（水工结构工程专业论文）带缝坝安全性分析及预警方法研究.pdf

摘要 摘要 本文针对带缝坝的安全问题，结合大型有限元分析软件a b a q u s ，以大坝 实测资料为基础，采用相关数学、力学理论和方法。对带缝坝的安全性分析及预 警方法进行了研究，其主要的研究内容有： ( 1 ) 较为系统地分析了混凝土坝裂缝产生的原因，基于粗集和模糊神经 网络理论，研究了混凝土坝裂缝成因挖掘的实现方法。 ( 2 ) 从裂缝对混凝土坝强度、稳定、耐久性及整体性等影响方面，研究 了裂缝对大坝安全的危害性。 ( 3 ) 研究了温度场仿真分析基本原理及其在a b a q u s 中计算温度场的 方法；对比分析了裂缝的各种有限元分析模型，在此基础上，二次开发了 a b a q u s ，结合工程实例，综合评价了裂缝对大坝的危害性。 ( 4 ) 基于实测资料，应用小波分析理论，提取了运行期裂缝的时效变形， 据此研究了裂缝开度随时间的演变规律；综合应用灰色和神经网络理论，建 立了裂缝开度的组合预测模型；此外，对裂缝的失稳判据和监控指标进行了 研究。 ( 5 ) 在对裂缝的演变规律、裂缝开度的预测模型以及裂缝失稳判据研究 基础上，探讨了裂缝的安全预警和拟定预警指标的方法，并用置信区间法拟 定了裂缝开度的预警区间。 关键词：带缝坝、裂缝演变、危害性、安全分析 a b s l m c t a b s t r a c t c o m b i n i n gw i t hp r o t o t y p eo b s e r v a t i o nd a t ao f t h ed a ma n da b a q u sw h i c hi sa g e n e r a l - p u r p o s e f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r e ，t h es a f e t y a n a l y s i s a n d e a r l y - w a r n i n gm e t h o df o rt h ed a m sw i t hc r a c k s 黜s t u d i e db yu s i n gm a t h e m a t i c a l t h e o r i e sa n dm e c h a n i c a lm e t h o d s t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ( 1 ) t h e 黜o fc o n c r e t ed a m sc r a c ki ss y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e d c o m b i n i n g r o u g hs e tt h e o r yw i t hf u z z yn e u r a ln e t w o r k , t h er e a l i z e dm e t h o do fc a u s em i n i n go f c o n c r e t ed a m sc r a c ki sp r e s e n t e d ( 2 ) t h eh a r m f u l n e s so ft h ec r a c k si ss t u d i e df r o mt h es t r e n g t h , s t a b i l i t y , d u r a t i o n a n de n t i r e t yo f t h ec o n c r e t ed a m s ( 3 ) t h es i m u l a t i o nt h e o r yo ft e m p e r a t u r ef i e l da n dt h ec a l c u l a t i v em e t h o do f t e m p e r a t u r ef i e l di na b a q u s a r cs t u d i e d , a n dt h ev a r i o u sf i n i t ed e m e n tm o d e l so f c o u c r e t ed a m sc r a c ka r ec o n t r a s t e d o nt h i sb a s i s ，t h ea b a q u si sd e v e l o p e da n dt h e j e o p a r d i z i n gd e g r e ei sc o m p r e h e n s i v e l ye v a l u a t e db yl i v i n ge x a m p l e ( 4 ) c o m b i n i n gw i t hp r o t o t y p eo b s e r v a t i o nd a t a , t h ew a v e l e tt h e o r i e si sa p p l i e dt o d i s t i l ls e c u l a