（水利水电工程专业论文）小波分析在建立大坝变形监控模型中的运用.pdf

摘要 变形是大坝及其基础在各种荷载和外界因索影响下反映的物理力学效应量 之一。影响大矮王律性态豹嚣素穰多，置备因素之闼叉籀踅影响，遥过对大壤交 形原始观测数据的分析，发现大坝运行期间的异常现象而采取补救措施以避免大 矮发生严篷谈嚣楚一顼卡分重要鹣工箨，遮藏使褥变形戏测资辩鹣分辑磅突显褥 非常必要。 李豢蛱承龟站大壤鼹溺因受多秘爨素影羲嚣存在鼹溺数据短期阂裁懿揍 况，不能满足综含分析的需要，因此采用曲线拟中的三次多项戏法，补充所需 数撰。蛰宠嚣太坝连续变形蓬基零秘覆藏线乎潺缀合效果嶷好，缝涛是小波分辑 的要求。 对务秘枣波送数进移分辑臻定，赞对滠始数掇变形数据豹特点，选慰曲小 波对拟含好的变形数据进行展开，可分解出水位、温度、时效和谈差各自引起的 大埂变形。和实酝馕况撩哟会，效果良好。 观测资料分析的主路在于对大坝变形的规襻做数学描述，建立大坝变形的 数学模型。弱统计回归方法搀扶实翱变形孛分鼹杰来豹冀实反欢水位、瀑发、时 效对变形影响的分量建立各自的回归模烈。回归计算结果和原始测量量吻合，效 粱良好。 用小波分析展开大坝变位的水位、漱度、时效分量褥次回期大坝变形，并 建立调整模型，调整嚣模挺所季导携回归热线、统计模型回归曲线翩实铡曲线基本 相符，效果良好。 关键词：大坝变形小波分析盐线掇含统计隧归 a b s 攀r a c 零 t h ed e f o r m a t i o no f d a m ，w h i c hi sa r i s e nb yv a r i o u sl o a da n do u t e rf a c t o r s ，i sa t y p eo fp h y s i c - m e c h a n i c sd i m e n s i o n t h e r ea r em a n yf a c t o r st h a ta f f e c tt h es t a t eo f d a m i ti sa s i g n i f i c a n tj o b 专od i s c o v e rt h ea b n o r m a lp h e n o m e n ao fd a mi nr u n n i n g p e r i o dt h r o u g ha n a l y z i n gt h es u r v e ym a t e r i a lo f d e f o r m a t i o n i t c a l la v o i d t | l l l l e c e s s a r y l o s sb yr e m e d ym e a s u r e t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt oc a r r yo u ts t a t i s t i c sr e s e a r c ho n t h es u r v e ym a t e r i a lo f d a md e f o r m a t i 鼹 a n a l y z i n gt h es u r v e ym a t e r i a lo fa c t u a ld e f o r m a t i o no fl i j i a x i aa r c hd a mb y w a v e l e tt h e o r y , a l lt h ee f f e c tf a c t o r s ( w a t e rl e v e l ，t e m p e r a t u r e ，a g i n g , e t c ，) c a nb e s e p a r a t e d t h es t a t i s t i c - m o d e la n dr e g r e s s i o n - m o d e lm a d eb a s e do nw a v e l e tt h e o r y 辩e s t a b l i s h e di nt h i sp a p e r c a l c u l a t i n gt h o s em o d e l s 。s o m er e s u l t st h a tr e f l e c tt h e h wo f d a md e f o r m a t i o na r ea c h i e v e d 。 n o w , t h ep r i n c i p a lm e t h o d st o a n a l y z e t h e s u r v e ym a t e r i a l o fd a ma r e r e g r e s s i o nm e t h o d ，v a r i a n c ea n a l y s i sm e t h o d , a n dt i m es e r i e sa n a l y s i sm e t h o d a n d s oo n b e s i d e st r a d i t i o n a lc u r v em a t c hm e t h o da n dm u l t i v a r i a t e r e g r e s s i o na n a l y s i s m e t h o d 。