（水利水电工程专业论文）混凝土重力坝监测资料分析与评价.pdf

ab s t r a c t ab s t rac t c h in a i s a b i g c o u n t ry a t b u i l d i n g d a m s i n t h e w o r l d . s i n c e 1 4 4 4 a b o u t e i g h t y s e v e n t h o u s a n d d a m s w e re c o n s t ru c t e d w h i c h l a i d a g o o d f o u n d a t i o n a t h y d r a u l i c a n d h y d r o p o w e r c o n s t r u c t i o n a n d p l a y e d a n i m p o r t a n t r o l e i n c o u n t y e c o n o m y . b e c a u s e o f t h e f a c t o r s o f h y d r o l o g y , g e o l o g y , d e s i g n , c o n s t r u c t i o n q u a l i t y , m a n a g e m e n t a n d m a i n t e n a n c e , m a t e r i a l s a g i n g a n d s o o n , m a n y d a m s h a v e h i d d e n t r o u b l e s , i t w i l l n o t o n l y i n fl u e n c e t h e b e n e f i t o f t h e p r o j e c t s , b u t a l s o t h r e a t e n t h e s a f e t y o f t h e l i v e s a n d w e a l t h o f d o w n s t r e a m . o n c e d a m b u r s t , i t w i l l r e s u l t i n d i s a s t r o u s t r a g e d i e s a n d gr e a t e c o n o m i c l o s s . a s t h e t i m e p a s s b y , th e r e w il l b e m o r e a n d m o r e o l d a n d s i c k d a m , a n d t h e s a f e t y p r o b l e m s o f d a m s w i l l m o re a n d m o re s t a n d 。 诚a n d w i l l b e c o m e t h e f o c u s p r o b l e m s o f a tt e n t i o n a n d s o l u t i o n i n t h i s c e n t u ry . t h e a n a l y s i s o f d a m s s e c u r i t y m o n i t o r i n g d a t a i s a n im p o r t a n t m e a n s t o j u d g e d a m s ru n n i n g s t a t u s a n d i n n e r m e c h a n i s m o f d a m s t r u c t u r e a n d p r o v i d e t h e s c i e n t i f i c b a s i s f o r o p e r a t i n g s a f e l y , p r e d i c t i o n a n d f o r e c a s ti n g , s t r e n g t h e n i n g a n d e n ri c h i n g d e s i g n t h e o ri e s . b a s e d o n t h e s u m m a r i z i n g o f d a m s a f e t y m o n i t o r in g g e n e r a l s i t u a t i o n , t h e e x t e r n a l m e a s u re d a t a o f c o n c r e t e d a m a r e s y s t e m a t i c a l l y r e s e a r c h e d勿 u s i n g t h e t h e o ri e s a n d m e t h o d s o f m a t h e m a t i c s a n d m e c h a n i