（水工结构工程专业论文）碾压混凝土坝安全监控模型及其应用研究.pdf

摘要 摘要 碾压混凝土坝是近年来应用较为广泛的一种坝型，由于特殊的施工工艺使其 渗流、变形特性与常规混凝土坝存在较大的差异。本文对碾压混凝土坝渗流、变 形安全监控模型进行了较为深入的研究，主要内容如下： ( 1 ) 利用坝体温度边界条件和温度计实测资料，建立坝体温度场时空分布 模型并用温度场分析渗流场的性态；根据渗流量等效原理结合单裂隙渗流理论， 发展和完善了坝体渗流量监控模型，并利用偏最小二乘法和遗传模拟退火算法对 渗流监控模型参数进行优化。 ( 2 ) 根据碾压混凝土坝具有横观各向同性的特点，研究了碾压混凝土坝变 形监控模型水压分量的因子模式，同时对温度分量进行了改进，建立了碾压混凝 上坝变形的混合模型，并利用计算结果对层面弹性参数迸行了分析。 ( 3 ) 基于实测资料构建了碾压混凝土坝层面性态的评价因素集，并应用多 层次模糊综合评判方法对碾压混凝土坝层面性态进行综合评判。 ( 4 ) 应用前述的理论和方法，建立了水东碾压混凝土坝运行期坝体渗流量 监控模型、变形混合监控模型，并对碾压层层面性态进行了模糊综合评判。 关键词：碾压混凝土坝监控模型 层面性态模糊综合评判 a b s t r a c t a b s t r a c t r o l l e rc o m p a c t e dc o n c r e t ed a m ( r c c d ) i so r en e w t y p eo fd a m ，w h i c hh a sd i f f e r e n t c h a r a c t e r i s t i c si n s e e p a g ea n dd e f o r m a t i o nt o n o r m a lc o m c e t ed a m t h em o d e lo fs a f e t y m o n i t o r i n gt 0s e e p a g ea n d d e f o r m a t i o nf o rr c c di ss t u d i e dd e e p l y1 1 1 em a i nc o n t e n t sa r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) t h es p a c e - t i m ed i s t r i b u t i o nm o d e lo f d a m t e m p e r a t u r ef i e l di se s t a b l i s h e db a s i n go n t h et e m p e r a t u r eb o u n d a r yc o n d i t i o n sa n dt h eo b s e r v a t i o nd a t a so ft h e r m o m e t e nt h es e e p a g e s a f e t ym o n i t o r i n gm o d e lo fr c c d i se s t a b l i s h e db yu s i n gt h ep r i n c i p l eo f s e e p a g er a t ee q u a l e f f e c t sa n dt h et h e o r yo f s i n g l ec r a c ks e e p a g em o d e li nr o c km e c h a n i c s i na d d i t i o n ，t h el e a s t s q u a r ea n dg e n e t i cs i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h m sa r ea p p l i e dt oo p t i m i z et h ep a r a m e t e r so f t h es e e p a g em o n i t o r i n gm o d e l ( 2 ) a c c o r d i n g t ot h et r a n s v e r s ei s o t r o p i cc h a r a c t e ro fr c c d ，t h em e t h o do fd e t e r m i n i n g t h es a f e t ym o n i t o r i n gr c c dd e f o r m a t i o nm o d e lb a s i n go nm o d i f i e dw a t e r p r e s s u r ef a c t o ra n d t e m p e r a t u r e f a c t o ri sp r o p o s e d a n dt h ee l a s t i cm o d u l u so f t h ee f f e c tz o n e sa r ea