[摘要]闡述原型工程觀測資料分析數(shù)學模型和預測模型的基本原理及國內外在大壩安全監(jiān)控模型方面的研究現(xiàn)狀和未來安全監(jiān)控模型的發(fā)展方向。
[關鍵詞]大壩安全神經網絡統(tǒng)計模型
中圖分類號:TU19文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)1120116-02
建國以來,我國共修建8.4萬余座水壩,這些工程在國民經濟中發(fā)揮了巨大的作用。然而,相當一部分大壩存在著某些不安全因素,不同程度地影響工程效益的發(fā)揮,甚至威脅著下游千百萬人民的生命財產安全。為此,各級政府對大壩安全監(jiān)測都十分重視。使用數(shù)值模型對大壩進行安全監(jiān)控是近代大壩安全監(jiān)測工作中應用的一項新技術[1]。
大壩安全監(jiān)控模型是根據(jù)大壩安全監(jiān)測資料建立起來的、定量描述大壩效應量(如變形、滲流、應力等)與環(huán)境變量(如水位、溫度、降雨等)之間統(tǒng)計關系或確定性關系的數(shù)學表達式,應用這些模型可以監(jiān)控大壩等水工建筑物的今后運行。
一、傳統(tǒng)模型
(一)研究現(xiàn)狀
1955年意大利的法那林(Faneli)和葡萄牙的羅卡(Rocha)等開始應用統(tǒng)計回歸方法來定量分析大壩的變形觀測資料。1977年法那林等又提出了混凝土大壩變形的確定性模型和混合模型[4]。日本的中村慶一等采用回歸分析法分析大壩實測資料,并篩選出顯著因子,以建立最優(yōu)的回歸方程。Kalkani等采用多項式回歸模型來分析Kremasta拱壩滲壓計測的數(shù)據(jù)。隨著計算機技術的發(fā)展,大壩監(jiān)測資料的正分析研究也取得了很大的進步,統(tǒng)計模型、確定性模型及其混合模型在生產實踐中得到了廣泛的應用。目前,葡萄牙、法國、意大利、西班牙和奧地利等國家在大壩安全監(jiān)測以及相關的各項研究方面不同程度處于國際領先水平[3]。
我國在大壩安全監(jiān)測的資料分析方面的工作起步相對較晚,最初只以定性分析為主,即通過繪制過程線和最大、最小等簡單特征值的統(tǒng)計來分析大壩的運行性態(tài)。上世紀70年代陳久宇等開始應用統(tǒng)計回歸分析大壩安全監(jiān)測資料;80年代中期,開始了對確定性模型及混合模型的深入研究。吳中如等從徐變理論出發(fā)推導了壩體頂部時效位移的表達式[8],用周期函數(shù)模擬溫度、水壓等周期荷載,并用非線性二乘法進行參數(shù)估計,還提出了裂縫開合度統(tǒng)計模型的建立和分析方法、壩頂水平位移的時間序列分析法以及連拱壩位移確定性模型的原理和方法,并在實際工程中得到了成功應用。河海大學于1985年首先將確定性模型的理論用于佛子嶺連拱壩結構性態(tài)分析,取得較好的效果。徐洪鐘等針對統(tǒng)計回歸計算中出現(xiàn)的水壓因子難以入選和入選以后計算結果不合理的困難,應用偏最小二乘回歸建立壩頂水平位移的統(tǒng)計模型,消除了多重共線性的問題,取得較合理的結果[6]。
(二)統(tǒng)計模型
統(tǒng)計學模型是憑樞紐本身積累的運行經驗,按過去實測的原因量與效應量的相關關系,來預測在現(xiàn)今相應關系下的效應量。統(tǒng)計模型是大壩安全監(jiān)測資料分析中最常用的模型,是建立混合模型的基礎。大壩安全監(jiān)測領域常用統(tǒng)計模型采用的分析方法有:多元線性回歸、逐步回歸以及近年來興起的偏最小二乘回歸[7],這方面國內各單位已積累了比較豐富的經驗。建立統(tǒng)計學模型關鍵是如何正確選擇回歸因子。
混凝土大壩的變形δ主要受水壓H、溫度T以及時效θ的影響,大壩的統(tǒng)計模型可以表示為:
(三)確定性模型
確定性模型以演繹法為建立模型的法則,結合大壩和地基的實際工作性態(tài),按照設計要求用有限元方法,計算建筑物重要部位的效應量,然后與實測值進行優(yōu)化擬合,以求得調整參數(shù),從而建立確定性模型。確定性模型是施工期、蓄水期以及運行期進行數(shù)據(jù)解釋唯一可行的理論模型。然而由于建立確定性模型要對壩體和基巖的結構、力學性能、變形規(guī)律進行正確模擬,其難度比建立統(tǒng)計模型要大,工作量也多的多。
混凝土大壩任一觀測點的位移確定性模型的一般表達式為:
(四)混合模型
混合模型是確定性模型和統(tǒng)計模型的一種混合形式。對于一些缺少足夠的壩內溫度資料的大壩,在建立模型時,溫度因子同統(tǒng)計模型的溫度因子,水壓因子與確定性模型相同,用有限元計算求得,時效因子與統(tǒng)計模型相同,這樣建立的模型即為混合模型。
混合模型的表達式為:
二、新模型
