（市政工程专业论文）多变量灰色预测模型在大坝安全监测中的应用.pdf

多变量灰色预测模型在大坝安全监测中的应用摘要水库大坝对促进国民经济发展有着巨大的作用，但一旦失事则会带来巨大的灾难，所以对大坝进行安全监测并定期对观测资料进行分析研究以评定大坝安全运行状况具有重要意义。由于经费等各种原因，我国相当一部分大坝存在观测数据残缺或由于处在施工、蓄水初期而缺乏长期观测资料的问题。而现有的大坝监测资料分析方法如多元回归分析方法、神经网络方法等都建立在大样本量的数据基础上，对短期或有残缺的资料无能为力。此外，由于大坝结构复杂，建筑材料和地基岩士的物理力学指标难以测定，复杂地基的地质构造还很难模拟，荷载、施工及环境因素对水工建筑物的影响还很难准确预测，应用各种模型都存在着模拟困难、计算复杂、工作量大等不足。针对这些情析计算提出应用多变量灰色预测模型对大坝监测资料进行分本文利用大坝监测实测资料建立了多变量灰色预测模进行拟合、预测，取得了满意效果，表明这一方法是可行、有效的；针对多变量灰色预测模型研究中发现的矩阵奇异问题，本文在分析各种参数估计方法的基础上，提出应用m o o r e p e n r o s e 逆法并通过实例计算取得了较好效果，但还需要通过更多的实测资料进行检验：为了提高模型精度，本文应用数列变换方法提高原始数列的光滑度，并提出严格单调递增数列并不是应用这些方法的必要条件，计算结果也表明这些方法可以应用于小幅度波动数列用以提高多变量灰色预测模型的拟合、预测精度；针对传统的以第一个点作为已知点的边界条件假设，本文修订了多变量灰色预测模型的边界条件并给出了新的预测公式，计算结果表明新的预测公式可以提高多变量灰色预测模的拟合、预测精度。最后，本文提出了有关后续研究方向的一些建议。，1r，关键字：大坝多变量灰色预测模型预测夕。监测， 轳玑a p p l i c a t i o no fm u l t i p l eg r e yp r e d i c t i n gm o d e lf o rm o n i t o r i n gd a ms a f e t ya b s t r a c tt h ed a mo fr e s e r v o i re o n t r i b u t e sg r e a t l yt ot h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y ，h o w e v e r ，o n c ea na c c i d e n to c c u r s ，i tw i 儿b r i n gt op e o p l eg r e a tt r a g e d y s oi ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et om e n i t o rd a ms a f e t ya n da n a l y z et h eo b s e r v a t i o nd a t ar e g u l a r l yt oe v a l u a t es a f e t ys t a t u so ft h ed a m i nc h i n a ，a1 a r g ea m o u n to fd a m sl a c ke o m p l e t eo b s e r v a t i o nd a t ab e c a u s eo ff i n a n e i a ls h o r t a g eo ro t h e rr e a s o n s w h e nt h ed a mi su n d e rc o n s t r u c t i o no ro nt h ei n i t i a ls t a g eo fr e s e r v i n gw a t e r ，l o n g p e r i o do b s e r v a t i o nd a t ai sa l s ol a c k i n g a tp r e s e n t ，s o m ee x i s t i n gm o d e l su s e dt oa n a l y z eo b s e r v a t i o nd a t ao fd a mm o n i t o r i n gs u c ha sm u l t i p l er e g r e s s i o na n dn e u r a ln e t w o r ka r ef o r m u l a t e do nt h eh a s i so fa1 a r g en u m b e ro fd a t a i nc a s eo fs h o r t p e r i o do ri n c o m p l e r eo b s e r v a t i o nd a t a ，t h e ya r eh e l p l e s s m o r e o v e r ，t h e r ea r ed r a w b a c k s1 i k ed i f f i c u l t i e si ns t i m u l a t i o n ，c o m p l e x i t yo fc a l c u l a t i o na n dh