（市政工程专业论文）土石坝渗流监测资料分析方法的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文土石坝渗流监测资料分析方法的研究 摘要 在水利工程中，渗流广泛存在于土石坝之中。堤坝的渗流会导致渗漏、管涌、 滑坡甚至危及整个大坝的安全。目前在土石坝原位观测数据处理方面已取得了大 量的成果，但是安全监测资料整理分析中仍存在一些问题：1 、粗差问题；2 、时 间效应问题：3 、观测数据因变量相关性影响：4 、多观测点数据融合问题。本文 结合实际工程对土石坝渗流监测资料分析方法进行了探讨，主要研究内容如下： 1 引入主成分分析方法、鲁棒回归分析来处理多因变量的复相关问题和粗 差问题，减少人工干预，提高分析的可靠性。建立动态回归模型，采用移动窗口 的方法对土石坝观测数据进行分析，利用动态参数来处理大坝的时效作用。通过 工程实例分析比较，动态统计模型比静态的统计模型更接近实测数据。 2 建立土石坝的有限元或有限差分模型，利用断面多个渗流观测点数据， 反演出土石坝各个区域的渗透系数。通过广义反演，将各个观测点融合一起，比 较各个年度的渗透系数的变化关系，从而了解土石坝内部的动态特性，为大坝安 全提供依据。在渗流反演优化过程中，提出了利用对数变换，将有约束优化转化 为无约束优化，取得了良好的效果。通过对青山水库主坝的渗流反演分析，反演 结果与以前的一些基础资料和分析结果比较吻合，值得进一步推广。 3 以能够有效反演出土石坝各个区域的渗透系数，了解土石坝内部运行形 态为主要目标，兼顾考虑监测点布置的经济性和可靠性，建立渗流监测点优化布 置模型。运用聚类分析方法结合考虑经济性，选择合理的测点个数：引入广义反 演理论，通过敏度分析并运用遗传优化算法对监测点布置进行优化。以青山水库 为例，研究现有工程监测点布置的合理性。 关键词：土石坝，高抗差动态模型，渗流反分析，监测点优化布置 浙江丈学硕士学位论文土石坝渗流监测资料分析方法的研究 a b s t r a c t s e e p a g ee x i s t sw i d e l yi n e a r t h - r o c k f i l ld a m si nw a t e rc o n s e r v a n c yp r o j e c t s s e e p a g em i g h tc a u s el e a k a g e ，p i p i n ge f f e c t ，l a n d s l i d ea n de v e ne n d a n g e rt h ew h o l e d a m s of a rb yn o w g r e a ta c h i e v e m e n t sh a v eb e e n m a d ei nd e a l i n gw i t hd a t ao fi n s i t u o b s e r v a t i o n ，b u tt h e r ea r es t i l ls o m ep r o b l e m si nt h em e t h o d so fs a f e t ys u p e r v i s o r y m a t e r i a l s ：1 g r o s se r r o r ；2 t i m ee f f e c t ；3 d e p e n d e n t v a r i a b l ec o r r e l a t i o no f o b s e r v a t i o n ；4 m u l t i m e a s u r i n g - p o i n td a t af u s i o n c o m b i n e d 、析t 1 1t h el l e wm e t h o d s o fs e e p a g em o n i t o r i n gd a t aa n a l y s i si ne a r t h - r o c k f i l ld a m p r o j e c t s ，s o m er e s e a r c h e s h a v eb e e nm a d ea sf o l l o w s ： l 。i n t r o d u c et h em e t h o do f p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i sa n dr o b u s tr e g r e s s i o n a n a l y s i st o s o i v et h ep r o b l e m so fd e p e n d e n tv a r i a b l em u l t i p l ec o r r e l a t i o na n dg r o s s e r r o r , t or e d u c em a n si n t e r v e n ea n d t or a i s et h er e l i a b i l i t yo fa n a l y s i s b u i l dd y n a m i c r e g r e s s i o nm o d e l ，u s e t h em e t h o do f m o v i n gs t a t i o n st oa n a l