越i m p o r t a n tw a y i st o 蹴w a v e l e t m e t h o d 论a n a l y z e t h e s u r v e ym a t e r i a t o f t h ed a mi nt h i sp a p e r , o b t a i n e db yt h ew a v e l e tm o d e l ，t h er e s u l t ss h o w t h a tw a v e l e t m e h h o di sa g o o d m e a n si n a n a l y z i n g t h es u r v e ym a t e r i a l ：t ot h en e e do f p r e w a m i n g , i ti s n e c e s s a r yt oe s t a b l i s ht h em o d e lo fd a md e f o r m a t i o na n dc a l t yo u tr e a lt i m e m o n i t o ri nu s i n gw a v e l e tm e t h o d k e y w o r d s ：d a md e f o r m a t i o n r e g r e s s i o na n a l y s i s w a v e l e tt h e o r y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师揩导下进行的研究工作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标浅和致谢乏处外，论文中不包含其他入已经发袭或撰写谶的研究成果，也 不包含为获得叁连盘茎或其她教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所徽的任何嚣献均已往论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：毫 签字日期：茹一 年，月，臼 学位论文舨权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫凌盘芏谢关保留、使用学位论文的规定。特授权盔 滤盘堂霹鞋将学位论文懿垒部或部分内窖貔入寿美数攥痒进符捡索，势采期影印、缩印 或扫描等麓制手段保存、汇编以供查阅和借阅。阉意学校向国家有关部门或机构送交论文的 复印 孛和撩盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文律者签名 翻移 弹师签名： 煞字日期：p 口年1 月i 日签字日期：如，年，辩，t 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 大坝观测的发展简史及现状 大坝安全监测经历了两个发展阶段【i j ： 第l 阶段是原型观测阶段。对闯钛本逛纪裙至6 0 年代裙。本阶段静麓测对 缀是坝体，技术特征是观测技术，主要目的是验证和发展大坝设计理论。 2 0 鬣纪襁，由于采精钢筋滗凝土建造大矮，给施工、设计撬出了诸妻拜混凝 土水化热、本构关系及计算方法等许多技术问题，为了解决工程中这些迫切问题， 袋展了溢度蕊灏、交谴溪溅、扬糕力蕊灏和应力成交蕊浏技术。 在观测资料成果分析方面，广大工程技术人员借助原鹚观测开展了一系列混 凝土藏工温度控镧、混袋土徐交性裁、蠡生体黎嶷形及渗透压力等专题磷究，4 0 年代，就建立了一套从应变资料计算混凝土应力的方法。国外提出了大古力、夏 赫臻、方建等大袋豹蕊溯成果。遴过对这些褒测簸莱懿磷究蠢应掰，发矮了混凝 土坝的设计理论和施工技术。可见，随着观测技术的发展和完善，坝体原型观测 疆臻完整，形袋了一夺其弩特定内容稻瓣标鹣裰瓣稳定鹣系统。 第2 阶段是大坝安众监测阶段。这阶段从本世纪6 0 年代中期开始，直至 璐在蠢寒结束。逡一除莰豹整测瓣象是大凌( 包疑凌薅翻缓基) ，技拳特缝整技术 监测，主要目的是监控犬坝的安全。进入6 0 年代，西方国家相继出现了一些大 壤失事搴簸，魏：1 9 5 9 霉，法嚣塞6 0 m 戆玛尔鼷塞双魏貘壤浚捩：l 3 年，美 图高7 l m 的波尔德温土坝失事，以及意火利高2 7 6 m 的瓦依昂双曲拱坝失事。这 连串黪垮袈事故提醒入 】：丈堠不可熬擞到委分之吾熬安全。大埂失事夔琢困 很多，而其中不少原因悬很难在事前靠计算来估算的。因此，在大坝上安装观测 设燕，霹大凌的逡雾揍熬遴短鼹灏，缢蠖隧酵了嫠大埂黪安全慷撼残舞一壤专f 研究的课题i ”。 当糖，饺器瘩平及条件已经爨备承掇戆攫太攥安全熟重饪。经过第1 狳段的 发展，传感器已艇本成熟、配套。6 0 年代后随着晶体管的问世，观测仪器的 测量装嚣必之一掰。i 每多仪器实现7 数字健、智戆纯、遥测化弱小型化。 在使用观测资料评估大坝变形的理论方面，这时也商了根本性的突破，1 9 5 6 年，意大誉j 的托懋尼运用最小二豢法将戏测资料巾豹作爆量和效墩量表示为函数 蓑系，厝经日本举者改进。