c s c o m b i n e d w i t h t h e k n o w l e d g e o f d a m e n g i n e e r i n g . m a t h e m a t i c a l s t a t i s t i c m o d e l , h y b ri d m o d e l a n d b p a r t i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k m o d e l o f w a n a n c o n c r e t e g r a v i t y d a m a r e e s t a b l i s h e d . t h e p r i m a r y c o n t e n t s a r e a s f o l l o ws : 1 . d i s c u s s e d a r e t h e b as i s p ri n c ip l e a n d m e t h o d o f e s t a b l i s h i n g m a t h e m a t i c a l mo d e l s o f ma i n o b s e r v a t i o n v a r i a b l e s o f c o n c r e t e d a m 2 . h o ri z o n t a l d i s p l a c e m e n t v a r i a t i o n ru l e s a c c o r d in g t o w a t e r l e v e l , t i m e , a n d t e m p e r a t u r e a r e re s e a r c h e d 勿a n a l y z i n g t h a t o f wa n a n s e v e r a l d a m s . 3 . c o m b i n i n g t h e s t ru c t u r e c o n d i t i o n s o f t h e 山 r m a n d it s f o u n d a t io n , h o ri z o n t a l d i s p l a c e m e n t h y b ri d m o d e l o f w a n a n n 0 .4 d a m s e c t io n s p l o i m e as u ri n g p o i n t a r e e s t a b l i s h e d . 4 . t h e m a t h e m a t i c a l s t a t i s t i c a l m o d e l a n d h y b ri d m o d e l o f d a m d e f o r m a t i o n m o n it o ri n g i s as t h e b as i s o f t h e r e s e a r c h t h a t a rt i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k i s a p p l i e d t o ab s t r a c t a n a l y s i s o f d e f o rm a t i o n m o n i t o r i n g f o r d a m . t h e h o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n t h y b r id m o d e l o f w a n a n s e v e r a l d a m s a r e e s t a b l i s h e d w i t h t h e i m p r o v i n g b p n e u r a l n e t w o r k , a n d t h e a n a l y s i s r e s u lt i s t h a t t h e s i m u l a t in g e ff e c t a n d f o r e c as t i n g p r e c i s i o n o f t h e i m p r o v i n g b p n e u t r a l n e t w o r k i s s u p e ri o r t o t h e m a t h e m a t i c a l s t a t i s t i c a l m o d e l . k e y w o r d s : s t a t i s t i c mo d e l ; h y b ri d ne t wo r k :da m; mo d e da m ;d e t e r mi n i s t i c mo d e l ; b p n e u r a l s a f e t y m o n i t o r i n