rc o m p o n e n to fc r a c k t h e nt h er e g u l a r i t yo fe v o l u t i o ni ss t u d i e d a n o i l l i n e a ra s s e m b l e dp r e d i c t i o nm o d e li se s t a b l i s h e db yu s i n gt h et h e o r i e so ft h eg r a y a n dn e u r a ln e t w o r k i na d d i t i o n , t h ed e s t a b i l i z i n gc r i t e r i o na n dm o n i t o r i n gi n d e xo f c r a c ka r es t u d i c d ( 5 ) c o m b i m n gw i t ht h er e g u l a r i t yo fe v o l u t i o n , t h ep r e d i c t i o nm o d e la n dt h e d e s t a b i l i z i n gc r i t e r i o no f c m c k , t h es e c u r i t ye a r l y - w a n t i n gm e t h o da n dh o wt oc o n f i r m e a r l y - w a r n i n gi n d e xa r ed i s c u s s e d k e y w o r d s ：t h ed a mw i t hc r a c k s ；e v o l u t i o no f c m c k s ；h a r m f u l n e s s ；s a f e t ya n a l y s i s 学位论文独创性声明： 本人所星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) ； 羟缢矽吵年厂月玎日 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) ：盔苎趁卿厂月刁一日 第一章绪沦 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 在水利水电工程中，混凝土坝裂缝现象极为普遍，这些裂缝的存在，不仅 对大坝外观产生影响，而且对大坝的使用功能和耐久性产生影响，减少使用寿 命，严重时甚至引起渗漏，以至于完全丧失其使用功能。可以说，有混凝土坝 存在的历史就是裂缝出现的历史，研究带缝坝的安全分析方法是各国坝工建设 中的重大课题。在混凝土坝的运行过程中，大坝裂缝的产生往往是受多种因素 影响的综合结果，形成原因亦非常复杂，并且混凝士坝裂缝的产生与扩展，不 仅会危及整个工程的安全，引起巨大的经济损失，而且危及人民生命财产安全， 危害性极大。 在国内外的混凝土大坝中普遍存在着裂缝，由于裂缝而失事或影响运行、 影响效益发挥的实例很多，如青铜峡大坝f 1 2 1 位于严寒地区，气温变化剧烈， 加之电站坝段结构单薄，形状复杂等原因，厂房坝段存在平行于坝轴线的3 条大裂缝，严重影响了坝体的稳定及运行；陈村重力拱坝【1 1 9 7 7 年至1 9 7 9 年长期低水位运行，大坝下游面1 0 5 m 高程处的水平向大裂缝明显扩展，拱冠 部位裂缝宽度扩展1 3 9 m m ，河床l o 个坝段的缝深超过5 m ，大坝严重破损； 1 9 6 2 年1 1 月6 日梅山连拱坝1 5 - s l 右岸垛基突然大量渗漏水，且坝体出现几十 条裂缝，大坝处于危险状态。被迫放空水库进行加固：潘家口大坝【9 1 4 1 号坝 段上游面1 9 7 m 高程有一条贯穿整个坝段的水平裂缝，缝深约8 m ，造成该坝 段坝体渗漏严重，使1 9 7 m 高程以上坝体的稳定受到威胁，水库被迫限制水位 运行，工程效益受到严重影响；枫树宽缝重力坝【1 0 】，上游面出现裂缝1 9 条， 贯穿到基岩5 条，一侧贯通基岩4 3 条，其它1 1 2 条；龙羊峡重力拱坝1 1 】，最 大坝高1 7 8 m ，1 9 9 8 年1 1 月发现大坝下游面共有3 5 条裂缝，其中9 条裂缝在 1 0 m 3 0 m 之间，表面宽度在0 3 m m 1 6 r a m 之间，裂缝平均深度在0 6 m 4 9 7 5 m 之间；丹江口大坝【1 2 】初期发生裂缝1 0 5 0 条，后期发展到3 3 2 7 条，1 9 2 4 坝段l1 3 m 高程水平裂缝长期渗水，对坝体稳定构成威胁：拓溪大头坝迎水面 共有垂直裂缝9 4 条，水平裂缝2 6 条：葛洲坝一期工程各类建筑物出现裂缝 河海大学硕士学位论文 3 1 5 6 条。