（水工结构工程专业论文）土石坝原型观测资料分析及实测性态安全评价研究.pdf

謦2 8 98 1摘璎 摘要 我国广大地区，为了兴利除害，共兴建了水库大坝近9 万座。目前 有l 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。这些安全隐患以渗漏、裂缝、滑 坡等破坏最为突出。因而，根据十石坝原裂观测资料，运用更成熟的理 论和方法，对十石坝渗漏、变形等性态做出科学分析及评价，就显得极 为重要了。 本文应用统计回归理论、灰色系统理论、人工神经网络理论、工程 模糊集理论，结合土石坝结构及实际运行性态的特点，对土石坝原型观 测资料分析及土石坝实测性态安全评价进行了研究，提出了一些新的模 型和新的方法。俱主要内容如下： 1 对土石坝原型观测资料的系统误差、粗差的成因进行了分析； 提出了原型观测资料系统误差识别的u 检验和t 检验方法；提出了原型 观测资料粗差的初步识别和拉依达准则识别方法；分析了土石坝测压管 水位的滞后性特点及原因，并给出了滞后时间的估算方法；拟定了土石 坝原型观测资料的选取原则；建立库水位与测压管水位的时程曲线并进 行分析；充分考虑上下游水位变化幅度、筑坝材料的渗透性能、降雨强 度大小、土体固结使土体颗粒结构排列形式发生的改变以及卜- 游坝前淤 积对渗流状态的影响等因素，对测压管水位的因子进行分析，引入库水 位分量、时效分最和降m 分量，建立了测压管水位观测资料统计模型， 并采用逐步回归法计算：结合陆浑水库大坝测压管水位实测资料，对上 述理论和方法进行检验和论证。 2 由固结理论和t 程实践，十石坝沉降量主要为时效位移，并随 时间衰减，其累计沉降量采用双f | 1 线模型。但是，由于该模型灵活性差、 自适应能力差，不能通过自身的调节使模型进一步优化，因而无法充分 发挥双i h l 线模型的建模优势，达不剑双曲线摸7 煳q 最fr 建模效果。本文 针对双曲线回归常用模型的上述不足，引入第三参数f ，建立双晌线叫 一； 摘要 归三参模型，大大增强了双曲线模型的自身调节、自身优化和自适应能 力。从理论上证明了其建模原理的可靠性及建模思想的合理性，并给出 确定参数的两种计算方法：数值解和优选解。以陆浑水库大坝沉降观测 资料分析为例，通过对建立起的双曲线回归三参模型、双曲线回归常用 模型及其它模型的成果对比分析，进一步论证了该模型的理论价值和实 际意义，为原型观测资料分析提供了新的有实用价值的数学模型。 3 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，引入灰色系统理论，利用g m ( 1 ，1 ) 等维新息模型能体现 系统的最新信息、能反映工程动态变化的特点，建立了土石坝时效变形 的g m ( 1 ，1 ) 等维新息模型。通过对等维新息模型维数区域的研究， 发现其存在一最佳维数区域。由于扶色模型是基于现有信息来实现对未 来的预测，一定数量的已知数据序列对于成功建模是必需的；而另一方 面，随着采样数据的积累，先期的种种外界条件对现时输出的影响越来 越小，剔除当前点某一邻域之外过于陈旧的信息，不仅可以突出最新的 变化趋势，而且可以消除预测模型的噪声污染。最佳维数区与所研究问 题的性质和数据序列的特点有关，可通过数值试验来确定。 4 针对土石坝筑坝材料的非线性和效应的滞后性，利用人工神经 网络b p 模型通过调整网络自身的权值和阈值，可以实现对任意非线性 函数的逼近，所反映的函数关系不必用显式的函数表达式表示，可避免 因为因子选择不当而造成误差等优点，建立了土石坝沉降观测资料分析 的b p 模型。通过大量应用研究，对b p 模型学习收敛速度慢、容易陷 入局部极小点等缺点做了改进：提出了原始数据非线性规格化处理方 法，给出了非线性规格化公式；提出了记忆式初始化权值、阈值方法； 提出了采用确定性系数最大作为优选评价标准的参数自动优选方法：提 出了灰色一b p 模型、b p 残差模型的建模方法与思路。实践证明，以上对 人工神经网络b p 模型的改进方法，对于提高网络运行收敛速度、防止 陷入局部极小点、提高模型精度等都有较大的改善作用。 5 基于工程模糊集多级模糊模式识别理论，结合。f ：石坝实测性态 安全评价的特点，进行了土石坝实测性态安全评价的多级模糊模式识别 方法的应用研究。针对模糊集合论中最大隶属度原则的不适用性，采用 _ _ - _ _ _ 。- _ - _ _ i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 摘要 绝对、相对状态( 或级别) 特征值作为判断或识别的新指标：提出了土 石坝实测性念评价指标及状态的概念，并给出了其相应的确定方法；提 出了安全指标综合权重矩阵的概念，既考虑了指标的超标权重，又计入 了指标本身的权重，综合表示了样本集各个指标对土石坝实测性态安全 的影响程度。根据陆浑水库大坝的实际运行情况，应用上述理论和方法， 对该坝实测性念安全进行了评价分析。分析成果表明，本文提出的土石 坝实测性念多级模糊模式识别方法是有实用价值的，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，实测疰& 资料分析，安全评价，逐步回归，双曲线 回归，厄研弋r n 轻虬，、b p 网络，模式识别 卜j f 邛州1 人学顺l “j f t 沦文 摘要 a b s t r a c t i nv a s ta r e ao fo u t c o u n t r y ，t h e r e h a v eb u i l t u pn e a r l y9 0 ，0 0 0 r e s e r v o i r sa n dd a m ss oa st op r o m o t et h eb e n e f i c i a la n da b o l i s ht h eh a r m f u l a t p r e s e n t ，t h e r ea r ea b o u t1 4l a r g ea n dm e d i u m 、2 5m i n i t y p er e s e r v o i r s a n dd a m sh a v e s a f e t yp r o b l e m s o fd i f f e r e n t d e g r e e ，e s p e c i a l l y d ot h e e a r t h t o c kd a m i nt h e s es a f e t yi n c i p i e n tf a u l t s ，l e a k 、c r a c ka n dl a n d s l i d e s t a n d so u t 