g ; m o n i t o ri n g d a t a i i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了 文中特别加以 标注和致谢的 地方外， 论文中不 包含 其 他 人 已 经发 表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果， 也 不 包 含 为 获 得 南昌大学 或 其 他 教 育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 (手 写 )蓬 逗 食签 字 日 m : 问年 6 a 甘 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者 完全了 解南昌大李有关 保留、 使用学位 论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和 借 阅 . 本 人 授 权南昌大 李可 以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学 位 论 文 作 者 签 名 、手 写 ) 董 0 签 字 日 期 : 问年 b q 甘 日 导吟 (钾 二汤拼 签 字 日 期 夕年 子 ” 了 日 学 位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址: 电话 邮编 第 i 章 绪论 第 1 章 绪论 1 . 1国内外有关大坝安全监测研究综述 大坝安全监测是适应大坝安全的需要并随着坝工建设的进展和坝工技术及 钡 9 控技术的进步而发展起来的。早期的坝一般都是一些规模不大的土石坝，大 坝的安全管理仅限于对外表的观察，谈不上监测。从上世纪初到上世纪中叶， 坝工理论逐渐形成体系，混凝土坝大量修建，当地材料坝也有了长足发展，尤 其在我国掀起了 坝工建设的高潮。在这一阶段，人们开始在坝中安装测压管以 及应力、温度、孔隙水压力等观测设备和仪器，取得了大量观测资料，通过原 型观测与设计计算及模型实验的对比，对原设计计算方法进行了验证反馈。自 上世纪6 0 年代，大坝安全监测技术、手段以及监测资料分析理论方法开始走向 成熟。随着复杂地形、地质条件下的高坝水库的修建以及新的结构形式和施工 方法的出现，对安全监测提出了更高的要求。同时，美国的提堂、意大利的瓦 依昂以及法国的马尔巴塞等坝的失事，引起了社会各界对大坝安全的关注和重 视。出现了观测深部岩体变位的多点位移计、滑动测斜仪等新仪器，自 动化和 半自 动化仪器逐渐取代手工观测仪器，很多坝安装了自 动化监测系统，数学模 型在监测数据分析中得到了普遍应用。不少坝建立了安全监测信息系统，有的 还应用人工智能理论开发了 大坝安全监测、大坝病害诊断专家系统l . 我国在大坝安全监测方面取得了很大发展，但也存在发展不平衡的现象。 一方面大中型水库混凝土坝观测项目比较齐全，因此对混凝土坝安全监测方面 的研究成果也比较多。尤其三峡工程，其大坝安全监测的规模和先进性已 经达 到国际领先或国际先进水平。然而数量最多的土石坝 ( 特别是早期建成的土石 坝)以及大量的小型工程的监测状况相对较差。据统计，以土石坝围挡水建筑 物的大型水路安装观测设施较全的占总座数3 0 ; 仅有基本观测设施的占3 0 %; 基本观测设施不全的占3 0 %; 没有观测设施或己有观测设施全部破坏的占1 0 %a 中型水库据不完全统计，仅有 2 0 %有基本观测设施。至于小型水库，不论混凝 土坝还是土石坝，一般均无观测设施。具有观测设备的大中型水库，能坚持正 常观测， 及时进行资料分析，能 起到安全监测作用的 仍然是少数泪 。 在理论研究方面，国 外起步较早3 6 . 意大利的 法那林 ( f a n e l i ) 和葡萄牙 第 i 章 绪论 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1 9 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，进而评价大坝的安全 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 m 我国大坝安全监测的资料分析工作起步较晚，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3 ) ， 还对时效变化进行研究，提出了 时效变化的指数模型、 双曲 线函数模 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，并用非线性最小二乘法进行参数估计;还 提出了裂缝开合度统计模型的建立和分析方法，坝顶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，并在实际工程中取得了 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析中来，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 s , g r e y s y s t e m ) 理论: 李 珍照11 ., 等于1 9 9 1 年最 早将g s 理论引 入到大 坝安 全 监测资 料 分析领域;蓝悦明i i 等应用灰色理论， 提出 位移预报模型; 杨杰u z ) 在一阶单变 量灰色线性预测模型基础上，引入灰元作模型参数，建立了土石坝变形的灰色 非线性模型，并对其适用性进行了探讨。