e a v yw o r ki na l lt h e s em o d e l sb e c a u s eo fm a n yo t h e rf a c t o r s f o re x a m p l e ，t h ec o m p e x i t yo ft h ed a ms t r u c t u r e ，d i f f i c u l t i e si nm e a s u r i n gt h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fb u i l d i n gm a t e r i a l sa n ds u b g r a d es o l l ，s t i m u l a t i n gt h eg e o l o g i cs t r u c t u r eo fs u b g r a d e ，p r e d i c t i n ge f f e c t so fl o a d s ，c o n s t r u c t i o na n de n v i r o n m e n to nt h ed a ma n ds oo n i nv i e w o ft h ea b o v ep r o b l e m s ，m u l t i p l eg r e yp r e d i c t i n gm o d e li sp r o p o s e dt oa n a l y z et h eo b s e r v a t i o nd a t ai nt h et h e m s b a s e do np r a c t i c a lo b s e r v a t i o nd a t ao fd a mm e n i t o r i n g ，e x a m p l e so fm u l t i p l eg r e yp r e d i c t i n gm o d e la r eg i v e ni nt h i sp a p e r t h es a t i s f y i n gr e s u l t sh a v es h o w nt h a tt h em e t h o di sf e a s i b l ea n de f f e c t i v e t os e t t l et h ep r o b l e mo fs i n g u l a rm a t r i xe x i s t i n gi nt h ea p p l i c a t i o no fm u l t i p l eg r e ym o d e l ，m o o r e p e n r o s ei n v e r s eo fm a t r i xj sp r o p o s e da n da ne x a m p l eo ft h i si sg i y e n a i t h o u g ht h er e s u l ti ss a t i s f y i n g ，m o r ep r a c t i c a ld a t aa r en e e d e dt ot e s tt h i sm o d e l t oi m p r o v ep r e d i c t i n gp r e c i s i o no fm u l t i p l eg r e ym o d e l ，n u m b e r t r a n s f o r m a t i o nm e t h o di sa p p l i e d t h ea u t h o rt h i n k st h a ts t r i c t l ya n du n i t a r yi n c r e a s i n gi sn o tan e c e s s a r yc o n d i t i o nf o ra p p l y i n gt h e s em e t h o d sa n di ta g r e e sw e l lw i t ht h er e s u l t s ，w h i c hh a v es h o w nt h a tt h e s em e t h o d sc a nb ea p p l i e di ns m a l l 一s c a l ef l u c t u a t i n gd a t at oi m p r o v et h ep r e d i c t i n gp r e c i s i o no fm u l t i p l eg r e ym o d e l u n l i k et h ec u s t o mw a yw h ic hs u p p o s et h ef i r s tn u m b e ra sak n o w no n e ，t h eb o u n d a r yc o n d it i o no fm u l t i p l eg r e ym o d e li sm o d i f i e da n dan e wp r e d i c t i n gf o r m u l ai sp r o p o s e d t h er e s u l th a ss