝在服役期间由于环境的影响使得结构性态发生缓慢的变化，表现为 其结构参数等随时间而变化，进而引起大坝变形性态的时变特性。因此在对大坝变形监 测资料分析时，应考虑到结构的时变特性，以便能适时、准确地描述混凝土坝的变形性 态。 综上所述，对混凝土坝的变形性态进行全面的正反分析，可以避免事故或减小危害， 并为病险坝的处理提供科学依据，在确保大坝安全运行的前提下，充分发挥工程的经济 效益和社会效益。与此同时，在混凝土坝安全监控研究领域，对于大坝变形性态的时变 特性进行深入研究无疑会推动该学科的进一步发展和完善。因此，从大坝安全监控体系 的角度上讲，可以进一步完善大坝安全监控体系，推动大坝安全监控朝着纵深方向发展。 因此，开展混凝土坝变形安全监控时变模型及其应用研究具有重要的理论价值和实用意 义。 1 2 安全监控模型的研究进展 1 _ 2 1 监测资料正分析 国外对大坝安全监控分析工作起步较早，自1 9 5 5 年意大利f a n e l h 和葡萄牙r o c h a 等人采用回归方法进行定量分析以来，世界各国得到了广泛应用和发展。 ( 1 ) 意大利的托尼尼( d t o n i r d ) i s ( 1 9 5 6 年) 首次将影响大坝位移的因素分成 第一章绪论 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 r e z ( 1 9 5 8 年) 等【6 】采用气温作为温度因子，并取监测前不同天数的平均气温来分析c a s t e l o 拱坝的 监测资料。r o c h a ( 1 9 5 8 年) 等人【_ 7 】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，使模型表达式进一步完善。s i l v e r a e ( 1 9 6 4 年) 引 入了幂函数来表示时效变化，在时效分量表达式的研究上得到了一些成果。中村庆一 ( 1 9 6 3 年) 等【9 】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 a n n i l0 】( 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 年平均气温及监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。w i l i m 【l ”( 1 9 6 7 年) 对水压、时效分量使用多项式形式，收到一定效果。 b o n a l d i ( 1 9 8 0 年) 等【l2 】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 ( 1 9 8 0 年) 等人【1 3 l 首先 运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 ( 1 9 8 4 年) 等【j 4 】 采用定量和定性分析相结合的方法对监测序列建模。g u e d e s n 5 l ( 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之间的关系，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。gg o m e z l a a 等人【1 6 增 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 【1 7 】( 1 9 8 6 年) 提出了用混 合回归模型来分析k o p s 拱坝的监测资料，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 n i ( 1 9 8 9 年) 等【l8 】采用多项式回归模型来分 析k r e m a s t a 拱坝渗压计测的数据。l u ce c h o u i n a r d ( 1 9 9 6 年) 等【l9 j 采用主成分回归分 析i d u k k i 拱坝的监测资料。