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 et h e o r y a n dm e t h o d a n a l y z i n ga n de v a l u a t i n gt h ec o n d i t i o no f l e a ka n dd e f o r m a t i o n ， a c c o r d i n g t op 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 kd a m i nt h i sd i s s e r t a t i o n b ym e a n so ft h ea d v a n c e dt h e o r i e so fs t a t i s t i c a l r e g r e s s i o na n a l y s i s ，g r a ys y s t e m ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ka n de n g i n e e r i n g f u z z ys e t s ，t o g e t h e rw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so f e a r t h r o c kd a ms t r u c t u r ea n d r e a l o p e r a t i o nb e h a v i o r , i t i sr e s e a r c h e dt h e a n a l y s i s o ft h e p r o t o t y p e o b s e r v e dd a t aa n dt h es a f e t ye v a l u a t i o no fo b s e r v e db e h a v i o ro fe a r t h r o c k d a m t h e ns o m en e wm o d e l sa n dm e t h o d sa r ep r e s e n t e d t h em a i n c o n t e n t sa r ea sf o l l o w s 1 t h eg e n e t i c a n a l y s i s f o r s y s t e m e r r o ra n dl o u r s ee r r o ro ft h e p 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 kd a mi sc a r r i e do u t t h ep r e p r o c e s s m e t h o do f p r o t o t y p eo b s e r v e dd a t ai sp r e s e n t e d t h eh y s t e r e s i sq u a l i t ya n d r e a s o no f p i e z o m e t r i cl e v e li sa n a l y z e da n d t h ee s t i m a t i o nm e t h o df o rd e l a y t i m ei s g a i n e d t h es e l e c tp r i n c i p l ef o rt h eo b s e r v e dd a t ai sd r a f t e d t h e t e m p o r a l c u r v eo fw a t e rl e v e la n d p i e z o m e t r i c l e v e li sf o u n d e da n d a n a l y z e d s o m ef a c t o r sh a v eb e e nt a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n ，s u c ha st h e w a t e rl e v e l r a n g e a b i l i t yo fu p d o w ns t r e a m ，t h es e e p a g eq u a l i t yo fd a m m a t e r i a l ，t h ei n t e n s i t yo fr a i n f a l l ，t h ec h a n g eo fs o i lb o d yp a r t i c l es t r u c t u r a l a r r a ys t y l e d u et os o l u mc o n s o l i d a t i o na n dt h ee f f e c to fu p s t r e a mm u d f i l l i n go ns e e p a g es t a t e e 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 a v 摘蛋 o f p i e z o m e t r i cl e v e l ，a n da d o p ts t e p w i s er e g r e s s i o nm e t h o dt oc a l c u l a t e c o m b i n i n g t h em e a s u r e dd a t ao fl u h u n d a n a ，w e c a nc h e c ka n d d e m o n s t r a t et h ea b o v e t h e o r ya n dm e t h o d 2 t h r o u g hc o n s o l i d a t i o nt h e o r ya n de n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，t h em a i ns e a l e m e n t o fd a mi s a g i n gd i s p l a c e m e n t w h i c h d e c a y s w i t ht i m e g o i n go n ，a n d w h o s e a c c u m u l a t es e t t l e m e n t a d o p t sh y p e r b o l a m o d e l b u t ，b e c a u s e o