多因素協(xié)同作用下混凝土壩長效服役的理論與方法

混凝土壩作為水利與水電工程的最主要結(jié)構(gòu)物，其不僅要承受各種動、靜循環(huán)荷載及各種突發(fā)性災害的作用，還要承受來自惡劣環(huán)境的侵蝕與腐蝕、材料性能劣化等的組合影響；另外，混凝土壩建設投資巨大，社會影響面廣，而且在漫長的服役過程中一般與周圍環(huán)境漸趨平衡狀態(tài)，其退役和拆除需要特別慎重，為此需突破僅從設計、施工質(zhì)量單一層面上去尋求工程安全性的傳統(tǒng)理念，向工程結(jié)構(gòu)物的可檢性、可修性、可換性、可強性、可控性及可持續(xù)性的綜合安全理念轉(zhuǎn)變。項目組針對“多因素協(xié)同作用下混凝土壩長效健康服役”主題，圍繞多因素協(xié)同作用下混凝土壩材料特性演化機理、混凝土壩結(jié)構(gòu)特性演化機理與驅(qū)動規(guī)律、混凝土壩工程質(zhì)量長效影響機理與控制方法、混凝土壩長效服役的監(jiān)控與預警理論和方法、混凝土壩長效服役的提升方法等內(nèi)容開展了系統(tǒng)研究，深入探索和揭示了在環(huán)境因素、交變荷載等多因素作用下，混凝土壩服役性態(tài)隨時間的演變、衰減規(guī)律和機理，據(jù)此建立了混凝土壩的長效服役保障與提升的理論和方法，以期實現(xiàn)生命早期保障混凝土壩的“活力”，生命中期通過保健而增強“活力”，生命后期通過醫(yī)治加強“活力”等目標。結(jié)合本項目的開展，已培養(yǎng)博士后3人、博士研究生17人、碩士研究生54人。基于項目研究成果，已出版專著3部、譯著2部，發(fā)表論文180余篇，其中被SCI收錄110余篇；獲授權(quán)發(fā)明專利23項、軟件著作權(quán)9項。部分成果已入水利、水運等行業(yè)和地方標準，并被成功應用于多座大壩工程的設計、施工、運行管理中，為監(jiān)控工程服役安全、優(yōu)化工程除險加固、提升工程服役性能、延長工程服役年限等提供了重要的科技支撐。本項目的高質(zhì)量完成，為混凝土壩設計、建設、運行管理，尤其是混凝土壩長效健康服役提供了理論和方法基礎，為推動水工結(jié)構(gòu)工程學科的發(fā)展和完善發(fā)揮了積極的作用。成果已獲國家科技進步一等獎1項、國家技術(shù)發(fā)明二等獎1項、省部級科技進步特等獎1項、一等獎3項。 2100433B

重點針對多因素協(xié)同作用下混凝土壩長效健康服役主題，開展荷載與環(huán)境多因素協(xié)同作用下混凝土壩材料與結(jié)構(gòu)交互演化機理研究，揭示混凝土壩長效服役性態(tài)的多因素協(xié)同驅(qū)動規(guī)律，創(chuàng)建服役機理的宏、微、細觀多尺度融合研究理論；開展影響要素－工程質(zhì)量－工程長效服役性態(tài)一體化研究，揭示工程質(zhì)量的多要素組合作用規(guī)律和工程質(zhì)量對混凝土壩服役性態(tài)的長效影響機理，提出工程質(zhì)量監(jiān)測與控制方法，構(gòu)建長效服役的基礎保障方法；綜合考慮確定性與不確定性因素交互影響，研究混凝土壩服役性態(tài)監(jiān)控與評估的時空四維場理論和方法，提出長效服役性態(tài)多指標組合預警體系，構(gòu)建長效服役的預警理論與方法；基于長效服役風險管理理念，研究混凝土壩服役模式調(diào)控與補強修復方法，提出提升效果評估方法和決策優(yōu)化模型，構(gòu)建混凝土壩長效服役的提升方法。