其他许多学者在大坝安全监控数学模型上做了一些研究 2 0 啪l ，为回归方法的的完善作出了贡献。 ( 2 ) 国内的大坝安全监控分析工作起步相对较晚，上世纪7 0 年代以前主要进行定 性分析，并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。 上世纪7 0 年代以后，自河海大学陈久宇教授1 9 7 4 年采用回归方法分析监测资料，并将 分析成果加以物理成因的解释后，在河海大学吴中如教授等人网从混凝土徐变理论出发 推导出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d , - 乘 法进行参数估计，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 2 9 1 ，并在实际工程中得到应用。河海 河海大学硕士学位论文 大学3 于1 9 8 5 年首先将确定性模型的理论应用于佛子岭连拱坝结构性态分析，取得较 好的效果。李旦江将混合模型应用在拱坝原型资料分析中。此外，有些学者注意到单测 点模型难以反映空间位移场的缺点，提出了混凝土坝空间位移场的时空分布模型、多测 点统计模型及确定性模型 3 1 3 5 】，用以监控大坝的空间位移场。与此同时，研究者利用数 学等相关领域的前沿成果，提出了一些模型【3 洲j ，如模糊预测模型、灰色预测模型、神 经网络模型、时间序列模型等、相空间预测模型、组合模型等，在传统的回归模型中， 也提出了岭估计、主成分估计等新的估计方法。此外，在提取监测资料趋势项( 即时效 分量) 上，有人利用小波理论【4 5 】进行了时效分量的分离。这些都为大坝安全监控模型和 方法的研究作出了贡献。 1 2 2 监测资料反分析 通过原型监测资料的正分析，建立各种数学监控模型，用以监测和评价大坝运行状 况。如果仿效系统识别理论，将正分析的成果作为依据，通过相应的理论分析，反求大 坝等水工建筑物和地基的材料参数以及某些结构特性等，即为反分析。 太沙基在1 9 6 9 年提出的监测设计法，是反分析思想的最早应用。国内外学者对大 坝及岩基的反演和反馈工作开展的比较深入，并取得了一些成果，尤其是混凝土坝的反 演分析已较为普遍。 吴中如院士【4 6 】等人提出利用监测资料，综合统计模型、确定性模型和混合模型以及 有限元计算成果，反演坝体混凝土综合弹性模量、线胀系数及坝基变形模量，在实际工 程中得到广泛应用，收到良好效果。b o n a l d 等【1 2 】( 1 9 8 0 年) 利用有明显物理概念的变 形确定性模型和混合模型，反演坝体混凝弹模和温度线膨胀系数，在大坝的反分析中 起到了积极的作用。吴中如、刘眉县等【4 7 】提出了利用下游不同深度的温度计的测值，考 虑坝体表面粘滞层的影响，反演混凝土导温系数的方法。陈久宇等人【4 8 荆用离上游面不 同距离的渗压计测值，并考虑上游水位的波动，来反演坝体混凝土的扩散系数等，有一 定的实用价值。吴中如、陈继禹等【4 9 】利用临界荷载和小概率事件法，反演坝体混凝土断 裂韧度，首次提出了混凝土断裂韧度的反演方法。朱岳明等【5 0 】利用测压管水位结合渗流 有限元分析，反演坝体和坝基的渗透系数，收到一定效果。 近二十年来，位移反分析方法发展很快，已从弹性问题发展到弹塑性问题、粘弹塑 性问题的位移反分析。在弹性问题的位移反分析中【5 1 - 5 5 1 ，国内外众多学者在这方面作了 第一章绪论 较多的工作。s h i m i z u 提出了边界元位移反分析方法，樱井春铺、刘永芳、杨志法、吴 凯华、g g i o d a 等在隧洞、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。 同济大学杨林德等人【56 在粘弹性参数反演分析方面做了许多研究，在国内比较具有代表 性。沈家荫、林炳仁等【5 7 】利用位移监测资料，应用边界元法反演鲍埃丁一汤姆逊粘弹性 模型参数，效果较好：薛琳等【5 8 1 采用两步位移反分析法，研究了伯格斯模型的位移反分 析方法。