(一)研究現(xiàn)狀
20世紀80年代以來,國內外對數(shù)學監(jiān)控模型的研究逐漸向縱深方向發(fā)展,模糊數(shù)學、灰色理論、神經網絡、小波分析、混沌動力學等各種理論和方法也紛紛被引入到大壩安全監(jiān)測資料分析中來,并取得了一定的成果。
1982年,我國學者鄧聚龍在國際會議上首先提出灰色系統(tǒng)(GreySyst
em,GS)理論。隨后,許多學者將其應用于實踐。吳中如等從灰色系統(tǒng)的基本原理和方法著手,將水壓、溫度等因素白化,建立了壩體應力灰色預測模型。徐洪鐘等將模糊數(shù)學與神經網絡相結合,把構成組合模型的各個子模型作為網絡學習矩陣的輸入,建立了土石壩的沉降組合模型,采用自適應模糊神經網絡進行組合預報。楊杰等應用灰色系統(tǒng)理論建立了土石壩變形的灰色非線性模型GM(1,1;a),并對其適用性進行了探討。何鮮峰、顧沖時等利用分形插值算法建立效應量確定性分量預測模型,然后對實測數(shù)據(jù)和確定性分量預測結果間的誤差序列通過相空間重構建立混沌分量預報模型,再以二者疊加組成最終混合預測模型。該模型解決了常規(guī)統(tǒng)計模型由于模型因子選擇不當和環(huán)境量觀測誤差引起的模型失真問題。
(二)灰模型
灰理論是鄧聚龍教授1982年在國際上首先提出的,近年來主要用于對力學系統(tǒng)的分析描述,建立數(shù)學模型及預測等。我們知道在大壩的位移中存在兩部分位移:彈性位移和隨時間及荷載而變的非線性位移(俗稱時效位移)。其中,彈性位移利用有限元等計算方法較易獲得。但是,影響大壩失效變形的因素極為復雜,既有已知因素又有未知因素,因此,大壩的位移是灰色的,大壩是一個極其復雜的灰色系統(tǒng)。相應的,這種系統(tǒng)的逆過程稱之為灰色的逆過程。通過這種逆過程所獲得的模型稱為灰色模型。
灰關聯(lián)模型建模的基本原理是按照被影響因素與影響因素之間的關聯(lián)度,逐步選取顯著變量來建立灰色模型,通過擬合效果的檢驗即可建立較優(yōu)GM(1,N)模型。
(三)神經網絡模型
由于大壩在氣候和荷載作用下的動態(tài)響應是極其復雜的,受諸多因素的影響。內在因素主要有地質條件及構造的高度非線性、筑壩材料及介質的各向異性,外在因素主要有水荷載、降雨量、溫度等因素以及人類活動的影響。這些內、外因素相互耦合使得效應量與因子之間的關系表現(xiàn)出很強的非線性特征。我們可以利用神經網絡的自組織、自適應、自學習的非線性映射能力,建立大壩安全監(jiān)控的神經網絡模型。
(四)模糊聚類分析模型
盡管原型觀測資料真實地反映了大壩各觀測物理量的實際情況,但是它們之間是一種模糊關系。因此可以用聚類分析法對大壩觀測數(shù)據(jù)進行分析。
把大壩看成一個模糊綜合體,首先以數(shù)據(jù)迭代法為基礎,求出各種因子對應于不同分級的“聚類中心”,結合預報日的各因子觀測值進行二次聚類分析,以實現(xiàn)對位移的逐日預報。這種方法的優(yōu)點是只需一次性大量的數(shù)據(jù)迭代運算,求出“模糊聚類中心”,即可在計算機上進行位移的逐日預報。此法運算量很少,而且精度較高。
三、其他模型
近年來,大壩原型觀測資料分析工作逐漸向縱深方向發(fā)展,除了以上敘述的模型之外,時間序列、波譜分析等多種方法也被引入大壩安全監(jiān)測資料和大壩結構性態(tài)的正反分析。吳中如、顧沖時等人通過引入空間三維坐標,提出了混凝土壩空間位移場的時空分布模型,將單測點模型拓寬至空間三維;賴道平等應用Hurst重標度和分形學理論分析時間序列數(shù)據(jù),研究了混凝土重力拱壩變形的分形特性,評價裂縫對大壩結構性態(tài)的影響,并且由此對大壩的安全狀況作了評價。還有學者提出大壩安全監(jiān)控的位移分布模型、數(shù)字濾波模型等,大大豐富了大壩安全監(jiān)控數(shù)值模型。
四、展望
綜上所述,在國內外大壩及邊坡安全監(jiān)控分析模型中,統(tǒng)計模型、確定性模型和混合模型得到普遍的應用,模糊數(shù)學、灰色系統(tǒng)、神經網絡等方法也得到初步應用,對大壩的性態(tài)分析方法有了長足的進展。但大壩是一個復雜的非線性系統(tǒng),如何研究開拓和利用新理論和新方法,有效克服傳統(tǒng)建模方法的不足,解決建模技術的關鍵問題將是今后大壩安全監(jiān)測資料分析工作的發(fā)展方向。隨著傳統(tǒng)模型的不斷改進和新方法、新模型的涌現(xiàn),資料分析處理工作會不斷得到改進,這將有力的促進大壩安全監(jiān)控的發(fā)展,更好的為消除大壩安全隱患和水庫安全運行服務。
參考文獻:
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