fi t s i n q u a l i t y f l e x i b i l i t y a n d a d a p t i v e ，t h e m o d e lc a n tm a k ef u l lu s eo ft h em o d e l b u i l d i n g a d v a n t a g eo fh y p e r b o l am o d e l ，a n da l s oc a n ta t t a i nt h eo p t i m a lm o d e lb u i l d i n ge f f e c t i nv i e wt ot h ea b o v ed e f i c i e n c yo ft h eg e n e r a lh y p e r b o l ar e g r e s s i o nm o d e l ，i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，w ei n t a k eat h i r dp a r a m e t e r c ，a n dc r e a t et h eh y p e r b o l ar e g r e s s i o n t h r e e p a r a m e t e r m o d e lw h i c h g r e a t l y e n h a n c e st h em o d e l s a u t o r e g u l a t i o n s e l f - o p t i m i z a t i o na n ds e l f - a d a p t a b i l i t y t h er e l i a b i l i t yo ft h em o d e l i n gp r i n c i p l ea n d r a t i o n a l i t yo ft h em o d e l i n gm e t h o dh a v eb e e np r o v e ni nt h e o r y , a n dt w ok i n d so f m e t h o d st oc a l c u l a t ee a c hp a r a m e t e ra r eg i v e n i nt h ee x a m p l eo ft h eo b s e r v e dd a t a a n a l y s i so fl u h u nd a ms e n l e m e n t ，t h eh 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 lh y p e r b o l ar e g r e s s i o nm o d e la n do t h e rm o d e l sh a v eb e e nu p b u i l t t h e m o d e lf u r t h e rd e m o n s t r a t ei t st h e o r yv a l u ea n da c t u a lm e a n i n g , a n di t s u p p l i e san e w m a t h e m a t i cm o d e lo f r e a l i s t i cv a l u ef o rp r o t o t y p eo b s e r v e dd a t aa n a l y s i s 3 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 gd e f o r m a t i o no f e a r t h r o c kd a mh a sm o n o t o n i c i t y p o i n tt h i sf e a t u r e ，w ei n & a f tg r a ys y s t e m t h e o r y , c r e a t e t h en o 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 ft h e g m ( 1 ，1 ) ，b yu s i n gi t s c h a r a c t e r i s t i c st h a ti tc a ne x t e r n a l i z et h es y s t e m s l a t e s ti n f o r m a t i o na n dc a r lr e f l e c tt h ee n g i n e e r sd y n a m i c c h a n g e t h r o u g h t h er e s e a r c ht og m ，w ef i n dt h e r el i e sa no p t i m a ld i m e n s i o na r e a b e c a u s e g r a ym o d e l r e a l i z e st h ep r e d i c t i o nf o rf u t u r eb a s e do nc u r r e n ti n f o r m a t i o n ， w en e e da g i v e nq u a n t i t yk n o w n d a t as e q u e n c et ob u i l dm o d e l s u c c e s s f u l l y o nt h eo t h e rh a n d ，w i t ht h ea c c u m u l a t i o no fs a m p l i n gd a t a ，t h ee f f e c to f p r o p h a s ee x t e r n a lc o n d i t i o n o na c t u a lo u t p u tb e c o m e sm o r ea n dm o r el e s s i fw ep i c ko u tt h eo u to f - d a t ai n f o r m a t i o nn o ti nan e i g h b o r h o o do ft h e c u r r e n td o t ，w ec a n n o to n l yp r o j e c tt h el a t e s tc h a n g et e n d e n c y ，b u ta l s o v j ：| ；州一1 人。