陈子荫等【5 圳利用圆形洞室经l a p l a c e 变换，在粘弹塑性问题的反演分析上取得 了一定成果。吴中如、顾冲时等【6 0 】提出的大坝和基岩粘性系数的反演方法，填补了该领 域的空白。 近年来一些前沿的方法被引入工程的反分析领域【6 1 卅】，如神经网络、遗传算法等。 李守巨等采用三层前馈网络的反向传播b p 学习算法来识别云峰大坝混凝土和岩石基础 的弹性参数。冯夏庭等将神经网络与进化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。徐洪钟等人应用模糊神经网络反演坝体和坝基的弹性模量，建立其反演 分析神经网络模型：向衍等基于遗传算法的直接随机寻优特性，结合水平位移等大坝安 全监测资料，提出了坝体弹性模量和坝基变形模量的遗传反演方法。而对于混凝土坝材 料参数时变特性的研究目前开展的还比较少。 1 3 问题的提出 混凝土坝变形性态是一个随时间逐渐演化的过程，但在其时变特性研究方面，目前 尚未发现较为系统的研究成果。在其变形数学监控模型方面，采用一般混凝土坝的模型 表达式，其模型中弹性分量影响因子的选取上尚未考虑到混凝土坝结构时变特性，使模 型分离的分量与实际不符；同时，在反演分析方面，结合测点监测位移资料，反演得到 的大坝弹性模量一般都是平均值，不能反映出参数随时间的变化规律；对混凝土坝的变 形过程及转异评判的研究还不是很多，为了及时发现大坝转异或危害，有必要进一步研 究大坝变形转异评判模型。因此，加强对上述问题的研究，对大坝监测信息分析进一步 的发展有着重要的推动作用。 1 4 本文研究的主要内容 针对前面提出的问题，本文结合教育部跨世纪优秀人才培养基金( 2 0 0 3 5 1 2 6 4 3 ) 和 国家自然科学基金重点项目“重大水工混凝土结构隐患病害监测与健康诊断研究” ( 5 0 1 3 9 0 3 0 ) ，对混凝土坝变形安全监控时变模型开展了深入地研究，并应用于实际工 河海大学硕士学位论文 程，其主要研究内容如下： ( 1 ) 针对混凝土坝变形的时变特性，探讨了考虑时变作用的水压分量因子的构建 方法，采用积分回归法建立了温度分量表达式，在此基础上，构建了一维多测点时变监 控模型各分量，据此建立了多测点时变监控模型：并应用遗传模拟退火算法对混凝土坝 变形时变监控模型的影响因子进行了优选。 ( 2 ) 研究了混凝土坝坝体弹性模量和坝基变形模量的反演分析方法，探讨了反映 大坝弹性模量时变特性的反演分析模型的构建方法，研制了相应的反演分析程序：此外， 应用广义k e l v i n 模型描述了混凝土坝的流变特性，据此建立了混凝土坝的流变参数反演 分析的目标函数，并应用变尺度( d f p ) 算法反演了混凝土坝流变参数，研制了相应的 反演分析程序。 ( 3 ) 应用时变监控模型、弹性模量的时变规律对大坝变形性态的转异进行评判； 同时探讨了突变理论、分形维数在大坝变形性态的转异评判中的应用；依据模糊数学以 及层次分析法思想，将上述各种单一评判方法进行有机的融合，建立了混凝土坝变形转 异的综合评判模型。 ( 4 ) 结合池潭大坝水平位移、垂直位移等监测资料，应用前述的理论和方法，建 立了池潭大坝典型坝段变形的时变监控模型，对该坝的弹性模量、流变参数进行了反演 分析，并建立了其转异评判模型，对池潭大坝的变形性态进行了评价。 本文主要研究内容框架见图1 - 4 1 。 第一章绪论 图1 4 1 本文主要研究内容结构图 7 河海大学硕士学位论文 第二章混凝土坝变形时变监控模型研究 2 1 问题的提出 混凝土坝在服役期间，其变形性态随时间而发生变化。造成混凝土坝变形性态发生 变化因素主要包括外因和内因两个方面，外因是大坝的工作环境如上下游水位、温度等 是不断变化，必然会造成大坝的变形处于不断变化之中；内因也可分为两个方面：其一 是大坝材料流变特性而引起变形性态具有时变性，其二为大坝在服役期间由于环境的影 响使得结构性态发生缓慢的变化，表现在结构弹性参数、压缩条件等随时间而变化，进 而引起大坝变形性态的时变性。在内外因素的共同作用下，大坝的变形性态处于不断演 化之中。从工程安全角度考虑，内因对大坝变形性态的演化起着决定性的作用，而外因 则对大坝变形性态的演化创造条件。