y z e t h eo b s e r v e dd a t aa n d d e a lw i t ht h ed a m st i m ee f f e c tw i t l ld y n a m i cp a r a m e t e r s b ya n a l y z i n gr e a lp r o j e c t s i ti sd r a w nt h a td y n a m i cs t a t i s t i cm o d e li sc o m i n gn e a rr e a ld a t ab e t t e rt h a ns t a t i c n l o d e l 2 b u i l df e mo rf d t dm o d e l s ，o b t a i ni nr e v e r s et h es e e p a g ec o e f f i c i e n to f d i f f e r e n ta r e b s b yu s i n gp a r t o ft h ed a t ao fd i f f e r e n to b s e r v a t i o n s t a t i o n s b y g e n e r a l i z e di n v e r s i o n ，t a k i n ga l lt h eo b s e r v a t i o ns t a t i o n si n t oa c c o u n t ，c o m p a r i n g t h e c h a n g i n g r e l a t i o no f s e e p a g e c o e f f i c i e n to f e v e r yy e a r , d y n a m i c f e a t u r e so fi n n e rd a m s a r eo b t a i n e da n dt h u sp r o v i d i n gs c i e n t i f i cb a s i sf o rd a m ss e c u r i t y i nt h ep r o c e s so f i n v e r s i o n ，i t i s p r o p o s e d t h a tl i m i t e d a d v a n t a g e s b et r a n s f o r m e dt ol i m i t l e s s a d v a n t a g e sa n dg o o de f f e c t s h a v eb e e na c h i e v e d b ya n a l y z i n gi n v e r s i o nd a t ao f q i n g s h a nr e s e r v o i rd a m ，t h ec o n c l u s i o ni st h es a m e a st h ed a t ao b t a i n e db y p r e v i o u s b a s i cm a t 舐a la n dd a t a 3 i no r d e rt oi n v e r te f f e c t i v e l ys e e p a g ec o e f f i c i e n to f d a m s i nd i f f e r e n ta r e a sa n d k n o ws o m e t h i n ga b o u tt h ew o r k i n gm e t h o d so fi n n e rd a m sa l o n gw i t hi t se c o n o m y a n dr e l i a b i l i t y , m o d e l so fb e s ta r r a n g e m e n t so fo b s e r v a t i o ns t a t i o n sh a v eb e e nb u i l t t h en u m b e ro fo b s e r v a t i o ns t a t i o n si sc o n s i d e r e do nt h eb a s i so fd e n d r o g r a ma n a l y s i s a n de c o n o m y b yi n t r o d u c i n gg e n e r m i z e di n v e r s i o na n ds e n s i t i v i t y a n a l y s i s a n d g e n e t i ca l g o r i t h m ，o b s e r v m i o n s t a t i o n sa r et ob ea r r a n g e db e s t t a k eq i n g s h a n r e s e r v o i rf o ri n s t a n c e r e s e a r c h e sh a v eb e e nm a d et ol e 茁- w lw h e t h e rt h ea r r a n g e m e n t s a r er e a s o n a b l eo