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u a ) 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的步 骤; 薛桂玉等 14 18 ) 应用模糊数学方法对观 测数据概率分布形式进行识别，并应用模糊聚类分析方法对同类测点的测值系 第 1 章 绪论 列进行分型划类及相似性分析。 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己 经开始，尤其是模糊数学与神经网 络方法的有机结合， 为相关的研究展现了 广阔的前景。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。 陈 续光 19 1 等采 用 模糊 近 似推 论 后的 隶属 度 作 为b p 网 格的 输出 神 经元， 从而实 现位移量的 预报; 赵 斌、 杨杰20 -2 11 等对h o p f i e l d 网格和b p 网 格在大坝观测资料处理中的应用 进行了 探讨; 邓念武2 27 、吴云芳2 3 7 分别采用改进b p 网 络模型进行变形预测分析，高 平lu 7 采用小波网 络进行大坝变 形短期模型的建模与预报，取得了较好的效果。 近年来，国内 外学者提出了多 种监控模型对大坝安全监测资料进行分析， 如张进平等于1 9 9 1 年提出了 大坝安全监测的 位移分布数学模型;吴中如、 顾冲 时等25 - 29 ， 通过引入空间三维坐标， 提出混凝土坝空间位移场的时空分布模型， 将 单测点模型拓宽至空间三维;尹辉等提出一种实时引入新信息的等维新信息和 等维灰数逆补组合的动态预报方法; 何金平、 李珍照等2 7- 3 17 提出 重力 坝位移二维 分布模型，并把单测点确定性模型扩展为空间多测点确定性模型。还有学者提 出了 大坝安全监控的位移分布模型3 2 1 、数字滤波模型” ， 、 优化组合模型闭 、岭 回归与 主成分回归 模型等3 17 3 5 7 。 此外， 沈振中 用基岩和大 坝的 粘弹性 模型， 分 析三峡大坝和基岩施工期的变形，建立了一种特殊的施工期监控模型。在土石 坝研究方面，邮能惠、蔡飞、沈珠江等基于土石坝变形与孔隙水压力产生机理 的分析，提出了较合理的统计分析方法。 1 . 2万安水电 厂概述 1 . 2 . 1工程概况 万安水电 站位于中国江西省万安县、赣江中 游，万安县城以上 2公里处， 距赣州市9 0 k m e 混凝土重力坝， 最大坝高5 8 m 。 水库水位1 0 3 . 6 m 时总库容2 2 . 1 6 亿 3m 。 水电 站装机容量5 0 万k w ， 保证出力6 . 0 4 万k w ， 年发电量1 5 . 1 6 亿m 3 - h . 以发电 为主，兼有防洪、航运、 灌溉和养殖等效益.1 9 6 0 年5 月开工，1 9 6 1 年 末停工:1 9 8 1 年复 工，1 9 8 9 年1 1 月截流，1 9 9 0 年9 月第一台 机组发电，1 9 9 4 年底工程竣工。 第 1 章 绪论 1 . 2 . 2枢纽布1及建筑物 枢纽布置自 右至左为:土坝( 4 3 0 m ) .船闸( 5 1 ) 、右岸非溢流坝( 1 8 m ) ， 电厂 ( 1 9 7 m ) 、 溢流坝( 3 2 8 m ) 、 左岸溢流坝( 7 3 m ) ， 灌溉渠首分设 在两端。 拦河大坝坝 顶高 程 1 0 4 - 1 0 5 m ( 土坝) ， 拦水前沿长1 1 0 4 m . 底孔坝段长1 5 0 m , 布置1 0 个底孔， 孔口 尺寸7 m x 9 m ， 孔底高程6 8 m ， 装有 弧形闸门， 下游消力池长5 8 m ， 护坦高程6 3 m 。 表孔坝段长1 6 4 m ， 布置9 个表孔， 孔口宽 1 4 m ，堰顶高程 8 4 m ，弧形闸门，下游消力池长 5 8 m ，护坦高程6 4 m 。底 孔坝段与 表孔坝段之间用一个1 4 m 的坝段分隔， 下接导墙， 便于运用河检修。 电站为河床式厂房，厂房长1 9 7 m ，宽2 7 m ,高6 8 . 5 m ， 机组间距3 0 . 4 m ，安 装场长 4 5 m ，内 装 5台单机容量 1 0万 k w的轴流式水轮发电 机组，水轮机为 z z 4 4 0 - l h - 8 5 0型，直径8 . 5 m ,额定转速 7 6 . 9 r / m i n ，设计水头2 2 . o m ，最大水 头3 2 . 3 m ，最小水头1 2 . 8 m . 