（水工结构工程专业论文）土石坝健康诊断理论与方法研究.pdf

中文摘要 摘要 土石坝健康诊断的理论与方法是坝工监控领域研究的热点问题。本文结合土 石坝特点，应用力学和数学理论展开对土石坝健康诊断理论与方法的研究。主要 内容如下： ( 1 ) 建立了土石坝健康诊断项目和诊断健康值的概念，探讨了健康诊断依据 和原始诊断信息量化方法，推导了健康值计算公式，研制了相应的分析程序。 ( 2 ) 研究了层次分析法( 分全判断矩阵和残缺判断矩阵) 与模糊一致矩阵法 确定诊断项目重要性分配问题，据此分析了健康诊断项目融合重要性确定方法： 此外，探讨了随诊断项目健康状况变化而调整重要性分配的可调重要性确定方法。 ( 3 ) 在对健康诊断项目的选定原则和选定方法研究的基础上，构建了土石坝 综合健康诊断结构体系，并利用健康诊断模型提出了健康诊断综合分析方法。 ( 4 ) 建立了毛尖山土石坝综合健康诊断项目结构体系，依据单项原始诊断信 息的量化理论与方法对原始诊断信息进行量化分析，按照重要性确定方法对多诊 断项目进行重要性分配，并利用健康诊断综合分析方法对陔坝进行了健康诊断。 关键词：土石坝、健康诊断结构体系、健康诊断理论与方法 英文摘要 a b s t r a c t t h et h e o r ya n dm e t h o do fh e a l t hd i a g n o s ef o re a r t h r o c k f i l ld a ma r eh o ti s s u e si n t h er e s e a r c hd o m a i no fd a ms a f e t y m o n i t o r i n g b y m e a n so ft h et h e o r i e so f m a t h e m a t i c sa n dm e c h a n i c s t o g e t h e rw i t ht h ef e a t u r e so f e a r t h - r o e k f i l ld a m ，t h e o r ya n d m e t h o do fh e a l t hd i a g n o s ef o re a r t l l r o c k f i l ld a ma r es t u d i e d t h ep r i m a r yc o n t e n t sa s f o l l o w s ： ( 1 ) n l ec o n c e p t so ft h eh e a l t hd i a g n o s ei t e ma n dv a l u eo fh e a l t hd i a g n o s eo f e a r t h - r o c k f i l ld a ma r ep r e s e n t e d t h eg u i d e l i n e so fh e a l t hd i a g n o s eo fe a r t h r o c l d i l l d a ma n dt h e q u a n t i z a t i o n m e t h o d sf o ro r i g i n a l d i a g n o s e i n f o r m a t i o no fb o s o m d i a g n o s ei t e m sa r ea n a l y z e d 1 1 1 ed i a g n o s eh e a l t hv a l u e f o r m u l a sd e r i v e df r o mt h e m e t h o d sa r ed e u c e d ，a n d c o r r e s p o n d i n ga n a l y s i sp r o g r a m s a r e d e v e l o p e d ( 2 ) t w od e t e r m i n a t i o nm e t h o d so f i m p o r t a n c er e l o c a t i o nb e t w e e nd i a g n o s ei t e m s a r ea n m y z e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ，n a m e l yt h ea n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s sm e t h o d ( c l a s s e d a s c o m p l e t ej u d g r a e n tm a t r i xa n di m p e r f e c tj u d g m e n tm a t r i x ) a n df u z z yc o n s i s t e n t j u d g m e n t m a t r i x m e t h o d ，r e s p e c t i v e l y b a