rn o t k e y w o r d s ：e a r t h - r o c k f i l ld a m s ，h i g h - r o b u s td y n a m i cm o d e l ，s e e p a g e i n v e r s i o n ， o p t i m i z a t i o na r r a n g e m e n t f o rm o n i t o r i n g p o i n t s i i 浙江大学顿士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1引言 目前我国已建水库8 6 9 0 0 多座，其中大型水库( 库容l 亿m 3 以上) 近4 0 0 座， 中型水库( 库容0 1 亿1 亿m 3 ) 约2 6 4 0 座，3 0 0 0 多座大、中型水库中有1 1 0 多 座以发电为主，由电力行业管理，其余均由水利行业管理，还有8 3 0 0 0 多座小型 水库( 其中小一型库容0 o l 亿o 1 亿m 3 约1 4 0 0 0 多座，小二型库容l o 万1 0 0 万m 3 约6 2 0 0 0 多座，其余为库容小于l o 万m 3 的小型水库) 。这些水库绝大多数是 在2 0 世纪5 0 年代、6 0 年代建造的，7 0 年代又兴建了一批中小型水库，为我国 水利水电建设奠定了基础。 水库的主要水工建筑物是挡水建筑物大坝，我国己建的大坝是以土石坝 为主，大型水库的大坝7 l 是土石坝，中型水库的大坝有9 2 是土石坝，而小 型水库的大坝几乎都是土石坝，尤以均质土坝最多。“1 由于种种原因，许多水库存在着防洪标准低、工程质量差、病险隐患多等严 重问题。目前约有2 4 的大、中型水库是( 三类) 病险水库，约有3 0 4 0 的 小型水库是( 三类) 病险水库。据1 9 9 1 年统计，我国已溃决的大坝近3 0 0 0 座，其 中1 5 0 0 多座是坝高小于l o m 的低坝，坝高3 0 5 5 m 的大坝有近1 0 0 座溃决。值 得注意的是，1 9 7 5 年特大洪水导致板桥、石漫滩两座大型水库土石坝溃决，1 9 9 3 年8 月沟后水库坝高7 1 m 的混凝土面板堆石坝溃决。1 这说明我国大坝安全状况， 特别是土石坝的安全状况令人忧患。 大坝失事事例一：板桥水库位于河南省泌阳县汝河上游，水库以防洪为主，兼有发电和 灌溉，控制流域面积7 6 8 k m 2 ，工程于1 9 5 2 年竣工。1 9 5 6 年扩建后，水库总库容4 9 2 亿m 3 。 1 9 7 5 年8 月4 8 日，因受3 号台风的影响，水库上游发生特大暴雨，三天流域平均降雨量 1 0 3 5 4 m m ，三天洪水总量7 o 亿m 3 ，暴雨前库水位超过汛限水位1 3 2 m ，6 日主溢洪道才泄 洪，后又因防止消力池冲刷，闸门并未全开。7 日2 1 时3 0 分库水位与坝顶齐平8 月8 日1 时水位超过防浪墙，已高出+ 1 7 5 m 。洪水沿主河槽全坝而过，l 时3 0 分溃坝，水位突降，2 时5 7 分出现最大溃坝流量8 6 8 0 0 m 3 s ，4 时水库泄空。溃坝时洪水夺汝河东下，沿汝河两岸 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 宽l o k m ，长5 0 k m 的农村遭受毁灭性灾害，将大坝下游平原地带的村庄、农田和各种设施冲 得荡然无存，受灾人口1 1 9 0 万，死亡人数2 6 万，淹没农田1 7 0 0 万亩，京广铁路中断5 0 多天，洪水过后虫鸟绝迹，寂静无声，惨象震惊世界。“。 大坝失事事例二：沟后水库位于青海省海南藏族自治州共和县境内，总库容3 3 0 万m 3 ， 坝高7 1 m ，为钢筋混凝土面板砾石坝，于1 9 8 9 年1 0 月5 日一f 闸蓄水。1 9 9 3 年8 月2 7 日晚1 1 时发生溃堤事故，造成2 8 8 人死亡。经调查，当时库区只降雨4 6 m m ，垮坝时蓄水水位比坝 顶还低3 7 5 m ，坝基无渗漏，两岸也无绕坝渗漏，是坝体旅工质量及设计不周问题：大坝建 成后，大坝钢筋混凝土面板漏水，有贯穿性蜂窝，而坝体无排水设施，所以水库蓄水位比坝 顶还低3 7 5 m 时，便导致垮坝。”。 从两例大坝失事事例可以看出，大坝的安全，不仅直接影响到水电站自身效 益的发挥，更与下游人民的生命财产、国民经济建设命脉乃至生态环境密切相关， 在国计民生中占有特别重要的位置。一旦大坝溃决事故发生，造成的灾难将是不 可想象的。 土石坝的原形观测是保证、预防工程安全的重要手段。土石坝工程的安全监 测贯穿工程的设计、施工、运行整个过程，根据实际工程进展分为三个阶段，即 前期策略、施工期监测及工程运行中的原形观察。目前按监测工作开展过程可归 纳以下几个步骤： 首先是监测方案设计与监测仪器选定。根据工程所处地质、工程规模、工程 特点及功能等因素，确定监测系统的总体布置方案，制订仪器设备清单、提出施 工详图及埋设技术要求，规定各监测次数及频率，提交监测工程概算。在此阶段 应考虑监测项目布置的合理性和监测数据的可利用性和可靠性，以保证监测到大 坝的实际状态，获得可供分析的数据，同时还要考虑监测工作的经济性。 然后是监测仪器的埋设安装。此阶段主要是做好仪器检验、率定、埋设、安 装、调试和维护工作，要保证埋设安装到位，确保安装成功率。