因此，所建立的混凝土坝变形监控模型，应能很好 地反映出大坝变形性态的时变特性。 目前混凝土坝变形的监控模型主要有统计模型、确定性模型和混合模型i 引。当荷载 在已经发生的区段内，统计模型具有较好的计算精度和预报效果，但要延伸荷载超越统 计范围时，其监控预报效果较差，甚至会发生错误。确定性模型有明确的物理概念，能 模拟较复杂的结构形态和荷载条件，模型的精度较高，但其温度分量计算较复杂，计算 工作量将较大。而混合模型是将水压分量用力学法计算，其温度分量和时效分量仍保留 统计模式，其介于统计模型和确定性模型之间，既具备统计性质，又可以反映大坝的物 理力学工作状态，并建模受时域限制较小，外延功能较强，建模简便。 在常规的监控模型中，将与时间有关的变形都笼统地归为时效部分，认为在不同时 刻，相同的水位和温度条件下，大坝变形的弹性分量部分是相同的，然而大坝的弹性参 数在大坝服役期间也同样具有时变特性，这必然导致在不同时刻，相同的水位和温度条 件下，大坝变形的弹性分量部分是不同的，在常规的监控模型中将这部分的差异归为时 效分量，这样使得分离出的水压分量、温度分量与实际不够吻合。因此，本文将因大坝 弹性参数变化引起的变形从时效中分离出来，认为时效分量主要是由于大坝材料流变特 性引起的变形。 基于此，本章在混凝土坝变形混合模型理论的基础上，探讨能较好反映大坝结构时 交特性的变形时变监控模型的建立，主要包括：( 1 ) 反映大坝弹性参数时变性的水压分 量的构建；( 2 ) 采用积分回归法构建温度分量因子；( 3 ) 考虑到测点位移关系的多测点 第二章混凝土坝变形时变监控模型研究 时变监控模型的建立；( 4 ) 时变监控模型中影响因子的优化方法。 2 2 混凝土坝变形时变监控模型各分量的构建 众所周知，在水压日、温度丁等荷载作用下，混凝土坝上的任一点将发生变形占， 通常可以将占分解为三个分量：水平向、侧向以及铅直方向的变形分量( 疋、瓯、疋) ， 即 占= 正i + 瓯_ ，+ 正k ( 2 2 1 ) 式中：i 、? 、k 一基向量。 同时，对大坝任一点变形否及其分量( t 、氐、t ) 按其成因有可分为三部分： 水压分量晶( r ) 、温度分量6 r ( t ) 以及时效分1 b e ( t ) ，即 万( 或正、皖、戌) ；西( f ) + 矗( f ) + 磊( r ) ( 2 2 2 ) 则式( 2 2 1 ) 可写成 占( h 、t 、8 ) = 疋( h 、t 、8 ) i 十( 丑、t 、了+ 皖( 日、t 、元 ( 2 2 3 ) 由式( 2 2 - 2 ) 可以看出，疋、氐、正具有相同的因子。因此，只需考虑其中一个 即可类推到其它。 混合模型是水压分量用有限元计算值，其它分量仍用统计模式，然后与实测值进行 优化拟合建立的模型，其核心是用有限元计算荷载作用下的水压分量，并研究计算效应 量与实测值的拟合问题。为进一步分析存在的问题，下面以水平位移瓦为例介绍常规混 合模型的基本原理。 2 2 1 常规混合模型 ( 1 ) 水压分量 水压分量是在水压荷载及坝体自重作用下，由于坝体、坝基和库区岩石产生变形( 水 平方向、垂直方向和转角) 而引起效应量( 大坝任一监测点发生的水平位移值) 的弹性 或可恢复变化部分。在水压作用下，坝体的水平位移主要受坝基位移和转角及坝体转角 和水平力作用影响。因此，在大坝上任一点的位移水压分量为 河海大学硕士学位论文 6 h = 6 h i + 6 h j + 6 h 。+ 6 h ， t 各2 - 4 1 式中：晶一坝体在水平力作用下的水平位移； 矗一坝基的水平位移； 万一坝体转角引起的水平位移； 6 t 一坝基转角引起的水平位移。 吴中如等口1 通过力学分析推导出、屯、和的结构形式。对某一点，其晶 的结构形式主要与坝前水深日有关，这种关系可用一元多项式来描述，即 如= 口f ( 2 2 5 ) i = 0 式中：皿一结构系数： h 一坝前水深值； 历一项数( 对于重力坝用三次式肌= 3 ，拱坝和连拱坝用四次式小：4 ) 。 