h o w nt h a tt h i sn e wp r e d i c t i n gf o r m u l ac a ni m p r o v et h ep r e c j s i o no fm u l t i p l eg r e ym o d e l f i n a ll y ，s o m es u g g e s t i o n so nl a t e rs t u d ya r eg i v e n k e yw o r d ：d a mm u l t i p l eg r e yp r e d i c t i n gm o d e lp r e d i c tm o n i t o r塑坚盔兰堡圭兰垡丝塞一苎二要j i 旦第一章绪论第一节总论一、修建大坝的作用虽然地球上的水资源非常丰富，可是人类赖以生存和发展的淡水资源却非常有限，仅为总储水量的2 6 7 ，河流占的比例更小，这部分淡水理应得到审慎的管理与利用。建筑大坝正是充分利用水资源的一种手段。任何河流的流域开发规划，都是以蓄贮洪水流量，然后在随后的干旱季节加以利用为基础的。这种运用方式，就要求在河中筑坝，形成人造水库，在大多数情况下，这种工程都是多目标的综合性的开发工程。高坝可以将河道的落差集中，形成较高的水头，利用河道的潜能，以获得廉价的、不污染环境的水电。水电还能够最好地适应供电系统中的负荷变化，适宜充当备用电源，从而使火电与核电厂能够稳定运行以获得最佳的发电效率。例如，亚马逊河规划中的各支流水电站，总装机容量达1 3 0 ，0 0 0 兆瓦，大约可以满足巴西全国电力需求的一半，从而能大大减少巴西进1 2 1 石油的预算费用。目前年水力发电量占全球电力消耗量的2 0 和能源消耗量的7 。水力发电在电力生产中占比例最高的国家有：挪威( 9 9 6 ) 、巴西( 9 0 ) 、奥地利( 7 0 ) 、和加拿大( 6 6 ) 1 1 1 。水库可以调节供水，从而降低大坝下游的洪水频率；减小洪水泛滥的范围。我国政府投入臣资兴建的长江三峡水电站就是以防洪作为其首要的目标1 2j 。水库贮存的水，可以为多方面提供稳定的水源：灌溉系统、工业、城市用水等等。全球灌溉面积己达2 7 0 1 0 6 h a ，占全球耕地面积的1 5 ，所生产粮食占世界粮食产量的1 3 。大坝和水库能够美化风景，使当地变成诱人的风景区。例如美国的鲍尔德坝，每年接待游客约六百万人：我国浙江省新安江水库库区的千岛湖也是著名的旅游风景区。作为水资源管理工程的主要组成部分，大坝是没有什么可以替代的。绝大多数大坝显示了惊人的工程和经济效果，促进了当地的发展。世界七大水坝之一的阿斯旺水库大坝工程于1 9 6 0 年动工，工期1 0 年，耗资约1 5 亿美元，目的是为埃及迅速膨胀的人口提供廉价的能源和充足的水资源。大坝由主坝、溢洪道和发电站三部分组成。主坝全长3 6 0 0 m ，坝基宽9 8 0 m ，坝顶宽4 0 m ，坝高1 1 1 m ，所使用的建筑材料约4 3 0 0 万m 3 ，大坝建成后形成了一个蜿蜒5 0 0 公里，宽达6 0 公里的巨型水库，即世界上第二大人工湖纳赛尔湖，浙江大学土木工程学系塑翌查兰堡主兰垡丝苎苎二皇j ! ! 生其蓄水量居世界第一，为1 8 2 0 亿1 1 1 3 ，堪称世界工程史上的杰作。大坝和水库在溢洪、灌溉、发电、养鱼等方面都发挥着重大作用，使埃及避免了1 9 6 4 年和1 9 7 5年的大洪水，避免了1 9 7 2 年、1 9 7 9 年、1 9 8 2 年、1 9 8 5 年、1 9 8 6 年和1 9 8 7 年的小洪水和旱灾；水库工程使尼罗河河道和航道水位保持稳定，改善了航运，促进了旅游业的发展。阿斯旺水坝，结束了过去依靠尼罗河泛滥进行耕种的时代，使埃及9 0 以上的耕地得到灌溉，使埃及农田的复种指数大大增加，农业亩产量也迅速提高，棉花平均亩产量达1 8 4 k g ，水稻3 6 0 k g 。水坝不仅使埃及灌溉面积增加了4 8 0 0 k i n 2 ，还使4 0 0 0 k 1 1 1 2 季节灌溉的地区变为全年灌溉的多季作物地区，使埃及全国共增加2 5 3 0 的灌溉面积。阿斯旺水坝使棉花增产5 0 ，耕地增加2 0 0 万埃亩。原来要在洪水过后才能耕种的盆地灌溉区，现已改成人工灌溉的稻田，并增加到7 0 万埃亩。埃及粮食产量大幅度增长，已成为大米输出国。更重要的意义在于，由于阿斯旺水坝发电站发出的巨大而廉价的电能，使埃及全国的4 0 0 0 个村庄都相继实现了电气化，水坝每年发电8 0 亿k w h ，为全国提供了用电总量的7 0 ，成为埃及的电力基地。阿斯旺水坝使埃及面貌迅速改变，它对埃及的作用与日俱增，阿斯旺地区如今已成为新兴的工业基地，埃及民族工业的发展也进入了一个新时期1 3 卅。中国9 6 1 0 6 k i n 2 辽阔的土地上河流众多。流域面积在1 0 0 k m 2 以上的河流有5 00 0 0 多条，流域面积在1 0 0 0 k m 2 以上的河流有1 5 0 0 多条。全国多年平均径流量为2 7 1 1 5 1 0 9 m 3 。规模巨大、数量众多的水利水电工程的建设，促进了中国水库和大坝建设的发展。至1 9 9 5 年，共建成水库8 3 0 0 0 多座，形成水库的大坝在数量上居世界各国之首。大规模的水库建设为促进我国经济的发展发挥着巨大的效益。