s e d o nt h em e t h o d s ，f u s i o nm e t h o do f d e t e r m i n a t i o no f i m p o r t a n c e r e l o c a t i o ni s e s t a b l i s h e d f u r t h e r m o r e ，a d j u s t a b l e i m p o r t a n c em e t h o da c c o r d i n gt ot h ev a r i a t i o no f h e a l t hv a l u e i sa n a l y z e d ( 3 ) o nt h eb a s eo fr e s e a r c h e so ns e l e c t i v ep r i n c i p l e sa n ds e l e c t i v em e t h o df o r h e a l t hd i a g n o s ei t e m s ，t h es t r u c t u r es y s t e mo fh e a l t hd i a g n o s ei t e m si se s t a b l i s h e d c o m b i n e dw i t ht h eh e a l t hd i a g n o s em o d e l ，t h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sm e t h o do f h e a l t hd i a g n o s ei sp r e s e n t e d ( 4 ) t h es t r u c t u r es y s t e mo fh e a l t hd i a g n o s ei t e m su s e df o rc o m p r e h e n s i v eh e a l t h d i a g n o s e o fm a o j i a n s h a ne a r t h r o c l d i l ld a mi se s t a b l i s h e d t h e o r i g i n a ld i a g n o s t i c i n f o r m a t i o ni sq u a n t i f i e db yu s eo ft h eq u a n t i z a t i o nt h e o r ya n dm e t h o df o rs i n g l eh e a l t h d i a g n o s e i t e m i na d d i t i o n ，t h er e s u l t so fe v e r yi t e m s i m p o r t a n c e a r eo b t a i n e d a c c o r d i n gt o t h ed e t e r m i n a t i o nm e t h o d so fi m p o r t a n c er e l o c a t i o nb e t w e e nd i a g n o s e i t e m s b a s e do i lt h ea n a l y s e sg i v e na b o v e ，t h ed a m sh e a l t hs i t u a t i o ni sd i a g n o s e db y t h ea p p l i c a t i o no ft h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i st h e o r ya n dm e t h o do fh e a l t hd i a g n o s ef o r e a r t h r o c k f i l ld a m k e y w o r d s ：e a r t h - r o c k f i l ld a m ，s t r u c t u r es y s t e mo fh e a l t hd i a g n o s e ，t h e o r ya n dm e t h o d o f h e a l t hd i a g n o s e 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) ： ：逢童豳渺f 年月目 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) ： ：i 塞垒噬刎厂年5 月肜目 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究目的和意义 在世界大多数国家中，土石坝建设一直居于重要地位。土石坝数量众多、历史悠 久，全世界已建成超过1 5 m 高的土石坝有2 9 0 0 0 余座，中国就有1 5 0 0 0 多座。 