观测阶段通常按 照工程进展分为施工期和运行期监测，该阶段的主要工作是获取实测资料，其历 时视工程建设、运行情况可长达数十年之久。 最后一个步骤是资料分析与反馈，监测的目的是要掌握大坝的状态，及时发 现存在的问题，并将有用的信息加以反馈。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 监测资料分析的目的和意义 大坝原型监测是掌握坝的运行状态，保证大坝安全运行的重要措施，也是检 验设计成果，监察施工质量和认识坝的各种物理量变化规律的有效手段。通过监 测所取得的大量数据，为了解大坝状态提供了基础。但是，原始的监测成果往往 只展示了事物的直观表象。要深刻地揭示规律和作出判断，从繁多的监测资料中 找出关键问题，还必须对监测数据进行分辨、解析、提炼和概括，这就是监测资 料分析工作。它可以从原始数据中提取出蕴藏的信息，为大坝的建设和管理提供 有价值的资料。 对于监测分析的意义，还可以从以下几点来理解。首先，原始监测数据本身， 既隐含着大坝实际状态的信息，又带有监测误差及外界偶然因素随机作用所造成 的干扰。必须经过辨析识别干扰，才能显示出真实的信息。其次，影响大坝状态 的多种内外因素及各个因素的影响程度，也必须对测值作分解和剖析。再者，只 有将多种监测量的多个测点、多次测值放在一起综合考察，相互补充、印证，才 能了解测值在空间分布上和时间发展上的联系，找出变动特殊的部位和薄弱环 节，了解变化过程和发展趋势。此外，为了对大坝测值作出物理解释，为了预测 未来测值出现范围及可能的数值等，也都离不开分析工作。因此，监测资料分析 是实现原型监测根本目的的一个重要环节。 通过监测分析，可以掌握坝的运行状态，为安全运行提供依据。一般来说， 坝在平时的变化是缓慢和微小的，然而变化一旦里明显异常，往往已对安全生产 严重威胁，甚至迅速发展到不可挽救的地步。对大坝平时监测资料进行细致的分 析，可以认识坝的各种变化和有关因素的关系，了解坝的各个物理量变动范围和 正常变化规律。在遇到测值异常或者出现不利发展趋势时，就能及时发现问题作 出判断，从而采取措施防止坝从量变发展到质变破坏，而在遇到大洪水、地震等 特殊情况时，通过对监测数值的分析，如果证实坝的变化仍在正常范围之内，就 可得出大坝处于安全状态的结论，做到心中有数，从容调度。 在我国大坝管理中，通过监测分析有效地监控了大坝安全的成功事例是不少 的。松花江上的丰满重力坝系解放前修建，工程质量极其低劣，解放初期的渗漏、 变形都很大。根据实测资料推算，在遇到百年一遇洪水时，坝有失去稳定的危险， 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 于是进行了大量的加固修理，使扬压力、渗流量和位移值明显减少，有效地提高 了坝的稳定性，保障了安全运用。近年来，通过坝的垂直位移监测，又发现丰满 坝顶有逐年抬高现象，2 0 余年间各坝段抬高约1 0 3 0 m m 。经过较深入的监测分 析和调查、试验后，终于查清这种抬高是由坝上部劣质混凝上中多条水平含水裂 缝结冰冻胀引起的。监测分析找出了坝顶垂直位移的变化规律和发展趋势，指出 了可能后果及采取加固措施的必要性。“。1 大坝的反馈分析研究同样也有着重大的实用意义和科学价值。由于大坝及岩 基工作条件复杂，荷载、计算参数、边界条件、计算方法等还难以精确模拟，使 目前水工设计还难以做到完全与工程实际相吻合，有时会有较大差别。因此，利 用原型监测资料反分析大坝及岩基实际运行状况，一方面可评价大坝和岩基的实 际安全度；另一方面对在建的坝，依据施工实测资料，及时进行反分析，并对施 工、设计方案提出反馈建议，从而达到优化设计施工的目标。例如：佛子岭连拱 坝，利用1 9 8 4 年以前的变形资料，反演了坝体及坝基的实际物理力学参数，进 而进行结构计算及数学模型的反分析，拟定了关键坝垛1 3 号垛的坝顶水平位移 的监控指标为5 2 9 m m ，并提出低温高水位控制水位为1 2 2 m ；1 9 9 3 年1 1 月下旬， 佛予岭大坝库水位上升至1 2 5 6 m ，又遇强寒流影响，1 3 号坝垛坝顶水平位移达 5 8 1 m m ，超过了监控指标，其他坝垛坝顶位移超过历史最大值2 0 5 4 ；坝基 沉降也超过历史最大值：运行单位及时上报了原电力工业部。立即降低库水位至 1 2 2 m 运行，避免了不利运行工况对坝体结构的危害和可能导致的运行事故。1 又如龙羊峡大坝，于1 9 8 6 年1 0 月下闸蓄水，在1 9 8 9 年龙羊峡上游遭遇大 洪水，入库水量3 2 4 g m 。，由于大坝尚未竣工，当时面临库水位能否从2 5 4 5 m 上 升到2 5 7 5 m 的决策问题；通过1 9 8 9 年以前的原型监测资料分析和反分析，提出 了控制坝段( 9 号坝段) 的径向位移为1 6 9 9 m m ，左岸坝肩上游的g 。石英脉拉裂深 度控制在5 0 m ；根据库水位上升过程的实测资料，9 号坝段径向位移和g 。开裂深 度等均不超过提出的控制值( 9 号坝段在2 5 7 5 0 4 m 水位时，实测值为1 6 2 8 m m ) ， 并结合下游虎丘山岩体边坡的稳定分析，提出库水位可以上升到2 5 7 5 m ；与此同 时，在大坝完成建设后，对1 9 9 5 年1 2 月前的资料进行系统深入的正反分析，包 括对大坝、坝基及库盘的物理力学参数的反演分析，在此基础上进行了深入的反 馈分析，分析表明龙羊峡大坝在正常水位( 2 6 0 0 m ) 时，其强度和稳定是能保证的， 4 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 这为尽快发挥工程效益提供了理论依据。” 