n a l y z e d ( 3 ) t h ec r i t i c a l f a c t o r so fr c c d si n t e r f a c e p r o p e r t y a r e a c q u i r e db a s i n g o nt h e o b s e r v a t i o nd a t a s t h er c c d si n t e r f a c ep r o p e r t yi se v a l u a t e db yu s i n gt h em u l t i l a y e rf u z z y c o m p r e h e n s i v ea p p r a i s a lm e t h o d ( 4 ) a p p l y i n gt h e t h e o r i e sa n dm e t h o d sp r e s e n t e di nt h i s t h e s i s ，t h es e e p a g e a n d d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gm o d e l so ft h es h u i d o n gr c cd a mi se s t a b l i s h e d i na d d i t i o n ，t h e s y n t h e s i s e v a l u a t i o nm o d e lo fi t si n t e r f a c e p r o p e r t y i s e s t a b l i s h e d ，a n d i t sb e h a v i o ri s e v a l u a t e d k e y w o r d s ：r o l l e r c o m p a c t e d c o n c r e t ed a m ，m o n i t o r i n gm o d e l ，i n t e r f a c e p r o p e r t y , f u z z yc o m p r e h e n s i v ea p p r a i s a l 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) ：! 空坠秒年i 月坶日 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) ：! 生进o 。瞄年月辟日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 碾压混凝土坝是将常态混凝土坝和填筑土石坝的优点集中于一体的新坝型， 具有节约水泥用量、简化旅工工艺、大规模机械化快速施工和工程造价低等许多 优点。2 0 世纪7 0 年代，许多国家，如美国、英国、日本等国对碾压混凝筑坝 技术进行了理论研究和科学试验；之后，中国、加拿大、澳大利巫等国也逐步开 展了这个领域的研究工作。碾压混凝土的筑坝技术已越来越引起世界各国坝工界 的兴趣和重视卧【8 1 。上世纪8 0 年代初在日本岛地川采用碾压混凝土筑坝技术建 成了世界上第一座高9 8 m 的碾压混凝土重力坝( 简称r c c d ) ，美国建成高5 2 m 的柳溪坝。此后的十多年，碾压混凝土坝技术得到了迅速的推广和应用，并广泛 应用于高坝建设中。迄今为此，全世界高于1 5 o m 的已建、在建碾压混凝土坝已 有2 0 0 余座，分布在2 3 个国家和地区，高于1 0 0 o m 的碾压混凝土坝有2 4 座( 日 本1 4 座，中国5 座，智利、哥伦比亚、安哥拉、墨西哥、西班牙各1 座) 9 1 1 1 。 我国于1 9 8 6 年在福建省大田县建成第一座高5 6 8 m 的坑口碾压混凝土重力坝， 至今已有2 2 座碾压混凝士坝投入运行，1 5 座在建，1 2 座正在设计，其中在建的 龙滩碾压混凝土重力坝( 坝高2 1 7 o m ) 和已建的沙牌碾压混凝土拱坝( 坝商 1 3 2 o m ) ，是目前世界上最高的碾压混凝土重力坝和拱坝。 由于碾压混凝土坝是层层碾压而成的，故其工作性态和常规混凝土坝有明显 不同，如坝体渗流问题突出、结构上呈现横观各向同性特征、层问结合问题等， 因此，碾压混凝土坝安全监控和运行性态评价的理论与方法都具有其自身的特 点。目前，在碾压混凝土坝安全监控理论研究方面，吴中如院士等许多学者开展 了广泛研究，但许多问题仍处在摸索研究阶段，实际工程应用中大多仍延用常规 混凝土坝的理论和方法。在设计和施工阶段对影响碾压混凝土坝工程质量和安 全运行的因索，如混凝土配合比、浇筑温度、碾压质量、施工工艺以及混凝土养 护等作了大量的试验和分析研究，然而，由于不确定性因素较多和问题的复杂性， 许多碾压混凝土坝的裂缝和漏水等问题仍较为突出，也对现有大坝安全监控的理 论和方法提出了新的挑战。有些百米级以上的高碾压混凝土坝的设计、施工、安 全监控，已超出了现有的经验。