高寒地区某碾压混凝土重力坝运行期变形监控指标拟定探讨

摘要

高寒地区已建的碾压混凝土坝，由于外界环境条件十分恶劣，大坝长效服役期的工作性态复杂，因此对高寒地区碾压混凝土坝运行期的实测资料及时进行反馈，对实时监控大坝运行安全状况具有重要工程意义。由于变形监测反映了大坝整体变形和受力性态，且监测直观可靠，拟定大坝变形监控指标极具有工程意义。鉴于大坝变形监控指标拟定-材料力学参数反演-变形统计模型三位一体，本文基于高寒地区某碾压混凝土重力坝运行期变形监测资料，首先对典型坝段建立了考虑冻胀因子的变形统计模型，接着基于统计模型分离出的水压分量对碾压混凝土横观各向同性力学参数进行了反演分析，然后从变形监测效应量自身变化的统计规律角度拟定了典型坝段的变形监控指标，最后基于统计模型及反演获得的参数，从正常使用极限状态角度拟定了大坝运行期黏弹性变形监控指标。主要研究内容如下：
　　（1）首先针对原型监测数据存在噪声的问题，引入改进的快速Myriad滤波方法，对大坝变形监测数据进行预处理。然后对高寒地区典型坝段实测温度和三维有限元准稳定温度场进行了分析，由于低温季节坝顶附近出现较大范围的负温区，由此论证了坝顶附近的变形测点考虑冻胀的必要性，并确定了合理的冻胀时段。接着依据工程类比，首次引入Heaviside阶跃函数的自适应模型，建立了高寒地区碾压混凝土重力坝考虑冻胀因子的变形统计模型，完善了高寒地区考虑冻胀因子的变形统计模型。分离出的冻胀分量表明，坝顶冻胀变形呈现周期性脉冲式波动与旬滞后性的变化规律，其它测点变形呈现一般的变化规律。
　　（2）对比了复合材料力学模型、弹性理论模型及Aboudi模型对碾压混凝土本体、层面与横观各向同性体参数转化关系的差异，认为弹性理论模型理论严谨，计算可靠。然后针对碾压混凝土力学参数实际值与设计值存在差异，将碾压混凝土作为横观各向同性材料，首先采用均匀设计构造力学参数样本，接着基于有限元法计算不同工况下的顺河向位移，将有限元正分析得到的水压分量相对值及相应的力学参数作为神经网络的训练样本，建立水压分量相对值与相应的力学参数非线性映射关系，由统计模型分离的水压分量实测相对值反演获得了碾压混凝土坝实际力学参数样本，然后借鉴混凝土坝强度参数标准值取值方法，首次提出以80％保证率的方式确定反演参数。分析表明，各测点实测的水压分量相对值与反演计算值较为接近；反演得到的力学参数与设计参数间最大差异为横向综合弹性模量，其值约为设计值的1.12倍。
　　（3）从变形监测效应量自身变化的统计规律出发，基于投影寻踪法建立多测点相关联的权重位移序列，研究了最大熵法、小概率法及云模型法拟定大坝综合变形监控指标，弥补了传统单测点拟定变形指标的不足。研究表明，云模型与最大熵法均通过样本数字特征值进行计算，不需事先检验样本的概率分布，包含主观成分少，但前者拟定的变形指标较大，后者拟定的变形指标偏小；与此同时，探讨了小概率法中失效概率与云模型中较大的“弱外围元素”对定性概念贡献率之间联系，认为云模型中较大的“弱外围元素”对定性概念贡献率与小概率法中失效概率具有相似性，可作为小概率法的失效概率确定的一种方法。
　　（4）从坝体与坝基的力学状态角度出发，首先对比了碾压混凝土坝变形监控指标拟定的两大理论体系，接着结合设计规范提出正常使用极限状态和承载能力极限状态变形监控指标拟定定义，然后提出了正常使用极限状态下黏弹性变形监控指标拟定的方法；最后结合高寒地区实际碾压混凝土坝工程，论证了该坝处于黏弹性工作状态，进而基于正交试验设计了不利工况组合样本，由统计模型计算温度分量、时效分量及冻胀分量，有限元法计算水压分量，获得了计算样本总效应量，据此采用小概率法和最大熵法拟定了大坝运行期黏弹性变形监控指标。结果表明，假定失效概率为1%，基于计算效应量的小概率法拟定的坝顶位移极值为23.703mm，基于最大熵法拟定的坝顶位移极值为22.981mm；而仅仅依靠监测序列基于小概率法拟定的坝顶位移极值为19.007mm，基于最大熵法拟定的坝顶位移极值为18.228mm。总体上看，基于计算效应量拟定的监控指标较大，充分考虑了大坝运行中不利荷载组合工况，拟定的变形指标较合理；实测值均小于拟定的变形监控指标，表明大坝目前处于正常运行状态。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要内容

1.4 本文技术路线

2.1 概述

2.2 三维准稳定温度场计算原理

2.3 基于改进的快速Myriad滤波的监测数据预处理

2.4 考虑冻胀因子的变形统计模型

2.5 工程实例分析

2.6 本章小结

3.1 概述

3.2 碾压混凝土弹性本构模型

3.3 碾压混凝土坝力学参数反演模型

3.4 碾压混凝土横观各向同性力学参数反演

3.5 本章小结

4.1 概述

4.2 监控指标拟定方法与原理

4.3 基于传统单测点的大坝变形监控指标拟定

4.4 基于多测点的大坝综合变形监控指标拟定

4.5 本章小结

5.1 概述

5.2 基于极限状态的碾压混凝土坝变形监控指标定义

5.3 碾压混凝土坝黏弹性变形监控指标拟定方法

5.4 实例分析

5.5 本章小结

6.1 结论

6.2 本文创新点

6.3 展望

参考文献

后记

附录：攻读硕士学位期间发表的部分科研成果