单级船闸布置在右岸， 问室有效尺寸为1 7 5 m x 1 4 m x 2 . 5 m ， 可通过2 艘5 0 0 t 驳船组成的船队，船闸最大水头3 2 . 3 m . 土坝为粘土心墙沙石坝，最大坝高3 7 m ，基础采用混凝土防渗墙防渗。 1 . 2 . 3工程地质概况 坝址位于低山丘陵边缘，河谷宽阔，为一复式河槽，左半部为河床段，宽 4 5 0 m ，右半部由高漫滩河i , 1 1 级阶地组成，宽约 5 0 0 m , 覆盖层厚 1 3 m 。左岸 山 坡 3 5 - 5 0 * ， 右岸山 坡 2 5 0 。主要岩层为 侏罗纪灰绿色或灰白 色石英 砂岩、 紫色粉砂岩或砂质页岩。 断层发育， 较大断层7 条， 断 距约2 -8 m . 地震基本烈 度为6 度。 1 . 2 . 4万安大坝安全监测系统 万安水电 厂布置有较完善的安全监测系统，包括大坝变形监测系统、渗流 监测系统、大坝内 部自 动化监测系统。 变形监测系统能监测大坝及其基础的沉陷和水平位移， 布设有正垂线1 0 条， 倒垂线1 0 条，引张 线6 条。正、 倒垂线分 布在左岸非溢流坝5 # 坝段、堰顶溢 流坝 1 1 # 坝段、堰顶溢流坝 1 5 # 坝段、底孔泄流坝 1 7 # 坝段、底孔泄流坝 2 5 # 坝段、安装场安1 1 坝段、 船闸、右岸坝肩八个部位，其中右岸坝肩设有一倒 垂线作为视准线， 底孔泄流坝 2 5 # 坝段设有一条正垂线测量挠度。大坝部位倒 第 1 章 绪论 垂线深入基岩2 6 -3 7 米，船闸部位深入基岩1 0 - 2 8 米。坝顶观测廊道布设引张 线1 条，全长4 9 2 米;基础廊道内分段布设了3 条引张线，总长约4 5 5 米;又 在船闸 两侧墙顶管线廊道各步设 1 条引张线，长约 1 5 0 米，引张线的端点均设 置了正、倒垂线作为基点。垂直位移观测主要是通过大坝顶部包括土坝表面共 设置沉陷 测点6 6 个， 厂房平台顶部1 5 个，基础廊道内3 4 个，另 有四 个钢管标 监测断层的变形来完成。同时，为了检验垂直位移工作基点的稳定性以及坝下 游万安断层的变动情况，在坝下游建立一等水准环线，全长1 2 公里。 渗流监测系统监测内容包括基础扬压力、渗压及基础渗流量。基础扬压力 及渗压观测主要是通过在各主体建筑物内 布置2 0 条顺水流向 监测断面、5 条垂 直于水流方向 监测断 面来完成，在地质条件较差部位如船闸f 4 8断 层， 2 5 , 2 6 坝段的 f 3 3断层，尚 布置了一些零星测点。基础渗流量监测设施主要利用基础 廊道内的排水孔， 用容积法人工量测。 大坝内 部自 动化观测系统采用南瑞大坝监测系统工程公司的 d a m s - i v型智 能分布式大坝安全监测系统，其功能和性能已达到国际先进水平。该系统由数 据采集单元( d a u ) 、监控主机、网络管理主机、网络通信设施等构成，能监测差 动电阻式、差动电感式、差动电容式、压阻式、钢弦式等多种一次传感器。其 数据采集单元布置在监测仪器附近，对所辖仪器监控主机的命令或设定的时间 自 动进行测量，并转换为数字量暂存于 d a u中。并根据监控主机的命令向主机 传送所测数据，监控主机则根据一定的模型对实测数据进行检验和在线监控， 并负责向管理主机传送经过检验的数据入库。管理主机主要是对存储的数据进 行处理和分析。并向各级主管部门发送有关大坝安全方面的信息。 万安水电厂内、外部变形监测自 动化设备布置情况及自 动化系统整体布置 图分别见表 1 . 1 和附录a a 第 1 章 绪论 表1 . 1万安水电厂内、外部变形监测自 动化设备布置情况 部位仪器、设备数量 外部 变形 监测 自动 化布 置 船闸r z -2 5 型垂线仪( 8 ) , r y - 2 0 型引张线仪( 1 6 )2 4 台 基础廊道 r z -2 5 型垂线仪( 2 0 ) , r y - 2 0 型引张线仪( 2 3 ) , j s y -1 型静力水准仪( 4 1 ) 、 n y z e f 阻式渗压计( 5 8 ) 、电容式量水 堰渗流仪( 6 ) 、基康4 5 0 0 s 型渗压仪( 2 3 ) 17 1a 坝项观测廊道r y - 2 0 型引张线仪2 5 台 安n 、1 6 # 坝段h t -ii i t ? 竖直传高仪2台 船闸、廊道n d a 数据采集模块3 1 台 内部 变形 监测 自动 化布 置 7 #坝段m ( 4 )4 支 1 1 #坝段r ( 1 0 ) , m ( 1 ) 、 j ( 4 ) , s ( 5 ) 、n ( 2 ) , t ( 1 )2 3 支 底孔 2 0 #坝段r ( 2 1 ) , s ( 2 ) , m ( 1 ) , n ( 1 )2 5 支 底孔2 6 #坝段r ( 5 ) 、 j ( 8 ) , t ( 4 )1 7 支 2 #机r ( 2 0, s ( 1 ) , j ( 1 ) 、t ( 3 ) 、m ( 1 )2 6 支 5 #机r ( 1 4 ) , j ( 6 ) , n ( 1 )2 1 支 船闸r ( 1 4 ) 、 s 2 ( 1 1 ) 、 s ( 2 ) , t ( 2 2 ) 、 j ( 1 1 ) 、 n ( 8 ) , c ( 2 ) , m ( 4 )7 4 支 1 . 