国外的混凝土大坝的裂缝问题也十分普遍，如美国的德沃歇克 ( d w o r s h a k ) 实体重力坝【1 3 】，上游面出现的劈头裂缝深度达5 0 m ，宽度2 5 m m ， 裂缝渗水量4 8 3 1 1 s ；法国的托拉( t o l l a ) 拱坝 1 4 1 在1 9 6 1 年水库初期蓄水时， 大坝上部靠近拱座的下游面发生大面积裂缝，并在以后的8 年里裂缝持续发 展，遂在该坝的下游侧新增了拱圈和支墩，以加强原拱；巴西的佩蒂拱坝由于 碱骨料反应，在靠近左岸坝肩出现裂缝；1 9 7 1 年2 月美国的巴柯依玛拱坝由 于地震影响，拱坝与左岸重力墩间由坝顶裂开直达1 3 7 m 处，缝宽6 4 9 7 m m ； 加日坝【l 副在1 9 5 5 年第二次蓄水时已观测到上游面出现平行于坝底面的水平裂 缝，随着裂缝逐渐扩大，9 8 1 3 0 m 处一条裂缝贯穿了整个坝厚，多次处理均未 成功，被迫在该坝上游处另建一新坝。 由前所述，混凝土坝裂缝的存在，尤其是不稳定裂缝的存在，具有重大的 危害性。在带缝混凝土坝的运行过程中，其裂缝问题是研究的重点，众多的学 者和工程技术人员做了大量的研究工作。积累了丰富的理论知识和大量工程经 验，但由于裂缝存在的广泛性和产生扩展的复杂性，裂缝的成因分析、裂缝的 危害性及裂缝的预警方法等诸多问题仍需进一步的探讨和研究。因此，本文尝 试应用粗集理论、神经网络、模糊数学、灰模型、小波、融合理论等数学方法 以及数值仿真等力学分析方法，对混凝土坝运行期裂缝的成因、危害性、趋势 性变化及安全预警方法等进行深入系统的研究，分析了裂缝主要成因，危害性， 数值仿真方法，安全趋势性变化，研究了混凝土坝已有裂缝的安全预警方法， 对带缝运行的混凝土坝的安全性分析及预警方法进行研究，可为今后工程的运 行管理和科学决策提供参考性意见，具有较大的经济效益和社会效益。 1 2 研究进展 1 。2 。1 混凝土坝裂缝成因分析方法研究进展 混凝土坝裂缝的成因极其复杂，近些年来，工程技术人员和科学人员一直 致力于探索分析混凝土坝裂缝产生扩展的成因和机理的方法，主要采用试验、 工程经验及其数值仿真等方法。文【1 6 1 结合工程实际，针对不同混凝土坝从 设计、施工、材料、边界条件以及物理化学反应等方面对裂缝的形成原因作了 2 第一章绪论 详细的分析研究。程小平【3 7 1 等基于弹性理论，采用有限元方法和温度场瞬态 分析理论，对某发电厂溢流坝段闸墩裂缝成因进行了研究；张天宝p 8 】针对飞 龙拱坝裂缝、漏水病害提出了应力重分布定点分析方法，该方法采用考虑扭转 的拱冠梁法，对拱坝应力控制部位不断进行应力计算，并根据此前计算成果确 定下次计算的边界条件，获得坝体应力发展全过程，从而判断裂缝产生的原因。 陈祖坪【3 9 】综述了拱坝强度裂缝的定量研究，拱坝分位移法、线弹性和非线弹 性三维实体有限单元法进行拱坝裂缝随机追踪的框图，给出了按线弹性三维实 体有限元法进行拱坝裂缝产状随机追踪的框图以及指定裂缝位置，按线弹性三 维实体有限元法进行裂缝定量分析的框图，为裂缝成因分析提供了一条不错的 思路。杨清平等【4 0 】应用有限单元法，计算了多种情况下的重力坝的应力，以 坝踵主拉应力区相对宽度为变量，探讨了重力坝坝踵主拉应力区的范围和应力 分布规律，为坝踵裂缝成因分析提供了一种方法。 数据挖掘1 4 1 - 4 2 1 ( d a t am i n i n g ) 作为一种新的知识发现手段，已广泛应用 于工程领域，它能够从数据库或数据仓库中提取人们感兴趣的东西，发现知识， 以指导人们有效地利用其中的数据，从而为正确的决策提供可靠的依据。目前 国外的数据挖掘技术己在市场营销、金融、信用保险、过程控制、质量分析、 化工、医药、司法、军事、分子生物学、基因工程研究、i n t e r n e t 站点访问模 式发现以及信息搜索和分类等许多领域得到了成功的应用。与国外相比，国内 对数据挖掘的研究起步稍晚。国家自然科学基金于1 9 9 3 年开始对数据挖掘研 究给予支持，同时国内许多高校和科研单位对数据挖掘的基础理论和应用也做 出了很大的贡献。 粗集、人工神经网络、模糊数学、灰理论、小波等理论是当前水工结构研 究所采用的前沿学科，下砸简单介绍国内外这方面的研究进展。 ( 1 ) 粗集理论的应用研究 粗集( r o u g hs c t ) 理论是一种研究不精确、不确定性知识的数学方法，由波 兰科学家p a w l a k 在1 9 8 2 年首先提出，到1 9 9 0 年后，该理论逐步渗透至人工 智能的各个分支，在数据决策与分析、模式识别、机器学习与知识发现等方面 得到很大发展，并在多个领域中都已取得了丰硕的成果。国内起步较晚，1 9 9 6 河海大学硕士学位论文 年曾黄麟在文献【4 3 h ：h 系统阐述了关于数据推理的粗集理论及其技术应用的基 本问题，带动了国内粗集理论研究的发展。 在大坝安全监控领域，苏怀智1 4 4 将粗集理论应用于大坝病变自适应分析 诊断中，从知识发现的角度，完成了从实例和原型监测数据中挖掘大坝病害的 潜在病因的目标。李雪红】在大量收集与裂缝产生的相关资料基础上，应用 故障树和粗集理论，挖掘了重大水工混凝土结构裂缝的主要成因。于鹏【4 6 1 将 粗集神经网络用于混凝土坝裂缝成因的挖掘，为裂缝的成因分析提供了一条较 好的思路。 ( 2 ) 人工神经网络应用研究 人工神经网络是二十世纪8 0 年代后迅速发展起来的一门新兴交叉学科。 