在防洪方面，众多大中型水库结合河道堤防工程，保护耕地3 2 1 0 6 h m 2 ，初步控制了洪水灾害；在灌溉方面，建成7 0 0 h m 2 以上的灌区5 5 0 0 处，灌溉面积约5 0 1 0 6 h m 2 ：在水力发电方面，水电站装机容量近7 0 g w ，年发电量2 5 0 t w h t 5 1 。二、大坝失事的灾难包括大坝在内的水工建筑物常常建造在地质构造复杂、岩土特性不均匀的地基上，承受着经常变化的荷载，自身结构与构造也很复杂。虽然有限元法、模型试验技术和电子计算机及电子技术已得到商度发展和普遍应用，已经可以解决一些结构复杂、地基极不均匀的水工建筑物的结构和稳定计算，但是由于建筑材料和地基岩土的物理力学指标难于测定，复杂地基的地质构造还很难模拟，荷载、旌工及环境因素对水工建筑物的影响还很难准确预测，所以水工建筑物的设计还带有定的经验性和近似性，由此造成的水工建筑物失事时有发生。2 0 世纪以来，生活水平的提高以及人口迅速增长，要求增建大坝以满足供一2 一浙江大学土木工程学系塑垩盔堂堡圭堂堡垒苎- - 翌二兰i ! 兰l水、防洪、发电和游览的需要。可是由于大坝下游人口稠密，而大坝失事属低概率离损失类事故，一旦失事往往造成灾难性事故。例如法国的马尔巴赛( m a l p a s s e t ) 双曲拱坝，商6 6 5 m ，于1 9 5 4 年建成，坝体施工质量良好，但因左坝肩部分岩体产生不均匀变形和滑动，于1 9 5 9 年1 2 月2e t 毁坏，溃决后仅4 5 m i n ，坝下游8 k m 处一兵营的5 0 0 名士兵几乎全部死亡，10 k m 处的弗雷茄斯( f r c i u s ) 城变成了废墟。1 9 6 3 年意大利瓦依昂水库大坝滑坡，溃坝水流使下游1 6 公里处的一个城镇全部摧毁，死亡2 6 0 0 人忡j i “。大坝安全不仅仅是设计问题，它还与规划、施工、运行和维护有关。大坝安全取决于三个主要因素：设计。设计者必须充分了解与大坝安全有关的知识，如：坝址的地质情况、洪水演进、所用建筑材料和既定环境下这些材料的耐久性。施工质量、施工工艺必须满足设计要求，不得草率从事；施工材料也不得以劣充优。大坝连续运行与维修。大坝竣工后必须始终加强维护管理，坚持安全监测1 8 1 。目前，世界上许多大坝坝龄已超过5 0 年。至2 0 0 0 年底，我国由电力部门负责管理的1 3 0 座大坝中，有5 0 多座坝的坝龄超过3 0 年。这些大坝蓄水运行以后，持续受到渗流、溶蚀、冲刷、冻融等有害作用，还有可能受到超标准洪水和大地震的破坏，筑坝材料逐渐老化，大坝承受水压力、渗压力等巨大荷载的能力不断降低，因而必须及时通过评价分析，准确掌握大坝形态变化规律，确定危及大坝安全的主要问题并设法加以消除，以保证大坝的安全运行。倘若这些大坝的缺陷和隐患得不到及时诊断评价和诊治处理，任其恶化下去，轻则影响水电站设计功能的发挥，重则可能造成坝溃厂毁，殃及下游，给人民的生命财产、国民经济建设乃至生态环境和社会稳定带来极大的灾难。板桥水库是我国5 0 年代初期，在淮河流域治理中最早兴建的一大批大型水利工程之一，大坝位于河南省驻马店市以西4 5 k m 的汝河上，控制流域面积7 6 2 k m 2 ，多年平均径流量2 8 亿i t l 3 ；建成时最大坝高2 1 5 m ，相应坝顶长1 7 0 0 m ，工程于1 9 5 2 年竣工；1 9 5 6 年扩建后，水库总库容4 9 2 亿m 3 。1 9 7 5 年8 月4 7同发生暴雨( 通称7 5 8 暴雨) ，造成历史上少见洪水，使汝河流域2 座大型水库( 板桥、石漫滩) 、2 座中型水库和6 4 座小型水库失事，将大坝下游平原地带的村庄、农田和各种设施冲得荡然无存；2 9 个县1 2 0 0 0 k m 2 的土地受淹，1 2 0 万h m 2耕地及1 1 0 0 万人受灾，死亡人口2 6 万；板桥水库受害最严重，其下游3 0 k m 处的大石桥村被洪水一扫而光。京广线3l k m 线路及4 0 座桥梁被毁，路基掏空，l1 8 0 节车厢、6 台机车冲毁，京广铁路中断运行4 8 天。洪水过后虫鸟绝迹，寂静无声，惨象震惊世界! 堪称近代水利史上的一次重大灾害【9 】【1 0 1 。1 9 9 3 年8 月2 7 日沟后水库失事，虽然该水库库容只有3 3 0 万立方米，但溃浙江大学土木工程学系塑垩盔堂堡主堂丝堡苎苎二皇- ! ! l坝洪水冲入下游1 3 公里处约有3 万人口的恰h 恰镇，造成5 0 0 多人伤亡，直接经济损失1 5 3 亿元l l “。三、科学的大坝安全管理据不完全统计，中国的溃坝曾出现过两次高峰，溃坝率达千分之几。其中，第一次是在5 0 年代末和6 0 年代初，主要是施工中的中、小型水库大坝溃决；另一次为7 0 年代，因社会动乱和管理不善造成一批小型水库大坝溃决。导致事故的关键在于对水库大坝缺少科学的安全管理。我国从5 0 7 0 年代曾全力以赴修筑大坝，但另一方面对于大批已建成的大坝，缺少科学的安全管理，以致有的防洪能力不足，普遍缺少安全检查，多数观测设施简陋，管理人员素质低下。8 0年代后，由于加强大坝的安全管理和病险水库的险情加固，溃坝大大减少瞵”。一座坝如同一切人工建筑物一样，有它生、老、病、死的过程和规律。