（水工结构工程专业论文）基于实测资料的混凝土坝变形监控及性态分析非线性模型研究.pdf

摘要 本文针对混凝土坝变形监控及性态分析问题，基于实测资料，应用d n a 遗 传算法、支持向量机和突变理论等现代数学理论和方法对其进行了深入的研究， 建立了混凝土坝变形监控及性态分析的非线性模型。主要研究内容有： ( 1 ) 研究了混凝土坝变形监控组合模型的建模方法，并对d n a 遗传算法 进行了改进，据此确定了混凝土坝变形监控组合模型中的权系数，建立了相应的 组合模型。 ( 2 ) 研究了混凝土坝变形时空分布预测模型的建模理论，利用改进的d n a 遗传算法和缸折交叉验证方法优选了最小二乘支持向量机的模型参数，在建模因 子的主成分分析和混凝土坝变形场的经验正交函数展开的基础上，建立了混凝土 坝变形的主成分最小二乘支持向量机时空分布预测模型和基于经验正交函数展 开的最小二乘支持向量机时空分布预测模型。 ( 3 ) 利用混凝土坝变形场对混凝土坝变形性态进行了分析，提出了用变形 “形心 的位移综合分析混凝土坝整体变形性态的方法，并基于最小二乘支持向 量机建立了变形“形心”位移的预测模型；与此同时，提出了利用空间型方差贡 献率相关系数、空间型方差贡献率熵和空间型相关系数均值等变量来综合分析混 凝土坝变形性态变化的方法。 ( 4 ) 研究了混凝土坝变形趋势性分量的提取问题，提出了利用经验模态分 解提取大坝变形趋势性分量的方法，并实现了从大坝变形监测资料中提取趋势 项；此外，还探讨了趋势性分量提取中的两个关键技术问题。 ( 5 ) 基于变形监测资料对混凝土坝的稳定性进行了分析，将大坝变形趋势 性分量作为大坝系统演化的状态变量，用尖点突变平衡曲面方程对其进行优化处 理，据此建立了混凝土坝稳定的尖点突变分析模型。 关键词：混凝土坝、变形监控、性态分析、非线性模型、实测资料 a b s t r a c t b a s e d0 nm o n i t o r n gd a t a ，t h em o n i t o r i n g 锄dc h a r a c t e r i s t i c so fc o n c r e t ed 锄d e f o m a t i o n a r ed e 印l ys t u d i e db yu s i n gd n ag p n c t i ca l g o r i t i l m s ，s u p p o nv e c t o rm a c h i n e ，c a t 罄t r o p h et h e o q 锄de t c t h em a i nc o n t e n t sa r e 笛f o l l o w s ( 1 ) 1 1 1 em o d e l i n go fc 啪b i n e dm o d e io fc o n c r c t ed a i i ld e f 0 珊a t i o nm o n i t o f i n gi ss t u d i e d 黼也t l l ed n a g e n e t i ca 1 9 0 m h m sb e i n gi m p r o v e d ，t i ew e i g h tc o e 衔c i e n t so f t h ec o m b i n e dm o d e l a r ed e t e 肿i n e d a n dm u s t h ec o m b i n e dm o d e li se s t a b l i s h e d ( 2 ) t h em o d e l i n go fs p a c e - t i m ep r e d i c t i n gm o d e lo fc o n c r e t ed 锄d e f o m a t i o ni ss t u d i e d n ep 觚吼e t e r so fl e a s ts q u a r e ss u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ( l s - s v m ) a r ed e t e 咖i n e db yu s i n gt h e i m p r o v e dd n ag e n e t i ca l g o t h m s 锄dk - f o l dc r o s sv a l i d a t i o nm e t h o d b a s e do nt h e 砸n c i p l e c o m p o n e n t 锄a l y s i s ( p c a ) o fm o d e l i n gf a c t 0 i 苫粕dt h ee x p a n s i o no fc o n c r e t ed 绷d e f o m a t i f i e i dw 淌e m p i r i c a lo n h 0 9 0 n a l 觚c t i o n s ( e o f ) ，t l l ep c a l s s v ms p a c e t i m ep r e d i c t i n gm o d e l a n dm ee o f l s s v ms p