现代人工神经网络的研究可以追溯到2 0 世纪4 0 年代w a r r e nm c c u l l o c h 和 w a l t e rp i t t s 的工作，第一个实际应用却出现在2 0 世纪5 0 年代后期f r a n k r o s e n b l a t t 提出的感知机网络和联想学习规则。自1 9 8 2 年美国加州工学院物 理学家h o p f i e l d 提出人工神经网络的h o p f i e l d 计算模型及1 9 8 5 年r u m e l h a r t 等人提出的误差逆传播神经网络( b p 网络) 以来，人工神经网络进入了发展 高潮。近些年来各个国家都展开了大量的研究工作，人工神经网络已经广泛应 用于航空、交通、电信、国防、电子、娱乐、金融、制造等诸多领域，同时在 水文、地下水、岩土工程、水工结构安全监控等领域中也得到了较为成功的应 用【4 7 4 。 在水工结构安全监控领域，赵斌等利用b p 网络建立了大坝位移的神经网 络模型，实现了对位移的预报；魏虹运用人工神经网络具有非线性映射的性质 对重力坝位移进行拟合和预报，效果理想；吴云芳 5 2 1 等针对b p 神经网络模型 存在的缺陷进行改进，并将改进的b p 模型应用于大坝安全监测中效应量的预 报，通过实例证明改进的b p 神经网络模型与常规b p 神经网络模型及回归统 计模型比较具有明显的优越性；陈继光f 5 3 1 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；李雪红【5 4 1 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，经实例计算，该模型的拟合和预报精度较 高；徐洪钟 s s i 等采用自适应模糊神经网络建立了土石坝的沉降组合模型，该 4 第一章绪论 组合模型具有较好的拟合和预报精度。苏怀智【5 6 1 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；并且，基于遗传算法思想，在遗传算法的进化 过程中加入一定的约束条件，探讨了网络结构的设计和学习，并将其用于建立 大坝安全监控预报模型的前馈神经网络设计中。张乾飞【5 7 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。 ( 3 ) 模糊数学的应用研究 1 9 6 5 年，美国加州大学查德教授( l a ，z a d e h ) 发表了著名的论文“模糊 集”( f u z z ys e t s ) ，标志着模糊数学的诞生。1 9 7 4 年英国工程师马丹尼把模 糊数学成功应用到工业控制上，从此模糊集合的概念逐渐被人们所认识，有关 这方面的研究迅速发展。现在模糊数学广泛应用于语言、系统工程、信息 检索、自动控制、图像识别、故障诊断、决策、人工智能以致生物、医学、社 会、心理、拓扑、网络等领域。 在大坝安全监控领域，尉维斌、李珍照【5 卅应用模糊综合评判基本原理建立 了一个大坝综合评判多级模糊数学模型；吴中如、颓冲时嗍利用模糊数学原 理和方法建立了预测模型以及研究大坝原型结构的模糊可靠度问题；王召泉【6 l 】 以模糊数学理论为依据，提出了大坝安全风险的多层次阈值模糊综合评判模 型，导出其求解的相应矩阵。 ( 4 ) 灰色系统理论的应用研究 灰色系统理论由邓聚龙【6 2 j 教授于1 9 8 2 年创立，创立以来在国内外引起了 很大反响，据不完全统计，灰色系统理论已被应用到国内外1 5 0 多个行业和部 门中，并取得了丰富的成果。灰色系统属少数据不确定的系统，建立在灰色系 统之上的灰理论用于研究少信息不确定的显示规律，强调信息的优化。 在大坝安全监控领域，张乾飞1 6 3 1 等简述了不确定性信息在大坝安全监控 中的具体表现形式及应用前景，并提供了种采用灰信息处理方法对大坝安全 河海大学硕士学位论文 进行分析和评价的新的思路；周晓贤6 4 1 提出了用灰关联度较大的显著变量建 立较优g m ( i , n ) 模型的方法，应用于大坝安全监控领域，实例表明较优g m ( 1 , n ) 模型的精度比逐步回归模型要高；徐晖1 6 5 1 、刘国华【鲫、向衍【6 7 1 等对大坝的监 测资料序列建立灰色关联度的g m ( i ，n ) 状态模型，拟合及预测精度亦较高。 ( 5 ) 小波分析理论应用研究 小波分析是一个新的数学分支，它是泛函分析、f o u r i e r 分析、样条分析、 调和分析、数值分析的完美结晶。近年来，小波分析理论在信号处理、模式识 别、图形处理、语音分析、量子物理及众多非线性科学等领域取得了丰硕的成 果【6 8 1 。 在大坝安全监控领域，徐洪钟【6 9 1 利用多分辨分析，提出大坝变形观测数 据趋势分量提取的小波分析方法，给出了该方法的计算思路，并通过工程实例 验证了该方法的有效性。聂学军7 0 】将大坝安全监测的数据系列视为由不同频 率成分组成的数字信号序列，结合小波分析理论，对监测数据进行分析处理， 包括野值诊断、降噪处理和时效分量提取等。李雪红等【7 1 1 对于带缝运行的水 工混凝土结构，用小波分析和突变理论相结合的方法，建立了裂缝转异诊断模 型，结合工程实例，利用小波分析方法提取裂缝的时效变形。 ( 6 ) 融合理论应用研究 大坝安全监测领域中用到众多的数学方法，每种理论都有其优缺点和适用 的范围，有些时候应寻求融合理论1 7 2 。7 。5 1 机制，取其所长，避其所短，亦会收 到很好的效果。在大坝安全监控领域，赖道平、顾冲时1 7 6 采用遗传模拟退火 算法搜索最优权重对大坝监测资料序列建立组合模型，结合实例说明了该方法 合理可行性，所建立的组合模型与最优权组合模型的拟合精度和预报精度相 近，克服了最优权和基于神经网络组合模型的缺点；徐洪钟、吴中如等 7 7 1 将 混沌理论和神经网络理论相结合，建立了水平位移实测值的相空间模糊神经网 络预报模型，计算结果表明，其预报精度优于常规的统计回归模型，能揭示大 坝的非线性性质，更好地分析大坝的运行性态；包腾飞等1 7 8 1 提出了采用四层 神经网络计算应力强度因子的解决途径，利用混沌优化算法对四层神经网络进 行了改进，应用实例对其改进效果进行了检验，通过实例分析表明四层优化神 6 第一章绪论 经网络计算的应力强度因子接近于甬断裂力学有限元计算的应力强度因子；于 鹏将粗集和神经网络的融合技术应用于数据挖掘，提出了裂缝成因挖掘的粗集 神经网络方法，可较好地分析混凝土坝裂缝产生的主要成因。 1 2 2 混凝土坝裂缝危害性分析方法研究进展 有坝就有裂缝，混凝土坝一般有多条裂缝，如何分析这些裂缝的危害性程 度就成了大坝管理人员急需解决的问题，以便于对其中危害性较大的裂缝进行 处理。曹双寅1 7 9 采用模糊分析方法，对裂缝影响结构耐久性的程度进行了模 糊分析，分析了裂缝的宽度、方向和分布密度等因素对结构耐久性的影响，提 出了考虑这些因素的综合评估方法；邢林生等【8 0 】就裂缝对混凝土坝强度、稳 定和耐久性影响的分析方法、评判依据和危害程度进行了探讨研究，得出了一 些定量和定性的结论。 1 2 3 接触问题分析研究进展 文献【8 1 - 8 7 1 对裂缝的有限元模拟进行了研究，混凝土坝裂缝问题从本质上 属于接触问题，按照接触问题来模拟分析裂缝，研究裂缝的演变规律，将取得 更好的效果。 接触问题的研究最早可以追述到1 8 8 1 年h e r t z 提出的经典的h e r t z 弹性接 触理论。k a l k e r 掣8 8 8 9 1 从虚功方程和余虚功方程出发，将接触边界条件用拉 格朗日乘子并与总势能一起构成修正的势能或余能，再求驻值得到最后的控制 方程；w r i g g e r s 和z a v a r i s e 9 0 - 9 1 1 、h e e g a a r d 和c u r n i e r 9 2 1 、s i m o 和l a u r s n 9 3 1 由变分不等式出发建立了带有库仑摩擦或考虑大滑动或考虑了非线性本构关 系等的接触问题罚有限元公式，并可由变分不等式讨论其解的存在性和唯一 性；p a n a g i o t o p o l u s 和l a z a i l i d i s l 9 4 1 在拉格朗日方程基础之上研究了关于接触区 的未知作用力或未知位移的最小势能或最小余能问题，这种方法减小了未知量 的数目，可以计算较大结构的接触问题。r e g o o d m a n 提出将接触单元或称节 理单元，用于模拟平面问题中不计厚度影响的地下不连续面；k a t o n a l 9 5 1 1 9 8 3 年提出不用刚度系数的简单接触摩擦单元，可以模拟两物体间的滑动摩擦、张 开和闭合过程；雷晓燕【9 6 】在k a t o n a 工作的基础上提出了一种新的接触摩擦单 塑塑查堂堡圭兰竺丝苎 元，直接选取节点接触应力作为基本未知量，同时采用六节点的等参元模拟接 触面复杂的几何形状，接触单元的几何和静力约束是作为补充方程包含在刚度 方程中的，运用虚位移原理导出了接触摩擦问题的等效单元刚度一约束矩阵和 等效荷载向量。使该单元具有容易与标准有限元程序联接和计算稳定的优点。 陈厚群等 9 7 - 9 8 1 提出了考虑动、静摩擦的动力接触单元模型。胡黎明凹】建立了 一个能够反映接触面变形机理和力学特性的接触面损伤模型，可以模拟其剪切 过程中的应变软化和剪胀现象，并将损伤模型接触面单元用于三维有限元计 算。 1 2 4 大坝安全预警方法研究进展 世界坝工历史悠久，大坝的安全问题一直至关重要，2 0 世纪9 0 年代，国 外开始对大坝安全预警和救援进行研究，取得了一些成果。意大利【1 0 0 1 在大坝 安全监控系统的开发研究等方面一直处于国际领先地位，其研制的d a m s a f e 系统是基于结构分析和安全监测的，并且具有初步大坝健康诊断和大坝安全预 警的功能。近年来一些第三世界国家，如尼泊尔i 1 0 1 】的t s h or o l p a 工程等，也 都安装有大坝安全预警系统。 在我国，较早开展的预警研究是1 9 8 9 年在经济领域中开展的宏观经济预 警理论研究，此后逐步开展了企业财务、银行危机、政府财政等方面的风险预 警；在工程领域，地震灾害预警、地址灾害预警、交通灾害预警等研究已经起 步。