顺t ： 侮论文 摘要 c a n c e ln o i s ep o l l u t i o no f p r e d i c t i v em o d e l t h eo p t i m a ld i m e n s i o na r e ah a s s o m e t h i n g w i t ht h eq u a l i t yo ft h er e s e a r c h e dq u e s t i o na n dt h ec h a r a c t e r i s t i c o ft h ed a t as e q u e n c e ，i tc a nb ed e f i n e db yn u m e r i c a l e x p e r i m e n t 4 p o i n tt h en o n l i n e a ro fd a mm a t e r i a la n dt h e h y s t e r e s i sq u a l i t y ， u s i n ga r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r kb pm o d e lb ys e t t i n gn e t w o r k sw e i g h t e d v a l u ea n dt h r e s h o l dv a l u e ，w ec a nr e a l i z et h ea p p r o a c ht oa n yn o n l i n e a r f u n c t i o n a n dt h ef u n c t i o nr e l a t i o nr e f l e c t e dn e e d n tb e p r e s e n t e db y e x p l i c i te x p r e s s i o n ，w h i c hc a na v o i dl e a d i n gi n t oe r r o rd u et oi m p r o p e r f a c t o rs e l e c t s ot h eb pm o d e l i s f o u n d e d t h r o u g hl o t so f r e s e a r c h a i m e d a tt h ep r o b l e mo fb pm o d e ls u c ha sn o n u n i q u e n e s eo fs t r u c t u r ea n ds l o w c o n v e r g e n c e ，s o m ei m p r o v e dm e t h o d sa r ep r e s e n t e ds u c h a sn o n l i n e a r n o r m a l i z a t i o nf o r w e i g h t v a l u ea n dt h r e s h o l d v a l u e ，a n d a u t o m a t i c s 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 t h em o d e l i n gp r i n c i p l ea n dm e t h o df o r g r a y - b pm o d e le x p e r i e n c ep r o v e s ：t h ea b o v ei 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 et h er a t eo fc o n v e r g e n c e a v o i d e m b o l y i n g l o c a lm i n i m u ma n d i m p r o v e t h e a c c u r a c y 5 b a s e do na n a l y s i so ft h e m 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 n t h e o r y o fe n g i n e e r i n g f u z z ys e t s ，t o g e t h e r w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so f 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 fe a r t h r o c kd a mi nt h i sd i s s e r t a t i o n ， i ti sr e s e a r c h e dt h ea p p l i c a t i o nt ot 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 n m e t h o df o ro 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 fe a r t h r o c kd a m a i ma t t h eu n w o r t h i n e s so ft h eb i g g e s td e g r e eo fm e m b e r s h i pp r i n c i p l ei nf u z z y s e tt h e o r y w ea d o p tc h a r a c t e r i s t i cn u m b e ro fr e l a t i v es t a t e ( o rc l a s s ) a st h e n e wi n d e xm a r kt o j u d g e a n d i d e n t i f ys o m e t h i n g t h ec o n c e p t a n d d e t e r m i n a t i o nm e t h o do f o b s e r v e db e h a v i o ri n d i c a t o ra n dt h ew e i g h tm a t r i x o ft h es t a t ei n d i c a t o ra n ds a f e t yi n d i c a t o ri n t e g r a t e do fe a r t h r o c kd a ma r e p r e s e n t e d n o to n l yt h eo v e r