现在国内外已经总结出一套安全管理的经验，包括：( 1 ) 经常性的人员巡查和仪器监测；( 2 ) 要有专家对大坝的安全状况进行定期( 5 1 0 年一次) 的检查；( 3 ) 检查之后要及时维修加固、更新改造；( 4 ) 要预先制定应急、抢救和人员撤退计划：( 5 ) 要长期保存完整的大坝技术档案。而其中，由专家小组进行定期安全检查，诊断大坝在防洪、抗震、强度和稳定方面的防御能力，作出安全状况鉴定，提出改进意见，则是最为重要的中心环节。大坝的破坏常常由量变到质变，这过程靠人的直觉是很难发现的，为了了解大坝在施工过程和运行过程中的实际形态，以便及时采用正确的相应防范措施，提高工程质量，延长工程寿命和防止突发性事故，保证大坝长期安全运行，需要对大坝进行定期检查和必要的观测。此外，对大坝观测成果的分析研究，又可对设计规范、计算方法进行验证和改进，充实和发展大坝设计理论和施工技术。所以，近年来各国都十分重视包括大坝在内的水工建筑物的监测工作。1 9 9 1 年我国国务院以7 7 号令颁布了水库大坝安全管理条例之后，我国的水库大坝管理有了法制规章可循，安全状况有所改善，电力部所属的水电大坝已有8 5 进行了首次定期检查，检查之后也能及时维修加固，大坝的巡查观测能普遍实施，水库操作也有严格规定，技术档案比较齐全。但水利部门所属的水库大坝由于数量众多，观测设施大多比较简陋，技术档案不全、定期安全检查尚未普遍实施。造成这种状况的原因据了解主要是由于缺少经费，或者说大坝安全管理的财务来源得不到保证。为认真吸取大坝失事的惨痛教训，避免重蹈覆辙，杜绝灾难性事故发生，一浙江大学土木工程学系塑婆叁兰堡主兰丝堡壅兰二兰i 羔l方面要严格执行国家有关法规，尽快完善水库大坝的安全管理制度；另一方面，如何在目前资金紧张、经费有限的不利条件下，最大限度地利用现有的设施、资料为大坝的安全管理服务，使水电厂在发现问题之初及时做出处理，让大坝继续安全运行，发挥重大的经济效益和社会效益，是广大水利科技人员面临的一个重要课题。第二节大坝监测资料分析方法大坝安全监测与控制的研究工作可以大致分为五个方面：观测资料的误差处理与分析：观测资料的正分析；观测资料与大坝结构性态的反分析；反馈分析与安全监控指标的拟定；大坝安全综合评判与决策【”】。各个方面的研究相互联系，构成了大坝安全监控的理论框架体系。本文着重讨论观测资料的正分析方面。意大利的法那林( f a n e l i ) 和葡萄牙的罗卡( r o c h a ) 等从1 9 5 5 年开始应用统计回归方法来定量分析大坝的变形观测资料，并于19 7 7 年法那林等又提出了混凝土大坝变形的确定性模型和混合模型，将有限元理论计算值与实测数据有机地结合起来，以监控大坝的安全状况。近2 0 年来，随着计算机技术的快速发展，大坝观测资料的正分析研究也取得了很大的进步，统计模型、确定性模型及其混合模型在生产实践中得到了广泛的应用。此外，法国在资料分析方面，采用m d v法，即在测值序列中分离出水压分量和温度分量，然后对时效和残差的变化规律进行分析，进而评判大坝的安全状况。目前，葡萄牙、法国、意大利、西班牙和奥地利等国家在大坝安全监测以及相关的各项研究方面不同程度处于国际领先水平。我国大坝安全监测的资料分析工作起步相对较晚，最初只以定性分析为主，通过对实测过程线和简单统计的特征值来分析大坝的运行状况。1 9 7 4 年后，陈久宇等开始应用统计回归分析大坝安全监测资料，并对分析成果加以物理成因的解释，还对时效变化进行研究，提出了时效变化的指数模型、双曲函数模型、对数模型、线性模型等。自此，资料分析工作在纵深方面不断发展。8 0 年代中期，吴中如等从徐变理论出发推导了坝体顶部时效位移的表达式，用周期函数模拟温度、水压等周期荷载，并用非线性二乘法进行参数估计：还提出了一5 浙江大学土木工程学系堂垩盔堂堡主堂堡丝苎兰坠! 童笙一裂缝开合度统计模型的建立和分析方法、坝项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了成功应用；还通过三维有限元渗流分析，建立了渗流测点的扬压力、绕坝渗流测孔水位的确定性模型，用于分析和评价大坝基础及岸坡的渗流性态。8 0 年代以来，模糊数学、灰色理论、神经网络、滤波法、小波分析、混沌动力学等各种理论和方法也纷纷被引入大坝安全监测资料分柝中来，并取得了一定的成果。我国邓聚龙于8 0 年代首次在国际上提出灰色系统( g r e ys y s t e m ) 理论；李珍照等于1 9 9 1 年最早将灰色系统理论引入到大坝安全监测资料分析领域：蓝悦明等应用灰色理论，提出位移预报模型：同时，模糊聚类分析、似然推理和模糊评判等模糊数学方法也在大坝安全监测数据的分析处理和模型预报方面得到了应用，如李珍照等在1 9 9 1 年提出了用模糊数学进行资料分析的思路，并阐述了大坝观测数据模糊识别的方法和步骤【l 副；近几年，人工神经网络在大坝观测数据处理与分析方面的应用研究已经开始，尤其是模糊数学与神经网络方法的有机结合f l “，为相关的研究展现了广阔的前景。为了更好地认识各种方法的特点，本节对一些目前应用较多的方法作一简单介绍。1 多元回归分析方法原理是应用坝工理论和数学力学知识等方法选择模型中的因子，由实测资料用回归分析方法求得统计变形模型及其预报方程，实质上是一种经验模型。