在式( 2 2 5 ) 中系数q ( j = l ，2 ，卅) 还有待于确定，通常利用结构计算成果来确定 系数口l 。用有限元法或其它的结构计算方法计算在若干组具有代表性坝前水深日作用下 坝体产生的一系列变形量，再据此由最小二乘法拟合确定。在一定的水压荷载日作用下， 对于特定的大坝结构，并考虑到泊松比对变形影响较小，故坝体上任一点的变形主要受 e 和e 影响，其可以表示为 露= 厂( 丘，e ，日) ( 2 2 6 ) 实际计算得到的水压分量如是在假设坝体弹性模量疋。和坝基变形模量e 。的前提 下求得的，即如= f ( e o 。，巨。，日) 。而假设的坝体弹性模量e 。和坝基变形模量e 。与实 际弹性模量巨和变形模量e 并不完全一致，因此，计算的水压分量矗7 与实际的水压分 量磊有差别。则在露和晶之间需要用一个调整系数x 来调整，即 晶= z 晶 ( 2 2 7 ) 式中：x 为调整系数，在线弹性范围内x = 疋。巨( 本文为了推导方便，假设坝体的弹 第二章混凝土坝变形时变监控模型研究 性模量和坝基岩体变形模量的比值r = t 耳为已知值，对于r 未知的情况文献 3 】中有 详细地介绍) 。 ( 2 ) 温度分量 温度分量品是由于坝体混凝土和基岩温度变化引起的位移。温度分量表达式为 屏= 兰6 z 或羔6 1 ，霉十羔6 2 ，有坝内温度计 和i。li n 罢i - i 地：。御撇计 像2 钔 式中：z 一各温度计测值。 霉、屈一每层温度计测值的平均值以及该层温度梯度 一坝内温度计支数；鸭一大坝中温度计的层数； f 一监测e l 至始测日的天数； 6 f 、岛、b 2 一回归系数。 ( 3 ) 时效分量 时效分量表达式为 磊= c 1 臼+ c 2 l n o ( 2 2 9 ) 式中：口2 志： r 一为监测日至始测目的天数。 综合式( 2 - 2 - 7 ) 式( 2 2 9 ) ，得到大坝变形混合模型表达式为 6 = x 6 h + 6 t + 6 e t 2 2 1 0 ) 2 2 2 混凝土坝变形时变监控模型各分量的构建 针对式( 2 - 2 - 1 0 ) 所建立的常规混合模型在描述混凝土坝变形性态时变特性方面的 不足，以下对常规混合模型的各分量进行改进，建立混凝土坝变形的时变监控模型，以 期能更好地体现出大坝变形性态的时变特性。 ( 1 ) 水压分量 河海大学硕士学位论文 在常规混合模型表达式( 2 2 - 1 0 ) 中水压分量的调整系数x 为一定值，与实际情况 不够吻合。实际上，混凝土坝在服役期间，其结构性态是随时间而发生改变的，其很大 程度表现为其结构弹性参数等会随时间的推移而变化，即坝体弹性模量e 和坝基变形模 量e 随时间而变化，它们应为时间的函数e ( f ) 、e ( r ) 。因此，式( 2 - 2 - 6 ) 应该表示为 如= ，( e ( f ) ，e ( f ) ，h ) ( 2 2 1 1 ) 对比式( 2 - 2 7 ) 和式( 2 2 1 1 ) 可以看出，无法再用一个常系数工来调整计算的水 压分量而与真实的水压分量晶之间的差别，调整系数z 变成为时间t 的某一函数 工( r ) ，即 翰= x ( f ) 露 厂( e ( r ) ，e o ) ，h ) = x ( f ) ，( e o ，z r o ，日) ( 2 2 1 2 ) 式中：x o ) 一调整系数，为t 的函数形式。 由于混凝土坝在服役期间，坝体弹性模量疋( r ) 和坝基变形模量e ( r ) 的历时变化过 程是个缓慢发生的过程，因此，可采用离散的时间冻结方法【6 习来处理，即将整个建模 序列按时间次序分成n 段，在其中一，到( = o + 越) 时间段内，可以认为毛和e ，f 是 不变的，则在时间段越内，调整函数( r ) 就退化为常调整系数置。则每个时段的水压 分量可表示为 占h 。= x ，( 占) ， ( f = 1 ，2 ，一，0 ( 2 2 - 1 3 ) 若在每个时间段的初始坝体弹性模量e 。和坝基变形模量e ，。，都取相同的值e 。、 耳。，式( 2 2 - 1 3 ) 变为 占。= x ，占j | 】- ( j = l ，2 ，- - ， ( 2 2 】4 ) 其中：置意义同式( 2 - 2 7 ) 。 