由于碾压混凝土坝特殊的施工工艺，使其具有不 珂海大学硕士学位论文 同于常规混凝土坝的结构特点和渗流特性，如果层面处理不当很容易成为坝体的 渗流通道和稳定的薄弱面，层面是碾压混凝土坝安全监控的重要部位，但目前对 反映层面性态的安全监控模型研究不多。因此在深入分析碾压混凝土坝特点的基 础上，结合实测资料进一步开展碾压混凝土坝安全监控模型的研究是非常必要 的，这一方面有利于正确分析评价已建坝的安全性态：另一方面可以反馈设计、 施工，以优化大坝设计，监控大坝运行，确保大坝的安全运行和工程效益的充分 发挥。 1 2 研究现状 1 2 1 渗流模型分析 二十多年来，随着碾压混凝土坝的日益增多，国内外学者对碾压混凝土的渗 透性作了一些探索。但由于碾压混凝土坝层面渗流问题的复杂性。系统开展这项 研究的并不多。我国开展这项研究工作较早，主要在“七五”期间结合铜街子 工程、“八五”期间结合龙潍工程作了一些试验及理论分析。目前的主要研究 成果集中在碾压混凝土坝的计算模拟和数值分析以及试验研究方面。如：中国水 利水电科学研究院张有天等【1 6 心1 根据沿层面渗流极不均一的特点，指出如何建 立统计模型以代表屡面渗透极不均一性是渗流分析的前提。他们用不相关的随机 模型作为层面渗流计算模型，将要分析的层面划分成等面积的小区，每个小区的 渗透系数按正态分布，由给定的渗透系数均值及方差用计算机生成一组正态分布 的渗流分析的层面统计模型的样本。这个模型考虑了施工质量的离散性而造成渗 透系数的离散性，而渗透系数的离散性对渗控设计的影响是相当大的。这种观点 及做法理论上是先进的，但由于问题的复杂性仿真难度较大。河海大学朱岳明等 【i j 】1 1 3 1 根据碾压混凝土坝逐层碾压成层状结构体系的特点，指出碾压混凝土坝的 渗透性是由碾压混凝土本体和层面的渗透性决定，具有明显的各向异性。对一般 坝工而言，可视碾压混凝土本体是一种均质各向同性体介质，其渗流特性可用简 单的达西渗透定律来表示，层面渗流行为为缝隙水流，与层面的水力隙宽、粗糙 度、连通率、层面应力应变行为以及加载历史有关。在渗流分析时，可简化成等 效模型来处理。这些研究的共同特点是对r c c 层面进行等效处理。尽管对碾压 混凝土渗流研究是近年来发展起来的，但人们对裂缝渗流的研究却有几十年的历 第一章绪论 史，国内外学者提出了许多解决裂隙岩体渗流的计算模型【”h 3 3 1 。鉴于碾压混凝 土的结构特点与裂隙岩体有些类似，在分析其渗流时，常借用分析裂隙岩体渗流 的方法来研究【3 4 1 【3 6 1 。目前用于分析碾压混凝土坝渗流问题的计算模型可归纳为 等效连续介质模型、离散裂隙网络模型和双重介质模型等。 试验方面，河海大学速宝玉等 1 4 j 【1 5 】于2 0 世纪9 0 年代初涉足碾压混凝土渗 透机制的研究领域。他们通过对施工现场取样、室内试验，在分析实验资料的基 础上，指出碾压混凝土本体的渗透系数与常规混凝土基本一致；层面是渗水的主 要通道，水平向与垂直向渗透各向异性比可达几十倍甚至几百倍；高水头作用下 的碾压混凝土层面存在水力劈裂的危险性。 碾压混凝土坝渗流安全监控理论和方法方面：反映层面性态的渗流安全监控 模型研究的较少，其中吴中如、顾冲时、吴相豪等网利用测压管和渗流量实测资 料，应用裂隙岩体渗流分析的三维等效连续介质模型并用薄层单元模拟碾压层面 影响，建立了渗流计算模型反分析渗流参数，拟定了渗压监控指标。而基于实测 资料的碾压混凝坝渗流监控模型主要采用常规混凝土坝的分析方法，因此开展 反映层面性态的渗流资料分析监控模型研究，对监控碾压混凝土坝渗流变化规律 和层面性态，确保大坝安全有重要的意义。 1 2 2 变形模型分析 变形作为荷载效应量，能直观可靠的反映水工建筑物运行状况，因而也是水 工建筑物重要的监测量。对变形资料的分析很早就引起了许多学者的高度重视， 最先通过绘制位移过程线、分布图和计算特征值等对变形性态作定性分析。国外 变形资料分析工作起步较早1 3 7 ) 1 4 l 】。1 9 5 5 年，意大利的法那林和葡萄牙的罗卡等， 应用统计回归方法定量分析了大坝的变形监测资料。在此基础上，法那林等又于 1 9 7 7 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。法国在资料分析方面力求简便、迅 速，采用了m d v 方法监测大坝，即在测值序列中去掉水压和温度分量后的剩余 部分( 时效和残差) ，并分析其规律，判断大坝的运行工况。 我国的大坝变形资料分析工作起步较晚 4 2 o 在1 9 7 4 年以前主要是定性分析， 即通过绘制位移过程线和算出特征值来分析大坝的运行状态。1 9 7 4 年以后，在 河海大学陈久宇等4 3 】【4 4 1 的创造下，应用统计回归分析原型观测资料，并将分析 河海大学硕士学位论文 成果加以物理成因解释。2 0 世纪8 0 年代中期，吴中如等【4 5 】【4 6 1 对影响混凝土坝体 变形的因子作了深入研究，导出了时效位移的表达式，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；提出了坝体水平位移的时间序列分析 法以及建立连拱坝位移确定性模型的原理和方法。