在大坝安全监控方面，已有许多学者建立了大坝安全监控模型和监控指标， 开发了大坝安全监测信息管理系统，并且研究了大坝安全监控专家系统和辅助 决策支持系统，尝试了利用人工智能等现代技术进行大坝安全监控的方法，这 些研究成果都为大坝安全预警系统的研究积累了丰富的资料。 1 3 问题的提出 如上所述，许多学者和工程技术人员对裂缝的成因、数值模拟、预测模型、 演变规律等方面作了大量的研究工作。但由于混凝土坝裂缝问题的复杂性和重 要性，还有一些问题有待进一步研究。 8 第一章绪论 ( 1 ) 近年来，人们对混凝土坝裂缝主要成因的研究多集中于具体某个大 坝，结合设计、施工、运行等相关资料以及工程经验，或借助于实验和数值模 拟方法进行分析研究，也取得了一定的成果；对于具体某个大坝裂缝的产生往 往是受多种因素影响的综合结果，形成原因亦非常复杂，因此，需进一步挖掘 分析出裂缝的主要成因。 ( 2 ) 裂缝对混凝土坝的危害性很大，但如何对裂缝的危害性进行分析评 价尚在研究之中，对大坝运行管理单位来说，已对大坝造成危害的裂缝，必须 及时实旌针对性处理，因此有必要对裂缝的危害性进行进一步的研究。 ( 3 ) 近些年来，随着计算机技术的不断发展，融合理论和数值仿真分析 方法得到了快速发展，被迅速应用于各个领域，成为工程计算和分析的有力工 具，将其应用于混凝土坝裂缝问题的分析越来越受到人们的重视。 ( 4 ) 运行期裂缝的演变对评价裂缝的性态以及整个大坝的安全状况具有 重要的作用。因此，对混凝土坝运行期的裂缝演变规律进行研究对整个大坝的 运行具有重要的指导意义。 ( 5 ) 在我国，虽然对于大坝安全问题一向十分重视，但对大坝安全预警 系统的研究基本上还很少，特别是对带缝坝的裂缝安全预警方法研究较少，有 待于进一步深入研究。因此，对裂缝的预警方法进行研究对提高大坝安全管理 水平十分必要。 1 4 本文的主要研究内容和技术路线 本文结合国家自然科学基金重点项目“现代水工大体积混凝土裂缝机理与 控制”( 5 0 5 3 9 0 1 0 ) 和9 7 3 计划题目“多因素相互作用地质工程系统的整体稳定 性研究”( 2 0 0 2 c b 4 1 2 7 0 7 ) ，以实测资料为基础，结合数值仿真分析方法及 大型有限元分析软件a b a q u s ，应用先进的数学理论和力学方法对带缝坝的 安全性分析及预警方法进行了较为系统的研究，总体思路如下：首先从混凝土 坝裂缝的成因分析入手，采用多种数据挖掘方法相融合的研究手段，得出荷载 是影响混凝土坝运行期裂缝产生和发展的主要因素；其次，基于实测资料和数 值仿真分析方法，在a b a q u s 基础上进行二次开发，建立带缝坝数值仿真模 型；然后，从大坝的强度、稳定、耐久性及整体性等方面，对裂缝的危害性分 9 塑竖查兰堡主堂堡堕苎 析方法进行了研究；最后，分析裂缝的演变规律，建立裂缝的非线性组合预测 模型，研究裂缝的失稳判据；在此基础上，对裂缝的安全预警方法进行研究。 本文主要研究内容框架如图1 4 1 所示。 带缝坝安全性分析及预警方法研究 l i0i 裂缝成因分析裂缝危害性分析裂缝的安全预警方法研究 上上上上上 荷 裂 载 缝 对裂 裂 成 裂缝带裂裂 因 缝危缝 裂 缝缝 缝 分 的害坝 缝 的的 安 析 作性数 的全 数 用分值 趋 预失 预 据 及析仿 势 测稳 警 挖 不 方 真 性 模判 方 掘 利法分 分 型据 法 建研 方 荷研析 析 研 立究 究 载 究 法 分 析 图1 4 1 论文主要研究内容框架 ( 1 ) 较为系统地分析混凝土坝裂缝产生的原因，并融合租集和模糊神经 网络理论，研究混凝土坝裂缝成因挖掘的实现方法。 ( 2 ) 从裂缝对混凝土坝强度、稳定、耐久性及整体性等影响方面，对裂 缝的危害性分析方法进行研究。 ( 3 ) 研究温度场仿真分析基本原理，探讨在a b a q u s 中计算温度场的 方法；对比分析裂缝的各种有限元分析模型，在此基础上，二次开发a b a q u s ， 建立带缝坝的数值仿真模型，结合工程实例，综合评价裂缝对大坝的危害性。 ( 4 ) 基于实测资料，应用小波分析理论，提取运行期裂缝的时效变形， 对裂缝开度随时间的演变规律进行研究；并将灰色理论和神经网络相结合，建 立裂缝开度的组合预测模型；此外，对混凝土坝裂缝失稳判据和监控指标进行 研究。 第一章绪论 ( 5 ) 基于裂缝的演变规律、裂缝开度的预测模型以友裂缝失稳判据分析， 研究裂缝的安全预警和拟定预警指标的方法，并利用置信区间法拟定裂缝开度 的预警区间。 河海大学硕士学位论文 第二章混凝土坝裂缝成因机理挖掘 对于一座混凝土坝来说，裂缝是其普遍存在的缺陷，它的成因非常复杂、 分布范围较广、危害性较大，因此有必要对裂缝的成因机理进行挖掘。 本章在研究混凝土坝裂缝产生原因的基础上，探讨了裂缝成因挖掘功能的 实现方法，由此分析混凝土坝裂缝产生的主要原因。 2 1 混凝土坝裂缝分类 裂缝的类型很多，包括微观裂缝、细观裂缝和宏观裂缝。按照不同的分类 方法裂缝可分为不同的类型，下面主要介绍从裂缝的特性、成因、危害程度、 活动性质、方向形状、产生时间等方面对宏观裂缝的分类。 ( 1 ) 按裂缝的特性( 缝宽、缝长、缝深) 分为表面裂缝、浅层裂缝、深 层裂缝及贯穿裂缝等。