把原因量( 自变量) 与效应量( 因变量) 按时间顺序排列，用统计方法，求得两者的相关关系。建立一个函数关联系统，阐明大坝的工作性态。目前，普遍使用这种方法和模型进行大坝安全监控，评价大坝的工作性态，并逐渐成为资料分析和安全监控的一种比较成熟的方法5 _ ”j 。此法方便迅速，比较直观，能通过一定程序取舍显著与不显著因子，建立最佳回归方程，具有一定的预报和拟合精度，适用面较广，实用价值较大。它比较方便地指出结构设施的运行特性在一段时期内的演变情况，故在大坝运行期间使用这种模型进行安全监控是比较合适的。但是，要建立一个有效的统计模型，只有当工程经过相当长时间的运行，并且取得了足够的观测资料之后才能进行。而在施工期和蓄水初期是无法提供充足资料的，这时此法就显得无能为力了。另外，对相关密切的因子间的相互作用很难做出正确的物理解释。渐江丈学土木工程学系塑垩盔堂堡主兰垡丝兰笙二里墨! 、_2 决定论方法此法原理是基于某些基本假定，对工程结构及基础的结构分析采用有限单元法进行，分别计算各主要影响因素的效应量，然后进行迭加。即在确定其材料的本构关系、力学特性值、计算条件和边界条件后，对坝体施加荷载( 如静水压力或温差) ，输入有限元计算程序进行计算分析，分别求出一组环境量所产生的效应量，进行曲线拟合，得出数学关系。再对各效应量进行相关分析和线性组合得到综合表示坝体及基础在任何已知条件下的理论效应。模型建立后，必须依据实际的性态予以检验。必要时还要引进其它有关的结构因素，修正模型。对决定论方法来说，大坝观测项目都是物理量，它们和外界荷载、坝的结构尺寸以及坝体和基岩的材料都有密切关系。通过有关的物理力学理论用结构计算方法来建立它们的关系式，可求得在一定条件下某种物理量的数值并和相应的观测值对比，由此得出观测值的理论模型即决定论模型。由于此法不依赖于工程运行期的观测资料，所以对于旄工期、第一次蓄水及运行初期这一段重要时期，在只有少数观测资料的情况下，建立决定论模型来进行监控是合理的。它可以从设计角度明确分析各主要因素对变形的影响，物理概念明确，推理严格，模型含有更大的客观性。但是，模型的建立依赖于对坝体和基岩结构特点、力学性质、变形规律的正确模拟。出于实际条件不易精确模拟，依据有限元法来建立决定论数学模型存在许多需要解决的问题，诸如地质模型的概化、力学本构关系的确定、边界条件的模拟等。所以，决定论模型要求条件较高，需要测点较多，仪器埋设位置要合适，而且计算较复杂、工作量较大，各种参数选取的合适与否都会影响模型精度 12 9 儿20 1 。3 混合模型有时观测量很难用一种方法建立理论模型，这时可以先分别用统计学方法计算一些比较明显的因子对变形量的影响，用决定论方法计算一些比较复杂的因子对变形量的影响，然后结合实测值用最小二乘法求得各改正参数。也就是把两者结合起来使用，就形成了混合模型【2 。这种模型是把复杂与简单因子对变形量的影响分别计算，然后进行最小二乘拟合为一个统一方程，这样即可以提高拟合及预报精度，又可以减少部分工作量，但决定论模型的前提条件是必不可少的。浙江大学土木工程学系塑垩盔堂堡主堂竺堕苎兰已! ! 童l4 模糊数学方法模糊数学是研究和处理模糊现象的科学，它所揭示的是客观事物之间差异的中介过渡性引起的划分上的一种不确定性，是概念的内涵和外延的不分明性2 2 儿23 1 。模糊数学用于大坝变形资料分析，其原理是将大坝视为一个模糊控制系统，将影响大坝变形的因素作为自变量，为输入因子。位移f 变形) 或应力看作因变量，作为输出因子。通过模糊控制论、模糊聚类分析以及逐步聚类分析等方法，以判定当自变量为某值时，因变量应属的范围，借以判别大坝的运行性态，从而达到监控大坝的目的。5 灰色系统理论方法灰色系统是按颜色来命名的，因为颜色的深浅在控制理论中常用来形容信息的多少。所谓灰色，就是部分信息已知而部分信息未知。灰色系统理论方法用于大坝变形资料分析，其原理是根据某些因素( 如位移、水位、气温) 的观测数据，对各因素之间发展态势的相似或相异程度进行关联度分析，在此基础上，建立灰色模型，找出因素之问或自身的数学关系，从而可以对大坝这个系统进行解释和预测。灰色系统理论最大的优点是需要的数据不多，而且能够用连续的微分方程进行建模。它在原始数据的基础上。通过数据处理( 如累加生成、累减生成等) 来寻求数的规律，这种数的处理大大弱化了原始数据的随机性，减少了噪音，能使原来看上去毫无规律的数据呈明显的函数关系1 2 4 j 。6 时间序列分析方法时间序列预测技术是根据事物本身过去发展规律来推断其未来的变化趋势。概括地说，用来分析各种相依有序的离散数据集合的整个方法，就叫时间序列分析。它是统计学中的一个重要分支，分析方法较多，其主要原理是把统计学中的一般回归方法加以推广，引申来用于时间序列模型的建立。具体应用到大坝变形资料的分析中，是把变形模型看作为动态模型，位移( 变形) 作为因变量因子，把水位、温度作为自变量因子。找出因变量与其他自变量以及它自身前后的函数关系，建立时间序列的变形模型。根据确定的函数关系和变形模型，就可对大坝的运行性态和变形规律进行分析和对未来的变形值进行预报。一8 一浙江大学土木工程学系塑婆盔堂堡主堂垡堡苎星= 童j ! ! l由于时间序列分析要求观测时间间隔相等，观测序列平稳，所以在分析前必须对观测资料进行缺测处理和平稳处理嵋”1 。7 贝叶斯预测模型贝叶斯方法能在统计推断中使用先验分布信息。