混凝土壩穩(wěn)定安全性時(shí)空多尺度分析與監(jiān)控方法

我國(guó)在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中修建的混凝土壩越來(lái)越多、越來(lái)越高，如已建成的小灣、錦屏一級(jí)、三峽、龍灘、向家壩等，這些大壩受到多重環(huán)境因素與荷載因素的長(zhǎng)期作用，其穩(wěn)定安全性受控于多因素協(xié)同作用下材料與結(jié)構(gòu)的交互響應(yīng)，同時(shí)受到了設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行管理等的影響。隨著以人為本、和諧社會(huì)的工程開(kāi)發(fā)理念的不斷深入，國(guó)家和社會(huì)對(duì)涉及能源與公共安全的大壩健康服役提出了更高的要求。因此，開(kāi)展對(duì)混凝土壩穩(wěn)定安全性的研究，對(duì)有效降低混凝土壩運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)、增強(qiáng)潰壩洪災(zāi)防控能力等具有十分重大的意義。 本課題綜合應(yīng)用壩工理論、數(shù)學(xué)和力學(xué)理論、原型監(jiān)測(cè)、數(shù)值仿真計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)等理論和方法，圍繞“混凝土壩穩(wěn)定安全性時(shí)空多尺度分析與監(jiān)控方法”主題，從混凝土壩安全監(jiān)測(cè)多尺度數(shù)據(jù)估計(jì)模型、混凝土壩穩(wěn)定安全性隨機(jī)動(dòng)態(tài)分析模型、重力壩穩(wěn)定安全性時(shí)空四維分析方法、庫(kù)盤變形影響下的高拱壩穩(wěn)定安全性分析、混凝土壩穩(wěn)定安全性信息集成融合推理分析方法等方面開(kāi)展了深入研究，成果包括：①提出了利用最優(yōu)估計(jì)理論進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)奇異值診斷方法，采用均值漂移方法進(jìn)行了修正，引入時(shí)間尺度變量，構(gòu)建了監(jiān)測(cè)效應(yīng)量的多尺度估計(jì)模型以監(jiān)控混凝土壩運(yùn)行性態(tài)；②研究了混凝土壩工程材料時(shí)變特性的隨機(jī)場(chǎng)分析方法，利用隨機(jī)有限元法計(jì)算了混凝土壩效應(yīng)場(chǎng)，據(jù)此建立了基于遞階對(duì)角神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)混凝土壩穩(wěn)定性隨機(jī)動(dòng)態(tài)分析模型以反饋設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行；③建立了壩基滲流演變時(shí)序模型，提出了重力壩深層抗滑穩(wěn)定分析的改進(jìn)分項(xiàng)系數(shù)法及其相應(yīng)的失穩(wěn)判據(jù)，并構(gòu)建了重力壩運(yùn)行穩(wěn)定性時(shí)空四維分析模型及其失穩(wěn)判據(jù)以分析混凝土壩穩(wěn)定安全性；④通過(guò)構(gòu)建庫(kù)盤大尺度模型、近壩區(qū)小尺度模型和裂縫細(xì)尺度模型，分析了高拱壩庫(kù)盤變形影響因素及變化規(guī)律，據(jù)此研究了庫(kù)盤變形作用下混凝土壩安全度及壩內(nèi)裂縫穩(wěn)定性；⑤構(gòu)建了混凝土壩穩(wěn)定安全性信息融合層次結(jié)構(gòu)與融合模型，提出了混凝土壩穩(wěn)定安全性信息集成融合推理分析方法，開(kāi)發(fā)了混凝土壩穩(wěn)定安全性信息集成融合推理功能模塊，為提高決策的可靠性和準(zhǔn)確性提供了輔助作用。 上述研究成果為混凝土壩健康長(zhǎng)效服役和防災(zāi)減災(zāi)提供了源頭技術(shù)支持和科學(xué)依據(jù)，可使混凝土壩在安全運(yùn)行的前提下充分發(fā)揮工程效益，并對(duì)提高我國(guó)混凝土壩設(shè)計(jì)、施工和管理水平具有重要的科學(xué)價(jià)值。 2100433B

重點(diǎn)針對(duì)混凝土壩穩(wěn)定安全性時(shí)空多尺度分析與監(jiān)控方法主題，考慮到庫(kù)水壓力、溫度、滲流、基巖、周圍環(huán)境、施工等復(fù)雜因素以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或監(jiān)測(cè)儀器出現(xiàn)各類故障等不確定因素的作用，開(kāi)展復(fù)雜因素作用下混凝土壩穩(wěn)定安全性多尺度數(shù)據(jù)估計(jì)研究，提出混凝土壩穩(wěn)定安全性監(jiān)控多尺度數(shù)據(jù)估計(jì)預(yù)測(cè)方法；鑒于壩基內(nèi)多條相互切割交錯(cuò)的斷層或軟弱夾層以及各滑動(dòng)面的材料力學(xué)性質(zhì)及計(jì)算參數(shù)的差異性，開(kāi)展復(fù)雜因素作用下混凝土壩穩(wěn)定安全性隨機(jī)動(dòng)態(tài)分析模型研究，建立混凝土壩整體抗滑穩(wěn)定的時(shí)空四維轉(zhuǎn)異診斷模型及尖點(diǎn)失穩(wěn)判據(jù)；基于多源信息融合的思想，利用混凝土壩運(yùn)行過(guò)程中各種性能參數(shù)和環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息，開(kāi)展多因素協(xié)同作用下混凝土壩穩(wěn)定安全性監(jiān)控信息集成融合推理分析研究，構(gòu)建混凝土壩穩(wěn)定安全性多源信息實(shí)時(shí)監(jiān)控推理分析體系，研發(fā)多源信息集成融合推理分析系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控大壩運(yùn)行，為混凝土壩健康長(zhǎng)效服役和防災(zāi)減災(zāi)提供源頭技術(shù)支持和科學(xué)依據(jù)。