我国有近8 5 万座大坝，其中大部分为土石坝，在国民经济建设和社会安定中起到 了巨大作用 2 3 】。水利大坝工程既代表了巨额投资和经济、社会效益，但由于蓄水量巨 大，又蕴含着潜在的成灾风险1 4 1 。据不完全统计f 5 “l ，全国3 1 0 0 多座大中型水库大坝中 有1 2 4 8 座和8 万多座小型水库大坝中有3 6 存在不同程度的健康问题。上世纪5 0 年代 以前国内外修建的土石坝，绝大多数为均质土坝。在多年的运行中，大多有浸润线较高、 背水坡浸湿面积大、渗漏、产生坝坡滑移等现象，对大坝体健康造成危害。国内外也有 许多中小型土石坝工程，甚至有一些修建在冲积层坝基上的大型土石坝，运行良好。 在运用中造成重大损失的土石坝，大多缺乏监测设施、有效的安全管理或没有及时 分析监测资料。对已建土石坝，应根据其具体特点，设置相应的安全监测项目，对变形、 渗流等进行连续而全面的监测，并及时对监测资料进行分析和处理f t l 。在此基础上对土 石坝健康进行科学诊断，为大坝健康运行提供可靠的技术支持，为此要进行土石坝健康 诊断的理论与方法研究。另外，虽然我国土石坝健康存在诸多问题，但受资金等条件限 制不可能进行全面除险加固，有必要先进行健康诊断以确定健康状况，将有限资金用到 最需要的地方。 1 2 国内外研究现状 大坝安全监测经历了二个发展阶段。第一阶段是原型观测阶段，观测对象是温度、 变形、渗流和应力应变等，观测目的是验证和发展大坝设计理论；第二段是大坝安全监 测阶段。上世纪6 0 年代，人们认识到大坝不可能保证毫无安全隐患，国际大坝会议明 确提出了原型观测与大坝安全的关系，认为大坝理论计算方法有待改进，强调进行原型 观测比模型试验更为符合大坝实际。自7 0 年代以来，意大利开发的大坝安全监测系统 在国际上一直处于领先地位 8 - 4 i 。 土石坝监测资料的分析要比混凝土坝复杂得多”，原型观测资料的物理成因解释主 河海大学硕士学位论文 要借助于工程经验和数学监控模型等。基于监测资料建立效应量的数学模型，主要有针 对单个测点监测资料分析所建立的三大常用数学模型，即统计模型、确定性模型和混合 模型，是诊断土石坝健康的有效方法。 1 9 5 6 年，d t o n i n i 【16 】首次将影响大坝位移的因素分成水压、温度、时效三部分，并 均以三次多项式来表示水压分量和温度分量。w i d m a n n 【i 认为气温对大坝工作性态有影 响；水荷载影响应考虑水位的上升与下降过程。1 9 8 0 年，i 恤l a z i o 等【1 8 j 首先通过有限元 法计算水压、温度、时效分量，而后建立回归模型。1 9 6 5 年l a z a d e h l l 9 1 创立了模糊 集合论，为描述并处理事物的模糊性和系统不确定性，提供了强有力的工具。 我国数学监控模型的研究工作起步相对较晚。2 0 世纪7 0 年代以前主要采用定性分 析，并通过绘制过程线与统计简单特征值来分析大坝的安全性态。7 0 年代初，陈久宇 教授2 明首先提出用坝工理论选择统计模型因子，应用统计回归分析原型观测资料，并用 模型分离的各个分量，尤其是时效分量分析大坝的工作状态和监控大坝的安全运行。2 0 世纪8 0 年代中期，吴中如等2 卜2 3 1 提出了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和大坝位移的确定性原理和方法。 大坝变形监测是土石坝变形健康诊断的重要信息来源，分位移和裂缝等监测项目。 其中位移监测主要有竖向位移监测和水平位移监测，这两类监测可以分开进行，也可以 结合进行。变形监测资料分析方法已有研究成果主要有，郦能惠等【2 4 基于石坝变形与 孔隙水压力产生机理分析，研究了统计分析方法。徐洪钟等瞄】将模糊数学与神经网络结 合，建立了土石坝的沉降组合模型。刘正云等【2 6 】根据土的固结理论并考虑时效，研究了 较优收敛非线性土石坝时效模型。郑东健等2 7 q 9 】结合变形实测资料建立土石坝位移的统 计模型和灰色模型，进行了变形性态的数值模型分析。李雷、盛金保 3 0 1 将可靠性分析理 论用于土石坝不均匀沉降裂缝分析中，利用改进分层总和法分毛斥了坝顶抗裂的可靠性。 王轶川对土石坝裂缝的分类、产生机理及探查方法进行了深入研究。 在渗流监控模型方面，认为影响坝体和坝基渗流的主要因素有水压、温度、时效等， 有时还要考虑降雨的影响。吴中如等f 3 2 。4 】根据渗流基本理论，用确定性函数和物理推断 选择模型因子及其表达式，建立了土石坝测压管水位以及渗漏量、绕坝渗流等观测量的 统计模型，并分析了降雨强度和雨型对渗流要素的影响以及测压管水位变化对库水位和 降雨的滞后效应：在此基础上，通过稳定渗流有限元计算，用叠加原理来逼近实际的非 稳定渗流，建立了土石坝测压管水位的确定性模型。顾冲时、郑东健等口5 。7 1 研究了渗流 第一章堵论 滞后效应，建立了渗流基流的分析模型和渗压确定性模型。沈振中等d 8 l 提出了利用水头 和渗流量等观测资料反演岩土体渗透参数的可变容差法。朱岳明等 3 9 - - 4 t 】对土石坝复杂渗 流反分析进行了研究，评估了大坝渗流场的实际性态，并用复杂渗流场主要特征参数反 演结果建立了测压管水位的反分析确定性混合模型。 