某些坝失事的教训，从反面说明了监测分析的重要性，法国马尔巴塞 ( m a l p a s s e t ) 拱坝的失事，就是一个著名的例子。该坝高6 6 5 m ，建成于1 9 5 4 年。 1 9 5 9 年1 2 月2 目晚突然垮坝失事。洪水呈一水墙扑向下游，使4 0 0 余人丧生， 虽然大坝失事的原因是地基失稳，但监测不得力和分析不及时也是一个教训，早 在1 9 5 9 年7 月，坝中央区域底部的位移普遍增大了约l o m m ，已反映出不正常情 况，却未引起重视。坝底部也没有设置测压管来监视渗透情况，否则是可以提前 发现基岩中孔隙水压力的危险增大的。“” 对监测信息的分析和利用，在发展坝工技术上也具有重要意义。目前坝工设 计中，对大坝未来状况的分析判断，还不能做到和工程实际完全吻合，有时还会 有较大出入。由于实际情况的复杂多变和人们认识的局限性，作用于坝上的若干 荷载还不能准确算出，坝身及基础各部分的物理力学参数更难以精确给定，坝工 设计理论也不够成熟完善，对结构破坏机理、安全界限等的认识都不够清楚和准 确。一些设计前提带有某种程度的假定性，若干复杂因素只能简化地加以考虑。 因此只有通过监测资料分析，才能检验设计是否正确，判断大坝设计情况和实际 情况差别的大小，从而改变或者加深人们对有关问题的认识，改善设计和施工。 历史上通过监测资料分析研究来推动坝工技术发展的实例也是屡见不鲜。“” 早期建坝时对混凝土坝底部的渗透情况缺乏了解，很多坝没有考虑扬压力。美国 圣弗兰西斯( s t f r a n c i s ) 坝于1 9 2 8 年的失事，就可能与设计中未考虑扬压力有 关。因为该坝坝基没有设置任何防渗排水设施。一些坝的失事和对扬压力的实际 监测，才使人们认识到这一重要荷载的存在。嗣后大量的实测资料，使人们对扬 压力的分布数值、作用有效面积及控制措施等，逐渐有了认识。现在扬压力的计 算及防渗处理，已成为混凝土坝设计中一个必不可少的部分。 美国本世纪初用拱冠梁法设计了几座中高拱坝。为了确定这种方法的可靠 性，于1 9 2 7 年建造了高3 6 m 的斯蒂文生一克锐克( s t e v e n s o nc r e e k ) 拱坝，埋设 了1 4 0 支电测仪器进行实测。所取得的许多数据，对建立和发展试载法起了很大 作用。美国垦务局在1 9 6 7 和1 9 7 2 年还先后对两座拱坝开展了大规模监测研究， 为进一步验证拱坝应力分布和计算方法，提供了许多宝贵数据。 人们对坝体抗震问题的认识，也是随着实测震动反应资料的分析而加深的。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 广东新丰江水库发生诱发地震后，国家组织了对震情和大坝状态的长期大量监 测，积累了宝贵的资料，取得了水库地震及混凝土坝抗震方面的重要科研成果， 有的已反映到我国水工建筑物抗震设计规范中。 对龚咀、新安江等坝的实测资料分析表明，设有竖向纵缝的混凝土坝，虽然 按常规进行了冷却和灌浆处理，但在运行期季节性温度变化影响下，纵缝的局部 张开仍是不可避免的。由此认识到传统的按整体断面核算坝体应力的方法值得改 进，灌浆工序也宜作适当改变。通过对刘家峡重力坝实测位移的分析及与二元理 论位移值对比后发现，设有键槽但灌浆不完全的横缝在坝承受高水位水压时，可 通过水平方向的荷载传递作用，减轻坝段的悬臂作用。这种由于横缝传力所引起 的调整，对坝的工作是有利的。 由上述实例表明：坝的监测成果蕴藏了丰富宝贵的信息，依据实测资料对大 坝及岩基进行正反分析，可对大坝和岩基的工作性态作出科学评价，从而一方面 对病险坝的处理提供科学依据，另一方面使大坝在确保工程安全的前提下，充分 发挥工程的效益。与此同时，可以检验设计施工，进一步提高坝工设计的理论和 方法。监测分析工作不断向广度和深度进军，无疑是坝工技术发展中一项长期的 重要的任务。 1 3 监测资料分析的内容 对监测分析的基本要求是应正确、深入地认识大坝工作状态和测值变化规 律，准确、及时地发现问题和作出安全判断，充分地利用现场监测资料，从资料 中提炼出有用的信息，有效地为安全运行和设计、施工、科研服务。 对监测资料的分析耍客观和全面，切忌主观性和片面性，力求较正确地反映 真实情况和规律。要把握测值和结构状态的内在联系，在可能带来严重后果之前 就有明确的判断。 i 3 1 监测资料的误差处理与分析“”1 在利用大坝安全监测资料进行正反分析前，首先应对原始测值资料进行误差 处理与分析，一般可将大坝安全监测数据的误差分为系统误差、随机误差和粗差 6 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 三类。在测量过程中，应当剔除粗差，消除或削弱系统误差，使监测值中仅含随 机误差。测量误差分车厅的方法一般有测值范围检验分析法、数学模型分析法及统 计检验法等。系统误差可分为定值系统误差和变值系统误差。定值系统误差只引 起随机误差在分布曲线位置上的平移，而不改变随机误差的分布规律，般只能 通过分析或试验的方法予以发现和消除。