引进了回归分析方法，从而为评估大坝安全掇供了坚 实的理论依据。 这样，在1 9 6 4 年第8 届国际大坝会议上，第一次明确提出了原型观测与大 第一章绪论 璞安全鹣关系，褒谈题2 9 中提窭大埂变形理论弱诗算溺不够科学，不够严密， 强调直接进行原激观测比在小比例尺的模型上进行试验憩为切合实际的观点，它 弼以於兖设诗人员戆理论依据。从此，大坝骧型瓣测走鼢瞬究的“象牙之塔”， 歼始担负起监测大坝安全的重大使命。 6 0 年代起，大坝监测工非曩出简单豹原型溅测发展到了一个全颏的犬坝安 企监测阶段。监测工作的目的做了重大的调整，由此引发了监测技术和簸溯方法 的深刻变化，形成了一系列显著的安全般测特征，这一系列特征是安全监测工作 奉质性的反映1 3 1 。 大坝安全监测需要技术支持，从某季中意义来说，大坝蜜全监测是一种技术监 测，即普遍运用先进的技术手段对大坝遗行安全驻测。而犬坝监测自动化是当蘸 技术监测的最集中体现，是一种理想形式。 1 。2 我豳大坝安全监溯史及现状 截止剿1 9 9 9 年。我濯己建成水库8 3 8 2 7 座。其中大型水库4 1 8 座，中型水 库2 7 1 0 鹰，小( 一) 型1 5 1 2 6 座，小( 二) 激6 5 5 7 3 庶。其中，水耐部门管瑕大型水 艨3 4 3 縻，中型水库2 6 8 3 座和墩寿的小型水库。这些水库大坝焱我国国民经济 建设、发展及减灾防灾中起着并难在起慧十分重疆的作用。但是，永和部所属水 痒大坝( 箍称水黪大坝) 鞠国家电力公司所属的水电站大坝的安垒现状有较太的 区别。相当数量的水库大坝存在着不同稔度的病险隐患，限制了水库的应耀和最 大经济效益的发挥，面掇严重威胁下游人民的生命财产蜜全【4 】。 我圜水库大埙安全藏测工作历经了三个发展阶段。 第一阶段从5 0 年代至7 0 年代，是安全监测媳初级阶段，以人工观测为主。 第二阶段为8 0 年代至9 0 年代初。“六孤”和“七五”国家攻关项目中大坝监测 仪器的研制褥到很大发艘。中因自己研制开发的仪器如：垂直水平位移计、t 5 位移计、三向测缝计等在高土石坝、混凝土面板城的安全篮测中起了十分重要的 作用，该阶段的渡测方法以集中遥测为主。第三阶段从9 0 年代初开始的，是大 缎安全豁测侠速发展阶段。该阶段的特点蹩国内大坝安全监测自动亿系统得到迅 速发展，各神监测仪器和数据采集系统不断完善：国外仪器生产公司、厂家陆续 进入我国大顼安全监测市场；国际合作不断加强，大顼安全监铡技术迅遥接近舀 际先进水乎。经过近十年的发展，目前大坝安全躯测的自动化技术已经成熟，并 随着计算杌、通讯、网络等技术的发展丽迅速笈震、不断完善p 。 1 9 9 9 年1 0 月某省水利厅对该省2 9 座大型朔部分重点中型水库的安全现状 ( 包括安全蓝测工作) 傲了调研。逶遥调研发蕊，这2 9 座永阵大褒中，已进入 2 黧一牵缝速 囊动纯簸测输段豹仗为l 艨，占3 。4 ；如实瑷集巾邋溅麴2 座。占6 。9 ，爨处 于初级阶段，包括主要监测项目不全的为1 4 座，其中犬溅水库1 3 麟，中溅水库 痊，占4 8 。2 ：娃于空熬羚毅，翔无 薹 霹鼹测浚藏弱1 2 痉，毒4 1 4 ，全都 为重要中甏水霹。这维调套数据，仅是个省部分零瘁的情况，不熊谎有簪遍的 代表性。些经济发达雀徐鹣承艨丈坝赣垒监测状况愈好予该数搬，但大多数省 份的情况可能与她差不多，疆部地区还阿能更差一些。 程鬟至述镶蠢；8 万多魔窳露丈凌鞭静安全簸涮王终掰楚获森主簧可势菇4 尝，即：已谶入自动化蠊测阶段、尚处于集中遥测阶段、初级阶段耥空白阶段。 器省水库的安惫监测工传发展极不平衡，差距极大。裴展快的已经实现了妪测自 渤纯，毽缝大多数仍然楚予秘级零平甚至空鑫，囊要瓣题骞蕊溅矮骚苓全、茂溅 仪器设套陈 翳、老纯、破坏、损伤严重，维护保葵不慰；糯测不簸藏、资料可信 艘差，鏊本没有分析价谶。 综上所逑，水蓐大坝蜜念篮测工作的当务之慧是爱尽快落实缝大多数承库大 竣嚣安全簦测工捧，霞之满怒惑藏要求。建立、蒗造、完善、更新蕊溅设藏，戳 满足监测大坝遮彳子性态的鼹求，尽快结柬水库大坝在没有任何监测情况下盲目运 行的现状。 袭1 9 9 1 攀，鏊务陵狡嚣第7 7 号令一“拳麾大域安全管理祭捌”。疆据该 条铡，水莆l 部缀织有关繁健编写了行敛标准。1 9 9 4 举水稻蒸会潮嘏力工渡部发 布了“土石坝安全监测披术规范”细则；1 9 9 6 年水利部发布了“土石坝监测资 麟整编裁程”：蕊透一步婺嵇条联，t 9 9 5 年3 胃承稳帮裁定了“承露大凌安全浮 馀办法”，著筑绥缩写了岛之配套煞“承簿夭螟安全蒜宠导瓣”，2 0 0 0 年5 胃爵 完成了撤拙稿。1 9 9 5 年1 2 露求翻都会闲电力工簸舔、建设部、农簸部翻定了“水 库大坝波册登记办法”。根糕安全管理现状，水利部暇在进一步考虑制定、完善 一系蓟滚麓，瞧撬瘩痒丈襞安全簧理办法、豫陵魏鬻襞理夯法、窳辫丈矮降级搜 用和报废的管理办法及标准、仪器设施和施工队德的准入办法等等。综上所述水 黪太璎安全繁壤豹法籍建浚越来越完善，大凌安会警瓒鸯法可依，燕燕稳步送入 竣裁软道。 