顾冲时等【4 2 1 首先应用模糊控制论建立了坝基扬压力预测模型，并将其应用于新安江 大坝中，结果表明该模型在物理成因解释方面更具优越性与合理性。李雪红等【4 6 】建立 了主成分模糊神经网络模型、土石坝渗流的神经网络监控模型；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和渗透系数的反演方法。王初生等 4 7 1 根据土石坝坝基水文地质特征的差异性及渗流场的非平面性，将多元回归数学模型应用 于坝基渗透性计算。 在监测设旌方面，我国南湾、大伙房等大型水库于2 0 世纪5 0 年代就设置了土石坝 变形和渗流监测项目，包括坝面沉降和水平位移观测，用测压管观测坝体和坝基渗流压 力【3 l 。目前，我国土石坝安全监测仪器可以有效监测2 0 0 m 级高土石坝的坝体和坝基变 形、应力和渗流等。蒋金虎等 4 8 - - 4 , 1 对g p s 用于土石坝变形监测可行性及人工信息的表 达和组织形式进行了研究。 许多学者对安全评价做了卓有成效的研究。b c y e n ：5 0 l 对随机荷载和抗力作用下的 可靠性估算方法进行研究，建立了系统可靠性分析的框架。葡萄牙学者m a r ar a m o u s ， 提出用模型试验和数学分析或者在设计时确定的允许值作为监控指标。吴中如等【5 1 l 开发 了适用于大坝安全分析和评价的专家系统。马福恒等”2 j 依据模糊控制理论和专家经验， 用模糊综合评判法对复杂结构混凝土坝的原型结构性态进行了模糊可靠度分析。苏怀智 等【5 3 0 4 1 对大坝安全感智融合理论和病变自适应诊断体系进行了深入研究。 大坝时效分量的影响因素相当复杂，由于认为水压分量和温度分量不随时间变化， 所以实际上监测效应量中不可逆部分也被反映在时效分量中，时效分量中含有因结构异 常因素而引起的监测量变化【5 ”。因此从健康诊断的角度来看，各类监控模型的时效分量 也就成为诊断大坝健康的主要依据。吴中如、硕冲时等【5 6 1 5 1 将监测值的趋势性变化类 型分为四种，用以判断监测值变化趋势是正常。李珍照等【58 】利用模糊模式识别方法，采 用最大隶属度原则对大坝实测性态进行多层递归模糊模式识别。高杰 5 9 1 等在观测资料分 析的基础上，探讨了模糊聚类分析方法在土石坝安全监测中的应用，并建立了模糊聚类 分析模型。何金平、李珍照等【舡6 1 l 将大坝实测效应量随时间推移而出现时效分量的趋势 坷海大学硕士学位论文 性变化过程作为大坝结构实测性态综合评价的定量指标。赵志仁等 6 2 l 通过对土石坝变形 规律的分析，将变形监控指标分为正常状态和危险状态。 其它行业健康诊断研究的成果主要有，鞠平等【6 3 】由电力系统故障诊断的研究现状， 提出了电力系统健康诊断的概念。周智等【6 1 对土木工程和桥梁健康监测应用与健康诊 断理论与方法进行了研究。2 0 世纪9 0 年代以来，随着大跨度铁路公路两用桥、大型水 利发电机组、国际空间站计划等大型工程项目的实施，复杂结构体系的健康诊断研究成 为学术界和工程界关注的热点。结构损伤识别回答的是结构有无损伤以及损伤程度如何 的问题，是结构进行健康诊断的基础；而损伤定位则是进行结构健康诊断的核心。考虑 结构损伤过程中的物理状态演化规律、结构的可能破坏方式和途径及借鉴专业知识与经 验是全面解决结构健康诊断问题的关键 6 ”。 土石坝计算理论与方法也有了很大进展 6 8 - - 7 1 】。2 0 世纪5 0 年代土力学的进展主要是， 用三轴剪力仪研究土的抗剪强度和考虑土条间作用力的坝坡稳定计算方法。1 9 6 0 年， r w c l o u g h 创立了弹性力学有限元进行非线性分析，应用于石坝应力和变形计算。 有限单元法的发展对士石坝健康诊断有很大帮助。 许多数学分析与计算理论为土石坝健康诊断提供了强有力的支持。m a c c r i m m o n 提 出两极比例法( b i p o l a rs c a l i n g ) 将定性评语属性转化为定量指标。徐泽水( 7 3 i 研究模 糊互补判断矩阵的相容性和一致性。在模糊决策数学理论研究方面，吕跃进【7 4 1 证明了模 糊一致矩阵的一些重要性质，完善了模糊层次分析法的排序原理。张吉军7 5 】说明了由模 糊一致判断矩阵确定排序方法的科学性和可行性。金菊良等【7 6 】提出追踪寻踪理想点法用 于动态多指标决策中指标和时段的权重确定问题。f o r t r a n 语言 7 7 1 是适用于数值计算 的计算机语言，m a t l a b 7 8 1 是强大的矩阵计算工具。利用这些计算软件可以解决土石 坝健康诊断复杂的数值计算问题。 1 3 问题的提出 - 土石坝的运行风险一般要比混凝土坝高协8 引。土石坝健康恶化的原因和表现形式往 往错综复杂和相互影响，而且许多失事原因是很难在事前仅靠理论分析来判断的。 美国堤堂( t e t o n ) 坝是按照现代设计和旅工技术建造的一座分区碾压式土石坝， 1 9 7 5 年5 月5 日坝体溃决。从发现坝体渗漏到溃决，仅历时5 个小时。