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高面板坝趾板基础高压灌浆技术及其智能预测与控制研究

郭晓刚  
【摘要】: 随着我国修建的面板坝高度不断升级和跨越发展,对于高面板堆石坝,尤其当坝基岩体的防渗性能很差时,趾板基础防渗帷幕的抗渗透能力及耐久性等问题已引起水利工程界的高度重视,特别是浅部防渗幕体高水头作用下的抗渗安全性已成为200m级高面板坝建设成败的关键技术难题之一。灌浆技术作为高面板坝趾板基础防渗和加固处理的主要方法之一,其深入研究及其技术进步无疑对筑坝技术的提高具有重要意义。 本文研究以世界第一高面板堆石坝水布垭水电站大坝和全线建筑于页岩、砂质页岩软弱岩体之上的寺坪水电站高面板砂砾石坝建设为工程背景,采用现场大型全真试验,定性与定量研究相结合,理论分析与工程应用相结合的研究方法,以信息及计算机技术飞速发展为基础,通过人工智能预测与控制技术的引入和应用为新思路,深入研究了岩溶溶蚀地层和软弱页岩岩体等复杂地基条件下,高面板坝趾板上高压灌浆技术及其智能预测与控制技术。主要研究工作包括以下几方面内容: 1)以水布垭和寺坪大型现场全真灌浆试验研究成果为基础,参考前人的大量研究成果,并结合本人多年来岩体灌浆设计与施工实践经验,对岩体介质属性、浆液基本特性、灌浆施工工艺等影响裂隙岩体灌浆效果的诸多因素,进行总结与论述。 2)针对岩溶溶蚀地层条件下200m级高面板坝趾板基础高压灌浆技术开展深入的试验研究工作,从结构与控制的双重角度,提出了“均布固结+帷幕”布孔型式,采用增设锚杆、分级升压、抬动监测自动报警等一系列旨在大幅度提高趾板基础浅层帷幕灌浆压力的工程技术措施,突破性地将薄趾板基础第一段帷幕灌浆压力提高到1.5MPa,取得了良好的灌浆效果,切实增强了浅部基础防渗幕体的抗渗能力,满足了高面板坝长期高水头运行的要求。 3)针对寺坪水电站面板坝全线建筑于页岩、砂质页岩软弱岩体之上,基岩岩性软弱,细微裂隙发育,具中~弱透水性,可灌性差,浸水对岩石强度影响明显等工程特点,以水布垭高面板坝趾板基础高压灌浆的成功实践为范例,继续开展了大型现场试验研究工作,不仅成功拓宽了薄趾板基础高压灌浆技术在不同坝基岩体条件下的应用范围,而且在锚杆应力实时监测、效果检测等方面进一步创新完善了该项技术。 4)将人工智能领域中的支持向量机算法引入灌浆工程,建立了基于LIBSVM的注浆量预测模型,对灌浆量(或单位耗浆量)进行预测,取得了良好的效果。以注浆量预测后验差指标、相对均方误差和拟合准确率为预测效果评价指标,制定了注浆量预测效果评价标准,可以较全面地反映预报模型的精度。 5)将时间序列相空间重构技术和等维新息概念运用于支持向量机训练样本的处理中,建立了基于LS-SVM的抬动变形动态支持向量机预测模型,其性能可靠,实时性强,能够较好地实现趾板基础高压灌浆过程中实时抬动变形监测数据的预测预报。 6)融合支持向量机(SVM)和模糊控制(FC)理论,采用预测控制的思想,建立了一套集趾板基础灌浆抬动变形预测与控制于一体的智能化升压灌浆施工控制系统。该系统由动态支持向量机预测器和模糊控制器组成。动态支持向量机预测器对趾板抬动变形进行连续滚动的多步预测,模糊控制器根据预测结果对灌浆施工参数进行决策控制,有利于趾板基础灌浆中尽可能地提高灌浆压力的同时,保证趾板结构安全。


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