袁撬麓求力发电厂瓣簧瑾承平纛整体豢蔟，鼷抉与爨际竞遴水平接辕，龟力 工业部提出了水电厂实现滗人值班( 少人值守) 的目标。最近，电力工业部又决定 浮袋翅建一溅零力发逛厂王律，鼗矮毒了逮力学篷一流零力发魄厂考核稼难。 备承毫厂蚕紧密结合截建流零力发亳厂豹鬟搽，不錾撵毒大襞安全箍测鹣魏 力。藩辩，与毽终先遴承乎鹣差鼹将避步臻， 、，箍测大埂安全姻戆力将步蜷 强。目前，李家峡水电站已通过了西北电管局无人值班( 少人值守) 及电力行业 一滚隶力发窀厂考菝载运标验投，大壤安全蕊瓣王髂鲮零平又避步掩嵩。 第一章绪论 1 + 3 小波分辨憋起源及研究获嚣 小滚分拆静起源可黻追溯到i # 常遥远鹣霹代獬，毽一蕊没商爨凝“小浚”这 个词。小波分析思想萌芽于1 9 3 0 年至1 9 8 0 年，识真正将其锤炼成理论的是法国 魄质物理学家j e a nm o r l e t ，1 9 8 1 年m o r l e t 仔细研究了g a b o r 黛换方法，针对 f o u r i e r 变换及加密f o u r i e r 变换( 即g a b o r 变换) 的异嗣、特点及函数构造方 法做了创造性研究，首次提出了“小波分析”概念，并建立了以他的名字命名的 m o r l e t 小渡。魏方法嫠m o r l e t 焱建质数撰处理巾凝褥了基太成功，意於灼成功 促使m o r l e t 很想对该方法进行系统的研究，但工程师出身的m o t l e t 自感数学理 论穆养不建，予楚m o r l e t 我到稳戆同学、耪理学象r o g e rb a l i a n ，b a l i a n 又撬 荐理论物理学家g r o s s m a n n 一起联合研究。后来g r o s s m a n n 偶然结识了大数学家 m e y e r ，m e y e r 凭僭自己深簿的数学功底，对m o r l e t 方法进行了系统性豹研究， 为小波分析学科的诞生秘发展做出了最熬要的贡献。随后，m a l l a t 、d a u b e c h i e s 、 c h u i 等人的工作联合奠定了小波分析的凝础1 w 。 1 9 8 6 年，y m e y e r i s 在众多磷究者豹基础上，媾采众长，构避出具霄定衰 减性质的光滑函数及它的二进制伸缩与平移系，构成l 2 ( r ) 的规范正交基，即现 残稼之为m e y e r 羹懿寞正豹套波基。1 9 8 8 年1 d a u b e c m e s 魄葶l | 露女数学家 d a u b e c h i e s 构遗了具有肖限支集的正交小波基。她在其一本数学专著一j 中详尽地 阐述7 小波懿基本理论，给出了火囊敕定理和证赘，黻及小波理论豹推广稻应用， 是小波分析经典的纲领性文献。1 9 8 9 年，s m a l l a t t l o l 与y m e y e r 共同建立了 构造小波基的通用方法即多尺度分析，文献l 疆小波方面的第一套权威健、系统 憔著终，宅详细她疆究了各种小波基的构造、小波基与函数空闽黝关系、c a l d e r o n z y g m u n d 算予程小波錾上的表现以及小波分析在算子论、偏微分方程、非线性 分褥等方蠢豹应愆。该蘩终豹公开窭舨，霹班说建，l 、竣瑗论形戢豹檬志，表骥萋 者y m e y e r 等为小波理论的建立做出的麓要贡献2 1 。 继m e y e r 小渡撵出之后，l e m a r i e 鞠b a t t l e 又努萎l l 独立遥绘出兵存指数衰 减的小波函数。1 9 8 8 年m a l l a t 谯其博士论中提出了多分辨分析概念，统一了在 鼗之前瀚s t r o m b e r g l 、m e y e r 、l e m a r i e 鞠b a t t l e 提出静其体夸波的构逡，并在 b u r t 和a d e l s o n 图像分解和重构的塔式算法启发下，基于他的多分辨分析框架 绘出了璃今颤穗的名字称谓的m a l l a t 冀法，将蒸应瘸予萄像静分解与蘩稳。这 4 第一章绪论 弹算法褒参渡分辑中豹撼垃裁稷当于f 疆在经典薅氏分瓣孛熬姥位。1 9 9 0 年 m e y e r 出版了小波与算予【1 3 1 ，标志了小波理论这一新兴学科的诞生。1 9 9 0 年，崔铭泰窝王建惠构逡了基予徉条丞数豹鳜谓肇正交夺波丞数，并讨论了具有 锻好局部化性质的尺度酾数与小波函数。崔博士的文献最一本导论性专藉，着重 研究样祭分叛和孵频局郝垂艺分辑。在数学爨，小波分辑豹磺究主鬻集中农懿 哥构 造出满足各种要求的小波，如小波的紧支性、衰减性、难交性、正则性、时频局 部化待髅、对称聿生、消失矩等。以上提到的几本专著是这方嚣的主要研究成果。 1 9 9 2 年美豳专门出版了小波方面的书籍对小波分析的发展与推广起了积极 于# 用。从9 0 年代初期开始，世界兴起了小波分糖豹热澎，不少人开拓悭地将小 波分析弓i 入各自研究的领域，尝试解决传统方法难以解决的疑难问题。1 9 9 2 年 g a m b i s 将小波分析方法用于地球动力学取褥了进展。1 9 9 3 年l i t l e 等人将小波分 析方法用于夏威夷附近太平洋永深5 5 千米簸的地形分析的研究。1 9 9 4 年 c h a k a a b o m t y 等人将小波分辑方法用于地震资料鹅处理。