a c e - t i m ep r e d i c t i n gm o d e lo fc o n 嘲ed 锄d e f o 咖a t i o na r ee s 诎l i s h e d ( 3 ) 1 h ei n t e g r a l c h 盯a c t e r i s t i c so fd e f 0 咖a t i o n 础a 1 1 a l y z e db 瓠c d0 nc o n c r e t ed a l n d e f o 眦a t i 册f i e l d am e t h o da n a l y z i n gt i 圮i n t e g 脚c m l m c t e r i s t i c so fc o n c r e t ed 踟d e f o m a t i o n w i t in l ed i s p l a c e m e n to ft h ec e n t r o i do fd e f 0 咖a t i o ni s p r o p o s e d ap r e d i c t i n gm o d e lo f 也e d i s p l a c e m e n t0 ft h ec e 曲o i di se s 诅b l i s h e d a tt h es 锄et i m e ，am e t l l o da 1 1 a l y z i n gt h ec h a n g eo f t 1 1 ei 螂lc h a 豫c t e r i s t i c s0 fc o n c r e t ed a r nd e f o 咖a t i o nw 池t l l ec o 仃e l a t 0 nc o e 塌c i e m 锄d 龇 e n t n d p yo ft l l e 谢觚c ec o n 雠b u t i o no fs p a t i a lp a n e m s 锄dn l em e 觚o f t 1 1 ec o 盯e l a t i o nc o e 伍c i e n t o fs p a t i a lp a 眭e m si sp f o p o s e d ， ( 4 ) t h ea b s 自r a c t i o ft l l et r e n do fc o n c r e t ed a md e f o n 】f l a t i o ni ss t u d i e d am e t h o d a b s 仃a c t i n gt h e 仃e n db yu s i n gt h ee m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s t i o n ( e m d ) i sp r o p o s e d a n dm e 喇t i c a li s s u e s0 ft h ea b s t f a c t i o no ft h e 仃e n da r ed i s c u s s e d ( 5 ) ms t a b i l 时o fc o n c r e t ed 锄i sa 1 1 a l y z e d b a s e d0 nt h em o n i t o r i n gd a 诅o fd e f o n l l a t i b y 他g a r d i n g 也e 仃e n do fd e f o 册a t i o n 弱as t a t ev a r i a b l eo fd 锄a n d 叩t i m 汤n gi tw 弛l l l e e q u i l i b r i u ms u 沁ee q u a t i o no ft l l ec u s pc 我嘞唧h e ，ac u s pc 蝴p h ea n a l ”i cm o d e lo ft 1 1 e s t a b i l i 够o fc 0 n c r 跑d 锄i se s 例b l i s h e d k e yw o r d s ：c o n c r c t cd 踟，d e f 0 姗a t i o nm i t 嘶n 吕c h a 豫c t e r i s t i c s 觚a l y s i s ，n o i l l i n e 盯m o d e l ， m 砌t o r i n gd a 协 1 厶j l 刖吾 我国共修建了8 5 万多座堤坝，这些工程在国民经济建设和保护人民的生命 财产安全中发挥了巨大的作用，是我国国民经济的重要基础设施。大坝在各种荷 载作用下，各类损伤机制( 物理的、化学的) 会不断发生、发展积累，使得结构 产生老化，影响大坝的正常运行。为了监控大坝的安全，应对大坝的安全监测和 检查资料进行全面的分析，以便了解大坝的工作性态。就大坝而言，水压、温度、 渗流以及周围环境等作用，具有明显的非线性特征；在这些非线性荷载作用下， 大坝的工作性态也呈明显的非线性特征，非线性特性是分析评价大坝健康状况的 主要依据。大坝的变形状况综合反映了大坝在各种荷载作用下的结构变化性态。 