变值系统误差的发现、分离和消除方法 与变值的规律有关，常见有残差代数和法、符号检验法、序差检验法等。系统误 差一般通过数学模型结果进行判别，通常的处理方法是设法找出系统误差的函数 表达式，然后在监测结果中加以扣除。随机误差由随机因素造成，其符号和绝对 值大小无规律且不可预料，但随着测次增加，一般认为随机误差呈正态分布，具 有零均值。粗差( 过失误差) 是由某些不正常因素所造成的与事实明显不符的一种 误差，通常属于测量错误，这种误差较易发现，应予以剔除。目前。判别粗差常 用莱因达准则，即凡剩余误差( 残差) v i i 3o 的为过失误差。 1 3 2 监测资料的正分析“” 监测资料的正分析一般包括以下内容： ( 1 ) 分析效应量随时间的变化规律( 利用监测值的过程线图或数学模型) ，以 相同外因条件( 如特定库水位) 下的变化趋势和稳定性为重点，判断工程有无异常 和向不利安全方向发展的时效作用。 ( 2 ) 分析效应量在空间分布上的情况和特点( 利用监测值的各种分布图或数 学模型) ，判断工程有无异常区和不安全部位( 或层次) 。 ( 3 ) 分析效应量的主要影响因素及其定量关系和变化规律( 利用各种相关图 或数学模型) ，寻求效应量异常的主要原因；考察效应量与原因量相关关系的稳 定性：预报效应量的发展趋势并判断其是否影响工程的安全运行。 ( 4 ) 分析各效应监测量的特征值和异常值，并与相同条件下的设计值、试验 值、模型预报值，以及历年变化范围相比较。当监测效应量超出它们的技术警戒 值时，及时发出警报，对工程采取相应的安全复核措施。 1 3 3 观测资料与大坝结构性态的反分析“” 大坝及其坝基的参数反演方法有两种，即常规分析法和确定性模型法。常规 浙江大学硕士学位论文第章绪论 反演分析法的基本原理是，从安全监测资料的分析中，找出真实的水压分量，然 后假设初始参数，用结构分析法推求水压分量，最后根据变形与综合弹模成反比 来反演参数。确定性模型分析法则是首先假设初始参数，由结构有限元计算水压、 温度分量，建立水压分量与水头、温度分量与温度梯度场的关系式，然后建立确 定性模型，进行参数估计，可得水压分量调整参数，并由调整参数进行综合弹模 的反演。但确定性模型对实测资料要求较高，许多情况难以建立确定性模型，为 此可采用混合模型对部分力学参数如平均弹模等进行反演。 1 3 4 反馈分析与安全监控指标的拟定“”“”3 拟定大坝安全监控指标是反馈分析的一个重要研究课题。对应力和扬压力等 安全监控指标可直接依据现行规范或设汁单位的拟定值。但变形监控指标的拟定 比较复杂，其原因是大坝的高度、筑坝材料、地形地质以及运行方式等不同，则 不同大坝，即使是同一座大坝的各个坝段的监控指标也不同：其拟定需以实测数 据为依据，以各类设计规范为准则，由强度和稳定等作为控制条件，通过复杂的 力学分析和反分析，或者设计、运行单位根据长期运行的经验确定。位移监控指 标充分反映了大坝及岩基的结构性态，是综合分析、综合评价和监控大坝运行的 主要依据。同时，当监测量在监控指标的某一范围时，立即可以判断大坝的安全 状况，这给运行单位带来极大的方便。从变形监控指标的含义看出：拟定变形监 控指标，不仅要对监测资料进行全面分析和反分析，而且要进行应力场与位移场 通过荷载场进行复杂的耦合结构分析。因此，拟定大坝及坝基变形监控指标是坝 工界监测领域内急待解决的重要课题，尚有很多技术问题有待进一步研究。 1 3 5 大坝安全综合评判与决策 安全监测资料的正反分析和反馈分析，一般仅局限于对单项物理量的分析， 存在一定的局限性。因此，在正分析、反分析和反馈分析基础上，对大坝等水工 建筑物的安全性态进行综合评判与决策。综合评判与决策是指对各种资料进行不 同层次的分析，找出荷载集与效应集、效应集与控制集之间的非确定性和确定性 关系然后通过一定的理论和方法或凭借专家的丰富经验进行综合分析和推理，以 评判大坝等水工建筑物的工作性态。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 大坝监测分析工作研究现状 国际上大坝监测分析的学术交流，主要通过国际大坝会议( i c o l d ) 进行。 早在1 9 3 9 年于瑞典召开第一届国际大坝会议时，第一个议题中就有“重力 坝的内部温度及变形问题。但4 0 年代、5 0 年代原型监测及其分析发展不快，直 到1 9 5 8 年在美国举行的第六界国际大坝会议上，才再次出现有关议题：第2 1 号 议题( 议题编号从第一届开始累计) “坝的应力和变形监测”。这两次讨论都着重 实测成果与模型试验值相比较，原型监测还没有提高到应有的重要地位上来。 1 9 5 9 年法国马尔巴塞拱坝的失事，引起了社会上对大坝安全的巨大关注，提 高了人们对监测重要性的认识。1 9 6 3 年意大利瓦依昂( v a j o n t ) 拱坝的漫顶，更促 使人们重视监测及其分析。1 9 6 4 年在英国举行的第八届国际大坝会议上，议题 2 9 就是“各种坝型监测成果及其分析”。会议强调了原型监测与大坝安全的密切 关系，指出坝工理论尚不够科学严密，模型试验尚难完全切合实际，原型监测资 料是认识大坝情况的重要依据。此后的各届国际坝工会议，基本上都涉及到大坝 安全与监测方面的内容。 从分析方法上看，5 0 年代以前主要是对测值的定性描述和解释，1 9 5 5 年第 五次国际大坝会议上，开始出现了对拱坝位移实测值定量分析的论文。