3大坝安全监测的目的和意义 众所周知，大坝所拦蓄的水在正常利用时会带来显著的经济效益和社会效 益， 但一旦溃坝，突然失控的水流将给下流人民的生命财产带来巨大的灾害。 尽管大坝在设计时 采用了一定的安全系数， 但是由于设计中不可能对坝的 工作 条件及承载能力做出完全准确的估计，施工质量也不可能完美无缺，大坝在运 行过程中还可能发生某些不利的 变化，为此国内 外均有一些大坝曾出 现失事的 记 录. 2 0 世纪2 0 年代以 来， 国 际上相续发生了 圣佛朗 西重力坝( 美国， 1 9 2 8 年) 、 马尔巴 塞拱坝( 法国， 1 9 5 9 年) 、 瓦依昂 特拱坝( 意大利， 1 9 6 3 年) 、 提堂土坝( 美 国，1 9 7 6年) 等垮坝事件， 我国也先后发生了 板桥、石漫 滩两座土坝( 1 9 7 5年) 洪水漫 顶以 及 沟后 水库( 1 9 9 3 年) 渗 透破坏等垮坝事 件.1) (m -9 7 j ， 给相关国 家 带来了 第 i 章 绪论 惨重的灾害和巨大的经济损失，各国政府和坝工界开始对大坝安全监测高度重 视。 大坝安全监测是通过仪器观测和巡视检查对大坝坝体、坝基、坝肩、 近坝 区岸坡及大坝周围 环境所作的 测量及观察，进而可以 及时获取第一手的资料来 了 解坝的工作性状，为评价大坝状况和发现异常迹象提供依据，从而制定适当 的 水库控制运行计划及坝的维护修理措施来保障大坝安全，在发生险情时 还可 以发布警报减免事故损失。 因此大坝安全 监测是保证大坝安全的重要措施，是 坝工建设和运行管理中非常必要、 不可或缺的 一项工作l 。 事实上，绝大多数大坝的破坏，并非突然发生，而是有一个从量变到质变 的 过程。所以，即使大坝存在有一定的缺陷，或设计理论、地质判断和施工质 量等方面 有不妥因素，若通过认真仔细系统的监 测、检查与分析，是可以 及时 发现隐患 而把事故消灭于未然的。 例如河南省南 谷洞水库堆石坝，原来存在着 严重的水 平、垂 直位移与下游大量浑水渗流的险 情， 通过及时的观测与 研究， 采用混凝土方渗 前处理 后，使大坝转危为安，正 常运行至今。又如吉 林丰满发 电 厂混凝土重力 坝系伪满时所建，当初工程质量 十分 低劣，坝内 蜂窝、渗漏 严 重，险象环生，大 坝水平位移、坝体渗流量、 坝基扬压力一直很大。根据 1 9 5 0 年该厂观测组和水工维修人员实验研究的结果， 如果有百 年一遇的洪水，大 坝 将有颠覆的危险。 但该坝由于日 后采 取灌浆等加固 补强 工程，配合逐年的 精心 观测，目 前大坝的 整体性和稳定性已 大大提高，大坝 安全有了保障。1 9 9 4年 水 利部组织的防汛检查， 发现佛子岭大 坝坝垛水平位移和坝基沉陷超过历史 最大 值 2 7 %-5 0 %，以及一些其他情况，水利部决定对该坝立即开展特种检查，避 免了恶性事故的 发生。 到目 前为止，在水利技术方面的 理论，还很难解决所有的水利工程为 题， 例如应力状态和稳定计算， 水流流动状态，水文及地质条件等等。但是， 现代 变 形监测 手段， 却在很大程度上可以弥 补其不足 之处。 例如对于某大 坝的 动态， 基本上可以由 外部变形监测、内 部( 应力、应变等) 观测及渗流观测等三方面及 时、全面 地得到检查，并及时发现为 题。其中外部变形观测在世界各国 的大坝 维护中，则与某些项目一起，放在了首要的位置上。 第 1章 绪论 1 . 4问题的提出 大坝安全监测的原始成果往往只展示的是事物的直观表象，要深刻地揭示 规律和做出 判断， 就要 通过对监测数据和检查资料的定 性、定量正分析及反分 析，对坝的状态 做出及时的 分析、 解释、评 估和预 测， 才能为有效地监控大 坝 的安全提供可靠依据，同时 积极发 挥检 验设 计和指导施工的作用，并为相关科 研问题提供有价值的成果。 万安水电站自1 9 9 0 年8 月2 1 日 水 库开 始蓄水，已 运行近1 7 年。 从建坝开 始观测至今已积累了大量的观测数据，但这么庞大的数据一直存储在数据库中， 未能有效地加以分析和研究来揭示万安水电站坝体的变形和应力应变、坝基的 渗流量规律，以 确保大 坝的 安全运行和社会、经济效益的充分发 挥。因 此， 本 文针对这种情况，加上篇幅的 有限， 选择了 万安水电站的若干测点进行监测数 据的定性、定量正分析， 借以 分析和 评价测点所在坝段的变形性态，并 通过各 模型之间的拟合、预 测结 果的比 较， 可得出 适用于 万安大坝的拟合、预测 模型， 从而为有效地监控万安大 坝的 安全提供可 靠的科学依据，使得万安水电 厂能 够 充分发挥其经济效益和社会效益。 1 . 5本文的主要研究工作 针对 目前大坝安全观测资料分析的研究现状和特点，本文在阅读大量有关 文 献资料及 研究成果的基础上展开和进行。结合万安重力坝实际，主要 从以下 几个方面开展研究工作: 1 . 介 绍了重力坝数据分析的常用回归分析方法，并针对本文的 研究内容介 绍了 混凝土重力坝变形观 测量的 统计模型、确定 性模型和混合模型。 