本文结合国家重点基础研究发展计划课题“多因素相互作用下地质工程系统的整 体稳定性研究”( 2 0 0 2 c b 4 1 2 7 0 7 ) ，基于实测资料，应用d n a 遗传算法、支持向 量机和突变理论等现代数学理论和方法，对混凝土坝的变形监控及性态分析问题 进行了深入的研究。取得以下主要创新成果： ( 1 ) 研究了混凝土坝变形时空分布预测模型的建模理论，建立了混凝土坝 变形场的主成分最小二乘支持向量机时空分布预测模型和基于经验正交函数展 开的最小二乘支持向量机时空分布预测模型。 ( 2 ) 利用混凝土坝变形场，对混凝土坝整体的变形性态进行了分析，提出 了用变形“形心 的位移综合分析混凝土坝整体变形性态的方法，并建立了相应 的非线性预测模型；此外，还提出了利用空间型方差贡献率相关系数、空间型方 差贡献率熵和空间型相关系数均值等变量来综合分析混凝土坝变形性态变化的 方法。 ( 3 ) 研究了混凝土坝变形趋势性分量的提取问题，提出了利用经验模态分 解提取大坝变形趋势性分量的方法；并将大坝变形趋势性分量作为大坝系统演化 的状态变量，用尖点突变平衡曲面方程对其进行优化处理，据此建立了混凝土坝 稳定的尖点突变分析模型。 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) ： 谚年午月岬日 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( 含万方数据库) 、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) ： 焖年中月吖日 1 1 研究目的和意义 第一章绪论 我国共修建了8 5 万多座堤坝，这些工程在国民经济建设和保护人民的生命 财产安全中发挥了巨大的作用，是我国国民经济的重要基础设施。随着坝工理论 和技术的不断发展和完善，在国家投入和水资源开发力度不断加大以及西部大开 发战略的逐步实施和国家电力能源结构调整的推动下，我国掀起了新一轮的水利 工程建设高潮，大坝的规模向着高、大型方向发展，如己建成的龙羊峡拱坝、二 滩拱坝、三峡大坝，近期正在开发建设的澜沧江小湾拱坝、金沙江溪洛渡拱坝、 锦屏一级拱坝等( 详见表1 1 1 ) 。这些大坝由于坝高库大，坝址所在地区地形地 质条件复杂，环境恶劣，一旦失事将产生灾难性的后果，安全问题十分突出，对 大坝的设计、施工、运行管理和安全监控等工作提出了新的挑战。 表1 1 1 我国已建和在建的1 5 0 m 以上混凝土坝统计表 坝高库容装机容量 坝名状态河流坝型 ( m )( 1 0 8 m 3 )( m w ) 锦屏一级在建雅砻江混凝土双曲拱坝3 0 57 7 63 6 0 0 小湾在建澜沧江混凝土双曲拱坝2 9 21 5 1 3 24 2 0 0 溪洛渡在建金沙江 混凝土双曲拱坝 2 7 81 2 6 7 1 2 6 0 0 拉西瓦在建 黄河混凝土双曲拱坝 2 5 0 1 0 7 94 2 0 0 二滩已建雅砻江 混凝土双曲拱坝 2 4 0 5 8 o3 3 0 0 构皮滩在建乌江混凝土重力拱坝2 3 2 56 4 5 l3 0 0 0 龙滩在建红水河碾压混凝土重力坝2 1 6 52 7 2 7 5 4 三峡已建长江 混凝土重力坝 1 8 l3 9 3 o 1 8 2 0 0 德基 已建大甲溪混凝土双曲拱坝 1 8 0 2 3 22 3 4 龙羊峡已建黄河混凝土重力拱坝 1 7 8 2 7 6 31 2 8 0 乌江渡已建乌江混凝土重力拱坝1 6 52 1 4 6 3 0 向家坝 在建 金沙江 混凝土重力坝 1 6 25 1 6 3 6 0 0 0 东风 已建乌江混凝土双曲拱坝 1 6 2 1 0 2 5 5 1 0 东江 己建耒水混凝土双曲拱坝1 5 79 1 4 8 5 0 0 李家峡已建 黄河混凝土双曲拱坝 1 5 5 1 6 52 0 0 0 隔河岩 已建清江混凝土重力拱坝 1 5 l 3 4 0 1 2 1 2 河海大学博士学位论文 由于大坝的工作条件十分复杂，荷载、计算参数、边界条件、计算模型等还 难以精确模拟，使目前水工设计和结构计算难以做到与工程实际完全吻合；而且 由坝体、基岩和周围环境等组成的大坝系统作为一个复杂的动力系统，是在不断 发展演化的。大坝在各种荷载作用下，各类损伤机制( 物理的，化学的) 会不断 发生发展积累，使得结构发生老化，影响大坝的安全正常运行。因此，为了监控 大坝的安全，就必须对大坝进行全面的安全监测和检查，并及时整理分析原型监 测资料，分析和反分析大坝的运行状态。大坝等水工建筑物及其基础的监测可以 达到三个目的i l 】：其一是监视建筑物在初次蓄水期间以及随后长期运行的安全； 第二是施工过程中不断反馈，提高设计和施工水平；第三是通过实际工作性态的 反分析，检验设计和施工，为提高和修正水工设计理论提供科学依据。总之，原 型监测的主要目的是监控大坝等水工建筑物的安全。 大坝在水压、温度、渗流以及周围环境等多种因素的相互作用影响下，具有 明显的非线性特征，特别是对于2 0 0 m 以上级的特高坝，在巨大的水荷载作用下， 再加上复杂的地质条件，非线性特征更加明显，从而使得原型监测资料序列呈现 出非线性和非平稳性，环境量和效应量间也呈复杂的非线性关系。