传统的预测方法是仅利用过去的数据信息，通过模型将输入信息转化成输出信息，它难于处理发生异常时的情况；而建立在贝叶斯原理上的预测不仅利用过去的数据信息，还能考虑人的因素与经验，如专家的经验与主观推断，通过人对异常情况提供的先验信息，实现主客观相结合的方法进行预测，对于有突发事件时的预测特别合适，当然亦能进行正常情况下的预测。贝叶斯预测的一个基本方法是建立动态模型，将研究对象( 或系统) 的过程通过状态方程来描述( 状态方程是反映系统随时间的变化情况，表示系统内部的动态变化和随机挠动) 2 9 - 3 0 。8 神经网络方法神经网络模型属于隐式模型，有自组织、自适应能力，已有的研究成果表明，用神经网络模型对大坝变形、渗流等进行拟合，其精度优于传统的统计模型 3 2 1 3 。但它需要有足够多的观测数据，且训练时间较长，此外网络结构和参数的确定带有定的经验性。随着数学及其它学科的发展和各学科之间的相互渗透，加之广大水利科技工作者和坝工专家的致力研究，努力探索，更加切合工程实际、更有创见性的用于大坝变形分析的新理论、新方法不断涌现。如文献 3 4 1 中针对混合模型存在的欠拟合问题，提出在建立混合模型的基础上，采用改进的遗传算法| 3 4 - 3 7 ，充分利用其自适应全局优化概率搜索功能，对回归系数进行重新优化处理，从而大幅度地提高模型的拟合精度。就大坝安全监控模型而言，一般的统计模型更有利于数据的拟合和各分量的分离，而模型的预报功能则相对较弱。根据概率论中的大数定律和中心极限定理，统计模型的建立只有在大样本的条件下才具有普遍意义。而从很多工程实例的变形分析中可以看到，实际监测工作中经常存在观测资料不完整，或观测资料残缺等问题，这给模型的建立及预报带来一定困难。而灰色系统理论则认为，影响系统行为效果的原因是灰的，系统输出的统计数据本身是这种灰因素综合作用的结果，这种结果必然蕴涵着系统本身某种内在的规律，通过数据列的浙江大学士木工程学系塑垩查兰堡圭兰垡丝奎一羔三墨l ! ! ! l生成处理，可以挖掘和发现这种内在规律。灰色预测通过数据列的多次累加生成变换，使变换后的非负数据序列最终总可以用指数曲线拟合，使原始数据列变换为具有较强规律性的数据列，然后按生成的数据列建立模型。这种灰色模型可以有效地克服统计模型存在的问题。这就是说，从理论上讲，按灰色系统理论建立系统模型更符合系统变化的实际情况。从预报角度看，灰色模型有其独特的优越性“。应用实践表明：在大坝观测资料不多或由于其它原因( 如观测间断、数据失真等) 没有较长系列的可靠数据可以利用时，根据近期少量数据和它们的发展态势，通过利用灰色系统模型对大坝进行安全监控是一有效途径d 9 4 q 。第三节本文主要工作本文的主要工作内容有：1 广泛的文献阅读基础上，介绍了国内外大坝安全监测现状；分析了影响大坝安全状况的各种因素间相互影响、相互制约的关系，以说明考虑多变量灰色建模的必要性，也有利于多变量灰色预测模型建模过程中更好地进行自变量的选择。2 对现有常用的大坝监测资料分析方法进行了介绍和分析，提出在因观测资料残缺或施工、蓄水初期观测资料系列较短的情况下可以应用多变量灰色预测模型对大坝安全状况进行分析研究。本文应用实际观测资料建立多变量灰色预测模型，从模型的拟合、预测精度来看，结果是令人满意的。特殊情况下，如洪水期点被淹没或点被破坏等，无法实测某变形点作变形同步预报时，也可应用该法。3 本文研究中发现的多变量灰色预测模型中的矩阵奇异问题，在现有关该模型的研究资料中还未见述及。本文分析了其产生原因：在对各种模型参数估计方法解决该问题的可行性作了分析的基础上，本文提出应用m o o r e p e n r o s e 逆法解决多变量灰色预测模型计算中的矩阵奇异问题，并在实例计算中取得了较好效果。4 提高原始数列光滑度以提高模型精度是灰色建模的一个重要方面，现有的几种数列变换方法在应用中都严格要求原始数列为单调递增数列，在很大程度上限制了这些方法的应用范围。本文认为，对于小幅度波动数列应该也存在应用这些方法的可行性，并且可以通过渐扛大学土木工程学系模型拟合精度来检验这种可行性。本文通过实际监测资料的计算，表明利用这些方法提高小幅度波动原始数列的光滑度以提高多变量灰色预测模型精度是完全可行的，原始数列为单调递增数列并不是应用这几类数列变换的必要条件。5 现有的灰色模型在推导过程中都假设了以第一个值作为已知点的条件，但这个假设条件是缺乏理论依据的，应用实践也表明这个理论缺陷有时是导致灰色模型预测失效的原因。本文在第五章“提高模型精度的方法”中针对多变量灰色预测模型摈弃了以第一个点作为己知点的传统做法，通过以不同点作为已知点重新界定边界条件并进行了理论公式的推导。应用实践表明，修正边界条件的方法能够提高多变量灰色预测模型的精度。浙江大学土木工程学系垫i ! ：墨兰竺! ! ：堂丝堡!笙：生墨竺! 窒j 坚兰坚生第二章大坝安全监测简介第一节我国安全监测工作现状我国自5 0 年代开始进行大坝安全监测工作，但受当时技术条件和认识的限制，发展较为缓慢。进入7 0 年代，特别是8 0 年代以来，随着现代科学技术的迅猛发展和各级领导的重视，大坝安全监测技术有了长足的进步。不仅成立了专门的管理机构，建立了有关法律法规，而且还投入了大量的人力物力，开发研制了多种类型的监测仪器，对老坝监测设施进行更新改造，并积极稳妥地推进了自动化监测，使我国大坝安全监测技术的总体水平有了质的飞跃。