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土石坝原型观测资料分析及实测性态安全评价研究

郑晶星  
【摘要】: 我国广大地区,为了兴利除害,共兴建了水库大坝近9万座。目前有1/4左右的大中型水库大坝、2/5左右的小型水库大坝存在着不同程度的安全问题,其中以土石坝绝对居多。这些安全隐患以渗漏、裂缝、滑坡等破坏最为突出。因而,根据土石坝原型观测资料,运用更成熟的理论和方法,对土石坝渗漏、变形等性态做出科学分析及评价,就显得极为重要了。 本文应用统计回归理论、灰色系统理论、人工神经网络理论、工程模糊集理论,结合土石坝结构及实际运行性态的特点,对土石坝原型观测资料分析及土石坝实测性态安全评价进行了研究,提出了一些新的模型和新的方法。其主要内容如下: 1.对土石坝原型观测资料的系统误差、粗差的成因进行了分析;提出了原型观测资料系统误差识别的u检验和t检验方法;提出了原型观测资料粗差的初步识别和拉依达准则识别方法;分析了土石坝测压管水位的滞后性特点及原因,并给出了滞后时间的估算方法;拟定了土石坝原型观测资料的选取原则;建立库水位与测压管水位的时程曲线并进行分析;充分考虑上下游水位变化幅度、筑坝材料的渗透性能、降雨强度大小、土体固结使土体颗粒结构排列形式发生的改变以及上游坝前淤积对渗流状态的影响等因素,对测压管水位的因子进行分析,引入库水位分量、时效分量和降雨分量,建立了测压管水位观测资料统计模型,并采用逐步回归法计算;结合陆浑水库大坝测压管水位实测资料,对上述理论和方法进行检验和论证。 2.由固结理论和工程实践,土石坝沉降量主要为时效位移,并随时间衰减,其累计沉降量采用双曲线模型。但是,由于该模型灵活性差、自适应能力差,不能通过自身的调节使模型进一步优化,因而无法充分发挥双曲线模型的建模优势,达不到双曲线模型的最佳建模效果。本文针对双曲线回归常用模型的上述不足,引入第三参数c,建立双曲线回 邓州人J”5‘,颀卜H汀沦文 仰业 归三参模型,大大增强了双曲线模型的自身调节、自身优化和自适应能 力。从理论上证明了其建模原理的可靠性及建模思想的合理性,并给出 确定参数的两种计算方法:数值解和优选解。以陆浑水库大坝沉降观测 资料分析为例,通过对建立起的双曲线回归三参模型、双曲线口归常用 Z 模型及其它模型的成果对比分析,进一步论证了该模型的理论价值和实 际意义,为原型观测资料分析提供了新的有实用价值的数学模型。 3.大量分析研究表明,土石坝时效变形具有一定的单调性,针对 。牙 这一特点,引入灰色系统理论,利用(iM(l,1)等维新息模型能体现 系统的最新信息、能反映工程动态变化的特点,建立了土石坝时效变形 的GM(l,1)等维新息模型。通过对等维新息模型维数区域的研究, 发现其存在一最佳维数区域。山于灰色模型是基于现有信息来实现对未 来的预测,一定数量的己知数据序列对于成功建模是必需的;而另一方 面,随着采样数据的积累,先期的种种外界条件对现时输出的影响越来 越小,剔除当前点某一邻域之外过于陈旧的信息,不仅可以突出最新的 变化趋势,而且可以消除预测模型的噪声污染。最佳维数区与所研究问 题的性质和数据序列的特点有关,可通过数值试验来确定。 4.针对土石坝筑坝材料的非线性和效应的滞后性,利用人工神经 网络BP模型通过调整网络自身的权值和阈值,可以实现对任意非线性 尸 函数的逼近,所反映的函数关系不必用显式的函数表达式表示,可避免 因为因子选择不当而造成误差等优点,建立了土石坝沉降观测资料分析 的BP模型。通过大量应用研究,对I3P模型学习收敛速度慢、容易陷 入局部极小点等缺点做了改进:提出了原始数据非线性规格化处理方 法,给出了非线性规格化公式:提出了记忆式初始化权值、阈值方法; 提出了采用确定性系数最大作为优选评价标准的参数自动优选方法;提 出了灰色七P模型、BP残差模型的建模方法与思路。实践证明,以上对 人工神经网络BP模型的改进方法,对于提高网络运行收敛速度、防止 陷入局部极小点、提高模型精度等都有较大的改善作用。 5.基于工程模糊集多级模糊馍式识别理论,结合上石坝实测性态 安个评价的特点,进行了上石坝实测性态安全评价的多级模糊模式识别 方法的应用研究。针对模糊集合论中最大隶属度原则的不适用性,采用 11 7 冰川人,’I:丁贝卜}什沦文 旭9 绝对、相对状态(或级别)特征值作为判断或识


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