《大坝与坝基安全监控理论和方法及其应用研究》

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1、2004年国家科技进步二等奖项目介绍---《大坝与坝基安全监控理论和方法及其应用研究》获2004年国家科技进步二等奖　　本站讯由中国工程院院士、河海大学博士生导师吴中如教授领衔，博士生导师顾冲时教授以及郑东健、苏怀智、王建、郭海庆、沈振中、包腾飞、李季、温志萍、李雪红、吴相豪、胡群革、许晓东、赵斌等参与完成的《大坝与坝基安全监控理论和方法及其应用研究》项目日前荣获2004年国家科技进步二等奖。现将该项目介绍如下。　　一、立项背景　　建国以来，我国共修建约8.3万座水坝，其中15米以上的大坝约1.8万座，在防洪、发电和灌溉等方面发挥了巨大的社会经济效益。

2、然而，由于多种原因，相当一部分大坝存在安全问题。与此同时，随着西部大开发和西电东送的大力开展，大库高坝越来越多，有些高坝已达200-300米，坝址地质条件复杂，又处于高地震和高地应力区，对工程安全提出了更高的要求。实践证明，对大坝及坝基进行安全监测，并触汇多种理论和方法对监测资料进行正反分析，建立专家系统，将对大坝和坝基的安全起到重要作用。　　二、项目主要特点及创新点　　1、建立了完整的监控模型体系。完善和发展了统计模型，提出和建立了测点和空间位移场的确定性模型和混合模型，以及施工期的特殊监控模型等；建立了基于混沌理论、模糊数学、灰色系统等的预测模型，

3、由此建立了大坝与坝基的完整监控模型体系。　　2、发展了大坝及坝基的反分析理论和方法。对大坝和坝基的计算模型、计算参数、计算成果处理和控制荷载等提出了反分析的理论与方法，还首次提出了拟定变形监控指标的理论与方法。　　3、开发了大坝安全综合评价专家系统。提出和开发了由"一机四库"（综合推理机、知识库、工程数据库、方法库和图库）组成的大坝安全综合评价专家系统或"四库"（综合分析推理库、工程数据库、方法库和图库）组成的在线监控和反馈分析系统。　　三、项目具体技术内容　　1、大坝及坝基安全监控模型　　本项目结合大量科研项目和实际工程，对大坝安全监控模型进行了全面

4、深入地研究，建立了安全监控模型体系，主要包括：　　（l）统计模型。应用坝工理论和力学原理，对变形、应力和应变、裂缝开度、扬压力、渗压系数和渗流量等各监测量的统计模型中的因子进行选择：然后，用多种统计数学方法（如逐步回归、加权回归、正交多项式回归和差值回归等），结合实测资料，建立上述监测量的统计回归模型，据此分析、评价和监控大坝和坝基的工作性态。其中，除单个测点的变形统计模型外，还建立了空间位移场（梁挠曲线模型、拱坝的水平拱和三维空间位移场）的统计模型。　　（2）施工期特殊监控模型。结合三峡大坝的泄洪2号和l8号坝段，用粘弹性理论模拟坝基开挖和混凝土浇筑

5、的全过程，建立了施工期特殊监控模型。　　（3）时序分析预测模型。应用时序分析法，建立监测量的预测模型，首先改进等间距采样的时间序列，用多种方法对其进行滤波和非线性变换，并进行预测模型的精度分析，据此建立时序预测模型，以监控大坝和坝基的安全状态和变化规律。　　（4）灰色系统预测模型。应用灰色系统理论建立预测模型，主要应用动态GM（2，M），建立预测模型以及分析大坝结构的稳定性。　　（5）模糊数学预测模型。应用模糊数学预测模型，主要建立逐步聚类预测模型，以动态监视大坝的安全状况，并对大坝的安全度进行综合评估。　　（6）拱坝稳定分析监控模型。将滑动面的抗滑力

6、和滑动力变换为实测水位和温度等荷载的函数表达式，然后建立坝肩稳定的确定性模型，在已知实测水位和温度荷载后，即可求出坝肩稳定的安全系数，以实时监控坝肩的稳定。　　（7）混沌预测模型。应用混沌理论，并依据实测资料，建立坝肩和库区岩土边坡的稳定性分析理论和方法，包括分形几何理论分析岩土边坡的稳定性、Lyapunov函数分析岩土边坡的稳定性、Lyapunov指数建立岩土边坡的稳定判据等。　　2、大坝及坝基的反分析和变形监控指标拟定的理论和方法　　大坝工作条件极为复杂，由于设计参数（变形、热力学和渗流参数）、计算模型和计算方法（重力坝视为固端梁、用材料力学法计算

7、应力，拱坝视为拱梁结构、用拱梁荷载分配法计算应力，稳定用刚体极限平衡理论等）、计算荷载工况（温度和扬压力等）、施工质量、地质条件和老化等不确定因素的影响，使大坝设计的结构状态与实际有差距。需要利用监测资料进行反分析（包括反演分析和反馈分析），以校准计算参数、计算模型、荷载工况以及大坝与坝基的实际安全度等。然后，用结构分析和置信区间法等拟定大坝变形监控指标。　　（l）反演分析。应用系统识别理论，将上述建立的数值统计模型、确定性模型和混合模型分离的各个分量（水压、温度、时效等）为依据，通过计算力学（主要是有限元法）模拟上述荷载和徐变的各个分量，通过两者优化

8、比较，借以反演和校准计算模型、计算参数等。包括：①计算模型反分析，包括边界（计算范围及边界约束