其中：表面裂缝主要指混凝土表面的龟裂；浅层裂 缝指开裂深度较浅的裂缝；深层裂缝是指由混凝土内部延伸至部分结构面的 裂缝，这种裂缝般要影响结构的安全；贯穿裂缝则指延伸至整个结构面， 将结构分离。严重影响和破坏结构的整体性和防渗性能的裂缝。 ( 2 ) 按裂缝的成因分为荷载裂缝、变形裂缝、施工裂缝、碱骨料反应裂 缝。其中：荷载裂缝指由施工和运行阶段的静荷载和动荷载所引起的裂缝； 变形裂缝指由温度和湿度变化及不均匀沉降等所引起的裂缝；施工裂缝指 由于施工操作( 如混凝土浇捣、养护等) 引起的裂缝；碱骨料反应裂缝指由 于混凝土骨料中某些矿物与混凝土微孔中的碱溶液间的化学反应引起体积膨 胀而导致的裂缝。 ( 3 ) 按裂缝的危害程度分为轻度裂缝、重度裂缝和危害性裂缝。其中； 轻度裂缝指对结构强度和稳定影响较小的裂缝：重度裂缝是指使结构强度 和稳定有所降低的裂缝；危害性裂缝则是指使结构的强度、稳定以及耐久性 降低到临界值或临界值以下的裂缝。 ( 4 ) 按裂缝的活动性质分为死缝、准稳定裂缝和不稳定裂缝等。其中： 死缝的开度和长度己经稳定，不再发展；准稳定裂缝开度随季节或某因素 1 2 第二章混凝土坝裂缝成园机理挖掘 呈周期性变化，长度变化缓慢或不变，这种运动属于稳定的运动：不稳定裂 缝的开度和长度随外界因素的变化而发展。 ( 5 ) 按裂缝的方向和形状主要分为水平裂缝、垂直裂缝、纵向裂缝、横 向裂缝、斜向裂缝及放射裂缝等。 ( 6 ) 按裂缝的产生时间可分为原生裂缝、施工裂缝和再生裂缝。其中： 原生裂缝是指在混凝土浇筑过程中，由于施工措施和材料缺陷等原因引起的 裂缝；施工裂缝是指由于施工需要或浇筑水平限制以及结构需要而设置的纵 缝、横缝、水平裂缝等；再生裂缝是指以上裂缝或缺陷，在运行期，由于外 荷载或外界环境等的变化而发展或新产生的裂缝。 2 2 混凝土坝裂缝的成因分析 由于混凝土坝裂缝的成因非常复杂，多种因素相互作用影响，通过阅读大 量的文献资料，得到了一些研究成果，下面简单介绍几种典型裂缝的成因。 2 2 1 荷载引起的裂缝 荷载作用引起的裂缝主要包括以下几种： ( 1 ) 温度裂缝 温度裂缝主要由以下几种原因引起： 温控不当引起的裂缝：在混凝土浇筑过程中，若采用高水化热的水泥或浇 筑温度过高、施工进度、施工间歇时间控制不当、坝体分缝不合理、早期养护和 表面保护不及时，均易产生温度裂缝。 基岩及新老混凝土之间的约束裂缝：这类裂缝一般较深，易于破坏结构的 整体性，受混凝土的收缩程度、温差大小、温度变化速度、结构厚度、坝体几何 尺寸、地基对结构的约束作用等因素影响。 基岩高差引起的裂缝：浇筑在高低相差较大的基岩面上的混凝士坝易发生 这种裂缝，主要是由于在混凝土浇筑后，内部温度较高，在外界温度降低过程中， 混凝土结构受基岩约束作用，在基岩表面突变处产生应力集中而开裂。 寒潮引起的混凝土裂缝：该种裂缝一般为表面浅层裂缝，一般发生在新浇 河海大学硕士学位论文 筑的混凝土还未产生抗拉强度之前，对于大体积混凝土结构也是很危险的。 ( 2 ) 收缩裂缝 收缩裂缝是指由于湿度变化引起的收缩或混凝土的自收缩而产生的裂缝。主 要分为以下几种收缩裂缝： 塑性收缩裂缝：由于混凝土早期养护不好，混凝土水灰比过大、横板垫层 过于干燥、使用收缩率较大的水泥、水泥用量过大而导致塑性收缩裂缝的产生。 沉降收缩裂缝：由于基础产生不均匀沉陷而产生的裂缝，多属贯穿性裂缝， 危害较大。 干燥收缩裂缝：由于混凝土表层水分散失，随着湿度降低，其表层产生体 积收缩导致裂缝产生，多为表面性的或龟裂状，没有规律性。 碳化收缩裂缝：在一定的相对湿度范围内，混凝土水泥浆中的c a ( o h ) ，和 其它水化产物会与空气中的c o ，反应，生成c 口c q ，引起表面体积收缩，受到结 构内部未碳化混凝土的约束而导致表面开裂。 ( 3 ) 水压、地震等外部荷载 混凝土坝在运行期长期受到水压、风浪等外部荷载作用，偶然也会受到地震 荷载的作用，这些外部荷载都会对裂缝的产生有不同程度的影响。 2 2 2 非荷载引起的裂缝 这类裂缝主要是指由于施工工艺不当及碱骨料反应等导致的裂缝。 ( 1 ) 施工工艺不当引起的裂缝 在混凝土坝浇筑、块体制作、起模、运输、堆放、拼装及吊装过程中，由于 混凝土振捣不密实均匀、块体浇筑过快、搅拌运输时间较长、初期养护不合理、 施工质量控制差等原因而产生的裂缝。这类裂缝产生的原因各异，应合理安排施 工工艺，保证施工质量，尽量减少或避免此类裂缝的产生。 1 4 第二章混凝土坝裂缝成因机理挖掘 ( 2 ) 碱骨料反应引起的裂缝 碱骨料反应是指混凝土的组成成分( 水泥、外加剂、掺和料或拌合水) 中的 可溶性碱溶于混凝土孔隙液中，与骨料中能与碱反应的活性成分在混凝土硬化后 逐渐发生的一种化学反应，反应生成物吸水膨胀，使混凝土产生内应力，导致结 构开裂。碱骨料反应主要有三种类型，即碱硅酸反应、碱碳酸反应和碱硅酸盐反 应。 ( 3 ) 基础不均匀引起的裂缝 这类裂缝是由于基础不均匀造成坝体不均匀沉降引起的，解决方法有控制施 工顺序、减轻结构自重、采取合理结构形式等。 2 2 3 裂缝产生的可能原因分析 以上对几种典型裂缝的成因进行了简单分析，但对于一个重大混凝土结构， 。 其裂缝的产生往往是受多种因素影响的综合结果，产生的原因非常复杂。