本書針對我國已建混凝土壩的數(shù)量和總高度均居世界首位的現(xiàn)狀，圍繞混凝土壩長期運行安全這一當前壩工技術(shù)的焦點問題，系統(tǒng)介紹了混凝土壩服役性態(tài)安全監(jiān)控多尺度分析理論，并列舉了相應的應用實例。全書共分9章，介紹了混凝土壩服役性態(tài)多尺度數(shù)據(jù)估計模型和隨機動態(tài)分析方法，高拱壩庫盤變形的空間跨尺度正反分析方法和裂縫損傷安全監(jiān)控分析方法，壩基滲流性態(tài)的有規(guī)分形分析方法、演變和轉(zhuǎn)異監(jiān)控模型，重力壩服役穩(wěn)定性可靠度安全監(jiān)控方法以及混凝土壩服役性態(tài)多源信息集成融合推理方法等內(nèi)容。

碾壓混凝土壩施工層面是壩體性態(tài)劣化的主要部位，其服役期受靜動力荷載與不確定環(huán)境因素協(xié)同作用，層間材料性能演化是加劇大壩局部結(jié)構(gòu)和整體性態(tài)衰減的重要因素，是一種導致大壩安全裕度降低的時變不可逆過程，如何利用大壩多源時空監(jiān)測信息把控結(jié)構(gòu)服役性能演化態(tài)勢安全與否，是壩工領域亟需解決的科學技術(shù)問題。 本項目以運行期碾壓混凝土壩為研究對象，通過理論分析、數(shù)值仿真、模型試驗與原位觀測相結(jié)合的研究方法，從其壩體結(jié)構(gòu)宏觀力學行為角度，在考量碾壓混凝土壩服役性態(tài)演化程度的基礎上，融合多源時空信息對其運行性態(tài)實施了綜合診斷。其主要研究成果：（1）在分析大壩碾壓層物理參數(shù)漸變特性的基礎上，構(gòu)造了表征層內(nèi)本體和層面影響帶力學參數(shù)的連續(xù)分布規(guī)律函數(shù)及其流變協(xié)調(diào)關(guān)系，建立了碾壓混凝土壩切法向并層等效力學行為仿真分析模型，提出了基于GA-APSO混合罰模型的大壩結(jié)構(gòu)力學參數(shù)優(yōu)化反演方法；（2）通過對壩體滲流場和應力場耦合機理分析，建立了考慮層內(nèi)參數(shù)漸變的碾壓混凝土壩流固耦合分析模型及參數(shù)確定方法，并編制了相應計算程序，為分析運行期混凝土壩力學性能演化規(guī)律提供了新途徑；（3）構(gòu)建了碾壓混凝土壩服役性態(tài)安全綜合診斷體系，就其關(guān)鍵監(jiān)測指標（變形、滲流等）時間序列，從層面滲流滯后與時變特性、序列殘差效應等多個視角，分別建立了考慮滯后與時變雙重效應的碾壓混凝土壩滲流監(jiān)控模型，顧及大壩位移殘差序列混沌效應的GA-BP預測模型和蛙跳式組合監(jiān)測模型等，并給出了具體定性和定量指標的隸屬度及賦權(quán)方法，提出了基于信息融合的碾壓混凝土壩工作性態(tài)融合診斷模型，發(fā)展了融合多源時空信息的碾壓混凝土壩服役性態(tài)綜合判診方法，其相關(guān)研究成果為部分碾壓混凝土壩安全監(jiān)控給予了技術(shù)咨詢，亦為相關(guān)水工結(jié)構(gòu)運行性態(tài)評判提供理論與技術(shù)支撐。 在該項目資助下，發(fā)表學術(shù)論文25篇，其中SCI論文3篇【JCR一區(qū)2篇、二區(qū)1篇】，EI收錄8篇，培養(yǎng)碩士研究生8名，項目達到了預期研究目標。 2100433B