则，在整个建模时间内，水压分量就表示为水压日和时间，的一个分段函数，即 第二章混凝土坝变形时变监控模型研究 6 h = 五西= x l a g h 7 ( t o r ) 五如= x 2 a j h 。( f 乞) ，z o m 置如= x i a j h 。( t 一，fs t ) = o 以晶= 以q ( 一。r 2 0 0 或模型的复相关系数r o 9 9 时， 算法终止。 依据上述方法，编制了基于g a s a 算法的时变监控模型的优化分析程序，其流程图 见图2 - 4 - 2 。 第二章混凝土坝变形时变监控模型研究 2 5 本章小结 图2 - 4 2 时变监控模型的优化分析程序流程图 本章基于混凝土坝变形混合模型理论，研究了混凝土坝变形时变监控模型的建立方 法，主要内容归纳如下： ( 1 ) 根据混凝土坝结构时变特性，探讨了考虑到大坝弹性参数时变性的水压分量 因子的构建，并采用积分回归法建立了温度分量的因子形式，从而建立了能较好反映混 凝土坝变形性态时变特性的监控模型。 ( 2 ) 探讨了一维多测点时变监控模型各分量的建立，据此构建了大坝多测点时变 监控模型。 河海大学硕士学位论文 ( 3 ) 应用遗传模拟退火算法，研究了混凝土坝变形时变监控模型的影响因子进行 优选的关键技术，由此对混凝土坝变形时变监控模型的影响因子进行了优化。 第三章混凝土坝变形的时变性参数反演分析模型 第三章混凝土坝变形的时变性参数反演分析模型 3 1 概述 混凝土坝结构性态的时变特性，很大程度体现在其结构弹性参数等随时间的变化以 及大坝材料的流变特性，显然这些参数的确定对分析和评价混凝土坝变形性态的时变特 性有着至关重要的作用。对于混凝土坝来说，要通过试验测定其参数是比较困难的，且 随着大坝服役时间的推移，材料老化以及环境等因素的影响，其结构性态会有所调整和 改变，表现为大坝的实际参数和试验得到的值并不相符。大坝原型监测资料是大坝实际 工作性态最真实的反映，其蕴含了大坝结构性态随时间变化的规律，且其结构弹性参数 的演变规律以及流变参数，在一定程度上是大坝结构性态变化的表征。因此，依据大坝 原型监测资料反演大坝结构时变性参数显然是一种很有效的方法。 1 9 6 9 年太沙基提出的监测设计方法( o b s e r v a l d o nd e s i g nm e t h o d ) 是反分析的最早 的应用。参数反演分析通常是仿效系统识别理论，首先运用实测资料建立各种数学监控 模型，然后以前面的分析成果作为依据，结合相关的理论分析来反求大坝的参数值，其 主要有逆解法和优化法。 在大坝安全监测领域中，逆解法主要包括常规反演分析法和混合模型反演法【6 0 】【8 0 】 两种：常规反演分析法是利用数学模型分离出大坝测点变形的水压分量值，以及有限元 计算的水压荷载所产生的坝体 奥 | 点变形值，来反演大坝实际参数；混合模型反演法是在 建立了大坝测点变形的混合模型后，利用水压分量的调整系数和事先假定的结构计算参 数来反演大坝的实际参数。同时，优化方法也以其普适性在参数反演领域中得到了较为 广泛的应用【m 8 2 1 。 鉴于此，本章首先根据混凝土坝在不同运行阶段所表现出来的变形特性，反演大坝 在不同时期的弹性模量，进而对大坝弹性模量的演变规律进行研究分析，建立其弹性模 量的时变模型：然后基于混凝土坝粘弹性本构模型理论，利用其实测位移资料，并结合 粘弹性有限元计算，建立混凝土坝流变参数的反演分析模型，并探讨相应的优化反演分 析方法。 3 2 混凝土坝弹性模量时变规律的反演分析 混凝土坝在服役期间，坝体弹性模量随时间而改变，为时间函数e ，( f ) ，同样坝基 河海大学硕士学位论文 岩体在运行过程中受到地质等影响使其变形模量也随时间而发生改变，即为e ，( f ) 。 混凝土坝弹性模量( 包括坝体弹性模量和坝基变形模量) 的变化规律是反映混凝土 坝的变形、强度和稳定的主要参数之一，综合反映了混凝土坝工作状态和演变过程，对 评价混凝土坝变形性态以及安全状况具有指导意义。