混凝土壩穩(wěn)定安全性時空多尺度分析與監(jiān)控方法結題摘要

我國在復雜地質(zhì)環(huán)境中修建的混凝土壩越來越多、越來越高，如已建成的小灣、錦屏一級、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)同作用下材料與結構的交互響應，同時受到了設計、施工、運行管理等的影響。隨著以人為本、和諧社會的工程開發(fā)理念的不斷深入，國家和社會對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，開展對混凝土壩穩(wěn)定安全性的研究，對有效降低混凝土壩運行風險、增強潰壩洪災防控能力等具有十分重大的意義。 本課題綜合應用壩工理論、數(shù)學和力學理論、原型監(jiān)測、數(shù)值仿真計算、數(shù)據(jù)挖掘和系統(tǒng)開發(fā)技術等理論和方法，圍繞“混凝土壩穩(wěn)定安全性時空多尺度分析與監(jiān)控方法”主題，從混凝土壩安全監(jiān)測多尺度數(shù)據(jù)估計模型、混凝土壩穩(wěn)定安全性隨機動態(tài)分析模型、重力壩穩(wěn)定安全性時空四維分析方法、庫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展了深入研究，成果包括：①提出了利用最優(yōu)估計理論進行監(jiān)測數(shù)據(jù)奇異值診斷方法，采用均值漂移方法進行了修正，引入時間尺度變量，構建了監(jiān)測效應量的多尺度估計模型以監(jiān)控混凝土壩運行性態(tài)；②研究了混凝土壩工程材料時變特性的隨機場分析方法，利用隨機有限元法計算了混凝土壩效應場，據(jù)此建立了基于遞階對角神經(jīng)網(wǎng)絡混凝土壩穩(wěn)定性隨機動態(tài)分析模型以反饋設計、施工和運行；③建立了壩基滲流演變時序模型，提出了重力壩深層抗滑穩(wěn)定分析的改進分項系數(shù)法及其相應的失穩(wěn)判據(jù)，并構建了重力壩運行穩(wěn)定性時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通過構建庫盤大尺度模型、近壩區(qū)小尺度模型和裂縫細尺度模型，分析了高拱壩庫盤變形影響因素及變化規(guī)律，據(jù)此研究了庫盤變形作用下混凝土壩安全度及壩內(nèi)裂縫穩(wěn)定性；⑤構建了混凝土壩穩(wěn)定安全性信息融合層次結構與融合模型，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確性提供了輔助作用。 上述研究成果為混凝土壩健康長效服役和防災減災提供了源頭技術支持和科學依據(jù)，可使混凝土壩在安全運行的前提下充分發(fā)揮工程效益，并對提高我國混凝土壩設計、施工和管理水平具有重要的科學價值。 2100433B

重點針對混凝土壩穩(wěn)定安全性時空多尺度分析與監(jiān)控方法主題，考慮到庫水壓力、溫度、滲流、基巖、周圍環(huán)境、施工等復雜因素以及監(jiān)測系統(tǒng)或監(jiān)測儀器出現(xiàn)各類故障等不確定因素的作用，開展復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)估計預測方法；鑒于壩基內(nèi)多條相互切割交錯的斷層或軟弱夾層以及各滑動面的材料力學性質(zhì)及計算參數(shù)的差異性，開展復雜因素作用下混凝土壩穩(wěn)定安全性隨機動態(tài)分析模型研究，建立混凝土壩整體抗滑穩(wěn)定的時空四維轉(zhuǎn)異診斷模型及尖點失穩(wěn)判據(jù)；基于多源信息融合的思想，利用混凝土壩運行過程中各種性能參數(shù)和環(huán)境動態(tài)監(jiān)測信息，開展多因素協(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，構建混凝土壩穩(wěn)定安全性多源信息實時監(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)實時監(jiān)控大壩運行，為混凝土壩健康長效服役和防災減災提供源頭技術支持和科學依據(jù)。

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。

碾壓混凝土壩在諸多的大壩建設中得到廣泛運用，由于筑壩技術的特殊性，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)的大壩安全隱患問題。本項目針對碾壓混凝土壩材料和結構的特點，基于碾壓混凝土壩試驗資料、原型觀測、監(jiān)測資料，綜合應用理論分析、數(shù)值模擬、工程類比等手段，對碾壓混凝土壩滲透系數(shù)的變異特性、時變特性以及滲流安全監(jiān)控模型和監(jiān)控指標等進行了較為系統(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機理和滲透試驗成果，分析了碾壓本體和施工層面滲透系數(shù)的變異特性；對碾壓混凝土壩常規(guī)滲流分析方法進行了探討，采用層合單元和薄層單元仿真分析了壩體滲流場；據(jù)此研究并提出了碾壓混凝土壩滲流場變異特性的數(shù)值分析方法。 （2）基于碾壓混凝土壩滲流監(jiān)測資料和滲透試驗成果，研究了碾壓混凝土滲透系數(shù)隨時間的演變規(guī)律，并利用Gauss-Newton算法和隨機爬山法以及Bayes參數(shù)識別方法，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，研究并構建了本體和層面水壓分量的表達式，建立了碾壓混凝土壩滲壓的確定性和隨機安全監(jiān)控模型和安全監(jiān)控指標。 （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)與含濕率之間關系來計算拌合物含濕率，研發(fā)了一套適用于碾壓混凝土自身重特點的含濕率測試儀器，并將研究成果運用于現(xiàn)場施工，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作為近20多年來采用的新型筑壩技術，正契合了我國大規(guī)模水電工程建設的發(fā)展需求，在諸多的大壩建設中得到廣泛運用。由于筑壩技術的特殊性，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)的大壩安全隱患問題。本項目針對碾壓混凝土壩材料和結構的特點，基于碾壓混凝土壩試驗資料、原型觀測、監(jiān)測資料，綜合應用理論分析、數(shù)值模擬、工程類比等手段，重點針對碾壓混凝土壩滲流空間分布和時間演變規(guī)律以及滲流實時監(jiān)控模型和監(jiān)控指標兩個關鍵科學問題，提出碾壓混凝土壩滲流時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延長引起的時空演化規(guī)律，建立滲流安全監(jiān)控模型，對監(jiān)控指標進行較為系統(tǒng)的研究。預期在國內(nèi)外重要期刊上發(fā)表學術論文5-8篇（其中SCI、EI、ISTP收錄3篇）。