意大利的 法那林( f a n e l i ) 和葡萄牙的罗卡( 1 o c h a ) 等从1 9 5 5 年开始应用统计回归方法来定 量分析大坝的变形监测资料。1 9 7 7 年，法那林等又提出了混凝土大坝变形的确定 性模型和混合模型，将有限元理论计算值与实测数据有机地结合起来，以监控大 坝的安全状况。监测分析做得较深入的日本，在定量分析中首次引进了多元回归 分析方法。中村庆一等人所建立的位移监测值统计方程，从众多的可能有关因子 中挑选出对位移有显著影响的因子，并对方程的有效性进行统计检验，使监测分 析前进了一大步。近2 0 年来，随着计算机技术的快速发展，大坝监测资料的正 分析研究也取得了很大的进步，统计模型、确定性模型及其混合模型在生产实践 中得到了广泛的应用。此外，法国在资料分析方面，采用m d v 法，即在测值序列 中分离出水压分量和温度分量，然后对时效和残差的变化规律进行分析，进而评 判大坝的安全状况。目前，葡萄牙、法国、意大利、西班牙和奥地利等国家在大 坝安全监测以及相关的各项研究方面不同程度处于国际领先水平。“” 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 我国大坝安全监测的资料分析工作起步相对较晚，最初只以定性分析为主， 通过对实测过程线和简单统计的特征值来分析大坝的运行状况。有关水电厂在6 0 年代采用最小二乘法对新安江和丰满大坝的位移资料作过拟合。1 9 7 4 年山西省水 利勘测设计院采用回归分析方法分析恒山拱坝监测资料，是我国应用电子计算机 作监测分析计算的第一次尝试。1 9 7 5 年浙江大学及新安江电厂对新安江大坝位移 测值分析中，首次应用了逐步回归分析的方法。此后，陈久宇等开始应用统计回 归分析大坝安全监测资料，并对分析成果加以物理成因的解释，还对时效变化进 行研究，提出了时效变化的指数模型、双曲函数模型、对数模型、线性模型等。 自此，资料分析工作在纵深方面不断发展。8 0 年代中期，吴中如等从徐变理论出 发推导了坝体顶部时效位移的表达式，用周期函数模拟温度、水压等周期荷载， 井用非线性二乘法进行参数估计；还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以及连拱坝位移确定性模型的原理和方法， 并在实际工程中得到了成功应用；还通过三维有限元渗流分析，建立了渗流测点 的扬压力、绕坝渗流测孔水位的确定性模型，用于分析和评价大坝基础及岸玻的 渗流性态。n ” 8 0 年代以来，模糊数学、灰色理论、神经网络、滤波法、小波分析、混沌动 力学等各种理论和方法也纷纷被引入大坝安全监测资料分析中来，并取得了一定 的成果。我国学者邓聚龙于8 0 年代首次在国际上提出灰色系统( g s ，g r e ys y s t e m ) 理论：李珍照等于1 9 9 1 年最早将g s 理论引入到大坝安全监测资料分析领域：蓝 悦明等应用灰色理论，提出位移预报模型；杨杰在一阶单变量灰色线性预测模型 基础上，引入灰元作模型参数，建立了土石坝变形的灰色非线性模型，并对其适 用性进行了探讨。同时，模糊聚类分析、似然推理和模糊评判等模糊数学方法也 在大坝安全监测数据的分析处理和模型预测方面得到了应用，如李珍照等在1 9 9 1 年提出了用模糊数学进行资料分析的思路，并阐述了大坝监测数据模糊识别的方 法和步骤。近几年，人工神经网络在大坝监测数据处理与分析方面的应用研究已 经开始，尤其是模糊数学与神经网络方法的有机结合，为相关的研究展现了广阔 的前景。神经网络模型属于隐式模型，有自组织、自适应能力，已有的研究成果 表明，用神经网络模型对大坝变形、渗流等进行拟合，其精度优于传统的统计模 型。陈继光等采用模糊近似推论后的隶属度作为b p 网络的输出神经元，从而实 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 现位移量的预报；赵斌、杨杰等对h o p f i e l d 网络和b p 网络在大坝监测资料处理 中的应甩进行了探讨：徐平通过对大坝监测资料作吸引子分析，定量计算出建立 相应的大坝安全监控数学模型时，描述大坝运行系统动态特性所需要的最小因子数。“” 近年来，国内外学者提出了多种监控模型对大坝安全监测资料进行分析，如 张进平等于1 9 9 1 年提出大坝安全监测的位移分布数学模型；吴中如、顾冲时等 通过引入空间三维坐标，提出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；尹辉等提出一种实时引入新信息的等维新信息和等维灰数逆 补组合的动态预测方法：何金平、李珍照等提出重力坝位移二维分布模型，并把 单测点确定性模型扩展为空间多测点确定性模型。还有学者提出大坝安全监控的 位移分布模型、数字滤波模型、优化组合模型、岭回归与主成分回归模型等。此 立了一种特殊的施工期监控模型。在土石坝研究方面，郦能惠、蔡飞、沈珠江等 基于土石坝变形与孔隙水压力产生机理的分析，提出了较合理的统计分析方法。“” 浙江大学水工结构与水环境研究所汪树玉、刘国华等人也做了大量的工作： 他们用回归分析与随机时间序列技术的组合方法来处理大坝的监测数据，精度较 高；将贝叶斯统计推断理论与动态线性模型理论结合，建立大坝监测的贝叶斯动 态线性模型；用因素分析法进行监测数据的整体分析，从较多的数据中提取出含 义明确的关键因素，阐明坝体变形的特征：用多变量灰色模型m g m ( 1 ，n ) 来处 理大坝监测资料有多个相关变量并且是小样本量预测的情况；提出将混沌时间序 列分析方法与大坝监测的非线性预测相结合的思想。