p r o o fw e i g h tb u ta l s ot h ei n d e xm a r ki t s e l f s w e i g h ti s t a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n ，w h i c hs y n t h e s i st h ee f f e c t d e g r e eo f e v e r yi n d e xm a r ki nt h es a m p l es e to nt h es a f e t yo ft h ed a m sm e a s u r e d c o n d i t i o n a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lr u n n i n gc o n d i t i o n sa p p l y i n gt h ea b o v e v i | i j j 篮 l h e o r y a n d m e t h o d ，t h es a f e t y e v a l u a t i o na n d a n a l y s i s o nm e a s u r e d c h a r a c t e ro ft h ed a mi sc a r r i e do u t t h e a n a l y s i s r e s u l ti n d i c a t e s ：t h e m u l t i l e v e l f u z z yp a t t e r nr e c o g n i t i o n m e t h o df o rt h em e a s u r e d c h a r a c t e r i s t i c so fe a r t h r o c kd a mg i v e ni nt h i sd i s s e r t a t i o nh a s p r a c t i c e v a l u e ，a n di ta l s os u p p l i e sa n e wm e t h o da n dp r i n c i p l ef o rt h ec h a r a c t e r i s t i c o f 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 ，o b s e r v e db e h a v i o r ，d a t aa n a l y s i s ，s a f e t y e v a l u a t i o n ，s t e p w i s er e g r e s s i o n ，h y p e r b o l a r e g r e s s i o n ， g m ( 1 ，1 ) m o d e l ，b pn e t w o r k ，p a t t e mr e c o g n i t i o n v h 第一章概论 第一节研究的目的和意义 我国广大地区，为了兴利除害，兴建了水库大坝近9 万座，其中 土石坝占9 0 以上。这些工程在国民经济中发挥了巨大的作用。然 而，相当部分大坝存在着某些不安全因素。有的已运行3 0 多年甚至 更长，坝体材料逐渐老化；有些大坝出现危及大坝安全的裂缝和痫变； 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安全。 】9 7 5 年8 月河南省洪汝河发生特大洪水，板桥、石漫滩两座大型 水库渍坝失事，使下游地区的经济建设和人民生命财产遭受了严重灾 害【2 1 。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 年底的统计日】，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f 、日j 的关系，及时掌握犬坝的运f j 二状态，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，从而保证犬 坝运行安全，充分发挥其经济效益和社会效益。 第二节研究现状 一、研究现状 早在1 9 5 5 年，意大利的f a n e l i ( 法那林) 和葡萄牙的r o c h a ( 罗 卡) 就丌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，f a n e l i 又提出了大坝变形的确定性模型和混合模型，即将理论计算 值与实测资料有机地结合起来1 4 j ，对大坝进行监控。法国在资料分析方 面迅速、简便，他们采用了m d v 方法监测大坝，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) ，并分析其规律，判断 大坝的运行工况。在常规分析资料的基础上，苏联、日本、法国等国 家也丌展不同内容的反分析，其主要内容为反演坝体材料的物理力学 参数以及施工期的反馈分析。 我国的资料分析工作起步较晚，在1 9 7 4 年以前主要采用定性分析， 即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【5 1 6 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 等。8 0 年代初中期，吴中如等从侩变理论出发推导出了坝体顶部时效 位移的表达式1 7 】，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。同期还提出用组合流变模型研究时间效应【8 1 。1 9 8 6 年， 吴中如等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 的时问序列分析法以及连拱坝位移确定性模型的原理和方法1 9 j ，并在 “佛子岭连拱坝原型结构性态分析总报告”l jo j 中，进行了成功应用。 1 9 8 2 年，我幽学者邓聚龙教授任国际上首次提出灰色系统理沦 ( g r e ys y s t e m ) “，此后，灰色系统理论方法与应用得到了迅速 发展，并逐渐被引入到大坝安全j 蛊测领域。齐长鑫【13 1 、蓝悦明等人 应用狄色系统理论建立了位移预测模型，而徐晖等人i ”l 则对大坝实测 性念的灰包关联分折及观测资料的g m ( 1 ，1 ) 模型预测进行了研究。 人工神经网络模型是一种基于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 t t s 就提出了神经元的概念，到1 9 8 2 年，美 国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。