本节利用混凝土坝在服役期间的变 形实测资料，对混凝土坝弹性模量的时变规律进行反演分析，以此能更有效地对大坝变 形性态的时变特性进行研究。 3 2 1 分析思路 不同时期的混凝土坝变形实测资料反映了大坝结构所处的状态以及变化趋势，换句 话说是大坝弹性模量的时变规律在大坝变形实测资料系列中有很好的体现。因此，大坝 弹性模量时变规律反演的实质：就是要从大坝变形实测资料序列中提炼出大坝弹性模量 的演变规律。依据第二章第二节分析可知，要直接推求出e 。0 ) 、e ，( f ) 的连续函数形式 是比较困难的。为此，本节采用离散化分析方法，即将实测资料按照时间顺序和连续性 进行分段，在每一段时间内认为e 、e 是不变的，则对每一小段建立数学模型，可反 演计算求得不同时期的大坝弹性模量值。然后对这些离散点再进行连续化处理，拟合出 它们随时间变化的曲线，进而可以得到大坝弹性模量的时变模型。 3 2 2 基本原理 将混凝土坝分为两个区域一坝体( q ) 和地基( g ) ，并设两个区域材料的弹性 模量及泊松比分别为e 、- c ，巨、所，则大坝结构的整体平衡方程为 【足】 占。 = 胄) ( 3 2 - 1 ) 式中：【k 】一整体刚度矩阵，可写为 r - - 【c n _ j k 【c l4 - 吼，7 吼，吼， ( 3 - 2 - 2 2 ) 0 e c e “ 【七】。= b r d l 【丑】d y = 丘( 儿丑】7 厂( ，) 【b 】d 矿) 第三章混凝土坝变形的时变性参数反演分析模型 吐= f b 九d b 】d y = e r ( 肛】7 ，( 一) 【曰】d 矿) n ， 。 0 7 其中：【d 卜一弹性矩阵，【d 】= 可( ) ； 【b 】一单元几何特性矩阵，对于给定单元，其为常量矩阵。 因 e = 隹糍 则式( 3 2 2 ) 可表述为 【k 】= e 厂( 上，。，e 占。) ( 3 2 3 ) 非肚毒； 工一坝体的几何尺寸。 将式( 3 2 。3 ) 代入式( 3 2 1 ) 得 占。f ( l ，。，一) 如) = r ) ( 3 2 4 ) 对于某一大坝，其几何尺寸效应上为常量，一般认为肛、肼对置和位移 如 影响 很小，则由式( 3 - 2 - 4 ) 可以看出：对某一混凝土大坝，在水压荷载作用下，如果4 为一 定值时，水荷载作用产生的坝体变形蠡。与坝体弹性模量e 成反比；同样，水压荷载产 生的坝基变形龟，与其变形模量e 也是成反比，即 丘= 导e = 簪( 3 - 2 - 5 ) 因此，反演的基本原理就是从原型监测资料的分析中找出真实的水压分量点。和 长。，然后假设e 0 和e 用结构分析法推求水压分量嘎。和如。，根据式( 3 2 5 ) 反 演推求e 。或e ，。 3 2 3 反演方法与计算步骤 ( 1 ) 反演方法 依据前面分析，按照时间顺序和连续性将整个资料序列分成n 段，在其中任意时间 河海大学硕士学位论文 段i 内认为坝体弹性模量e 。和坝基变形模量e 。不变，则在该时段可建立数学监控模型 为 t = 占h ，+ 占r ，+ 万新( f = l ，2 ，n ) ( 3 2 6 ) 式中：、磊、矗一分别表示第i 时段的水压分量、温度分量以及时效分量。 则可由式( 3 - 2 - 6 ) 分离出水压分量，并以此来反演e 、e ，其表达式为 坝基e ，：占m = x ，占2 ，( f = 1 ，2 ，一，”) ( 3 2 7 ) 坝体e ：如，一疋日，= x s l h ，( f = 1 ，2 ，而( 3 2 墙) 式中：一坝体或坝基实测位移的水压分量值，由式( 3 - 2 6 ) 分离得到： 嘎。一在水压作用下，坝基变形所引起测点处的位移； 嗄。一用三维有限元计算水压作用下坝基变形引起的测点位移； 4 。一用三维有限元计算水压作用产生的坝体自身变形； x l 、x i 一谝整系数，x 1 = e r 。j e n ，x l = e c ， e c ：。 利用式( 3 - 2 - 7 ) 首先进行迭代计算直到( 一墨) ) 乃5 ( 五为第_ ，次迭代 得到的调整系数) ，一般迭代2 3 次可满足要求。由式( 3 - 2 7 ) 求得置后，利用下式， 可求得时段j 内的坝基变形模量e