2 . 结合万安重力坝的变形实测资料，建立了坝体水平位移的数学统计模型， 分析了坝体变形的成因及其变化规律。 3 . 利用有限 显示差分 法，计 算出 4 # 坝段在水压 分量作用下的坝体变形， 建 立了4 # 坝段 p l o 1 测点水平位移的混合模型。 4 . 对大坝监测数据建立b p 网 络模型， 并将该 模型与 逐步回归方法建立的回 归 模型 进行比 较， 最重要的是b p 网 络对重力坝变 形量的 预报能力， 评价该模型 在重力坝变形监测数据分析应用中的可行性。 第z章 回归分析方法 第2章 回归分析方法 2 . 1概述 水工建筑物的观测物理量大致可以归纳为两大类:第一类为荷载集，如水 压力，泥砂压力，温度( 包括气温、水温、坝体混凝土和坝基的温度) ，地震荷 载等: 第二类为 荷载效应集，如变形、 裂缝开 度、 应力、应变、 扬压力或孔隙 水压力、渗流量等。通常将荷载集称为 自 变量或预报因子，荷载效应集称为因 变量或预报量。 变量之间的关系一般有两种。一种是变量间存在着完全确定的关系，在科 学技术中 ，有大量问题可以 用理论方法建 立变量间的确定关系，这种关系叫 做 函数关系。另一种是变量之间存在着不确定性的关系，许多变量间的函数关系 往往一时还不能 从理论上建立起来。在观测中， 大量的问题属于这一类。 例如 经 过若干假定之后，可以用力学理论推求混凝土坝顶位移量同库水位、坝体温 度、材料徐变等之间的确定函数关系，但是其理论计算结果，一般很难与实测 结果相符合，这种与实测结果不相符合的程度， 各坝之间肯定也是不相同的。 所以，坝顶位移量与库水位、坝体温度、材料徐变等之间的关系可认为是一种 存在着不确定性关系的例子。对一个具体的混凝土坝来讲，影响位移的因素除 了上述三个之外，可能还有其他很多因素，其中有的因素是人们一时还没有认 识到，有的虽然已经被人们认识了，但暂时还无法测量。由于影响因素多，再 加上在观测各种变量时 产生的 误差，以及上述因素有时 又会 偶然地综合在一起， 这就造成了变量之间关 系的不 确定性。然而， 这种存在着不确定 性关系的随机 变量之间的关系也不是没有规律可循的，大量偶然性中蕴含着必然性的规律. 只 要 人们经 过长期多次观测，就不难发 现这种随机变量之间确实也 存在着某种客 观的规律性，我们把这一类变量之间的关系称为统计相关。 在坝工实际问 题中，影响 一个事 物的因素往往是复 杂的。 在寻找预报量与 预报因子之间的关系式时，不可避免地要涉及到许多因素，找出各个因素对某 一预报量的影响， 建立他们之间的数学表达式，即回归模型。 借此推算某一组 荷载集的预报量，并与其实测值比较，以判别建筑物的工作状况，对建筑物进 行监测。同时，分离方程中的各个分量，并用其变化规律，分析和估计建筑物 第 2 章 回归分析方法 的结构性态。 2 . 2回归分析中的统计检验 2 . 2 . 1统计检验的基本思想 所谓统计检验就是检验某种统计假设是否合理。 统计假设的形式和内容是 多种多样的，而且对于同一统计假设也可能有不同的检验方法。然而任何一种 检验基本上都是 按照同 样的逻 辑进行。 下面先概 述这一 检验的 基本 逻辑。 如果用h 表示假设，又称为虚假设，通过检验后，看看是否舍弃这个假设， 抑或接受这个假设。 若假设h属真， 则统计量口属于q的概率是很小的。 那么如果检验结果口属 于q，根 据概率上 “ 小概 率的 实际不可能性” 原理， 就认为h不真 而舍弃之; 反之，若检验结果w不属于0，则接受h 。可见， 假设h的舍弃和接受都是按照 一定的概率标准做出判断的。 在统计检验时， 我们给定一个临界概率a 。它是由子 样推断母体时的一种 可靠性指标，含义是本来符合统计假设的母体由于抽样结果而作出了否定统计 假设时犯错误的 概率， 叫做显著 性水平。 通常a取为0 . 1 0 , 0 . 0 5 , 0 . 0 1 等。 构成检验法时首先要找到适合的统计量及其分布， 然后定出合理的舍弃和 接受标准.一般步骤是: ( 1 )建立统计假设h ; ( 2 )构造一 个合适的统计量c 和从 子样观测值计算出 统计量c 的 观测值u ; ( 3 ) 规 定 一 个 显 著 性 水 平 “ ， 求出 在h 成 立 的 条 件下 能 使弓1 1 u 1_ u a ) yr, 那么确定 k元线性经验回归方程可归结为根据观测资料( 子样) 来确定参数 b o , b , ， 二 、 b k 的问 题。 设 因 变 量y r 的 估 计 值y ; 为 : y , = b o + 艺 b ,x ( 2 . 9 ) 对与 实 测 值y r 的 剩 余平 方 和为 。 一 艺 ( y l - y , ) 2 = 艺 i (b o + 艺 b ,x ) 一 y2 ( 2 . 1 0 ) 根据最小二乘法原理: 叩 _ 。a q_ 。 一u .-u .-二 a b o一 a b , a q 一 。 a b k ( 2 . 1 1 ) 得 到 求 解 b , ( i = 1,2 , -二 ， 劝 的 法 方 程 式 : ( 2 . 