本書(shū)針對(duì)我國(guó)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(zhǎng)期運(yùn)行安全這一當(dāng)前壩工技術(shù)的焦點(diǎn)問(wèn)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(yīng)的應(yīng)用實(shí)例。全書(shū)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(jì)模型和隨機(jī)動(dòng)態(tài)分析方法，高拱壩庫(kù)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。

碾壓混凝土壩在諸多的大壩建設(shè)中得到廣泛運(yùn)用，由于筑壩技術(shù)的特殊性，存在大量施工層面，碾壓混凝土壩碾壓層面滲流變異引發(fā)的大壩安全隱患問(wèn)題。本項(xiàng)目針對(duì)碾壓混凝土壩材料和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，基于碾壓混凝土壩試驗(yàn)資料、原型觀測(cè)、監(jiān)測(cè)資料，綜合應(yīng)用理論分析、數(shù)值模擬、工程類比等手段，對(duì)碾壓混凝土壩滲透系數(shù)的變異特性、時(shí)變特性以及滲流安全監(jiān)控模型和監(jiān)控指標(biāo)等進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，取得了以下成果： （1）利用碾壓混凝土壩的施工壓實(shí)機(jī)理和滲透試驗(yàn)成果，分析了碾壓本體和施工層面滲透系數(shù)的變異特性；對(duì)碾壓混凝土壩常規(guī)滲流分析方法進(jìn)行了探討，采用層合單元和薄層單元仿真分析了壩體滲流場(chǎng)；據(jù)此研究并提出了碾壓混凝土壩滲流場(chǎng)變異特性的數(shù)值分析方法。 （2）基于碾壓混凝土壩滲流監(jiān)測(cè)資料和滲透試驗(yàn)成果，研究了碾壓混凝土滲透系數(shù)隨時(shí)間的演變規(guī)律，并利用Gauss-Newton算法和隨機(jī)爬山法以及Bayes參數(shù)識(shí)別方法，反演分析了碾壓混凝土壩各部位的滲透系數(shù)，建立了碾壓混凝土壩滲透系數(shù)時(shí)空分布模型。 （3）根據(jù)碾壓混凝土壩本體和層面的滲流空間特性，研究并構(gòu)建了本體和層面水壓分量的表達(dá)式，建立了碾壓混凝土壩滲壓的確定性和隨機(jī)安全監(jiān)控模型和安全監(jiān)控指標(biāo)。 （4）根據(jù)碾壓混凝土拌和物不同材料介電常數(shù)的差異性，以及介電常數(shù)與含濕率之間關(guān)系來(lái)計(jì)算拌合物含濕率，研發(fā)了一套適用于碾壓混凝土自身重特點(diǎn)的含濕率測(cè)試儀器，并將研究成果運(yùn)用于現(xiàn)場(chǎng)施工，提出高寒高海拔條件下的快速控制層間質(zhì)量碾壓施工方法。 2100433B

碾壓混凝土壩建造施工技術(shù)作為近20多年來(lái)采用的新型筑壩技術(shù)，正契合了我國(guó)大規(guī)模水電工程建設(shè)的發(fā)展需求，在諸多的大壩建設(shè)中得到廣泛運(yùn)用。由于筑壩技術(shù)的特殊性，存在大量施工層面，碾壓混凝土壩碾壓層面滲流變異引發(fā)的大壩安全隱患問(wèn)題。本項(xiàng)目針對(duì)碾壓混凝土壩材料和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，基于碾壓混凝土壩試驗(yàn)資料、原型觀測(cè)、監(jiān)測(cè)資料，綜合應(yīng)用理論分析、數(shù)值模擬、工程類比等手段，重點(diǎn)針對(duì)碾壓混凝土壩滲流空間分布和時(shí)間演變規(guī)律以及滲流實(shí)時(shí)監(jiān)控模型和監(jiān)控指標(biāo)兩個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，提出碾壓混凝土壩滲流時(shí)空多尺度演化特性及監(jiān)控方法：研究碾壓混凝土壩本體和層面滲透系數(shù)的變異特性，揭示碾壓混凝土壩隨滲透歷時(shí)延長(zhǎng)引起的時(shí)空演化規(guī)律，建立滲流安全監(jiān)控模型，對(duì)監(jiān)控指標(biāo)進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究。預(yù)期在國(guó)內(nèi)外重要期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文5-8篇（其中SCI、EI、ISTP收錄3篇）。