自上世纪8 0 年代末，蓝悦明 等【4 7 h 5 2 】逐渐将灰色系统理论( g r e ys y s t e m ) 、模糊数学、神经网络等引入大坝 安全监控领域，建立位移预报模型分析评价大坝的安全性。 近几年来，变形资料分析已从对单测点变形分析向整个监测系统变形分析发 展。吴中如、顾冲时等【5 3 】 州通过引入空间三维坐标，提出了混凝土坝空间位移 场的时空分布模型，将单测点模型拓宽至空间三维：黄铭、李珍照等瞪5 i t 铂1 提出 了重力坝变形二维分布模型，且把单测点确定性模型扩展为空间多测点确定性模 型。鉴于施工期坝基开挖卸载的时间效应以及加载过程中基岩和坝体压缩变形的 时间效应，对坝体位移和应力有显著影响、且监测系统不到位的情况，沈振中1 5 。” 用基岩和大坝的粘弹性模型，分析坝体和基岩施工期的变形，建立了一种特殊的 施工期变形监控模型。 碾压混凝土坝变形监控模型研究方面，目前大多仍主要采用常规混凝土坝的 分析方法，即不考虑碾压混凝土坝层层碾压的施工特点，用常规统计模型、混合 模型和确定性模型分析大坝变形性态。由于没有考虑碾压混凝土坝的特点，对利 用模型分析碾压混凝土坝变形性态，尤其层面性态带来困难，为此，吴中如、顾 冲时、吴相豪等5 8 】利用薄层单元模拟层面影响，通过粘弹塑性有限元分析计算位 移水压分量、温度分量和时效分量，建立碾压混凝土坝蓄水期坝体测点变形的确 定性模型；同时，假定层面渗流为裂隙渗流，利用结构分析和裂隙渗流立方定律 进行渗流场和应力场的耦合粘弹性和弹塑性分析，建立了碾压混凝土坝运行期位 移时空分布的确定性模型。但由于参数、边界条件以及结构和渗流分析的复杂性， 在实际的安全监控模型建立方面仍有许多问题需要进一步研究。 1 2 3 层面性态分析 碾压混凝土坝在成型条件、配合比的组分比例、高掺量混合材料的应用以及 凝聚结构等方面，都与常态混凝坝有明显差别。其中与常态混凝土坝最大的不 同是碾压混凝土坝存在层间结合问题，层面性态直接影响大规的运行和安全。 一 一 墨二差堕笙 对层面性态的研究，目前主要通过室内试验【5 9 i 【6 2 1 进行研究，且主要集中在 层面对碾压混凝土抗剪断特性、强度特性、渗流特性及变形性能的影响分析上。 试验结果表明，碾压混凝土物理力学性能受胶凝材料( c + f ) 用量、两层之间的 间歇时间、层面处理方式等的影响，且在很大程度取决于振动压实的密实度。 变形、渗流等实测资料是大坝性态的综合反映，利用实测资料可以分析碾压 混凝土坝及其层面的性态，基于实测资料的层面性态分析一般可采用两种分析方 法，一种是数值计算反演方法，即通过结构或渗流有限元计算层面参数，进而分 析碾压混凝土坝层面性态。吴中如、顾冲时等【5 8 j 针对碾压混凝土坝的渗流特点， 利用可变容差法对大坝的渗透系数进行了反演分析，进而确定碾压层面参数；顾 冲时、郑东健等【9 s 】应用复合材料方法，通过反演层面影响带厚度，分析层面 性态。但由于数值计算及相关参数模拟的困难，使数值计算反演方法受到一定限 制。另一种是综合分析方法，即综合数值计算及层面性态变化的外部现象表征， 分析层面性态，这方面分析目前尚未有文献报道。 1 3 问题的提出 综上所述，广大学者和工程技术人员对碾压混凝土坝渗流分析模型，变形监 控模型等方面的研究作了很多工作，并且取得了许多成果。但是由于问题的复杂 性和重要性，还有许多问题有待进一步研究。 ( 1 ) 碾压混凝土坝的渗流分析，目前主要是通过等效连续介质模型、离散 裂隙网格模型和双重介质模型等进行数值模拟计算，由于数值分析的局限性，难 以实现对大坝安全的及时监控，因此有必要建立基于实测资料的碾压混凝土坝安 全监控模型。针对碾压混凝土坝的特点建立基于实测资料并反映层面性态的渗流 监控模型研究不多，因此在常规分析模型基础上结合碾压混凝土坝特点，研究各 影响因素的因子模式，建立具有碾压混凝土坝特点的渗流监控模型具有实际工程 意义。 ( 2 ) 由于碾压混凝土坝层层碾压的旋工特点，使其变形特性与常规混凝土 坝也有所区别，通过模拟碾压混凝土坝结构特性来反映其变形性态的研究常常集 中在计算模型的层面模拟上，而层面参数和边界条件确定困难，且工作量较大， 实际上碾压混凝土坝具有横观各向同性的特点，通过分析研究层面和浇筑层的综 合等效参数，可以建立反映层面性态的变形资料分析监控模型。 弼海大学硕士学位论文 ( 3 ) 碾压混凝土坝层面性态一般主要通过试验和数值计算进行分析评价， 实际上，碾压混凝土大坝实测资料是大坝性态的综合反映，监测资料中蕴含着大 坝层面性态的各种信息，因此可利用实测资料综合分析评判大坝的层面性态。 1 4 本文主要研究内容 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 ) 和教育部博士点基 金( 2 0 0 2 0 2 9 4 0 0 5 ) ，针对碾压混凝土坝的层面性态特点，在渗流和变形安全监控 模型优化以及层面性态综合评价等方面展开深入研究，具体内容可分为以下五个 方面： ( 1 ) 利用气温、水温及温度计实测资料，建立了坝体温度场的时空分布模 型，并通过模型分析温度场的异常区域，由此捕捉坝体渗流场的异常变化。