水利核心论文大坝空间变形监控指标拟定

发布时间：2022-10-05 10:04 热度：

　　大坝变形会对水利工程的功能和安全造成影响，本篇水利核心论文探讨造成大坝空间变形的各项指标监控标准，分析大坝空间变形权重，拟定大坝位移安全监控综合指标，设定大坝空间变形监控指标拟定流程。可以发表水利核心论文的期刊有《》是由水利部主管、水利部水利水电规划设计总院主办的综合性科技期刊(1988年创刊)。期刊秉承了“实用性、前瞻性、科技性”的办刊风格。自创刊以来，聚集了较强势的资源，包括一批专家学者队伍和广大的作者群，在相关领域及读者群中树立了清晰的形象，并正在产生越来越大的影响力。《水利规划与设计》主办：水利部水利水电规划设计总院，国际刊号：ISSN：1672-2469，周期：月刊，国内刊号：CN：11-5014/TV，创刊时间：1988年

　　摘要： 针对传统方法在拟定大坝安全监测指标时对空间性和模糊性考虑的不足，采用投影寻踪方法对大坝不 同高程处位移序列进行降维处理，生成位移投影值及位移权重，计算出加权位移值并运用正逆向云模型拟定大 坝位移安全监控综合指标。 以棉花滩碾压混凝土重力坝为例，运用投影寻踪模型和云模型拟定了 4#坝段上下 游方向位移安全监控综合指标，并分析了坝体加权位移值与环境量变化规律的相关性，针对某一位移超标值， 通过与置信区间法拟定结果的对比分析，论证了该方法的合理性和可行性。

　　关 键 词： 投影寻踪方法; 云模型; 位移; 大坝安全监控指标

　　大坝安全监控指标是监测大坝工作状态和评价大坝安全的关键指标，现阶段的监测项目包括位移、渗流 量、裂缝开度等，其中位移监测指标可衡量坝体或坝基是否开裂、失稳等，对反映坝体结构的整体安全状态具 有重要意义。 传统方法利用概率论与数理统计理论进行分析得到大坝位移监控指标，如置信区间估计法、典 型监控效应量的小概率法等[1-2] 。 其中，典型小概率法拟定监控指标的可靠性是建立在大量的数据样本及 其已知概率分布的基础上，通过小子样的分布情况来识别其母体的分布类型[3] 。 传统方法在拟定大坝安全 监控指标时仅考虑效应量出现异常的随机性、不确定性，而在大坝运行过程中，概率较小的异常情况并不意 味着坝体一定出现险情，即小概率事件的发生预示着大坝安全出现问题的可能性有多大，这种模糊性概念未 能在传统方法中体现[4] 。 此外，传统方法均以典型坝段单测点的监测效应量来拟定安全监控指标，而在同 一时间，对于大坝坝体变形的垂线监测而言，同一断面不同高程的变形值共同组成了截面数据序列，通过分 析变形监测截面数据，可以掌握大坝整体结构的变形状态。

　　近年来，借助于各种先进的理论和方法，许多学 者在大坝安全监控指标的拟定方面进行了深入研究：丛培江等运用最大熵原理推导了无需假设概率分布的 熵概率密度函数模型，在此基础上给出了大坝安全监控指标拟定的最大熵法[3] ;尹尧等根据强度储备有限 元法的计算成果，建立坝段在初始屈服、临界失稳、失稳破坏 3 种状态下的混合模型，从统计回归的角度拟定 了相应的安全监控指标并应用到飞来峡土坝[5] ;谷艳昌等将蒙特卡罗方法引入大坝安全监控指标拟定中， 考虑了基本变量的随机性，并充分结合大坝原型观测资料，建立了拟定高拱坝变形监控指标的蒙特卡罗方 法[6] ;基于前人的研究成果，本文综合同一断面不同高程处水平位移序列，采用投影寻踪模型将高维数据投 影到低维空间，形成加权位移值，运用云模型正、逆向云发生器拟定大坝位移安全监控综合指标。

　　1 大坝空间变形权重分析

　　应用投影寻踪模型挖掘大坝空间变形截面数据中蕴含的信息，以确定大坝某一断面不同高程各测点的 权重分布。 投影寻踪模型通过极化某个投影指标，搜寻出能综合反映原高维数据特征或结构的投影方向，将 高维数据向低维(1～3 维)子空间上投影[7-8] ，通过研究低维空间的数据结构及投影特性以达到分析高维数 据的目的。

　　2 大坝位移安全监控综合指标拟定

　　针对大坝安全监控指标拟定过程中存在的模糊性问题，采用基于云模型的指标拟定方法，通过正、逆向 云发生器实现了从未知分布情况的原始监控数据向已知概率密度和确定度的云滴群的转换，实现定量-定性-定量的映射[11-12] 。逆向云发生器是实现坝体加权位移值定量数据向大坝安全状况定性概念转换的模型。 它基于统计学原 理对大坝加权位移值进行特征值统计，基本算法有利用确定度信息和无需确定度信息两种[13] ，由于大坝监测资料并无确定度信息，故采用第2 种方法计算坝体位移投影值的数字特征。

　　依据云模型的3En 准则：区间 [Ex - 3En，Ex + 3En] 中的云滴对于定性概念的描述有显著贡献，而落在此区 间外的云滴对表征定性概念几乎无贡献，可视为异常信息[14-15] 。 大坝加权位移值若落在区间 [Ex - 3En，Ex +

　　3En] 之外，可视为小概率事件的发生，即大坝出现异常，且该事件预示大坝出现异常的确定度也一并得知。

　　3 大坝空间变形监控指标拟定流程

　　基于投影寻踪模型和云模型的大坝位移安全监控综合指标拟定步骤如下：①选取典型坝段 p 个不同高 程处上下游方向水平位移监测值作为样本 x∗(i，j)，并采用式(1)对其做归一化处理;②依据式(3)～式(6) 构造投影指标函数;③利用 MATLAB 编程优化投影方向;④根据计算得出的投影方向及位移权重求得大坝 加权位移值;⑤采用逆向云模型计算加权位移值的数据特征值期望 Ex，熵 En 和超熵 He;⑥利用正向云模型 生成云滴及其确定度;⑦依据 3En 准则求得基于空间的大坝位移安全监控综合指标值。

　　4 实例分析

　　4 1 工程概况

　　棉花滩水电站位于福建省永定县境内汀江干流棉花滩峡谷河段中部，主要由拦河主坝、副坝、左岸输水发电地下厂房系统及右岸航运过坝设施等组成，拦河主坝为碾压混凝土重力坝，坝顶高程 179 0 m，最大坝 高 113 0 m，坝顶总长 308 5 m，坝顶宽 7 m。 水库正常蓄水位 173 m，调节库容 11 22 亿 m3，校核洪水位177 80m3。 大坝外部变形监测采用正倒垂系统，大坝全断面共布置 12 条正倒垂线，其中 4#坝段布置 1 条倒 垂线和 3 条正垂线。 大坝外部变形监测布置见图 1。