近年来，魏虹1 。6 】、赵斌 j 等人建立了人工神经网络的大坝监测预报模型，陈继光等人则对 土坝观测数据进行了模糊人工神经网络分析研究。 近些年来，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。 黄铭、李珍照f j 9 j 、 2 0 l 等人提出了重力坝位移二维分布模型，并对水 压因子进行了物理含义的推导；吴中如、顾冲时等人1 2 l l 2 2 1 通过引入空 间三维坐标，提出了混凝士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；1 9 9 4 年，李珍照等人把单测点确定性模型扩展 为空间多测点确定性模型f 2 3 j ；邓跃进等人【2 4 j 提出的大坝变形失稳尖点 突变模型。此外，张进平1 2 ”、杨代泉1 2 6 1 等人也提出了位移分布模型， 用于监测大坝的原型性态。在建模方法上，提出应用数字滤波法分离 测值中的时效项1 2 7 1 ：采用数学手段逐步提取趋势、周期、随机三种成 分，对不同成分分别建立不同的模型，从而构成组合模型【28 j 等等，大 大丰富和发展了大坝安全监控的数值建模方法。 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【2 9 j 1 3 0 l 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 ) 【2 9 j 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 数学模型彳能较可靠地算出风险值。美国v o nt h u n 3 0 1 提出的川硷除了 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旌破坏等) 发生的概率。我固 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 = p q ) 来作为评判标准【3 1 j ，其考虑了坝工结构 安全性p l 和水库对社会经济的影u 向，7 ，在一定程度上避免了单纯强凋 结构可靠性的片而性，取得了定的成果。 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【3 2 | 以及模糊模式识别【3 3 1 等方法也在大坝实测性态安全评价中得到了很好 的应用。 二、问题的提出 随着水利资源的深入丌发利用、水库大坝运行环境的复杂多变， 大坝的安全问题r 益突出。 尽管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 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1 1 1 。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析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 本文结合陆浑水库大坝实际情况，依据实测资料，建立了逐步回 归模型、双曲线回归三参模型、灰色系统模型、人工神经网络b p 模型， 并应用工程模糊集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 建立了原型观测资料的系统误差识别、粗差识别的方法；分析 了士石坝测压管水位的滞后性特点；拟定了观测资料的选取原则；引 入水压、时效及降南等因子，建立测压管水位观测资料分析的逐步回 归模型，并进行成因分析：最后给出应用实例。 2 针对双曲线回归常用模型自身调节、自身优化和自适应能力均 较差的缺陷，提出了双曲线回归三参模型。给出其建模原理和参数计 算方法，使其在土石坝沉降资料分析中充分发挥出双曲线模型的建模 优势，达到最佳的建模效果。 3 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，引入灰色系统理论，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 ) 等维新息模型。并对等维新息模型维数区域 进行了研究，找出最佳维数区域。 4 利用人工神经网络b p 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的特点，建立了土石坝沉降观测资料 分析的b p 模型。针对b p 模型收敛速度慢、容易陷入局部极小点等缺 点，提出了原始数据非线性规格化处理、记忆式初始化权值闽值、参 数自动优选等改进方法，并提出了灰色一b p 模型、b p 残差模型的建模 方法与思路。 5 针对模糊集合论中最大隶属度原则的不适用性，采用绝对、相 对状态( 或级别) 特征值作为判断或识别的新指标：提出了土石坝实 测性态评价指标及状念、安全指标综合权重矩阵的概念；建立了土石 坝实测性态多级模糊模式识别方法，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分析中。 笫争l + f lj 渗流原州洲资 ：1 分忻 第二章土石坝渗流原型观测资料分析 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。 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甚至 粗差。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，识别系统误差和粗差，并修正系统误差、剔除粗差。 一、系统误差的识别 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。 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念发生了变化，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、麓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 性或跳跃性变化。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_ c _ 别修币。 大坝观测数掘一般为大样本( 5 0 ) ，因此可以采用“检验或，检 验束进行系统误差的识别。将观测数列