大坝安全监测这个诞生仅半个世纪的年轻学科，已发展成为融合多门学科、自成体系的一门新的综合性学科。一、大坝安全管理体制目前中国的大坝大致分水利与水电大坝。其中，水利大坝以防洪、灌溉为主，由水利部负责管理；水电站大坝以发电为主( 约1 3 0 多座) ，由国家电力公司负责管理。水利部和国家电力公司相继成立了“水利部大坝安全管理中心”和“水电站大坝安全监察中心”，分别代表水利部和国家电力公司，具体负责水利大坝的安全管理和水电站大坝的安全监察工作。继后，在水利部流域机构以及各省市自治区水利( 水电) 厅局和省电力公司( 局) 相继成立大坝安全管理或监察分中心，形成了有中国特色的水利大坝和水电站大坝的管理体制”2 “”】。二、大坝安全管理法规在水利大坝安全管理中心和水电站大坝安全监察中心成立后，着手制定了大坝安全管理的法规和规范，并经水利部和国家电力公司审批后颁发执行。主要包括水库大坝安全管理条例、水库大坝安全鉴定办法、水库大坝注册登记办法、土石坝安全监测技术规范和水电站大坝安全管理办法、水电站大坝安全检查施行细则、水电站大坝安全注册规定、混凝土大坝监测技术规范等。这些法规和规范与国务院颁发的中华人民共和国水法、中华人民共和国防洪法等，构成中国大坝安全管理的法规和规范体系，使大坝安全管理工作逐步走向法制化管理的轨道”“。浙江大学十术一裎学系塑坚墨兰丝! 兰丝堡塞笙：= ：= = 兰苎兰l 星全塑生坐三、大坝安全监测规程规范和标准制定8 0 年代以来，我国先后制订了混凝土大坝安全监测技术规范s d j 3 3 6 - - 8 9 ( 试行) 、土石坝安全监测技术规范s l 6 0 一9 4 、土坝观测资料整编办法s l j 7 0 1 8 0 、土石坝安全监测资料整编规程s l1 6 9 9 6 、水利水电工程岩土测试仪器系列型谱s d l 2 4 8 4 、土石坝观测仪器系列型谱s d 3 14 8 9 、混凝土坝监测仪器系列型谱s d l 7 1 8 5 、钢弦式压力传感器g b t 1 3 6 0 6 - - 9 2 、差动电阻式观测仪器的六项国家标准等一系列大坝安全监测的规程、规范和标准，起到规范与指导大坝安全监测工作的作用。随着时间的推移，部分规程规范和标准已不适应当前形势的要求，电力行业大坝安全监测技术标准化委员会( 注：设在国家电力公司大坝安全监察中心)已组织人员对部分规程规范和标准进行或着手修订，同时还在编制大坝安全监测自动化系统技术规范和混凝土大坝安全监测资料整编规程。四、大坝安全监测仪器和数据自动采集系统我国大坝安全监测数据自动采集系统的研究，始于7 0 年代末，8 0 年代有了长足的进步，进入9 0 年代中期以后，随着电子技术、计算机技术、通讯技术的发展和国外先进设备的引进，研制出了多种型号的大坝安全监测数据自动采集系统，使大坝安全监测的实时性、实用性和可靠性有了显著的提高。国内大坝安全监测数据自动采集系统按采集方式分为三类：即集中式、分布式和混合式，具有代表性的有d a m s 型、d g 型、l n l o l 8 型等系统。另外，在引进和应用国外先进技术方面也取得了成功。如：美国g e o k o r 公司、g e o m a t i o n 公司、s if i c o 公司、加拿大r o c t e s t 公司以及瑞士l e ic a 公司的产品在国内都得到了较好的应用。这些产品的成功应用，不仅引进了先进的设备和技术，而且对我国大坝安全监测技术的发展起到了积极的促进作用。五、大坝安全监测资料分析我国大坝安全监测资料的定量分析中，针对单个测点测值所建立的统计模型、确定性模型和混合性模型三类常规数学模型得到了广泛的应用，并得到改进提高：在此基础上又研究和发展了多测点模型和多维模型，新方法不断出现，并逐步应用于实践：计算机技术应用的普及，使分析方式与效率大为改观，也促进了各种分析方法的发展。浙江大学士木丁程学系鲨蔓叁兰塑! 兰丝堡!笙= 主苎竺婆生竺堕皇塑坠六、大坝安全监测实施情况目前，全国由电力系统管理的已建大坝有1 3 0 余座，绝大多数为高坝大库。1 9 9 2 年由原能源部颁发了水电站大坝安全监测设旋更新改造规划，开展了首轮水电站大坝安全监测设施更新改造工作。通过8 年努力，大部分水电站大坝已完成或正在进行更新改造工作，使这些大坝健全了必要的监测项目，大坝安全监测设施的现状有了较大的改善，提高了监测精度、稳定性和可靠性，改善了监测条件，减轻了劳动强度，增强了对大坝的在线监测能力”“。经过更新改造后的大坝安全监测设施，对摸清大坝运行规律、及时发现工程隐患、澄清安全疑点发挥了作用，也为大坝定检时进行安全评价提供了科学依据。根据目前电力系统所属13 7 座大坝资料统计，8 5 左右的大坝基本配齐了必要的监测项目，4 0 左右的大坝安全监测设施全部或部分实现了监测自动化。但还有约1 5 的大坝缺少或没有必要的监测项目，即使监测项目基本齐全的大坝，也有不少大坝不同程度地存在些问题。在有些已设置大坝安全监测设旌的大坝中，虽基本上都设置了必设的变形、渗流等监测项目，但在监测设旌的布置合理性、测点设置的必要性、监测精度和方法、监测资料可靠性、监测自动化程度等方面，还存在不少问题。如：有的大坝变形监测未设校核基点，或测点布置和结构不合理，或监测精度不能满足规范