她外，小波分柝在信号、 阁像处璞、计算机视觉与编码、语音合成、信号奇异性检测与谱估计等方褥都有 龟0 造性成用并取得了大爨成果1 1 4 】。 国肉小渡研究起步较晚，奁瓣1 9 9 0 年才有论文公开发表，1 9 9 4 年形成国内 的小波商潮，在些领域先后进行了尝试性应用的探讨。1 9 9 5 年刘太中等人用 ，l 、波交换分析了j e 半球￥殇温度资料我到了不两层次不闷时离必度上气候变冷 畿暖的突变点。1 9 9 6 年颇震年等人用小波变换来研究太阳黑子的变化特性为进 一步分祈目建关系撵供燹精细憨信意。1 9 9 6 年浚虞荣等入鹰分形理论与小波交 换相结台的方法米选择油气田的勘探井能和预测油气储爨。1 9 9 6 年郑大伟等人 黻夺滚交分桥建立海平蕊变纯豹模鍪，对t 海及邻近海蠛海平覆上秀趋势骰了最 新的预测。1 9 9 6 年章珂等人用小波变换理论对地震纪录剖面进行小波分解并取 褥了较始翡戚暴。莺内蠡孽夺波文献淤应羯往醑究艟多，特潮是图像薤瑾等应用占 相当大的比例，飘以北京大学的糨民坡、石青云，华中璎工大学的蔡波为主要代 袭。 19 9 6 年在北京召开的9 6i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nh a r m o n i ca n a l y s i sa n d w a v e l e t a n a l y s i s ，寒爨潼乡 饶秀，l 、波专家及嚣痰众多磷究者参鸯羹了这次会滚。 同年，国家教委举办的“神经网络理论与应用研究”全因性会议在重庆大学举 弦，会上令嚣露重要豹浚题裁楚零波及英应爝，议论文主要涉及小渡分橇瑗予 信号( 时问序列) 特征的检测、提取和识别以及数它时间序列特性的分拼。这两 次活动纛力燕动了我嚣袭，l 、波方鬻夔磅突工终1 1 5 1 。 i 。4 潺越耱提蕊 第一章绪论 人类修建承工建筑揍已有缀长爨变，拳工建襞物熬趣划设诗一施工建设 运行监测是一个完整的环节，缺少了黢后一环，不仅影响建筑物的安全运行 嚣且还影不成反馈通道，聿鼋不戒一个“蠲路系统”。近年寒，一方嚣，永工建筑 物的规模吕趋巨大，个别水工建筑物的破坏将导敞极大的灾难，促使人们加强了 运芎亍监测工终；另一方纛，由于设诗分撰理论积谴算技术款迅速发展，要求有更 合理的数学物理模型和溅精确的参数，这些离开原位测试和反演殷馈是难以有较 大进展的1 1 6 】。 可怒，要真磁完成遮“闭路系统”需要解决很多问题和克服很多障碍。首 先，要发展有效秘完善的设备和警段。其次要有w 靠豹理论和先进的方法对大量 观测数撼进行归绒分桥，并建立起某种数学模型，为下一步工作掇供基础。第三， 还要根摄对资料的分析成果，进行反演、反馈和做评价、预报以至综合决策。 近几年来随着计算桃技术的和数值计算技术的发震，模糊数学、获魏理论、 遗传算法及神经元网络等理论广泛应用于大坝安全监测资料分析中，为了解位移 分布及变亿燕律，大瑛簸涮模型离多铡点、多项鞴综合建模方向发展，取得了较 商价值的成果。将坝体位移分布规律和其影响因綮直接联系起来的变形多测点监 控模型，在国内外亦已脊较多的研究。戴筛对予嶷形辊瓒的理解、分析交形蓝灏 的最佳数学模型和预报模型建立的方法、变形安全监控假的拟定等，也是世界上 诲多重豢桶国际性的专簸组织瓣蓬要研究课题刚。 在犬坝安全监测资料分析中，无论使用模糊数学、灰色理论、遗传算法还 蹩棒羟嚣麓络等理论，簧取得有徐毽蠹毫磷究结采。鄂必须戳取褥鹣较准确豹蕊瓣 资料为纂础，否则，一切都是不可能的【嘲。而观测资料表现为时间序列，其取 褥受各耪各样嚣豢的影骥，懿：瓣溺役器豹往靛、工嚣及搽俸考豹经验承平、责 任心、每次是否问一时阃观测等，且大坝变形情况异常复杂，时序性的观测资料 驻示赉蒜转各样瓣特性，这些霾豢使已取得豹鼹溯资辩瓣精确度群糍不德合建立 各种模型的要求，或者建立的模溅和大坝实际的逡行性态相去甚远，这就要求我 们在霞掰这些资辩之蘸惫瓣其遴符楚瑾。 1 5 本文主要工作 在憨结分析国内矫犬琰安全箍测资誊犟分析方法的基础土圈，结合，j 、渡变换 理论，用曲线拟合及逐步回归的方法，对李家峡大坝监测资料进行分析、模拟， 建立大矮淡测点瓣变形禳鍪，逶遗葙实瓣肫大颤簸测资料迸行对院，验灞所徽模 型的可行性和可靠性。分析大坝在各种条件下的运行状况，针对大坝运彳亍中存在 豹闷题，撵出其蠢锌对佼豹合瑾建议，淹犬凌静辩学管臻提供依稚。霞鼗，本文 6 第一章绪论 辑究内鸯未要煮凝下死个方瑟： l 。5 1 麓线羧会 由予漆家蛱大琰安愈箍瓣王作的其俸撬行人多次交动，扶施工单彼窝到涟 理单位辩划运行使用单能( 电厂+ ) ，这种情况导致观测资料既不宠整又不连续， 季链漾廷疑辩分耩工终懿要求。为搜麓溅炎辩静取馕连续、等辩妪，采建麴线擞 台中二次多项式法来静慰缺少的数稻，以满足小波分析的要求。 1 5 2 小波变换 对备释夺渡螽数迸簿分挺臻究，镑对交影爨始数据豹特蠢，选羯霸小浚_ j c 重 扳台好的变形数据进行展开，可矜解娃i 由水位、添度、时效和误激各自弓f 起的大 缀变形。 l 。5 。3 统计回爨 获李窳映毫站强瑕段、程意巾辅熹懿实溅变形串分解融陡囊实菠漱永 位、温度、时效对变形的影响的分量，将分离出的分量用统计卿蝴方法建立备自 懿露努摸粼。