堤堂坝溃坝原因 之一是在坝体设计上过分依赖灌浆帐幕来控制危险性渗漏，而没有对渗流穿过心墙裂缝 第一章绪论 和沿岩基面冲蚀心墙材料加以保护 对蒸岩张开节理没有认真处理，心墙与基岩接触面 不设反滤层，是设计中的致命缺陷。另一个原因是在坝体和坝基内没有埋设观测设备。 国内沟后土石坝的破坏，最初是防渗体出现较大应变导致开裂，而后随着库水浸没裂缝， 产生渗漏冲刷，坝项和下游坝坡出现局部塌滑，形成初期溃口，随着水流的进一步冲刷， 最终垮坝。沟后士石坝没有设计大坝安全监测系统，缺乏有效的坝体安全监测措施，自 建的观测设施并未真正有效利用。若沟后土石坝能按安全规范要求布置观测系统，并及 时进行健康诊断分析，也许可以及早了解坝体浸润线变化，控制库水位的抬高，避免溃 坝事故的发生。为石坝的健康运行，监测系统的设置是必要的。 借用医疗术语，称对土石坝健康状况分析的过程为土石坝健康诊断。 土石坝健康诊断的复杂性主要体现在：结构、边界条件及材料的物理力学特性和参 数确定非常复杂，难以准确计算：实际渗流情况复杂，渗流场与应力场、温度场以及边 界条件的藕合等问题使得难以准确了解土石坝渗流场健康状况；健康恶化的表现形式和 作用机理在目前研究不深，特别是筑坝材料的蠕变特性和力学特性复杂：监测效应量的 变化不仅与坝型、结构布置、筑坝材料和作用荷载等自身条件有关，而且还与旌工过程、 施工方法及运行管理等人为因素有关；土石坝有许多特有不利于大坝健康运行的问题， 如粘土心墙拱效应、水力劈裂、接触冲刷、填土的非饱和排气、湿陷和冻胀等现象。 监测资料能提供土石坝大量有效的健康状况信息，通过监测资料分析可以发现大坝 异常现象或隐患和掌握大坝健康变化规律。以往评价土石坝的安全状况，仅能凭经验对 各单项监测效应量给出概括性的评价结论。实际上用单项监测效应量的数学监控模型进 行分析，只是对该监测项目有个相对明了的认识，至于各测点在同类监测点中对大坝整 体健康的影响重要性很少提及。还有种情况是若同类监测点中仅有一个或几个测点安全 性态出现异常，而多数测点和安全性态是正常的，该如何评价监测项目的健康状况? 因 此就土石坝实测资料健康诊断来说，不仅要考虑单个测点诊断项目所反映的局部性态， 还要考虑多测点诊断项目所反映的大坝综合健康性态。另外，影响土石坝健康各因素的 作用，原来是次要的也有可能转化为主要影响因素，若不考虑这些变化，将得出不符合 土石坝实际健康状况的诊断结论。 土石坝健康诊断尚未有较实用的理论与方法可循。也有许多研究资料对土石坝事故 实例做了大量分析，但都是针对具体坝得出经验教训，而没有从土石坝自身特点出发研 究影响土石坝健康的各因素在坝总体健康中所占重要性，更没有形成土石坝的健康诊断 河海大学硕上学位论文 体系。因此本文将开展对土石坝健康诊断理论与方法有实用价值的研究。 1 4 本文主要研究内容 本文结合国家自然科学基金( 2 0 0 3 5 1 2 6 4 3 ) 和教育部跨世纪优秀人才培养基金 ( 2 0 0 3 5 1 2 6 4 3 ) ，对土石坝健康诊断理论与方法开展了深入地研究。主要研究内容如下： ( 1 ) 研究了土石坝底层单项诊断项目的健康值计算方法，探讨了健康评判依据和 底层单项原始诊断信息的量化方法，推导了健康值计算公式，并开发了相应的分析程序。 ( 2 ) 研究了利用全判断矩阵和残缺判断矩阵确定诊断项目重要性的层次分析法， 提出了诊断项目间重要性评判结果建议标度值；通过模糊互补重要性判断矩阵转化为模 糊一致矩阵，解决了诊断项目重要性分配问题；研究了多诊断项目重要性确定方法的融 合原理及计算方法，推导了土石坝健康诊断项目的融合重要性计算公式；此外，探讨了 随健康值的变化来调整健康诊断项目重要性分配的可调重要性确定方法。 ( 3 ) 对影响土石坝健康的因素进行了较为深入的分析，在此基础上研究了健康诊 断项目的选定原则和选定方法，建立了土石坝健康诊断结构体系和健康诊断模型，通过 对诊断结果健康评语集的拟定，给出土石坝诊断健康值的含义，并利用健康诊断模型确 定了综合健康诊断方法。 ( 4 ) 构建了毛尖山土石坝综合健康诊断的具体内容和珍断项目结构体系，对该坝 的变形、渗流、强度和稳定等分项进行了健康珍断，据此对毛尖山土石坝健康状况进行 了综合健康诊断。 本文主要研究内容框架见图1 4 1 。 第+ 孽绪论 t 厂 厂一 l 第= 章底层单项健康诊断研究l 第二章渗断项s = l 重要- 性确定方法 【，。，。、，_ _ i ，。，。，j 第四章卜石坝综合健康诊断堤论 i | 第五章毛火山上= 石坝综合健康诊断 i t 第六章总结与展望 图1 4 1 本文研究内容 第二章土石坝底层单项健康诊断 第二章土石坝底层单项健康诊断 2 1 问题的提出 土石坝健康诊断需要解决两个核心问题：底层诊断项目原始诊断信息的不可公度性 及多诊断项目对上层诊断项目影响健康程度的复杂性。底层单诊断项目原始诊断信息的 取值范围、度量方法和度量单位各不相同，其中既有定量诊断信息，又有定性诊断信息， 而不同性质的诊断信息间是不具可比性的。因此不同性质诊断项目定量原始诊断信息无 法直接参与健康诊断；而定性原始诊断信息更是要转化为健康状况定量值后才能参与健 康诊断。