2 0 世纪7 0 年 代以来，非线性科学的发展极大地推动了工程科学的发展，为解决工程科学中的 非线性问题提供了新的思路和手段，研究应用这些新理论和新方法以更好的解决 大坝安全监控中的工程问题具有重要的实用价值和学术意义。 大坝监测的主要项目有：变形、应力应变、接缝开度、温度、水位、扬压力 ( 或测压孔水位) 、渗流量以及水质等。大坝的变形综合反映了大坝在各种荷载 作用下的结构变化性态，而且变形监测直观可靠。因此，变形监测被视为最重要 的监测项目之一，对变形监测资料的分析也就成为最重要的分析内容之一。本文 将d 1 蛆遗传算法、支持向量机、经验正交函数展开、经验模态分解、突变理论 等现代数学理论和方法应用于大坝安全监控之中，基于实测资料，对混凝土坝的 变形监控及性态分析问题进行了研究。 1 2 研究现状 1 2 1 监测资料分析 由实测资料建立数学监控模型是监测资料分析的主要任务之一。数学监控模 型经历了较长的发展历史，而且正处在发展阶段。国外在2 0 世纪5 0 年代以前主 2 第一章绪论 要对监测值作定性分析。1 9 5 6 年，意大利的t o n i n i 【2 j 首次将影响大坝位移的因素 分成水压、温度、时效三部分，并对水压分量、温度分量均以三次多项式来表示。 x e r e z 等( 3 】( 1 9 5 8 ) 采用气温作为温度因子，并取观测前不同天数的平均气温来 分析c a s t e l o 拱坝的监测资料。r d c h a 等1 4 j ( 1 9 5 8 ) 采用大坝横断面各层平均温度 和温度梯度作为温度因子，并以函数式来表示水位因子。s i l v e r a 【5 】( 1 9 6 4 ) 引入 了幂函数来表示时效变化。中村庆一等【6 j ( 1 9 6 3 ) 采用回归分析法分析大坝实测 资料，并筛选出显著因子，以建立最优的回归方程。w i d m 锄【7 】( 1 9 6 7 ) 认为对 大坝有影响的温度是气温，而气温的影响包括年平均气温及观测时的温度偏离年 平均气温两方面，对于水荷载影响还应考虑水位的上升、下降过程。w m m 【8 j ( 1 9 6 7 ) 对水压、时效分量使用多项式形式。b o m l d i 等【9 】( 1 9 8 0 ) 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。m a r a z i o 等【1 0 l ( 1 9 8 0 ) 首先用有限元法计算水压、温度、 时效分量，然后建立回归模型。p e d r o 等【l l 】( 1 9 8 4 ) 采用定量和定性分析相结合 的方法对监测序列建模。g u e d e s 【1 2 】( 1 9 8 5 ) 应用多元线性回归( 高斯一马尔柯夫 概率函数模型) 来拟合原因量与效应量的关系，这种方法能分离各个分量，并且 能确定原因量和效应量的最佳经验公式。gg o m e z l 砚等【1 3 】( 1 9 8 5 ) 首先提出了 混凝土坝坝基渗流量和扬压力的确定性模型。p u r e r 等【1 4 1 ( 1 9 8 6 ) 提出了用混合 回归模型来分析k o p s 拱坝的监测资料，此模型的特点是在因子中增加某因变量 的前期值作为自变量参加回归分析，其结果表明其残差比一般回归可减少5 0 ， 复相关系数也有所增加，因而提高了回归精度。k a l k a l l i 等【1 5 1 ( 1 9 8 9 ) 采用多项 式回归模型来分析k r e l n a s t a 拱坝渗压计测得的数据。其他许多学者也在数学监 控模型方面做了一些研裂1 睨3 1 。 在我国，对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，并通过绘制过程线和最大、最小等简单特征值的统计来分析大 坝的健康性态。2 0 世纪7 0 年代以后，在河海大学陈久宇教授等倡导下，应用统 计回归分析原型监测资料，并将分析成果加以物理成因的解释1 2 4 j 。2 0 世纪8 0 年 代中期，吴中如等【2 5 】从徐变理论出发推导出了坝体时效位移的表达式，用周期函 数模拟温度等周期荷载，并用非线性最小二乘法进行参数估计。吴中如等f 2 6 1 提出 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应用。河海大学【2 7 】于 1 9 8 5 年首先将确定性模型的理论用于佛子岭连拱坝结构性态分析，取得较好的 效果。李旦江1 2 8 】将混合模型应用在拱坝原型资料分析中。 河海大学博士学位论文 综合起来，传统的大坝监控模型主要有：统计模型、确定性模型和混合模型。 近些年来，在国内外许多学者的不断探索和研究下，大坝的安全监控分析模型获 得了长足的发展，除了对传统监控模型进行改进外，许多新的模型被不断提出。 ( 1 ) 传统监控模型的改进 传统的监控模型采用最小二乘法进行回归参数的无偏估计。然而，最小二乘 回归分析是建立在模型因子间不存在密切线性关系的假定基础上的2 9 1 。实际上， 在影响大坝安全监测变量的各类因子之间，往往存在着一定程度的线性或近似线 性相关性，也称多重共线性【3 0 1 。这种因子之间的多重共线性会导致回归分析的正 则方程组出现严重病态，从而使最小二乘法的参数估计不稳定，回归效果也因此 降低f 3 1 弓5 1 。