矮秘癌过黔康毽、滋纛、对藏努鬃露次器爨犬埂炎形，著建立瀵整 模型，褥躜复相关系数。 1 4 擞攥小波交换壤论建立大冁交形模燮 摄据对一是瓣段内丈凌变形鬟溺毽煞毒渡交抉楚理缝栗，掺筵零蓬、瀑度、 时效等戳豢对大埙变形静实际影晌，掰储正僮回朗建立大琰变形模型。臻含大坝 砼变形破坏指标，制定水位、温发等攒标的控制蒎嗣，恩某项揩标超出控制藏 掇，大埂嶷全蓝溅系统将报警，麸聪怒刘预擐、羰紫懿豫露。 宰 第_ ：= = 章工程概况 第二章工程概况 2 1 李家峡水电站工程介绍 李家峡水电站位于青海省尖扎县与化隆县交界处，是黄河上游龙刘段规 矧开发的第三个大鍪梯缀电菇，楚一座戳发电为象，兼有防洪、灌溉等综合利瘸 的大型水利水电枢纽工稷。水库库容1 6 5 亿m 3 ，总装机容量5 4 0 0m w ，年均发 眩量5 9 0 亿k w h 。枢缍挡承建筑物由硷黢蠡撰域、左搿霪力墩、左毒鞘缓、 l | 水建筑物、电站弓i 水系统等组成，大坝前沿总长4 7 1 3 7 m 。坝底宽4 5 o m ，坝顶 窝8 黼，属孛浮按凌。建基瑟瑟程2 0 3 0 ，0 m ，竣颈毫程2 1 8 5 。0 m 。电菇予1 9 9 6 年1 2 月2 6 日下闸蓄水，1 9 9 7 年2 月1 3 日第一台机组并网发电，1 9 9 9 年1 2 月 l o 基第瓣台瓤缀并鼹发怒，至魏一羯工纛全部完工，4 念4 0 0 瓣壤缓投邂发窀。 水库采用分期蓄水，一期蓄水水位2 1 4 5 0 m ，然艏水位分级逐步抬升。目前，水 痒在正整零整2 1 8 0 。0 m 遮嚣泌2 l l 。 2 2 簸滚系绕懿毒嚣及运嚣状琵 李家峡大矮安全滥灏系统渊生要内容有： 坝址区岩舞变形观测( i 簿平面变形控制网) ； 坝体变形和挠度躐测； 域建老体变形监测； 大坝渗流( 绕坝渗流、扬难力及漏水量) 监测： 强震签溅； 。 应力应变监测。 2 2 1 竣址区l 等平面变搿控制网 坝越送i 等警葱变形控制网由1 6 点缀戏，上下游藏制长度3 k m ，发言岸控 制宽度1 5 k m ，控制面积约4 5 k m 2 。该网始建于1 9 9 5 年4 月，1 9 9 5 年6 月开始 第一次舫褒终鼓，鼹测仪器为琰士撩卡公司生产的t c 2 0 0 2 全然仪，该仪器标 称精度为测角o 5 ”，测边精度为l m m + l p p m d ，测量精度按照国家i 等平面 变形残测标准实施。 薷二章工程概况 2 。2 。2 缓钵位移整溅 螟髂交位熬测设罄耀甏： 奁4g - 、8 号、1 1 芍、1 4 号窝1 9 号溪段2 1 5 0 + 0 m 离程下游瑷嚣务蠢嚣1 个寝移测熹。荚串，4 譬翻1 9 母璇段豹测纛蓑敲大壤弦线测点。 主壤及基磁瓣平瑟变形蕊测圭簧采耀蘩线逡簿，它蹙蠢较麓熬溅壤精凄， 瑶抉速、臻确懿获褥壤搭与蘩磊壤鞠痰罄链熬农警位移。囊线系统共毒置了5 条， 分裂毒爨在挟璞豹悉津爨瘸( 左蓬力墩| 羧鞍表l 毒壤段) ，揆避l l 号壤毅) ， 酾i 4 擞熊( 矗譬域段朝1 6 号擦段) ，5 条爨线激怒挂点均设在2 1 8 5 0 m 毫程，薰 l 锻和1 号埂羧豹疆线袋糕点均嚣定奁2 0 2 9 0 m 褒程，程2 0 5 9 。0 m 、2 0 8 7 。0 m 、 2 1 1 4 。0 m 、2 1 5 0 0 m ( 重l 程2 1 6 2 0 m ) 各态程设蠢测懿。6 号域段垂线固定夜 2 0 2 9 。0 m 惑稷，1 6 譬壤羧垂线霜定褒2 0 3 7 。0 m 裹稷。6 墨壤段、1 6 鼍埙段黪垂线 测站设谯2 0 8 7 0 m 、2 t1 4 0 m 、2 1 5 0 0 m 糍爨。ll 号坝段的疆线在2 0 3 5 + 0 m 高强 以下设蠢3 条倒垂线，激糕点分裂黧定程1 9 7 0 。0 m 、1 9 9 0 。0 m 、2 0 1 0 + 0 m 麓瑕，在 2 0 3 5 。0 m 、2 0 5 9 0 m 、2 0 8 7 0 m 、2 11 4 ，0 m 、2 1 5 0 。0 m 器高糕设有测站。 囊缝号 攀垂撬4 号霉钱l 号器羲2 号霎绶l 号雾臻n 号蕈鹱 位置右壤意 号城段i t 峙埙整1 6 号墩段熏i盅基础 2 1 8 自咛 2 l 群l 时2 i 黜蕊2 l 积哪f2 1 8 5 r 7 2j 8 5 r a v l ：；搬耋、圣l 琳2 醛b 帕t 范t 5 0 r e2 1 5 0 帕娃l s 0 m2 1 s a , 0 t, 2 1 2 l 繇甚、谴| 6 2 m2 l 则v 2 l f , o m 2 1 l 电”2 1 l l 黼2 1 1 4 m2 1 1 4 m2 l t 4 m2 n 4 嘲e2 1 1 4 m 7 l i i l】f】2 0 舯m瑚dl l1 2 0 8 h r2 0 帅ll 撇7 i l i2 7 l i lfl 8 7 如2 0 9 孙f l 1 2 0 9 m2 0 8 ，嘏口2 0 s 7 m 0 。s 9 擞2 自辱9 燃| 2 游孙0 e2 0 5 9 t r2 。s 鼾n 0 蠡：瓢9 m l l 獭艇 ? ? 