后者是指在健康诊断过程中，多诊断项目对上层诊断项目影响健康程度难以量 化确定，这是由土石坝自身复杂的工作性态决定的。为此要研究健康诊断意义下可公度 的土石坝原始诊断信息量化方法，以及多诊断项目重要性确定方法( 在下一章中讨论) 。 土石坝底层单项原始诊断信息，包括健康诊断资料及其初步诊断结果。原始诊断信 息的量化是建立在对底层健康诊断项目诊断资料初步分析基础上的：由于底层健康诊断 项目的健康状况( 用健康值来反映) 是中上层健康诊断项目的诊断信息依据，所以底层 单项原始诊断信息的量化极其重要，将直接影响中上层诊断项目健康状况的诊断结果。 底层诊断项目原始诊断信息的量化结果，称之为底层诊断项目的健康值。健康值是 诊断项目健康状况最直观的表达，是健康状况的性能值。本文定义诊断项目的健康值是 闭区间f 0 ，l i 上的实数值，并规定健康值越大，诊断项目的健康状况越良好。 底层单项健康诊断确定健康值分两步：第一步，分析底层单项健康诊断资料得到原 始诊断信息的定性与定量结果；第二步，将原始诊断信息依量化方法转化为诊断健康值。 2 2 底层单项诊断资料获取及分析 2 2 1 诊断资料获取 土石坝底层单项健康诊断资料包括工程基本资料与监测资料；对影响土石坝健康的 特殊问题，可以有针对性地利用各种检测方法收集其基本信息。工程基本资料主要有地 质勘探、试验资料、设计与施工、运行管理、除险加固和安全定检等资料。监测资料即 土石坝观测资料及其整理成果，包含日常巡查检查资料、所有观测数据、文字和图表及 监测系统布设资料，各种观测设备资料等。 土石坝监测范围，包括坝体、坝基、两岸和与坝的安全有直接关系的输、泄水建筑 第二章士石坝底层单项健康诊断 物和设备，以及对土石坝安全有重大影响的近坝区岸坡。监测方法包括仪器监测和日常 巡视检查。 根据相关监测技术规范 8 3 1 要求，土石坝常设置有下列监测项目：工作条件监测。 包括坝上下游水位、库水温、气温、降雨、坝前淤积、下游冲淤等监测。工作性态监 测。变形监测：包括坝面竖向位移、坝内分层固结、水平位移( 纵向和横向) 、坝基沉 降、倾斜和裂缝等监测，目的是得到坝体变形监测资料等。压力监测：包括孔隙水压力、 土压力、接触土压力以及混凝土面板应力等项观测。渗流监测：包括坝体和坝基渗漏量 及坝体浸润线、绕坝渗流、渗透水透明度和水质、岸坡地下水位等，目的是测定渗流量、 水头等渗流要素。其它监测：包括近坝库区岸坡稳定、局部结构应力应变、坝体地震 反应、水力学项目等。监测项目设置一般根据土石坝级别和具体需要而有所不同。 在上述监测项目中，除环境工作条件监测外，主要是工作性念监测：变形监测类中 的竖向位移、水平位移、裂缝监测项目；渗流监测类中的孔隙压力、渗流量、绕坝渗流 监测项目：应力监测类中的土压力和坝体局部应力监测项目。 原则上应将广泛收集对健康评价有用的资料，包括定性和定量的资料。应指出的是： 在监测资料收集中应重视巡视检查和关键部位健康诊断资料的获取。巡视检查能迅速获 取土石坝健康恶化征兆( 如裂缝、滑坡及大量渗水等) 来弥补仪器监测的局限性。这是 因为虽然监测系统对大坝健康的整体诊断是有效的，但考虑到具体土石坝的特殊性，很 难做到监测点就是健康恶化区域。如美国1 9 7 1 年提堂坝失事，坝右岸的窄断层突然发 生管涌，很快就造成垮坝事故，而监测仪器却没有记录到管涌的发生。所以，仅靠仪器 监测来监控大坝安全是不够的。 2 _ 2 2 诊断资料分析 鉴于监测资料在土石坝健康诊断中的重要作用，本文重点分析监测资料的初步分析 方法。土石坝监测效应量有竖向位移、水平位移、应力应变、压力和渗流量等，是各种 环境量综合作用的结果，其量值取决于坝型、筑坝材料物理力学性质及外界运用条件的 改变等。 监测资料分析通常有：比较法、作图法、特征值统计法和数学模型法等。其中： ( 1 ) 比较法诊断分析的内容是：通过巡视检查比较坝面各种异常现象的变化和发展 趋势；通过比较同类观测物理量测值变化的大小、变化规律和趋势是否具有一致性和合 第二章士石坝底层单项健康诊断 理性，预计测值区域健康状况的变化情况；比较同类观测项目不同测点的观测量，了解 坝体不同区域影响健康的重要性程度；通过观测成果与设计、模型试验或理论计算的成 果相比较，判断健康状况。比较法要注意的是比较的基本条件应相同或相近。 ( 2 ) 作图法诊断分析的内容是：根据监测系统获得的观测资料，绘制观测物理量过程 线图( 如分层压缩过程线、竖向及水平位移过程线、沉降速率与水平位移速率过程线、 相邻测点不均匀沉降率与时间关系曲线、渗水压力及渗漏量过程线) ，或特征过程线图 ( 如某水位下的测压管水位过程线图) ；分布图( 各断面上的竖向及水平位移分布图， 竖向位移平顽等值线分布图，断面及平面上的渗流等势线分布图) ：相关图( 如沉降量 与孔隙水压力关系曲线、渗水压力及渗漏量与作用水头的相关图) 等。 ( 3 ) 特征值统计法诊断分析的内容是：对各观测物理量历年的最大和最小( 包括出现 时间) 、变差、周期、年平均值及年变化率等进行统计分析，诊断各观测物理量之间在 数量变化方面是否具有一致性与合理性。 ( 4 ) 数学模型法诊断分析的内容为：建立表达观测物理量的效应量与原因量之间的数 学模型，对于观测资料系列较长的土石坝，宜建立统计学模型( 回归分析) ，有条件时 也可建立确定性模型或混合模型。由于土石坝自身结构、材料和环境影响要素的复杂性， 要建立效应量与影响因素之间的函数关系是极为复杂的，甚至无法用显式函数来表示， 而只能通过确定性函数法、物理推断法或统计相关法来推求表达式。建立数学模型的关 键是选择影响效应量的因素及其表达式，常用方法有三种：根据坝工理论，利用确定性 函数考察因子形式：用物理推断法判断因子组成及其形式；用统计相关法检查因子受其 拟合度。 除了应重点分析监测资料外，稳定健康诊断资料的分析也是土石坝诊断资料分析的 重要内容。应采用规范法( 碾压式土石坝设计规范s l 2 7 4 2 0 0 1 ) 计算坝坡稳定安全系数 及渗透坡降：当采用有限元计算时，稳定安全系数仅作参考。 稳定健康诊断分析的主要内容有稳定渗流期的上下游坝坡和水库水位降落期的上 游坝坡。稳定分析所需的主要计算参数有抗剪强度和孔隙水压力。稳定渗流期坝体及坝 基中孔隙水压力，可根据孔隙水压力观测资料绘制的流网确定或利用数学模型推算；水 位降落期上游坝壳内的孔隙水压力，可采用原体观测资料、瞬时流网或估算确定。 以上方法以不同角度对土石坝健康诊断资料进行分析，为底层单项健康诊断积累原 始诊断信息。 第二章土石坝底层单项健康诊断 2 3 底层单项诊断健康判据 2 3 1 变形。性态健康评判 2 3 1 1 坝体变形特征分析 坝体变形是体现土石坝健康状况的重要表现形式。变形在旌工期、水库初次蓄水期 和水库长期运行期间均有发生，一些突发原因( 如地震等) 也会引起土石坝变形。要建 立变形健康诊断标准，需要对土石坝变形性态有深入的了解。 软的压缩性强的粘土心墙坝体，在施工期间可发生较大的变形：中央防渗体土石坝， 水库初次蓄水可能导致上游填筑体浸没而出现坍塌变形，也可能沿上游填筑体与心墙交 界面发生纵向裂缝；正常运行期间土石坝的变形是复杂的，因为许多影响因素都可能引 发坝体相当的变形，如向下游方向的水平位移，可能是受库水压力的作用引起的，也可 能是出于坝体或坝基的抗剪强度低而产生侧向移动引起的。在引发坝体变形的诸多因素 中，有的可以严重损害土石坝的健康，如坝坡失稳和内部侵蚀等；有的影响因素对土石 坝健康并不至于造成损害，如坝体正常固结、库水位变化及在接近坝面的粘土体内含水 量季节性变化等引起的变形。 2 3 1 2 变形健康状况判别 土石坝变形可以用有限元等数值计算方法进行分析，但计算精度取决于计算参数模 拟实际坝料性状的接近程度。可将有限元变形分析计算结果与变形实测值相比较，由此 验证坝体变形健康状况是否与设计预期相符。变形监测是土石坝最基本与常见的监测内 容，变形健康状况很大程度上需要利用监测资料来诊断，但变形监测资料只有在确定了 容许变形的适当标准时才对变形健康诊断具有实用价值。 ( 1 ) 趋势性判别 土石坝巡视检查可发现坝体表面健康缺陷和工程局部健康问题，如坝体裂缝和异常 渗漏等。土石坝滑坡裂缝特征是：裂缝两端向坝坡下部弯曲，缝呈弧形；裂缝两侧产生 滑动；缝宽与错距的发展逐渐加快；上部般有塌陷、下部有隆起现象。 通过监测资料分析，可确定观测物理量及其特征值随时间、空间变化的规律性和观 测物理量间相关关系的变化规律性。将巡视检查成果、监测资料分析成果、设计复核成 果等进行比较，以判识土石坝的局部工作状态、存在健康异常的部位及其对变形健康的 1 0 第二章士石坝底层单项健康诊断 影响程度与变化趋势等，从分析中获得有关变形健康的定性原始诊断信息。 ( 2 ) 诊断指标判别 诊断指标是能反映诊断项目某一方面健康状况的特征量。竖向位移反映了坝体在自 重和外荷载作用下竖向变形健康状况，是诊断大坝变形健康程度的重要指标。下面以竖 向位移为例，说明利用变形诊断指标判别土石坝变形健康状况的方法。竖向位移诊断指 标有变形值、变形率和相邻测点间不均匀沉降差等。 单测点变形值 变形值诊断指标可以采用统计理论的置信区间法确定。用数学模型的计算值j f r l 与 实测值5 ( r ) 的差值计算血，根据血在置信区间n s 的范围来诊断变形健康状况。其中n 的选取与置信水平c t 有关，s 是监测资料系列的标准差。由测量误差理论及参考4 4 2 节健康评语集，得如下健康评判标准： = 2 可作为测值允许误差，即2 s 是f 常测值界 限，也是健康与亚健康判别的界限值：”= 3 可作为测值极限误差，即3 s 是异常测值界 限，也是亚健康与病变判别的界限值。 最大变形值诊断，主要是看土石坝最大沉降量是否满足设计和规范要求。无设计要 求时评判坝体沉降是否达到最终沉降量，可由一年内沉降量是否小于坝高的o 0 2 来确 定【姐】，也可以用有限元法计算确定。可将最大变形值作为病变与危情判别的界限值。 单测点变形率 从总体变化趋势上看，土石坝竖向位移随时间是衰减的，因此变形率应逐渐减小。 设t 。、t k 分别为第k l 、k 次观测时刻，s ( t i ) 、s ( t ) 为对应测次竖向位移观测值。若 设。时刻竖向位移变形率为p ( f 。) ，则尸( 。) ：丛兰掣。