在上 述分析的基础上，提出渗流监控模型的温度因子影响模式。 ( 2 ) 通过分析碾压混凝土坝的渗流特性，应用单裂隙渗流理论，研究考虑 碾压混凝土坝层面影响的坝体渗流量监控模型，并利用偏最小二乘和遗传模拟退 火算法对监控模型参数进行优化。 ( 3 ) 针对碾压混凝土坝具有横观各向同性的特点和坝体双向异弹模的特性， 研究了水压分量的因子模式，建立了碾压混凝土坝的变形混合模型；同时对温度 分量因子进行了优化，并利用计算结果对层面弹性参数进行了分析。 ( 4 ) 在深入分析碾压混凝士坝层面性态评价因素的基础上，应用上述模型 分析成果，并结合实测资料，构建碾压混凝土坝层面性态综合评价因素集，提出 了多层次模糊综合评判方法。 ( 5 ) 通过坝体温度场分析了水东碾压混凝土大坝坝体渗流场异常区域，建 立了渗流和变形安全监控模型，且与常规混凝土坝的变形混合模型计算结果进行 比较，并对水东碾压混凝土坝层面性态进行了模糊综合评判。 本文的主要研究内容框图如图1 1 。 第一章绪论 图1 1 本文的主要研究内容 7 河海大学硕士学位论文 第二章碾压混凝土坝渗流监控模型研究 2 1 概述 由于碾压混凝土坝是分层碾压而成，而浇筑层通常只有几十厘米，这就使得 碾压混凝土坝存在大量的水平施工层面。这种水平层面的存在将使坝体的水平向 渗透能力增加，其渗流特性不同于一般混凝土坝，主要渗流特性表现为：坝体在 宏观上呈极强的渗透各向异性，坝体水平向的水力阻力很小，水平向的渗透能力 较垂直向的约大几个数量级，由于这种强渗透各向异性的存在，碾压混凝土坝的 渗流特性要较常态混凝土坝的情况复杂得多删 6 5 】。因此分析评价碾压混凝土坝 渗流性态，建立的渗流监控模型应能反映碾压混凝土坝层层碾压而成的特点。由 于碾压混凝土坝浇筑层和层面的渗流特性不同，其中碾压混凝土坝的层面渗流特 性与岩体的裂隙渗流相似，可以采用岩体裂隙渗流的分析方法进行研究。以渗流 量分析为切入点，在深入分析水压、温度和时效等【4 2 l 对碾压混凝土坝浇筑层渗流 量和层面等效裂隙宽度影响效应的基础上，研究反映层面性态的碾压混凝土坝渗 流安全监控模型：同时考虑到坝体渗流场的变化将引起坝体温度场的变化，且通 常坝体典型坝段布置有较多温度计，因此通过对坝体实测温度场的分析，建立时 空分布模型，不但可以获得坝体温度分布，而且还可以根据坝体温度的变化分析 坝体渗流场性态；并应用偏最小二乘法和遗传模拟退火算法对渗流监控模型参数 进行优化。 2 2 基于坝体温度场的坝体渗流性态分析 由于碾压混凝土坝的特点，碾压混凝土坝的渗流性态是大坝性态评价的关 键，雨大坝渗流场的变化会改变坝体的温度场，因此，通过坝体温度场的分析可 以获得渗流场性态的信息。为此根据坝体温度计实测资料和边界温度条件，建立 坝体温度场时空分布模型，以分析坝体温度场变化捕捉渗流场的异常区域。 2 2 1 坝体温度场的主要影响因子 运行期大坝坝体温度主要取决于上、下游面边界温度的变化( 即水温和气温) 以及混凝土的热力学特性参数等，同时在大坝运行初期坝体温度还受水泥水化热 一蔓三蔓堡堡! ! 竖圭望鎏堕堕墼堡型翌壅 的作用，但其影响将逐年衰减。因此坝体温度主要受气温l 、水温l 和水泥水 化热瓦影响，其在时间和空间上的分布可以用函数丁= 厂( t y z ，瓦，瓦，瓦，) 近似 表示，其中x ，y 和z 是空间点的坐标，为时间变量。但坝体温度场分布异常 复杂难以用统一的确定函数表示，考虑到坝体温度场分布一般是连续可导的函 数，而任何连续可导函数都可以用多项式逼近，因此可用多项式作为趋势面以反 映坝体温度场连续变化的时空分布趋势，即坝体温度场可表示为： 丁( 一y ，z ，r ) = 厶 工，y ，z ，巧( f ) + 马y ，z ，巧( ，) + x ，y ，= ，瓦( ，) ( 2 一1 ) 式中：厶 t y ，z ，己( ，) 、工 工，弘z ，( f ) 、 tj ，z ，瓦( 伽一分别为坝体内任 意点温度的水温、气温、水泥水化热分量； z ，”z 一坝体内测点的空间坐标。 下面以典型断面为例，探讨如何构建坝体温度场的二维时空分布模型中的各 分量，三维温度场时空分布模型的推导与二维类似，此处不在赘述。 ( 1 ) 水温分量 有水温实测资料 当有水温实测资料时，可以直接应用实测水温资料建立坝体温度场的水温分 量，即： z 。 x ，乏7 _ ( f ) = 一z 7 1 m ( 2 2 ) n in ”j ，= 0 ，= o = 0 式中：7 1 计一观测日和前期水温平均值： 口。一回归系数。 无水温实捌资料 实测资料表明库水温度呈年周期变化且滞后于气温变化，水库表面水温变幅 最大，随水深增加变幅逐渐减小，水深7 0 m 以下的温度基本稳定，而由于日照 影响，表面水温略高于气温。对于任意深度的水温变化可用下式表示： 丁( z ，f ) = 乇( z ) + a ( z ) c o s c o ( t t o 一) 瓦( z ) = c + ( 6 一c ) e 一 4 ( 2 ) = 4 e 一肛 ( 2 3 ) s s d f e 。