针对这一问题，很多学者提出了许多改进方法，主要有主成分回归法 【3 6 】、偏最小二乘回归法f 3 7 ，3 8 】和岭回归法【3 9 】等。主成分回归首先将参与建模的自 变量因子提取主成分，以消除原自变量因子间的多重共线性，然后建立效应量与 主成分之间的主成分回归方程；偏最小二乘回归集多元回归分析、主成分分析和 典型相关分析于一体，在建立回归方程时，考虑了自变量对因变量的解释问题； 岭回归通过将系数矩阵加上一个正常数矩阵以降低其奇异性，从而改善回归性 能。 对常规模型的其他改进有如：郑东健、顾冲时等在文献【4 0 】中通过融合回归 分析和递推模型的优点，建立了实测资料序列的多因素时变预测模型，又在文献 4 1 】中针对运行期大坝补强加固、监测系统更新改造等措施常对监测系统造成干 扰，从而，在大坝监测资料分析时，常遇到监测资料的基准不同等问题，提出用 指示变量数值模型来模拟并分离各种系统干扰的影响量值；还有如基于加权最小 二乘法的加权回归模型1 4 2 1 和门限回归模型【4 3 】等。 ( 2 ) 时序分析模型 水工建筑物监测物理量的实测资料实际上是一个时间序列。运用时间序列的 一些分析方法对监测资料进行分析主要有建立预测模型、提取时效( 或趋势) 分 量和频谱分析三个方面。 时序预测模型 建立监测数据的时序预测模型的基本思路是，首先从数据序列中识别和提取 趋势函数项并建立其预测模型；然后，将提取了趋势函数项后的剩余部分视为一 平稳随机过程，利用时间序列分析方法建立其预测模型；最后将两者的预测值相 4 第一章绪论 加既得预测结果。趋势函数项的提取有多种方法，如利用传统的监控模型f 删，利 用灰色模型【4 5 1 和神经网络模型闱等。时间序列分析模型主要有自回归模型( a r ) 、 滑动平均模型( m a ) 和自回归滑动平均模型( a r m a ) 等。 时效( 或趋势) 分量的提取 在传统的监控模型中，时效分量一般是事先选择好与时间有关的因子形式。 由于时效因子是事先拟定的，带有一定的人为影响，有时不能准确反映时效的变 化规律。鉴于此，一些学者将测值序列看成一个由不同频率成分组成的数字信号 序列，用时频分析方法提取监测数据中的趋势性分量。李珍照等【4 7 1 应用数字滤波 法分离测值中的时效项。小波分析是近年来发展起来的一种针对非线性非平稳信 号的分析方法，在许多领域得到了应用h 8 境】。徐洪钟【5 3 1 利用小波多分辨率分析从 监测数据中提取了趋势性分量。 监测资料的频域( 或时频域) 分析 传统的监测资料分析方法只在时域内进行，对时间序列的分析还可以从频域 或时频域进行分析，一些学者尝试从频域或时频域对监测资料进行分析【5 4 - 5 7 1 。但 这方面的研究成果尚不多，目前主要是利用f o u r i e r 变换对监测数据进行频谱分 析以及对环境量和效应量间的相关分析。 ( 3 ) 神经网络预测模型 人工神经网络是一种基于模仿大脑神经网络结构和功能而建立的新型信息 处理系统，是由大量的简单处理单元连接而成的自适应非线性动力学系统，具有 大规模的并行处理、分布式的信息存储、自适应、自组织和自学习功能以及良好 的非线性映射能力。人工神经网络作为一种人工智能分析方法，近年来在水文、 地下水、岩土工程等领域得到了成功应用f 5 8 钢，并逐渐被用于大坝安全监控领域。 赵斌【6 3 】将温度、水压、时效因子作为网络的输入，大坝的水平位移作为网络的输 出，利用b p 神经网络建立了大坝位移的神经网络预测模型；陈继光等【删应用模 糊神经网络建立了大坝位移的预测模型；苏怀智等1 6 5 】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；邓念武等f 6 6 j 通过综合应用偏最 小二乘回归分析方法和神经网络分析方法，建立了大坝监测资料分析的偏最小二 乘神经网络模型；赖道平等【明利用e l l l l 锄回归神经网络建立大坝位移的监控模 型，拟合效果与预报效果好于b p 神经网络和统计模型；徐洪钟等【6 8 1 提出了确定 5 河海大学博士学位论文 水压、温度、时效分量在效应量中所占比例的神经网络法。 ( 4 ) 支持向量机预测模型 、邯n i k 和c o n e s 等于2 0 世纪9 0 年代在统计学习理论( s t a t i s t i c a ll e a n l i n g t h e o 巧，简称s l t ) 的基础上提出了一种通用的学习算法支持向量机方法 ( s u p p 叫v e c t o rm a c h i n e ，简称s v m ) 【6 9 - 7 1 1 。与传统机器学习方法不同，支持 向量机采用结构风险最小化( s t m c t u r a l s km i n i m i z 撕o n ，简称s i u ) 准则。该 方法表现出的优良特性及其许多成功的应用，使得学者们开始迅速重视这一学术 方向，并在理论研究和算法实现方面取得了很大的进展【7 2 。7 6 1 。由s u y k e n s 等提出 的最小二乘支持向量机( l e a s ts u p p o r tv e c t o rm a c l l i n e ，简称l s s v m ) 【7 7 7 9 1 是标 准支持向量机的一种扩展。