因此， 需要建立一个系统化的方法来研究裂缝的成因。 基本思路如下：首先，调查收集与裂缝产生有关的各种资料，包括设计、施 p 工、运行、管理等各阶段的记录资料以及实测、试验、科研成果等资料，建立裂 缝成因知识统计表，见表2 2 1 ( 由于数据较多，未将所有数据列出) ；在此基 础上，应用数据挖掘理论( 粗集理论、模糊神经网络) ，挖掘裂缝产生的主要原 因。 表2 2 1 裂缝分布及成因统计表( 部分) 坝名及坝型裂缝类型及分布主要成因备注 龙羊峡重力下游面出现垂直裂缝、水平裂缝和 低温+ 高水位作用位于青海省， 拱坝 斜缝，共3 5 条左右 坝高1 7 8 m 紧水滩双曲共3 0 0 多条，其中水平裂缝“条，温差作用，寒潮，混凝位于浙江省， 拱坝基本发生在矿、1 0 8 坝段土浇筑层面处理不当坝高1 0 2 m 东江双曲拱严重裂缝、一般裂缝和微细裂缝，气温骤降，间歇期不满位于湖南省， 坝贯穿裂缝主要发生在仓面，共4 6 0足设计要求坝高1 5 7 m 多条 白山双曲拱施工层水平缝9 6 条，上游坝面1 5温差作用，气温骤降位于吉林省， 坝条。纵缝面上1 0 条，下游面3 2 条，坝高1 4 7 5 m 1 5 。坝段3 4 7 5 m 高程4 条深层裂缝 河海大学硕士学位论文 续表2 2 ，1 裂缝分布及成因统计表( 部分) 坝名及坝型裂缝类型及分布 主要成因备注 乌江渡拱形 共1 4 0 多条，6 。坝段有i 条贯穿性温差作用位于赛州省。 重力坝裂缝，其它为表面性裂缝，以溢流坝高1 6 5 m 孔面板最多，有3 7 条 刘家峡重力坝体出现2 0 0 多条裂缝，多为表面设计时未提出温控措位于甘肃省， 坝 裂缝 施，温度骤降坝高1 0 7 m 潘家口低宽5 0 镢其临近坝段坝后水平裂缝，部环境温度影响：新老混 位于河北省， 缝重力坝分坝段在接近中线部位出现垂直裂凝土之间结合不良，抗坝高1 0 7 5 m 缝，且部分渗水；4 7 j * ：1 哽段 9 7 m 水 拉强度低 平裂缝 丹江口宽缝共3 0 0 0 多条，基础贯穿裂缝1 8 条， 温差作用、施工温控不位于湖北省， 重力坝深层裂缝1 9 条当 坝高9 7 m 新安江宽缝右坝头1 4 坝段坝顶出现裂缝；1 矿温度作用、渗水压力，位于浙江省， 重力坝 1 5 。坝段廊道上游壁出现冷缝坝体结构；混凝浇筑坝高1 0 5 m 不正确 拓溪大头坝迎水面共有垂直裂缝9 4 条，水平裂 混凝原材料、温差作位于湖南省， 缝2 6 条用坝高1 0 4 m 横仁大头坝共2 0 0 0 多条混凝土原材料、温差作位于辽宁省， 用坝高7 8 5 m 枫树宽缝空上游面通水库1 9 条，贯穿道基岩5温度作用、模板走样位于广东省， 腹重力坝 条，一侧贯通基岩4 3 条，其它1 1 2坝高9 5 i m 条 大黑汀宽缝共9 0 0 多条 温差作用、寒潮频繁位于河北省， 重力坝坝高5 2 8 m 普定碾压混 共4 9 条裂缝，其中2 条贯穿性裂缝、低水位+ 温降+ 气温骤位于贵州省、 凝土拱坝坝顶2 7 条裂缝、下游面7 条裂缝、降；经历三次放空水库，坝高7 5 m 溢流面1 2 条裂缝、溢流右导墙1 条，且两次气温较低 名为径向分布 佩蒂拱坝靠近左岸坝肩出现裂缝碱骨料反应位于巴西 t o l l a 超薄拱大坝上部两侧靠近拱座的上下游面坝体太薄，没有安全裕位于法国 坝大面积裂缝度；坝基基岩坚硬，引 起坝体混凝土拉应力增 加；气温变化太大 p a c o i m a 拱左拱端坝段受地震荷载作用位于美国，坝 坝高1 1 3 m 火甲拱坝第一层拱体出现两条贯穿性对称裂空库+ 寒潮袭击位于广东省， 缝 坝高2 1 m 石门拱坝坝踵开裂低温+ 高水位。同时受位于陕西省 裂缝水劈裂作用 金坑双曲拱横缝开裂且部分贯穿 空库+ 温降 坝 1 6 第二章混凝土坝裂缝成因机理挖掘 续表2 2 1 裂缝分布及成因统计表( 部分) 坝名及坝型裂缝类型及分布主要成因备注 虎盘水电站寒潮过后出现4 条竖向裂缝，纵向 环境温差作用，没有采坝高4 1 m 双曲拱坝分布，切断坝轴线，由下向上发展，取应有的温控措施，混 下宽上窄，上下游基本对称，背水凝土约束条件不同，间 面宽，迎水面窄歇性施工造成冷缝，养 护不及时干缩，保混 条件差 牛路岭空腹5 5 8 5 m 廊道顶部正中出现平行于坝自重十水压十内外温位于海南省 重力坝轴线方向的裂缝，空腹拱顶部、溢差，混凝土保护层厚度， 流面反弧段平行于坝轴线裂缝钢筋直径、配筋率、钢 筋布置形式 德沃歇克重在9 个坝段的上游面发生严重的横大坝表层混凝土水泥用位于美国，坝 力坝向垂直裂缝 量多 高2 1 9 m 黑泉混凝土混凝土面板出现裂缝，绝大多数为混凝土原材料；塑性裂位于青海省 面板堆石坝 平行于坝轴线的水平走向的横缝缝：温差过大；千缩裂缝； 施t t 芗声牛的裂缝 佛子岭连拱有1 0 0 0 多条裂缝，包括拱筒环向缝、主要原因：施工质量； 位于安徽省， 坝拱筒叉缝、拱垛交接面裂缝、收缩新老混凝土收缩性不坝高7 5 9 m 缝裂缝、收缩缝顶端裂缝、垛头缝、同；基岩约束；低温+ 低 尾缝、铅直裂缝、收缩缝延伸斜缝水位及低温十高水位作 等 用；部分坝垛下游坝址 基岩风化严重等 青铜峡水电共3 0