混凝土坝稳定安全性时空多尺度分析与监控方法

我国在复杂地质环境中修建的混凝土坝越来越多、越来越高，如已建成的小湾、锦屏一级、三峡、龙滩、向家坝等，这些大坝受到多重环境因素与荷载因素的长期作用，其稳定安全性受控于多因素协同作用下材料与结构的交互响应，同时受到了设计、施工、运行管理等的影响。随着以人为本、和谐社会的工程开发理念的不断深入，国家和社会对涉及能源与公共安全的大坝健康服役提出了更高的要求。因此，开展对混凝土坝稳定安全性的研究，对有效降低混凝土坝运行风险、增强溃坝洪灾防控能力等具有十分重大的意义。 本课题综合应用坝工理论、数学和力学理论、原型监测、数值仿真计算、数据挖掘和系统开发技术等理论和方法，围绕“混凝土坝稳定安全性时空多尺度分析与监控方法”主题，从混凝土坝安全监测多尺度数据估计模型、混凝土坝稳定安全性随机动态分析模型、重力坝稳定安全性时空四维分析方法、库盘变形影响下的高拱坝稳定安全性分析、混凝土坝稳定安全性信息集成融合推理分析方法等方面开展了深入研究，成果包括：①提出了利用最优估计理论进行监测数据奇异值诊断方法，采用均值漂移方法进行了修正，引入时间尺度变量，构建了监测效应量的多尺度估计模型以监控混凝土坝运行性态；②研究了混凝土坝工程材料时变特性的随机场分析方法，利用随机有限元法计算了混凝土坝效应场，据此建立了基于递阶对角神经网络混凝土坝稳定性随机动态分析模型以反馈设计、施工和运行；③建立了坝基渗流演变时序模型，提出了重力坝深层抗滑稳定分析的改进分项系数法及其相应的失稳判据，并构建了重力坝运行稳定性时空四维分析模型及其失稳判据以分析混凝土坝稳定安全性；④通过构建库盘大尺度模型、近坝区小尺度模型和裂缝细尺度模型，分析了高拱坝库盘变形影响因素及变化规律，据此研究了库盘变形作用下混凝土坝安全度及坝内裂缝稳定性；⑤构建了混凝土坝稳定安全性信息融合层次结构与融合模型，提出了混凝土坝稳定安全性信息集成融合推理分析方法，开发了混凝土坝稳定安全性信息集成融合推理功能模块，为提高决策的可靠性和准确性提供了辅助作用。 上述研究成果为混凝土坝健康长效服役和防灾减灾提供了源头技术支持和科学依据，可使混凝土坝在安全运行的前提下充分发挥工程效益，并对提高我国混凝土坝设计、施工和管理水平具有重要的科学价值。 2100433B

重点针对混凝土坝稳定安全性时空多尺度分析与监控方法主题，考虑到库水压力、温度、渗流、基岩、周围环境、施工等复杂因素以及监测系统或监测仪器出现各类故障等不确定因素的作用，开展复杂因素作用下混凝土坝稳定安全性多尺度数据估计研究，提出混凝土坝稳定安全性监控多尺度数据估计预测方法；鉴于坝基内多条相互切割交错的断层或软弱夹层以及各滑动面的材料力学性质及计算参数的差异性，开展复杂因素作用下混凝土坝稳定安全性随机动态分析模型研究，建立混凝土坝整体抗滑稳定的时空四维转异诊断模型及尖点失稳判据；基于多源信息融合的思想，利用混凝土坝运行过程中各种性能参数和环境动态监测信息，开展多因素协同作用下混凝土坝稳定安全性监控信息集成融合推理分析研究，构建混凝土坝稳定安全性多源信息实时监控推理分析体系，研发多源信息集成融合推理分析系统实时监控大坝运行，为混凝土坝健康长效服役和防灾减灾提供源头技术支持和科学依据。

本书针对我国已建混凝土坝的数量和总高度均居世界首位的现状，围绕混凝土坝长期运行安全这一当前坝工技术的焦点问题，系统介绍了混凝土坝服役性态安全监控多尺度分析理论，并列举了相应的应用实例。全书共分9章，介绍了混凝土坝服役性态多尺度数据估计模型和随机动态分析方法，高拱坝库盘变形的空间跨尺度正反分析方法和裂缝损伤安全监控分析方法，坝基渗流性态的有规分形分析方法、演变和转异监控模型，重力坝服役稳定性可靠度安全监控方法以及混凝土坝服役性态多源信息集成融合推理方法等内容。

碾压混凝土坝在诸多的大坝建设中得到广泛运用，由于筑坝技术的特殊性，存在大量施工层面，碾压混凝土坝碾压层面渗流变异引发的大坝安全隐患问题。本项目针对碾压混凝土坝材料和结构的特点，基于碾压混凝土坝试验资料、原型观测、监测资料，综合应用理论分析、数值模拟、工程类比等手段，对碾压混凝土坝渗透系数的变异特性、时变特性以及渗流安全监控模型和监控指标等进行了较为系统的研究，取得了以下成果： （1）利用碾压混凝土坝的施工压实机理和渗透试验成果，分析了碾压本体和施工层面渗透系数的变异特性；对碾压混凝土坝常规渗流分析方法进行了探讨，采用层合单元和薄层单元仿真分析了坝体渗流场；据此研究并提出了碾压混凝土坝渗流场变异特性的数值分析方法。 （2）基于碾压混凝土坝渗流监测资料和渗透试验成果，研究了碾压混凝土渗透系数随时间的演变规律，并利用Gauss-Newton算法和随机爬山法以及Bayes参数识别方法，反演分析了碾压混凝土坝各部位的渗透系数，建立了碾压混凝土坝渗透系数时空分布模型。 （3）根据碾压混凝土坝本体和层面的渗流空间特性，研究并构建了本体和层面水压分量的表达式，建立了碾压混凝土坝渗压的确定性和随机安全监控模型和安全监控指标。 （4）根据碾压混凝土拌和物不同材料介电常数的差异性，以及介电常数与含湿率之间关系来计算拌合物含湿率，研发了一套适用于碾压混凝土自身重特点的含湿率测试仪器，并将研究成果运用于现场施工，提出高寒高海拔条件下的快速控制层间质量碾压施工方法。 2100433B

碾压混凝土坝建造施工技术作为近20多年来采用的新型筑坝技术，正契合了我国大规模水电工程建设的发展需求，在诸多的大坝建设中得到广泛运用。由于筑坝技术的特殊性，存在大量施工层面，碾压混凝土坝碾压层面渗流变异引发的大坝安全隐患问题。本项目针对碾压混凝土坝材料和结构的特点，基于碾压混凝土坝试验资料、原型观测、监测资料，综合应用理论分析、数值模拟、工程类比等手段，重点针对碾压混凝土坝渗流空间分布和时间演变规律以及渗流实时监控模型和监控指标两个关键科学问题，提出碾压混凝土坝渗流时空多尺度演化特性及监控方法：研究碾压混凝土坝本体和层面渗透系数的变异特性，揭示碾压混凝土坝随渗透历时延长引起的时空演化规律，建立渗流安全监控模型，对监控指标进行较为系统的研究。预期在国内外重要期刊上发表学术论文5-8篇（其中SCI、EI、ISTP收录3篇）。