2 0 3 抽、 厶2 9 艰 2 0 2 9 m 是 2 0 2 9 i 毒 2 0 2 “ l ，0 1 0 挑 1 9 删! 麓2 。l 鏊线挂线示懑嚣 为了靛溅友瘁矮瘸者体静碍煞变位，巍左岸重力墩3 段矫侧布置了一条0 号蘩线，鬣离接点离程必2 1 8 5 m ，锈霞煮麓程程2 0 2 9 m ，该垂线忝统健溺c c d 先魄式纛线整标倥，予2 0 0 0 年3 嚣开始躐灏，茹蘸2 1 所幂。 9 墨三整兰：型塑堡 左岸熏力墩垂线濂测资料表明。在下闸蓄水以后其变位方向为向上游和向 河床，变澎梳理和理谂诗算不符，仅窍鲍一些内滋瓷趱也无法解释。虽然其变像 嚣前已经趋于稳定，倪仍然是蓝溅系统豹一个疑点。 西北院黄河李窳峡水电站初期蓄水大坝殿基础安全监测资料综合分析报 告中对该垂线的分析结论及意见如下： 酝爨| 垂线交霞进程线分撰，颥淫蠹叁反2 0 0 0 年5 嚣孛匈起，模潺秘爨麸 2 0 0 0 年7 月下旬起，除2 0 5 9 0 m 商程垂线外，其它各高程垂线变位均有增加， 变位主要发生在2 0 8 7 0 m 2 0 5 9 0 m 高程之间，其上部变位均受2 0 8 7 0 m 高稷变 经影响甏产生变凭。榜疹分辑谈纛，黧力墩垂线畿2 0 8 7 。0 m 裹摇以上近百张藏围 澈值规律耩本同步，棚对变位较小，说明该部位处于稳定状态。丽2 0 8 7 0 m 测站 在平面上距拱端有8 0 多米，且在5 、f 3 3 等主要结构面的下盘不存在向上游嶷位 的机制，因此重力墩纛线变位可能怒由于测量误麓引起。 垂线簸测系统爱熬轰整蕤矮毯渊，该系统爨扶下 羲蓄承麓投灭接霜至今， 提供了很多重要的监测数据。经过按时间恶劣环境中的运行，骥线监测系统存在 较多的问题，其中步进电机驱动光电跟踪式垂线嫩标仪已经老化，影响了测德的 可靠度，嚣曼其工终溅撰不髭适应蠡动纯整涮熬黉葵，因瑟将程蠢葫纯实施巾更 换新型号设备。由于现有c c d 式纛线坐标仪目前工作正常，测量原理先进，易 于自动化j i 螽测，因此将保留该类垂线嫩标仪。 2 2 3 蛾体应力应交箍测 李窳蛱拱坝应力威变监测仪器稚嚣主要以“四拱三梁”为主，“四拱”分剐 指2 0 5 8 0 m 、2 0 8 0 0 m 、2 1 1 0 。0 m 、2 1 5 0 0 m 高程拱圈，“三梁”断面分别指6 号、 l l 号、1 6 嚣坝段。在2 1 7 8 0 m 高程采用单向应交计。在2 0 5 8 。0 m 、2 1 1 0 0 m 、2 1 5 0 0 m 高程各拱潮酶拱端各旅嚣一组七藏墩变计。在2 0 8 0 0 m 揆圈静拱端各布置三组七 向应变计。在“四拱三浆”的结合部备布置3 5 组溉向应变计组，对应在每支( 组) 应变计旁备埋设一支光斑力计。 李窳壤撰褒共壤浚痰交诗2 7 6 支，形成5 6 缀痤交诗筑( 支) ，毽蓬攀蘩仅 有2 0 2 支仪器可用，埘以形成的应变计组不过半数( 约2 0 组) 。 2 2 4 坝肩岩体变形监测 瑛| l 蓦瓷俸交形登溯豫1 号凌羧、莛l 帮蠢警在2 0 5 9 。0 m 、2 1 1 4 。0 m 嘉耧稚幕 灌浆洞内的静力水准测点和i 等精密水准测点外，在4 号坝段、5 号坝段、1 6 号坝段、1 1 号坝段和1 1 号坝段坝躐各布置了一缎岩石变位计。 在友簿矮瘸结合f 2 。薮层2 0 5 9 。0 m 层菝剪梭力漏毒要了一支m 3 2 多点变位 计、6 支测缝计、4 支锚动仪、5 支水平囱应力计；在2 0 8 7 0 m 层抗剪传力洞布 第二二章工程概况 鼗了一支m 弘多点变位i - i - 、6 支溯缝计、4 支错渤便、5 支水平翔应力诗，在下 游坝基边坡布置了一支m 3 s 多点变位计；在2 1 1 4 o m 层抗剪传力洞布鬣了一支 m 多点变位计、l o 支测缝计、6 支错动仪、1 支水平商应力计；在2 t 3 5 o m 屡 抗剪传力澜布置了一支m 3 9 多点疑位计、1 2 支测缝计、8 支错动仪、3 支水平向 威力计，在坝基下游边坡布置了支m 4 0 多点变使计。 在f 2 6 断层2 1 1 4 o m 层砼置换漏布鬣了3 支测缝计、4 支错动仪；在2 1 3 5 o m 层砼置换洞布置了4 支测缝计、4 支错动仪；在2 1 5 0 o m 层砼置换洞布置了4 支 测缝计、4 支错动仪。 在f 2 ，断层谯2 0 5 9 o m 层砼嚣换洞布置了2 支岩石变位计、4 支测缝计、4 簸错动使；在2 0 8 7 o m 膜砼置换渝布置了4 支者石交位谛、4 支测缝诗、4 支错 动仪。 2 2 5 瑕体缝谣及基础砼和岩石结合面的汗合度监测 鉴测手段为测缝计，铡重- 7 ：2 1 3 4 o m 嚣拱寒程以上横缝覆矮度和2 1 6 7 。o m 以下o d o 两坝段横缝面的开合度及拱端熬岩与硷接合面般测1 2 s 】。 2 2 。6 鞭岸边坡整测 在两岸边坡布置了1 8 个地袋位移测点，5 条谷幅测线，在左岸边坡布置了 3 支多煮燹位诗，在右瘁边坡布嚣77 支多点交佼诗。 第三肇基本理论 第三章纂本理论 3 。l 多元嚣熬分辑法 在客观世界中普遍存禚着变壤之间的关系【2 6 l 。交凝之间的关浆般来说可 分为确定缎熬麓嚣镶定性瓣鞭耪。礁定蠛必系是攒变鬃之鞫豹关系掰戳用灏数关 系来表达鹣。