支持向量机在解决小样本、非线性及高维模式识别问 题中表现出许多特有的优势，这些优势能够被推广应用到函数拟合等学习问题 中，在许多领域得到了广泛应用【8 瞄9 】。支持向量机在大坝安全监控领域也逐渐得 到了一些应用。康飞等【9 0 】将支持向量机应用于贮灰坝的渗流监测中，建立了预测 模型；宋志宇等【9 l 】将混沌优化技术应用到支持向量机参数优化中，建立了基于混 沌优化支持向量机的大坝安全监控预测模型；姜谙男等陬1 采用粒子群快速优化支 持向量机的模型参数，建立了大坝渗流的支持向量机预测模型。支持向量机在大 坝安全监控领域中的应用才刚刚开始，目前建立的也都是针对单测点的预测模 型，还有许多值得继续研究的地方。 ( 5 ) 混沌预测模型 2 0 世纪6 0 年代以来，混沌研究的进展【9 3 母5 1 无疑是非线性科学最重要的成就 之一。混沌是指确定性非线性系统中出现的一种貌似无规则、类似随机( 内在随 机性) 的现象。混沌的发现将确定性系统和类似随机的过程之间搭起了桥梁。近 年来，混沌理论在大坝安全监控领域得到了一些应用。汪树玉等1 9 6 j 利用混沌理论 对大坝监测资料进行了分析，指出大坝监测序列中存在混沌现象；徐洪钟【5 列利用 混沌理论对大坝监测序列进行了深入的分析，计算了其关联维数、l y a p m l o v 指 数和k o l i n o g o r o v 熵等混沌特征量，提出了大坝监测序列的逐步回归一自回归、 逐步回归一局域回归相空间监控模型和基于神经网络的相空间监控模型；李富强 即j 基于混沌动力系统相空间的重构，对大坝变形回归模型的残差序列采用二阶伏 尔托拉滤波器建立模型，建立了大坝变形监测数据的预测模型；包腾飞1 9 3 1 利用混 沌理论对混凝土裂缝监测序列进行了深入的研究，计算了裂缝动力系统的混沌特 6 第一章绪论 征量，提出了混凝土坝裂缝开度的全域近似统计与混沌混合预测模型、局域近似 统计与混沌混合预测模型和基于最大l y a p u l l o v 指数的统计与混沌混合预测模 型。 ( 6 ) 灰色预测模型 灰色系统( g r e ys y s t e m ，简称g s ) 理论【别是研究即含有已知信息又含有未 知或不确定信息的系统的理论，由我国学者邓聚龙教授于1 9 8 2 年在国际上首先 提出来。由坝体和坝基组成的大坝也是一个灰色系统【l 】。一些学者将灰色系统理 论应用于大坝安全监控领域中，建立了大坝监测效应量的灰色预测模型。齐长鑫、 汪树玉【1 嗍应用灰色系统理论对坝基位移监测序列进行了分析，提出了等维新信 息模型存在着最佳维数区这一观点，建立了各种位移预测灰色模型：尹晖等【1 0 i 】 提出了一种引入实时新信息的等维灰数递补组合动态预测方法；刘国华等1 0 2 】采 用自适应m g m ( 1 ，n ) 模型建立了土石坝沉降预测的多变量灰色预测模型；黄 铭等【1 0 3 】采用填筑高度和等效高度作用因子为相关序列，建立了土石坝沉降一填 筑灰色监测模型。 ( 7 ) 模糊预测模型 1 9 6 5 年l a z a d e h 创立了模糊集合论【1 嗍，为描述与处理事物的模糊性和系 统中的不确定性，模拟人的模糊逻辑功能，提供了强有力的工具。模糊数学已经 逐渐形成了一个新的数学分支，它是基于事物本身的模糊性，即某种概念的不确 定性而建立起来的科学。将大坝各监测物理量间的关系视为一种模糊关系，一些 学者用模糊聚类分析、似然推理法和综合评判法对大坝的位移及安全度进行分析 并建立了相应的模型。陈鸣钊、张志烈1 0 5 1 应用多因素假言推理方法建立了大坝 位移的模糊数学预测模型；贾彩虹、顾冲时【1 响应用灰色关联度和模糊聚类分析 原理，对坝基扬压力进行了预测分析。 ( 8 ) 动态预测模型 考虑到大坝系统的非平稳性响应，如水位骤变、温度骤降等因素对大坝的影 响，一些学者探讨了大坝监测资料的动态分析方法。汪树玉等【1 0 7 l 引入贝叶斯预 测方法，建立了贝叶斯线性动态模型。卡尔曼滤波是一种对动态系统进行实时数 据处理的有效方法，一些学者利用卡尔曼滤波法建立了大坝监测资料的动态预测 模型。陆付民等【1 0 8 ，1 嗍分别利用基于模型筛选法的卡尔曼滤波法和顾及多个因子 的卡尔曼滤波对大坝变形进行了分析。 7 河海大学博士学位论文 ( 9 ) 组合预测模型 所谓组合预测就是将不同的预测模型以适当的加权平均形式组合起来，以综 合利用各种预测方法所提供的信息，从而提高模型的拟合和预测精度。1 9 6 9 年， b a t e s j m 和g 瑚g e r c w j 1 1 1 川首次对组合预测方法进行了系统的研究，引起了预 测学者的重视。自2 0 世纪7 0 年代以来，组合预测的理论和方法得到了国内外学 者的进一步研究，取得了一系列研究成果【l l l 小4 1 。在大坝安全监控领域，由于坝 体、坝基和环境等所构成的大坝系统的复杂性，有时用单一模型进行分析并不能 取得令人满意的结果，一些学者开始探索用几个单一模型的线性或非线性组合来 建立组合预测( 监控) 模型。