《博士后文庫》序言

序

前言

第1章 緒論 1

1.1 混凝土壩服役性態(tài)安全監(jiān)控的意義 1

1.2 本書主要內(nèi)容 2

第2章 混凝土壩服役性態(tài)多尺度數(shù)據(jù)估計模型 5

2.1 概述 5

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)的奇異值診斷方法 6

2.2.1 奇異值分類及其模型描述 6

2.2.2 主元分析 7

2.2.3 奇異值診斷 11

2.2.4 奇異值校正 13

2.3 監(jiān)測效應量的最優(yōu)估計方法 16

2.3.1 最小方差估計 16

2.3.2 極大似然估計 18

2.3.3 極大驗后估計 19

2.3.4 線性最小方差估計 19

2.3.5 最小二乘估計 21

2.4 監(jiān)測效應量的多尺度數(shù)據(jù)估計模型 22

2.4.1 多尺度統(tǒng)計模型 22

2.4.2 多尺度數(shù)據(jù)估計模型 25

2.5 應用實例 31

第3章 混凝土壩服役性態(tài)多尺度隨機動態(tài)分析方法 40

3.1 概述 40

3.2 混凝土壩材料特性的多尺度建模分析方法 40

3.2.1 混凝土材料特性的多尺度建?？蚣?40

3.2.2 混凝土多相細觀力學特性分析方法 42

3.2.3 混凝土細觀力學參數(shù)非均質(zhì)隨機分布模型 45

3.3 重力壩服役穩(wěn)定性的隨機動態(tài)分析模型 52

3.3.1 工程材料時變特性的隨機場分析 52

3.3.2 重力壩服役荷載和效應的隨機處理 55

3.3.3 基于遞階對角神經(jīng)網(wǎng)絡的動態(tài)分析模型 58

3.3.4 應用實例 64

3.4 高拱壩服役性態(tài)的等效模擬分析方法 71

3.4.1 高拱壩施工期黏彈性力學參數(shù)反演方法 71

3.4.2 高拱壩運行期極限承載能力等效分析方法 76

3.4.3 應用實例 83

第4章 高拱壩庫盤變形的空間跨尺度正反分析方法 93

4.1 概述 93

4.2 庫盤變形影響因素分析 94

4.2.1 壩體-壩基-庫盤系統(tǒng)模擬的有限元方法 95

4.2.2 庫盤變形的影響因素 99

4.2.3 庫盤變形影響因素的權(quán)重分析方法 100

4.2.4 算例分析 102

4.3 庫盤變形變化規(guī)律分析 106

4.3.1 庫盤變形實測資料分析 107

4.3.2 庫盤變形數(shù)值模擬分析 109

4.4 庫盤變形對大壩結(jié)構(gòu)性態(tài)影響分析 121

4.4.1 跨尺度模型構(gòu)建方法 121

4.4.2 小灣雙曲拱壩結(jié)構(gòu)性態(tài)模擬分析 127

4.4.3 龍羊峽重力拱壩結(jié)構(gòu)性態(tài)模擬分析 133

4.5 庫盤變形對壩體裂縫穩(wěn)定性的影響分析 136

4.5.1 薄層單元模擬方法 137

4.5.2 裂縫薄層單元等效彈性模量估算方法 139

4.5.3 應用實例 143

第5章 拱壩裂縫損傷安全監(jiān)控分析方法 148

5.1 概述 148

5.2 高拱壩裂縫成因挖掘方法 150

5.2.1 高拱壩裂縫成因分析 150

5.2.2 基于粗集理論的高拱壩裂縫成因挖掘 153

5.2.3 應用實例 158

5.3 高拱壩裂縫穩(wěn)定性安全監(jiān)控方法 160

5.3.1 基于斷裂力學理論的裂縫穩(wěn)定性分析 161

5.3.2 基于小波理論的裂縫穩(wěn)定性分析 164

5.3.3 基于典型小概率法的裂縫失穩(wěn)警戒指標擬定 170

5.3.4 應用實例 172

5.4 高拱壩裂縫損傷尺度影響的分析方法 189

5.4.1 基于彈性補償法的高拱壩極限承載能力分析 189

5.4.2 高拱壩裂縫損傷尺度對極限承載力的影響分析 202

第6章 壩基滲流性態(tài)的有規(guī)分形分析方法 219

6.1 概述 219

6.2 壩基斷層滲流特性分析方法 220

6.3 壩基斷層幾何形態(tài)的有規(guī)分形模擬方法 224