对第次测值，变形率诊 一f i 断指标为：0 p ( ) p ( 一。) 。 多测点不均匀沉降差 相邻沉降测点间的不均匀沉降差过大，往往导致坝体表面或坝下浅层出现裂缝。产 生这类裂缝的原因是多方面的，其中最主要的是由于不均匀沉降差过大而导致坝体水平 拉应变超过坝填土体所能承受的极限拉应变，而产生张拉性裂缝；或者使两点间的倾度 超过坝填土体的破坏倾度，而产生剪切破坏裂缝。无论是张拉性裂缝还是剪切裂缝，都 会对土石坝的健康构成威胁。 第二章士石坝底层单项健康诊断 裂缝分析可采用基于沉降观测资料的倾度法，以坝体出现裂缝时的最大不均匀沉降 差作为土石坝健康状况恶化的诊断指标。可靠度理论可用于进行不均匀沉降而导致坝体 出现裂缝的可能性分析，如j c 法适用于随机变量为任意分布可靠指标的求解，计算精 度可以满足工程实际需要【泓8 8 1 。 多测点相对沉降率 相对沉降率是土石坝竣工后至坝体沉降稳定期间相邻测点坝体沉降量与坝高的比 值，可将相对沉降率用于坝体开裂分析。定性分析原理为相对沉降率小，坝体不会产生 裂缝：相对沉降率大，坝体容易产生裂缝。相对沉降率法仅考虑坝体沉降是有其局限性 的。若设p 为相对沉降率，由工程经验得出的判断标准8 9 1 为：p 3 ，坝体产生裂缝。 上述健康判别指标以变形值诊断指标判别为主，同时鉴于土石坝稳定期变形值常常 变化较小，测值结果的不精确微动常会给健康诊断带来较大误差，各类诊断指标也可着 重从趋势上进行判断。 2 3 2 渗流性态健康评判 渗流健康状况可以用监控模型分析的渗流时变规律、渗流健康诊断指标或渗流综 合分析来评判，也可通过渗流仿真计算来进行健康判别。渗流诊断指标可采用设计限制 值、规范允许值或直接采用历史极值，也可用诊断量的变化速率等。 2 - 3 2 1 渗流性态特征分析 土石坝渗流是少量库水通过坝体、坝基及两岸坝肩缓慢而均匀的流动，在坝内形成 渗流场。渗流所造成的水量损失很少有经济意义或达到影响土石坝挡水能力的程度，但 过大的渗流对土石坝健康所造成的影响却不容忽视，主要有使坝体填土饱和程度显著增 加，在某些情况下会出现塌陷：孔隙水压力的增加可能导致坝坡失稳和造成内部侵蚀等。 产生土石坝渗流场随时间变化的因素包括新近的工程措施、坝前淤积、基岩裂隙随 着渗透压力的作用而产生的缓慢变形、防渗体老化导致防渗性能的改变、排渗减压设施 失效以及有新的渗漏通道产生等。其中坝前淤积将改变原来的渗漏通道，增加渗径，有 利于提高大坝的防渗性能，渗流量呈现出逐渐减小的趋势：而防渗体裂缝则会削弱防渗 结构的防渗性能，在坝体及岩基内产生新的渗漏通道，增加渗漏通道的连通性，渗流量 1 2 第二章石坝底层单项健康诊断 呈现出逐渐增大的趋势：基岩裂隙随渗透压力所产生的变化实际上是应力场和渗流场耦 合作用的结果，基岩裂隙变形随渗透压力的变化对整个渗流场的影响是相当复杂的；渗 流场在正常外在荷载的作用下，也表现出随时间逐渐变化和发展的趋势。 2 3 2 2 渗流健康状况判别 土石坝渗流场健康诊断项目主要有测压管水位和渗流量等，本文探讨以下几种健康 判别途径：借助监控模型判别；通过渗流量或防渗体渗透系数时效变化规律判别；综合 分析判别。 ( 1 ) 监控模型判别 土石坝渗流监控模型为 o = f ( h ，t ，r ，r ) = q h + q 7 十q + q 目 ( 2 3 1 ) 对于某一时刻t ，将相应环境量、r 、r 代入式( 2 3 1 ) ，可求得测压管水位或渗 流量监测效应量计算值，与该时刻实测值q 进行比较，得到观测值q 与模型计算值0 之差a s , = q q 。利用t 判别监测效应量健康状况如下： 健康，观测值q 与模型计算值亘之差在2 倍标准差s 之内，即 i a s ，1 玉2 s ( 2 3 2 ) 亚健康，观测值q 与模型计算值垂之差大于2 s ，但小于3 s ，不超过设计限制值 q ，而且测值无趋势性变化，即 2 s 巴 ( 2 - 3 4 ) 危惰，测值超过设计限制值包，并有趋势性增大，即 辈 0 ，q q ( 2 a 5 ) 出 第二蕈土石坝底层单项健康诊断 ( 2 ) 渗流场时变判别 渗流量时效分量奶综合反映了土石坝的坝前淤积、防渗及排水设施工作性态等的 影响，能反映渗流场的整体变化规律。利用渗流量时效分量来诊断土石坝渗流健康可分 为四类即减小或者逐渐趋于稳定、保持恒定速率发展、以不断增大的速率发展，分别 对应于土石坝健康评语集的四个级别。 q ( ，) 岛( f )q ( f ) ( a )( b )( c ) 图2 3 1 渗流量时效分量过程线 健康，如图2 3 1 ( a ) 变化曲线“1 ”所示，渗流量时效分量表现为减小，即 盟0( 2 3 6 ) 出 亚健康，如图2 3 1 ( a ) 变化曲线“2 ”所示，渗流量时效分量虽有增大现象，但 有逐渐趋于稳定的趋势，即 盟 o 但堕 0 ，d 2 q o ：0( 2 3 8 ) d tm 。 渗流量时效分量以恒定的速率持续增长，表明土石坝存在某种或某些危及渗流健康 的隐患，渗流场健康状况处于病变状态。 危情，如图2 3 ，1 ( c ) 所示，渗流量时效分量发散且呈加速增