刘祖强f 1 1 5 】通过拉格朗日乘数的强制最小，导出了 用于线性组合单个模型的权系数向量的估计公式，建立了组合模型；何薪基等【1 1 6 1 采用最优加权法配合参数优化建立了组合预测模型；赖道平等【1 1 刀通过放松权重 之和等于l 的约束条件，采用模拟退火算法搜索最优权重建立了组合模型；苏怀 智等【1 1 8 】利用小波网络构造模型的优化组合函数，实现了对不同的大坝安全监控 子模型的非线性组合。 ( 1 0 ) 多测点、多维监控模型 上述各种模型主要是针对单个测点的效应量序列建立的，这种模型在评估大 坝的工作性态和实施安全监控上发挥了重要的作用。但是，单测点模型没有考虑 测点所处的位置及各测点间的相互联系，难以反映在任何荷载组合作用下的空间 位移场，存在一定的局限性，尤其是对于拱坝这种空间整体结构。针对上述问题， 一些学者在单测点模型的基础上，研究和发展了多测点模型和多维模型。吴中如、 顾冲时等【1 1 9 1 2 0 】从场论理论出发，应用幂级数的处理方法，引入测点的空间坐标 变量，提出了混凝土坝空间位移场的时空分布模型，从而将单测点一维模型拓宽 至空间三维，从工程实例可看出，该模型具有及时监测位移场的优点；李珍照等 【1 2 1 】提出了重力坝变形一维、二维多测点模型，主要研究了水压、温度和时效各 影响分量的构造，并把单测点确定性模型扩展为空间多测点确定性模型【1 2 2 】；张 进平【1 2 3 1 、杨代泉1 2 4 1 等人也提出了位移分布模型，用于监测大坝的原型性态；黄 铭等【1 2 5 1 采用逐步回归法，综合多个测点的位移向量监测信息，建立了多测点位 移向量统计模型。 ( 1 1 ) 整体分析模型 大坝效应量的每一个监测数据反映了建筑物整体性态的部分信息，这些数据 8 第一章绪论 是彼此相关、互相影响的，一些学者提出了对监测数据进行整体分析的方法。汪 树玉【1 2 6 1 、黄张裕【1 2 7 】等应用因素分析法对大坝监测数据进行了整体分析，从中提 取与概括出关键因素来描述大坝的运行性态与特征；邓兴升、王新洲1 2 8 1 针对单 点变形分析的局限性提出了整体变形分析的等值线法。对监测数据进行整体分 析，目前的研究成果还比较少，还需进一步的研究。 1 2 2 稳定分析 工程稳定问题一直是工程建设中最为关心的问题之一。目前，稳定分析主要 有数值分析方法、地质力学模型试验和基于动力系统的分析方法。 1 2 2 1 数值分析方法 工程稳定的数值分析方法主要有两类：刚性体方法和变形体方法【1 2 9 ，1 姗。 ( 1 ) 刚性体方法 刚性体方法假定被结构面切割的可能滑动的坝基或坝肩岩体为刚体，不考虑 其变形，根据静力平衡条件确定其稳定安全系数。该方法理论成熟、概念清晰、 计算简单，为过去和现阶段的工程所普遍采用并积累了丰富的经验，且规范内有 与方法相配套的容许安全系数。然而该方法比较粗略，只考虑了平衡条件，没有 计及变形，且引入了一些假定，采用的岩体物理力学模型属于“刚塑性，因此， 在大坝稳定性分析方面还有其不足之处。 ( 2 ) 变形体方法 变形体方法考虑了研究对象的变形，根据数值计算得到的位移场和应力场研 究其稳定性。按照研究方法的不同，变形体方法可分为直接法和间接法两种【1 3 0 】。 直接法是在正常情况下，计算所研究系统的位移场和应力场，假定某个滑移 面，经积分运算得到滑移面上的滑动力和抗滑力，由极限平衡公式直接计算大坝 的稳定安全系数。利用直接法计算大坝稳定安全系数需事先确定岩体的滑动面和 滑向，不同的滑动面和滑向经计算得到的稳定安全系数往往不同，尤其是对于没 有明显滑动面的坝肩岩体，不易确定其最危险滑动面和滑向。针对这一问题，卓 家寿等【1 3 1 1 计入几何非线性效应，通过计算体系在最不利干扰位移场下的干扰能 量值，画出整体干扰能量的等值面( 线) ，得出最小值的曲面( 线) 便是该系统 9 河海大学博士学位论文 潜在的滑动面，而滑面上最不利干扰位移场的合位移矢量便是最危险的滑向。 间接法是模拟某种破坏模式，使大坝系统达到极限平衡状态，通过与正常状 态之间的比较确定系统的整体安全度。按采用的破坏模式的不同，间接法可分为 超载法和强度储备法。超载法通过不断加大荷载，直到大坝失稳破坏，破坏时的 荷载倍数即为大坝稳定安全度，称为超载安全度；强度储备法通过不断降低材料 强度，直到大坝失稳破坏，失稳破坏时强度降低的倍数即为大坝稳定安全度，称 为强度储备安全度。利用间接法计算大坝稳定安全度需要大坝失稳破坏的判据， 目前常用的判据主要有【12 9 】：收敛性判据：在进行弹塑性分析过程中，在排除 其他原因后，确实是由于塑性区太大引起的迭代计算不收敛，可以作为系统失稳 的判据；突变性判据：任何能够反映系统状态突变的现象都可以作为失稳判据。 利用间接法计算大坝稳定安全度，不同的计算方法( 超载法或强度储备法) 、不 同的失稳破坏判据得出的大坝稳定安全度往往是不同的，这给安全度的确定带来 了一定的困难。而且，由于用超载法和强度储备法使大坝破坏并不一定是大坝实 际的破坏模式，因此，得到的安全度并不是大坝真正的安全度，只能作为一个大 坝安全度的参考值。 有限元法可以模拟岩体的地质构造和物理力学特性，是应力应变分析的强有 力工具，被广泛应用于工程的稳定分析中。