： c = ( 乃一b e 一。“) 1 0 e o “) 河海大学坝士学位论文 式中：t ( z ，n 一任意深度z ，目的水温 乙( z ) 一任意深度的年平均水温： a ( z ) 一任意深度z 的水温变幅 s 一水温相位差； 瓦一库底水温； b 库表水温： 一水库深度： 。一气温最高时间； 彩一温度变化频率，= 堡，p 为温度变化周期( 1 2 个月) ； p ，卢，7 ，d ，厂一工程设计中各项参数。 库表水温略高于气温可以用d 巧( 口1 ) 表示，库底水温与水库水深有关，一 般变化不大，当水深较大时可当作恒值由实测值得到，因此当已知库区多年平均 气温资料及库水位就可计算出垂向水温分布，则坝体温度场的水温度分量为： n 1 月2n 3 f 。 hi x ，z ，毛( ，) = z 。亍“t ( 2 4 ) i = oj = uk = o 式中：丁n 一当日和前期水温平均值； 一回归系数。 ( 2 ) 气温分量 气温是影响坝体混凝土温度的主要因素，同时有定的滞后作用，因此坝体 混凝土温度的气温分量可表示为： 月1 月2 月4 矗z ，t ( f ) = 吆一z 亍耻 ( 2 5 ) 式中：元一观测日和前期气温平均值 k 一回归系数a ( 3 ) 水泥水化热分量 水泥水化热作用对坝体温度的影响逐年衰减，可用衰减函数拟合，即 ”ln 2 厶 z ，7 ；( ，) = c ，x 一e “ ( 2 6 ) 第_ 二章碾压混凝土坝渗流监控模型研究 式中：，一衰减系数，与导温系数有关； f 一为时间：气一回归系数。 2 2 2 坝体温度场的时空分布模型 综上所述，坝体温度场的时空分布模型为： r ( 五乙r ) = 厶b z ，瓦( r ) + l z ，巧( r ) + 五b 互五( f ) ：n l n 2 n 3 一瓦+ n n 2 n 4 z t 一矗+ n l n 2 白一( 2 - - 7 ) f 0 k = ot - - 5 j - - ok = o# o ，卸 式中各符号意义同式( 2 4 ) 式( 2 6 ) 。 上述表达式中的各项系数可以根据横断面温度计的观测时间、位置( x ，z ) 和实测值，用最小二乘法进行估计，即以模型计算值与实测数据偏差的平方和 ” q = ( 确一女f ) 2 最小为目标函数进行求解。 ，= l 根据极值条件 o 琢a q = 乏喜姜善鼢旷铂= 。 ( 2 川， 磐：一2 窆芝芝x 。z ，瓦，( “，一也) = o 。v，= i 0 = 0 即可解出参数啄、b 叶和白。根据上述分析原理编制了相应的求解程序，其 流程见图2 i 。 ) ” 枞一rx n 脚 。 之 丝 河海大学硕l 学位论文 甲怎 输入坝体边界温度及温 度计实铡温度 建立各影响分量因子 最小二乘法参数估计 图2 1 坝体温度场时空分布模型分析流程图 求得温度场的函数r ( x ，乙t 1 表达式后，就可得到横断面上任意一点在任意时 刻的温度值。 2 2 3 基于温度场的渗流场性态分析 若温度计实测值z 与其平均值于之差的平方和为o ，相应模型拟合值为霉， 拟合平均值为于，它们差的平方和为u ，则总方差为盯= u + q ，模型拟合的好 坏，可以用r z ：u - - - x 1 0 0 ：1 1 一垒1 1 0 0 来说明。模型的剩余标准差 盯 盯 s = j i 黑j ，其中k 为模型项数减去1 o 则当于- 2 s 0 9 9 时，算法终止。 具体的实现过程见程序流程图2 3 。程序用c 语言编写。 图2 , 3遗传模拟退火算法程序框图 2 6 小结 本章对碾压混凝土坝坝体的温度场和坝体渗流量监控模型及其相关影响因 素进行了研究，主要研究内容如下： ( 1 ) 在深入分析坝体温度场影响因素的基础上，推导了坝体温度场与水温、 气温和水泥水化热之间的关系，建立了的坝体温度场的时空分布模型。通过对坝 体湿度场的分析获得了渗流场性态变化的信息，并为建立碾压混凝土坝体渗流量 模型中的温度因子选择奠定了基础。 ( 2 ) 碾压混凝土坝坝体坝体渗流量不仅与碾压混凝土坝浇筑层渗流量有关， 而儿与坝体层面的渗流量有关，利用坝体渗流量等效原理和单裂隙渗流理论，建 第一二章碾压混凝土坝溶流监控模型研究 立了考虑坝体层面渗流特性的坝体渗流量监控模型。 ( 3 ) 利用偏最小二乘法和遗传模拟退火算法对坝体渗流量监控模型参数进 行了优化分析。 河海大学硕士学位论文 第三章碾压混凝土坝变形监控模型研究 3 1 概述 碾压混凝土坝由薄层浇筑碾压而成，存在众多的水平施工层面，因此其变形 性态与常规混凝土坝有所差异。目前对碾压混凝土坝这种结构上比较特殊的坝还 没有针对性的监控模型，常采用常规混凝土坝的统计模型、确定性模型和混合模 型分析碾压混凝土坝变形性态，由于模型没有反映碾压混凝土坝层层碾压而成的 特点，给用模型分析碾压混凝土坝的变形性态，尤其是层面性态的影响造成困难。 基于上述认识，本章主要研究以下几方面的内容：( 1 ) 对常规混凝土坝混合 模型中水压分量计算时只考虑坝体各向同性的弹模e 进行修正，以考虑碾压混 凝土坝层层碾压的特点，并用横观各向同性等效横向弹模e 和竖向弹模e 模拟 其影响。