“” 在大坝和岩基安全监控指标反馈分析方面，应力和扬压力等可以用规范法来 拟定其监控指标。而对于变形监控指标，由于受地形、地质、坝的不同结构形态 等影响，因而拟定的难度较大，国外在这方面报道很少，葡萄牙学者m a r a r a m o s ， 提出用模型试验和数学分析( 如有限元等) 或者在设计时确定的允许值作为监控 指标，如位移和应力，根据模型和有限元分析成果，确定其变化规律，由原型监 测资料与上述成果比较，以此评价大坝的静力工作状态。“”在国内，吴中如提出 了用典型监测效应量的小概率法和极限状态反分析法，拟定坝体和坝基的位移安 全监控指标，取得了较好的效果。此外，近几年吴中如提出了基于结构分析法， 拟定大坝及坝基的位移监控指标的反分析方法，这种方法联系了大坝的级别和重 要性，因而t e 典型监测效应量小概率等方法更全面，在实践中已开始推广应用。脑删。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 5 本文主要研究内容 在水利工程中，渗流广泛存在于土石坝之中。堤坝的渗流会导致渗漏、管涌、 滑坡甚至危及整个大坝的安全。根据渗流局部冲刷破坏和滑坡整体破坏情况， c h a r l e s ( 1 9 8 5 ) 和m i d d l e b r o o k s ( 1 9 5 3 ) 分别调查了英国7 1 座和美国2 0 0 座失事土坝， 由渗流造成的失事达5 5 和3 8 ，我国1 9 8 1 年调查资料表明，由于渗流冲刷破 坏失事的土坝也高达4 0 ，与渗流密切相关的滑坡破坏也占1 5 左右。由此可见， 渗流作用在土石坝分析中的重要性。 目前在土石坝的原位观测过程观察资料的处理方面主要基于传统的统计方 法，根据观测数据进行回归分析，分析土石坝的运行状态。由于受观测数据的影 响，存在许多异常数据，在安全监测资料整理方法中仍存在一些问题：i 、粗差 问题；2 、时间效应问题：3 、观测数据因变量相关性影响；4 、多观测点数据融 合问题。在传统的统计分析过程中，往往对粗差采取人工剔除的方法，通过人工 观测，或者程序中设计某个开关进行剔除，这种剔除的方法往往具有较大的随意 性，剔除的合理性也得不到证明。同时，人工剔除的方法工作强度大，即使在程 序中设定了一些开关，仍然要根据经验来分析和调整，一定程度上需要人工干预。 在统计数据分析过程中，为了更好地分析影响大坝变化的因素，往往尽可能多的 加入因变量，这就导致了观测数据因变量相关性问题，在统计模型中可能导致方 程组奇异，求解结果不稳定，逐步回归作为一种防止数据复相关的方法，在工作 中起到了很大的作用，但也存在着些有用信息被抛弃的不足。多观测点数据不 能有效的综合分析或综合分析难度大，对人员要求高。以上都是实际工作中经常 遇到的问题，急待深入探讨解决。啪1 土石坝原形观测点的布置处于监测工作的第一个环节，它的合理性对于后续 的监测与监测资料的整理有着重要意义。目前国内外还鲜有监测点分析理论与分 析方法的研究，监测点的布置基本是根据规范和建设者、设计者的经验来布置的。 因此有必要从理论出发对大坝的各个阶段进行分析，根据分析结果选择合理的布 置方案，为大坝的安全监测打下良好的基础。 本文结合实际工程资料，以土石坝渗流为对象，对大坝监测资料分析方法进 行了探讨，主要研究内容如下： 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 ( 1 ) 以对河口水库土石坝工程进行实例研究，建立高抗差动态模型，动态跟 踪大坝渗流的发展趋势，研究如何在动态模型中利用主成分分析方法，有效地提 取数据观测数据的特征向量，防止回归分析过程中由于数据相关引起的误差。根 据土石坝渗流分析过程中的特点，建立合理的鲁棒模型，提高模型的可靠性。 ( 2 ) 常规的渗流回归分析只能分析单一观测点的渗透情况，不利于全面了解 大坝的运行情况。通过建立多渗透观测点数据的融合，较全面地分析土石坝渗透 变化的趋势。以青山水库工程为例，建立大坝的有限差分模型，利用断面多个渗 流观测点数据，以各个年度的渗流观测数据为基础，反演出土石坝各个区域的渗 透系数。通过广义反演，将各个观测点融合一起，比较各个年度的渗透系数的变 化关系，从而了解土石坝内部动态特性，为大坝安全提供依据。 ( 3 ) 渗透情况的变化从一个侧面反映了土石坝是否安全。以能够有效反演出 土石坝各个区域的渗透系数，了解土石坝内部运行形态主要目标，兼顾考虑监测 点布置的经济性和可靠性，建立渗流监测点优化布置模型。通过对土石坝内部各 点渗透压对渗透系数的敏感性矩阵进行聚类分析，结合考虑经济性，选择合理的 测点个数。再根据敏度矩阵计算出渗透系数分辨率，以渗透系数的分辨率为目标 函数，比较选取合理的布置点。通过青山水库工程实例分析，研究监测点布置的 合理性。 浙江大学硕士学位论文第二章土石坝潘流稳定的抗差动态回归分析 第二章土石坝渗流稳定的抗差动态回归分析 目前土石坝安全监测资料分析方法发展主要表现为3 个方面：常规分析中 传统方法继续广泛使用，并得到改进提高；新方法不断出现，并逐步应用于实 践计算机技术应用的普及，使分析方式与效率大为改观，也促进了各种分析 方法的发展。常规分析法