6.3.1 分形特性與分形維數(shù) 225

6.3.2 斷層單一表面的分形模擬 225

6.3.3 斷層的開度分布模擬 232

6.3.4 斷層的組合形貌 232

6.4 壩基斷層面滲流特性的分形數(shù)值模擬方法 233

6.4.1 斷層面滲透系數(shù)的確定方法 233

6.4.2 滲流場數(shù)值模擬方法 236

6.4.3 斷層面滲流特性數(shù)值模擬試驗 240

6.5 壩基蠕變損傷的力學特性分析 244

6.5.1 斷層帶蠕變損傷模型 245

6.5.2 壩基等效連續(xù)介質(zhì)巖體黏彈性蠕變本構(gòu)模型 256

6.5.3 斷層面剪切黏彈塑性蠕變本構(gòu)模型 258

6.6 考慮蠕變損傷的壩基滲流性態(tài)分析模型 259

6.6.1 壩基蠕變對滲流分形特性影響的數(shù)學模型 260

6.6.2 壩基蠕變與滲流耦合模型 262

6.6.3 應用實例 268

第7章 壩基滲流性態(tài)演變和轉(zhuǎn)異監(jiān)控模型 274

7.1 壩基滲流性態(tài)演變時序模型 274

7.1.1 考慮斷層面分形特性的壩基滲透系數(shù)反演方法 274

7.1.2 壩基滲流演變規(guī)律和時序模型 283

7.2 壩基滲流安全監(jiān)控模型 286

7.2.1 壩基測壓管水位安全監(jiān)控模型 286

7.2.2 壩基滲流量安全監(jiān)控模型 298

7.3 壩基滲流監(jiān)控模型優(yōu)化方法 301

7.3.1 基于量子遺傳算法的壩基滲流混合模型優(yōu)化 302

7.3.2 基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡的壩基滲流監(jiān)控模型 305

7.3.3 基于最大熵的壩基滲流監(jiān)控組合模型 307

7.3.4 應用實例 309

7.4 壩基滲流時效轉(zhuǎn)異診斷模型 313

7.4.1 突變勢函數(shù) 313

7.4.2 壩基滲流的灰色尖點突變模型 314

7.4.3 壩基滲流性態(tài)的轉(zhuǎn)異準則 316

第8章 重力壩服役穩(wěn)定性可靠度安全監(jiān)控方法 317

8.1 概述 317

8.2 重力壩服役可靠度分析模式 318

8.2.1 重力壩服役穩(wěn)定性風險因素識別 318

8.2.2 重力壩失穩(wěn)破壞模式構(gòu)成方式概化模型 322

8.2.3 基本隨機變量的隨機過程模型 323

8.2.4 考慮破壞模式相關(guān)性的串聯(lián)系統(tǒng)可靠度算法 325

8.2.5 累積破壞模式形成的并聯(lián)系統(tǒng)可靠度算法 327

8.3 重力壩服役可靠度模糊綜合評價方法 328

8.3.1 模糊綜合評判分析模型 328

8.3.2 重力壩服役可靠度計算 333

8.3.3 應用實例 335

8.4 重力壩服役穩(wěn)定性的時空監(jiān)控方法 338

8.4.1 重力壩深層滑動失穩(wěn)分析方法 338

8.4.2 重力壩服役穩(wěn)定性時效位移突變監(jiān)控模型 345

8.4.3 應用實例 349

第9章 混凝土壩服役性態(tài)多源信息集成融合推理方法 352

9.1 概述 352

9.2 多源信息集成融合分析模型 353

9.2.1 多源信息集成融合分析結(jié)構(gòu) 353

9.2.2 數(shù)據(jù)信息的模糊貼近度融合模型 355

9.2.3 關(guān)聯(lián)信息的相似度融合模型 357

9.2.4 特征信息的GA-BP網(wǎng)絡融合模型 360

9.2.5 決策信息的D-S證據(jù)理論融合模型 362

9.3 多源信息的相容方法集綜合評價方法 368

9.3.1 相容方法集的確定 368

9.3.2 綜合評價方法 371

9.3.3 可靠性分析 380

9.4 多源信息集成融合推理方法 382

9.4.1 黑板框架結(jié)構(gòu) 382

9.4.2 推理分析結(jié)構(gòu) 384

9.4.3 知識庫和推理過程 385

參考文獻 394

編后記 399 2100433B