( 2 ) 对温度分量因子进行了改进，改进后的温度分量既保留谐波因子的 优越性又考虑了气温突变的影响。( 3 ) 由混合模型的计算结果对层面影响带的弹 性参数进行了估算。 3 2 常规混凝土坝变形混合模型 3 2 1 常规混凝土坝变形影响因子的确定 大坝任一点的位移及其分量按成因主要可分为：水压分量厶( f ) 、温度分量 石( f ) 和时效分量石( r ) ，即 j = 厶( t ) + 办( t ) + f o ( f ) ( 3 1 ) 混合模型的特点是：结合大坝和地基的实际工作性态，用有限元方法计算水 压荷载作用下的大坝和地基的效应场( 如位移场，应力场或渗流场) ，然后与实 测值进行优化拟合，以求得调整参数( 因为大坝和坝基的平均物理力学参数或渗 流参数以及边界条件等取值不确切) ，其他分量仍用统计模式，从而建立混合模 型。因此，建立混合模型的核心是用有限元计算水压荷载作用下的效应量，并研 究计算效应量与实测值的拟合问题，其中结构分析的有限元法参见文献7 3 1 硎， 下面主要说明三个分量表达式的构建原理。 第三章碾压混凝土坝变形监控模型研究 3 2 1 1 水压分量 根据坝体混凝士和基岩的力学参数已知情况，该分量有三种处理方式： ( 1 ) 已知坝体与基岩的真实平均弹性模量疋，耳，毛 用有限元法计算不同水位以( 作用在坝体和库区基岩上) 作用下，大坝任 点的位移，即e ( s - s 一坝基高程) 一霸，然后用多项式拟合 厶( r ) = a , h 。 ( 3 2 ) 求得a t 。一般重力坝用三次式( m l = 3 ) ，拱坝和连拱坝用四次式( m = 4 ) 。 ( 2 ) 已知坝体与坝基的弹性模量之比( r = 巨e ) t 坝基弹性模量耳与库区 基岩弹性模量毛相同 假设坝体混凝土的平均弹性模量为e 。，用有限元计算e 一晶，然后用多 项式拟合。由于露是假设置。用有限元求得，芝。与实际t 有差异，从而需要一 个调整参数进行调整，即 厶( f ) = x 2 a , h 。 ( 3 3 ) f _ 0 ( 3 ) 当丑= e , e 未知，库区基岩的真实平均弹性模量e h 也未知 当巨，e r ，岛未知时，坝体变形以及坝基和库区基岩变形引起的坝体位移要单 独计算，并分别给于调整参数，即 m lm im l 厶( f ) = x a , h + f ( 。一a l i p + z q 。 ( 3 4 ) i = 0f = 0l = o m 式中：工a , h 一坝体变形： y ( q ，一d 。) s - 1 一坝基变形； j = 0 i z 口。h 一库区基岩变形； j = o x ，y ，z 一调整参数。 河海大学硕上学位论文 3 2 1 2 温度分量 温度分量是坝体混凝土和基岩温度变化引起的位移，当无坝体温度实测资料 时，坝体温度可以用周期函数模拟，因温度位移与混凝土温度呈线性关系，因此 可采用周期项作为温度因子，即温度位移分量采用统计模型中温度分量表达式： 肿，= 孙 s i t l 罢“n 等) 地( c o s 罢一s 等 ( 3 - - 5 ) 式中：b l ，、6 2 ，一温度因子回归系数；i = 1 ，2 表示年周期、半年周期，般州：取 1 或2 ； ，观测日至始测目的累计天数： “一建模资料系列的第一个观测曰至始测日的累计天数。 当坝体布鬣有混凝土温度计时，可用温度计的测值作为因子，也可用等效温 度作为因子，则温度分量的表达式为： 厶( f ) = t 一( f ) ( 3 6 ) 或 办( f ) ：兰6 l ，于，( ，) + r a 2 6 2 ，层( r ) ，= i忙i 式中：t r p ) ，届( 0 一第f 层温度计的等效温度和梯度变化值 m 2 一温度计个数； f 一观测日起始观测曰的累计天数； 6 j 、b j ，、b 2 。一温度因子回归系数。 3 2 1 - 3 时效分量 大坝产生时效位移变形的原因极为复杂，它综合反映坝体混凝土和基岩的徐 变、塑性变形以及基岩地质构造的压缩变形，同时还包括坝体裂缝引起的不可逆 位移以及自身体积变形。时效位移分量的大小和变化规律，综合反映了坝体和坝 基的不可逆变形，是评价大坝变形性态的主要依据。参考统计模型分析，时效分 量的表达式为： 兀( r ) = c ，( 0 - o o ) + c ：( i n o - l n o o ) ( 3 7 ) 第三章 碾压混凝坝变形监控模型研究 式中：c 、c 2 一时效因子回归系数： 口一观测日至始测曰的累计天数除以1 0 0 ； 岛建模资料系列第一个观测日到始测f 1 的累计天数t 。除以1 0 0 。 3 2 。2 常规混凝坝变形混合模型数学表达式 ( 1 ) 无混凝土温度计，只有气温和水温资料时： 艿= 厶( r ) + 石( f ) + 兀( ，) = x q ( h 一线) + 疵i 丽2 ，r f l 蛐2 ，7 r 。i ，t 。i 也( 啷2 z r f l 吣2 ，- 。, ，, o 1 j 7 。