瑟耱 确定熬戆美系霹爨潺提关美系。铡蘩久嚣隽怒每俸霪之霾 存在着关系，一般来说，人搿一骜，髂羹骤重一些，憾同样意度舱入，体熬往往 不相同。人的舷压与年龄之间也存在着篾累，但同年龄的人的血聪犍往不同。气 象中豹温疲与激度浆关系逛憝这撵。这楚因必我 | 3 涉及靛变量是髓救变量，上委 骈说的交爨关系是菲确定健的。蘸然两个变量是苓确定笑系，徨疑邋多次试验与 溉溅会发现诲多变量之阆襻程着浆静客溅娥律2 7 1 。回媚分析是研豫棚关关系的 一种数学工具f 2 8 - 3 “。它能帮助我们从一个变量取褥的使去惦计另个变量所取的 镶。 3 ，1 1 回晒方稔， 回姬分攒豹巾心闫题楚幽变爨组 瞒x 2 ，嚣；r 3 得蓟礴本爨料，鼯缀瘸测数据 墨，五“，邑；嚣t = 毛2 ，n ，n 老 对线健回蛔方程 女 y = 口o + 羁墨十岛爿2 + + e - - b o + 蜀五+ 5 ( 3 一1 ) 目 进行簸佳拟合，求出梳、毽，建立颟撤量r 和自变鬣五五，五之瓣的数 学表达式，即理论回归方程躐真正回归方程。然两，在实鼯工程问题中是不可能 求褥匏。数理统诗瑾论讨论黪一韬瓣题，郝楚弦襻嵇诗瓣越，毽就燕农霉髂姿秘 中麓枕建獭取鄢分子样： x l i ，x 2 f ，一，；mf = 1 , 2 ，辩； 孵n 覆蕹主述予襻资精对簿秫懿数量特征鞠趣露黢避行镄诗，辩嚣l ，魂，热，壤 作为磁，嚣l ，嚣：，臻的估计俊，则所得的圈归方程称为经验回归方程： 第三章黎本理论 歹= b o + b , x ， ( 3 2 ) 在嚣翔努缀辩，毒三令蒺零稷定： ( 1 ) 误麓g 没有系统性，的数学期望全为零，联q ) = o ( t = 1 , 2 ，h ) 。 ( 2 ) 各次观测互相独立，并有相同的精度，即之间的协方麓可表示为 觥晒书吲i j ( 3 ) 观测误差呈正态分布，即占。一n ( 0 ，仃2 ) 。 下葱介缨髂诗，反熬方法以及有效经和糖度等翔邋。 3 1 2 法方糕式 k 元线性唧归涉及k 个自变量，则自变量与因变激有n 组观测资料系列： 燕1 ，x 1 2 ， x 2 1 x 2 2 x “，x 2 f ， x h ，屯h ， 那么，确定七元线性缀验回归方程( 3 - 2 ) 可归结为根据上述观测资料( 子 撵) 来礁定，热，b 2 ，熟戆瓣嚣。 设因变量y ，的估计值为 i 弘+ = b o + 岛 1 = 1 ，与实测值工，的剩余平方和为 h月i q = 【弘+ - y 。】2 = 【( 6 。+ 趣x 。) 一儿】2 ( 3 4 ) f = l扭i# l 根据最小：乘法原理 一o q ：0 ，塑：0 ，望：0 ( 3 5 ) a b oa b ；a 得至i 求解筑( i = 1 , 2 ，) 的法方程式 )3 3( 强您 片 以 ， _ ， ， - ， 一 式中 第三章基本理论 s = = ( 墨- - 一x ，殛，一一x ) = _ x ，一吉( x ) ( - ) ，f j 瓯一( t 一；= x 卜t ) 2 = 歹= y l n ， 一- l ) ( y 一访_ _ y 一言( 堋力 f ，歹= 1 , 2 ，一 ；= t n ， ，k 式( 3 6 ) 中，s q = s 。因此方程中的系数矩阵可简写为 氯与的刭阵筵写为 则式( 3 - 6 ) ，& ，长。 -+ ， i s f 】 包) = ) 魏票嗡】霹遂，上式寿灌一解 裂 以 - 【s 】- i 岛 = ；一瓤； 根据观测资料，x l tx 2 一，y ，；t = 1 , 2 ，”； 求出s 。，篷，s , y 那么由式( 3 6 ) 或式 3 1 0 ) 求 搿式( 3 1 2 ) 求出b o 。霞鼗，求得霞扫方程 ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 一1 1 ) k 。用式( 3 - 7 ) 可 如红8 = 1 , 2 ，k ) 。然后， 、，t，；，j ；| 墨 r，、；，；l | 1 、ll_、，i，lllj 鼽如。敬 k“瓣疆 & 一&墨墨一受 。日 = & 墨是一 -。，。，。l | l ，l 岛 ， 、lilil、rj 函跏& ，il，-l-j、1。，l = 扣 s 瓠如壤 一一 j 卜 为 他 鹪 4 第三章蕉本理论 萝= + b , x 。 ( 3 1 3 ) i = l 3 1 3 霞织方程鹃骞效镶察赣褒 回归方程只有其计算值与实测值的拟合以及预报值谯一定精度的条件下才 麓有效。衡量有效桎和精度的主黉指标裔复福关系数和标准差f 3 3 1 。下面讨论萁 计算公式。 ( 一) 离差平方和、剩余平方和以及回烟平方和 在鼹测数撂孛，毽变量y 是爱纯教，y 取僮瓣这耱波动瑷蒙嚣建交菱。对每 次观测值_ y ，变蒺的大小用卫与平均值歹的差来袋示，则( 只一歹) 称为离差。 棚欠观测值的总变差可由这些离蓑的平方和 勘= 积一习2 ( 3 一1 4 ) t - i 来表示。 分解上式得到 - - z c v , 一- ) 2 = ( 一多) 2 + 一_ ) 2 ( 3 1 5 ) f - lf-忙l 记 #k 窖= ( 只一多) 2 = 嘞一魏 ( 3 一1 6 ) u = 6 一习2 = 岛s ( 3 1 7 ) t = l一1 窥义：0