1 2 ) slyszy.凡 -一 八乞.气 气凡.凡 凡几.气 凡凡.凡 式中 s y = s 一 熟一 x ,)(x,r一 x ,) = 郭、 _ _1n 喀 、 喀 xjr ), 笋j s;, 一 i (r=, 、 一 ;j) = 客 “ 一 1 (y- x r)n r., 第 z章回归分析方法 s,y = (x,一 王 )(v , - y) = y- x!=1 、 一 1 (y- x )(y- y ,)n ,=1 r-1 _ 艺y ， _艺x y = r = 1 - 一 ， x = r = 1 - 一 ，i , j =1 , 2 , . . . , k 式(2 . 1 2 ) 中 ， s = s。 因 此方 程 中 的 系 数 矩阵 可简 写 为: f s 11 s 12 is = 一， s22 l s k l s k 2 b , 与 s 的 列 阵 简 写 为 : b . l i b , b . 1 =4 m s . 1 l b k ( 2 . 1 3 ) ( 2 . 1 4 ) kk.女、leseel、1声 55。51妙r为二1勺 55。5 。一rleseses几峨，esesesesl 户朴朴一 则式( 2 . 1 2 ) 可简写为: ( 2 . 1 5 ) 如 果 s 1 可 逆， s e 1 ( b , 卜s) 上式有唯一解: b , = s , 一 ， is o bo = y 一 全 ， 、 ( 2 . 1 6 ) ( 2 . 1 7 ) 由 此 ， 根 据 观 测 资 料: x 1, i x 2 ,， 二 、 x , y ,; t = 1, 2 , 二 、 n ; n k ， 可 求 得 回 归 方 程: y = b o + 艺b ,x , ( 2 . 1 8 ) 2 . 4逐步回归分析法 在 回归分析 的设计应 用中，总是选取 与y 有一定关系 的一组变 量 (x 1i x 2 . . . +x k ) 作 为 可 能 的 预 报 因 子。 例如 ， 变 形 选有 水 位、 温 度、 ( 气温 、 水 温 和混凝土温度等) 、时间等因子，常常达到十多个以至几十个因子。理论分析和 第 2章 回归分析方法 实际经验表明: ( 1 )为了 使回归方程可用于预报的目 的，凡是影响因变量的所有因 子都应 能包括在回归方程中，特别是那些作用显著的自变量不能漏掉。 ( 2 )如果将全部预报因子放入回归方程，往往使法方程的系数矩阵蜕化， 而无法求解，或解得的回归方程精度不高，实际中无法应用。而且如果 自 变量 太多，需要观测的项目就很多，这样势必会增加观测的工作量，且某些项目的 观测还有一定困难。因此，希望 自变量不宜太多，应尽量少一些。 ( 3 )如果挑 选影响显著的自 变量以 外，又把影响不显著的自 变量引进来， . 反而影响回归方程的精度，影响方程的稳定性，致使效果降低。 因此，建立回归方程应包括所有对因 变量作用显著的 变量，而不包括对因 变量作用不显著的夺量。此时，即便 q不是最小，也应该是比较小的。该方程 称为最佳回归方程。 逐步回归分析是选择最佳回归方程的优越方法。逐步回归分析法是从一个 自 变量开始，按 其对因变量作用的显著程度，从大到小依次逐 个地引入回归方 程:另一方面，由于自变量之间存在着不同程度的相关关系，可能会使先引入 的自 变量由于后面的自 变量的引入变得不显著， 此时不予保留，随时将它们从 回归方程中剔除。因此，逐步回归是有的步引入因子，有的步是剔除因子，而 每一步都要作统计检验 ( f检验) ，以保证每次引入新的显著因子以前， 回归方程 中只包含有显著因子，直到显著因子都包括在回归方程以内为止。 2 . 4 . 1 基本原 理14 01 将法方程( 2 . 1 2 ) 改写为: i a , 一a21 l a k l a 1 2 “ a l k as “ a 2 k 0 1 2 ” 0 1 k c u “ 0 2 k ( 2 . 1 9 ) 凡气.凡 cl几二ck 一lwe.eseseseseses.l -一 !尹.! 八久.瓦 !、片lesesesl ，.les.eseseseseses.j 或 简 写 为 :a , l (6 j ) = c , (s n ,) ( 2 . 2 0 ) 开 始 计 算 时 取 a , 卜s n , 这时 c , 卜 15 1, 是 一 个k 阶 的 单 元 矩 阵 . 用 逐 步 回 归 法 求 解 式(2 . 2 0 ) 的 过 程， 就 是 通过 对气 的 一 步 一 步的 消 元 变 换， 将a 变为 氏 以 及c , 变 为 凡 f ， 的 过 程 。 从 而 ， 建 立一 系 列 过渡 性回 归 方 程: 第2章 回归分析方法 y u ) = 氏 (l) + b ,()x k , y (2 ) = b o (2 ) + b 1 (2 )x k i + b 2 (2 )x k 2 ， ， = “ 。， + 全 b, (m )x k, ( 2 . 2 1 ) 在第m 步(1 5 m f z 时 ， k . 不 剔 除 (4 ) 引 入因 子x k. .: 的 检 验 在第