8 + c l ( o - o o ) + c 2 ( 1 n o - l n o o ) + a o ( 2 ) 坝体布置有温度计，即有温度实测资料并用等效温度表示温度因子时 占= 厶( f ) + 石( ，) + 厶( ，) = z 芝q ( 日一联) + 艺岛。亍，( f ) + 岛，届( f ) ( 3 9 ) + c l ( o - 岛) + c 2 ( 1 n 口一l n o o ) + a o 式中：矾一常数项，其余各符号意义与前面所述意义相同。 3 3 碾压混凝土坝变形混合模型 3 3 1 碾压混凝土坝变形混合模型影响因子的确定 考虑碾压混凝土坝层层碾压的特点，并用横观各向同性等效横向弹模巨和 竖向弹模e 模拟其影响，对水压分量计算方法进行了研究。同时对温度分量因 子进行了改进，改进后的温度分量既保留谐波因子的优越性又考虑了气温突变的 影响。以下主要介绍三个分量表达式的构建原理。 3 3 1 。1 水压分量 参考文献1 4 2 ，水压分量可以表示为 河海大学硕士学位论文 厶( f ) = n 日 j = l 式中：口一回归系数；h 一上游水头。 其中，重力坝n 取3 ；拱坝 取4 。 ( 3 一l o ) 3 3 1 2 水压位移分量的计算 ( 1 ) 横观各向同性体的本构模型和弹性矩阵 碾压混凝土在水平层面方向和竖向呈现出不同的弹性参数，这种类似层状材 料的二维正交各向异性性质，在力学特性上称为横观各向同性。根据有关成层材 料分析理论1 7 5 】f 7 6 】，r c c 块体的力学行为弹性变形阶段有5 个独立的弹性参数， 可由碾压混凝土本体的弹性参数以及层面等效的弹性参数，估算均质横观各向同 性体的弹性参数。 若取直角坐标系x y z 中的坐标 面x o y 与材料力学横观各向同性体的各向同性 面重合，z 轴垂直于层面，则5 个弹性参数为：等效横向弹模e 1 和泊桑比“， 等效竖向弹模e 2 和泊桑比4 ，以及切层的剪切模量g 2 ，且r c c 块体应力应变 关系为： 仃) = 【d 净 ( 3 1 1 ) 其中 盯 = 吒o - yo z 7 ， s ) - 。6 yt s y z 屯 ， d 】为材料的弹性矩阵： 【d 】_ 巨赫昌踹e 告。 巨怒e 撩巨等。o o e 丝 e l 丝e 21 - - 6 0 00 oo o 菇杀o o 000 0 g 2 0 000 00 g 2 ( 3 1 2 ) 式中：= e l e 2 ，m = ( 1 一“一2 h ；) ；e l , e 2 ，“，l ，g 。，5 个弹性参数的定义为 第三章碾压混凝上坝变形监控模型研究 e ：旦：旦 6 6 v e ：旦 t g ：互：量 y wy “：一生 ( 3 1 3 ) 心一毒一詈 目前根据试验可测得2 个弹性参数巨和易，但难以直接得到全部5 个弹性 参数可将碾压混凝土本体良和层间弱面影响带阮看成互层的两种介质，根据各 自的均匀各向同性参数e ，段和岛，总研究确定它们与横观各向同性介质的5 个 弹性参数的关系碾压混凝土的弹性变形薄片模型单元体如图3 t 根据弹性体的平 衡条件和变形连续条件，可以推导出5 个弹性参数e 1 ，五，：，g ：与丘，以，毛，心 之间的表达式。 图3 1 薄片模型单元体 沿着横观各向同性介质各向同性方向取出一个单元体，如图3 1 所述单元体 内有两种介质，即本体和层面，在单元体内的厚度各为眭和玩，它们各自的弹性 参数是e ，。和毛，总。 由皖= 允+ 如的条件( z 向位移) 可得： el=晓6eb+a：e：(3-14a) 类似的可得： ；lbi 书一 弼海大学硕七学位论文 疋= c l b e 坠c + z c e b g 2 = 乖g i b g c 百 口。u + 口u “= 喘赘等 鸬= 老+ 筹箍 胖= 丧= 鲁 2 扣一 = 焘瓯2 焘 3 1 4 b ) ( 3 1 4 c ) ( 3 1 4 d ) ( 3 1 4 e ) ( 3 1 4 f ) ( 3 - - 1 4 9 ) 由式( 3 - - 1 4 b ) 式( 3 - - 1 4 c ) 式( 3 - - 1 4 9 ) 可以推出g 2 = 五厂( 疋，“。，u b ，) f 的关系式，又因为 = 巨e 2 ，所以g z = 兰l 厂( t ，”。，t 2 。，) ，将其代入到( 3 n 一1 2 ) 式，并进行整理，可得： d i = 五 1 一 j ( 1 + mm o 0 1 。1 2 0 m 鱼0 m 生丛 o m n o l 一 2 ( 1 + ，) 00 00 一般刖= 川”他1 ，则 d 】_ e ，( ”，a ) 0o 00 o o o o f ( e c 8 0 0 聍 0 媾：娃) ” ( 3 1 5 ) ( 2 ) 有限元计算 水压位移分量采用三维有限元计算，假设坝体初始等效横向弹模为e l 。，对 某一具体的坝，经大量的研究表明泊松比m 变化较小，可作为常数处理，并取 。3 2 州一帅卅一帅丝。 一n、，一、=店一加 伸一柏段一州 o o o h 一 第三章碾压馄凝t 现变形龋控模型研究 孵= 争，五为等效竖向弹模，有关试验及文献阳j 【9 s 1 9 6 l 表明n 值的变化范围较小， 一般在2 0 1 0 范围内变化，根据工程实际