有限元法是一种适用于连续介质的数 值计算方法。实际上，坝肩和坝基岩体由于存在着各种结构面，是一种非连续介 质。由此，随着计算力学和计算机科学技术的发展，一些适用于非连续介质的数 值计算方法被提了出来，如块体元法、刚体元( 弹簧元，界面元) 法、离散元法、 非连续变形分析方法和数值流形法等。其中，数值流形方法是利用现代数学中流 形分析的有限覆盖技术而建立起来的一种数值计算方法，该方法使得连续体、非 连续体的整体平衡方程都可以用统一的形式来表达【1 3 2 l 。这些方法很快被应用到 工程稳定分析中【1 3 3 。3 7 1 ，为更好的分析工程的稳定性提供了新的思路。 1 2 2 2 地质力学模型试验 2 0 世纪7 0 年代发展起来的地质力学模型试验可以较好的了解大坝及坝基的 破坏过程，是一种比较直观的分析方法。利用地质力学模型可以研究未来大坝的 状态，特别是当前理论分析所难以解决的问题，一般可以起到以下几方面的作用 【1 3 8 】：分析地质构造在大坝稳定中的作用；研究大坝与地基的相互作用及共 同作用：加固地基措施的研究；大坝破坏机制研究。地质力学模型试验需要 l o 第一章绪论 解决相似律问题，包括几何、结构、材料、荷载和物理力学规律等的相似。但由 于目前材料和试验技术等一些原因，还无法做到完全满足相似性要求。目前，地 质力学模型试验主要存在以下一些不足之处【1 3 9 l ：难以考虑各种非线性的影响； 难以找到能够完全地按相似律的要求来模拟坝体混凝土和坝基的模型材料； 加载方式问题；温度和渗透压力等荷载难以施加；结构模型试验周期长，费 用高。因此，如何更好的解决上述问题还值得进一步的研究。 1 2 2 3 基于动力系统的稳定分析方法 大坝和边坡系统等实际上是一个随着时间不断发展演化的动力系统。近年 来，一些学者从动力系统的角度对工程稳定问题进行了研究，归纳起来主要有： 基于分形、混沌理论的稳定分析方法；基于运动稳定性理论的稳定分析方法和基 于突变理论的稳定分析方法等。 ( 1 ) 基于分形、混沌理论的稳定分析方法 分形是状态方程以某种方式与整体相似的特性。混沌理论则研究非线性系统 内在随机性所具有的特殊规律性。目前，运用分形、混沌理论研究大坝和边坡系 统的稳定性主要是通过计算分形和混沌的一系列特征量来进行判别。吴中如、潘 卫平在文献【1 4 0 】中提出了通过建立边坡的关联维数和r e n y i 熵来判断岩土边坡 稳定性方法，又在文献 1 4 l 】中提出将最大l y a p 珊o v 指数作为岩土边坡稳定的判 据；徐洪钟f 5 3 】通过反演边坡的非线性动力学方程，计算其l y a p l m o v 指数谱、信 息维来分析边坡系统的稳定性。 ( 2 ) 基于运动稳定性理论的稳定分析方法 运动稳定性理论起源于力学，最早研究物体平衡位置的稳定或失稳问题，后 来逐步发展到研究运动的稳定性。而运动不仅局限于物体的运动，任何事物的变 化都可视为一种运动，都存在是否稳定的问题1 4 2 】。大坝和边坡系统作为一个动 力系统，总是随时间发展、运动变化的，一些学者根据运动稳定性理论对其稳定 性进行了分析。吴中如、潘卫平【1 4 3 】提出通过反演边坡的运动状态方程，并作 l y a p u n o v 一次近似后，运用微分方程的零解稳定性来判别边坡的稳定性；包腾 飞【9 8 】利用相空间重构从实测资料中反演了裂缝动力方程，运用运动稳定性理论建 立了裂缝的亚临界扩展判据。 河海大学博士学位论文 ( 3 ) 基于突变理论的稳定分析方法 大坝和边坡的突然失稳是一种形式突然地跳跃到根本不同的另一种形式的 不连续变化，包含着突变的瞬时过程，这种作用称之为“突变 。由于突变现象 而造成的不连续变化过程，把系统的状态空间变成不可微分的，因此对突变现象 的描述和解决，传统的微积分方法也无能为力。1 9 7 2 年，国际菲尔兹( f i e l d s ) 奖获得者，法国数学家1 1 1 0 m 创立了突变理论( c 舭订d p h et h e o 巧) 来解释自然 界和社会中存在的突变现象【1 4 4 1 。突变理论自创立以来，在工程、社会、经济和 生物等许多领域得到了应用f 1 4 5 。1 5 3 1 ，成功地解决了许多用其他手段无法解决的问 题。突变理论为研究工程领域中的稳定性问题提供了新的思路。总的来说，应用 突变理论分析工程稳定问题主要有两种思路，一种是利用实测资料建立稳定分析 的突变模型；另一种则是利用简化的力学模型建立稳定分析的突变模型。关于第 一种思路，顾冲时i 饼，b 5 】根据位移监测资料，在位移回归模型的基础上，通过变 量代换，利用尖点突变模型分析大坝及岩基稳定状况的判据及计算模式；徐洪钟 【5 3 l 对从实测数据中提取的时效分量进行累加生成，将其看成是时间的连续函数并 展开成级数形式，通过变量代换，建立了分析裂缝稳定性的灰色突变模型；龙辉 等【1 5 6 】根据斜坡位移实测资料反演其非线性动力学模型，利用自治梯度系统与突 变模型的等价性，通过变量代换得到了斜坡系统的尖点突变模型。关于第二种思 路，秦四清【l ，7 1 等针对顺层斜坡稳定性问题，应用一个简单的力学模型，用突变 理论方法研究了其失稳的力学机制，导出了顺层斜坡失稳的必要与充要力学条 件；钱海涛等【1 5