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大坝安全监测及厂房动力反演分析模型研究

陈维江  
【摘要】: 由于水工建筑物具有体积大,外界作用因素复杂等特点,采用常规的理论分析和模型试验方法对其进行计算复核以及安全评价时,往往由于未知因素过多,导致研究结果精度和可信度不理想,因此,利用原型监测资料建立正、反分析模型,以掌握其实际运行状态和变化规律的方法已在水利工程等诸多领域得到深入发展和广泛应用。 本文利用大坝运行监测资料和水电站厂房结构的振动测试数据,对水工建筑物的正反分析模型中的相关问题进行了探讨,分析了大坝安全监测回归模型存在的欠拟合现象,建立了通用的结构动力最优化反分析模型,实现用户优化算法对复杂结构的直接调用和优化计算,在计算模型方法的基础上对云峰宽缝重力坝的安全状况和十三陵抽水蓄能电站的动力反演问题进行实例分析。 云峰宽缝重力坝右F_(15)断层为一个顺河向、缓倾角大断层,空间结构非常复杂,是影响大坝安全运行的控制因素。在对其空间结构进行细致分析的基础上,提出将51~#和52~#两个坝段合并在一起建立物理模型,综合考虑各阻滑面和侧面基岩的抗剪断强度的作用,分别按刚体法和有限元法对其抗滑稳定进行复核计算。两种正分析计算结果都表明,大坝沿右F_(15)断层的抗滑稳定安全系数较低,需要借助于侧向岩石的抗剪强度来提高稳定程度。由于断层本身空间结构不详,其力学参数以及基岩的抗剪强度指标均由工程类比得到,难以反映工程的真实情况,仅通过理论计算分析不足以精确地评价大坝的安全程度。应充分利用云峰大坝长期原型观测资料,建立其安全监测回归分析模型,以客观评价其实际运行性态,因此以云峰宽缝重力坝作为研究实例,具有重要的理论和应用意义。 由于大坝结构系统的客观复杂性,使用回归模型对其观测资料进行分析时经常出现欠拟合问题。本文首先从物理概念角度出发,引入积分回归温度因子和周期性时效因子,对传统模型因子集进行扩充,以弥补传统模型拟合一些特殊物理过程的不足。然后从数学方法角度入手,将改进的遗传算法引入大坝安全监测领域,在建立监测回归模型的基础上,依靠遗传算法有效的自适应全局搜索优化功能,对回归模型的系数进行寻优重估,用以改善由于逐步回归法最小拟合能力欠缺所导致的欠拟合问题。在上述两种改进方案的基础上,对云峰大坝的监测资料进行计算分析,研究结果表明改进后监测模型中外因子的作用得到有效消减,其拟合精度较传统回归模型有较大提高,欠拟合问题得到明显改善;坝顶水平位移变化过程总体上呈现出明显的周期性规律,没有异常的趋势性变化 大这理工大学博士学位论文 现象。实例计算表明,虽然云峰大坝存在一些安全隐患(诸如温控不当导致的混凝土缺 陷、坝基岩石中存在断层等),但总的来讲其运行状况良好。 抽水蓄能电站由于自身的特点,如高水头、高转速、双向运转、过渡过程复杂等, 厂房振动问题突出。我国抽水蓄能电站建设起步较晚,设计经验不足,没有成熟的规范 参考,随着几座大容量抽水蓄能电站的建成,地下厂房的振动和噪声问题越来越受到水 电站设计者和运行者的重视。但是由于电站厂房结构的复杂性和荷载、参数以及边界条 件等的不确定性,给精确模型的建立和结构振动的预测与控制带来很大困难。因此,利 用观测资料进行厂房结构系统的反演分析,探讨合理的计算模型和控制参量,是十分有 价值的研究课题。 本文在借鉴国内外反演分析成果的基础上,结合地下厂房结构动态反演分析的特. 点,提出采用实验模态分析与动力反演分析相结合,以试验模态与计算模态某种偏差为 目标函数,建立通用的结构最优化动力反分析模型。引入改进的遗传算法,实现了其与 ANSYS软件的接口。在此基础上,利用遗传算法直接套用ANSYS的优化计算功能, 实现对结构有限元模型的调用和优化计算,建立结构最优化遗传动力反演分析通用模 型。该模型可以有效地进行复杂结构(如厂房蜗壳,尾水管等)的反演分析和结构优化 计算。结合十三陵抽水蓄能电站地下厂房结构的振动测试资料,对其进行动力反演计算 分析,得到厂房混凝土材料的平均动弹模和混凝土与外围岩石之间的传力形式。讨论了 厂房底部固定和底部弹簧约束两种模型的反演分析结果,指出后者更符合工程实际。


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