水工结构变形预测模型构建与解释

现有基于机器学习算法的水工结构安全监控模型结果的可解释性较差。为提高安全监控模型的可解释性,发展一种基于集成学习算法的水工结构变形预测模型构建与解释方法。简述改进统计模型及随机森林(RF)、极端梯度提升树(XGBoost)两种常用的集成学习算法,引入沙普利值可加性解释(SHAP)方法实现集成学习算法模型结果的可解释性,阐述SHAP方法的原理和推导过程。以某运行初期特高拱坝变形数据为例验证方法的有效性和实用性。结果表明,XGBoost模型具有较高的预测精度,预测集决定系数大于0.982,改进统计模型精度次之,RF模型精度相对较低;SHAP方法可以分离不同自变量对效应量的影响大小,并能给出全局和局部的影响机制,实现模型拟合和预测结果的可解释性。提出的方法综合了“机理驱动”和“数据驱动”模型的优势,可为水工结构运行管理提供决策参考。

混凝土坝面作业场景智能识别ResNet50-SEMSF方法

为提高混凝土坝面作业场景识别工作效率,提出了一种混凝土坝面作业场景智能识别方法(ResNet50-SEMSF)。将采集的坝面施工现场监控视频分割为图像,分析混凝土坝面作业人、机、料、环境等实体要素图像特征,界定坝面作业典型场景;以残差网络(ResNet50)为骨干网络结构,引入挤压激励(SE)注意力机制,关注不同通道间特征关系,提升坝面作业场景图像中多目标实体要素关键特征表达能力;融合下采样多尺度特征,保留坝面作业场景图像低级特征和高级语义信息,增强模型对图像不同层次特征的理解能力,克服尺度变化、目标变形等问题。对比分析其他3种卷积神经网络模型试验结果,使用梯度类激活映射(Grad-CAM)可视化方法,解释ResNet50-SEMSF模型对场景类别中实体要素信息的关注程度。结果表明:ResNet50-SEMSF识别效果明显优于ResNet50、MobileNetV2、VGG16等经典网络模型,表明ResNet50-SEMSF模型用于混凝土坝面作业场景智能识别的可行性,为混凝土坝面施工安全管理工作提供参考。

基于HEC-RAS的沥青混凝土心墙坝溃坝洪水过程模拟分析

大坝溃口发展过程模拟是开展溃坝洪水分析的基础,不同坝型溃口发展过程不同,溃口流量(下泄洪水)过程差异很大。文章通过对某水电站沥青混凝土心墙坝溃口形式的研究,采用HEC-RAS(Hydrologic Engineering Centers-River Analysis System)软件进行溃坝洪水模拟,旨在探讨沥青混凝土心墙坝在水库溃坝风险中的关键因素,着重考虑沥青混凝土心墙对溃口发展的影响。结果显示,初始运行水位、洪峰流量的重现期、溃坝历时及泄水建筑的泄流方式对溃口流量产生显著影响。研究成果为未来水利工程的安全可靠建设提供了科学依据。

盐浸-干湿-冻融耦合作用下混凝土坝强震开裂机理

为探究混凝土坝在盐浸侵蚀、干湿循环、冻融循环因素影响下的强震破坏规律,通过材料劣化试验和数值模拟方法开展大坝强震开裂机理研究。针对坝体不同位置开展盐溶液侵蚀、干湿循环以及冻融循环劣化试验,基于材料试验结果,构建混凝土重力坝扩展有限元模型,模拟混凝土材料劣化前及劣化后混凝土坝强震开裂破坏情况。结果表明:多因素耦合作用导致混凝土材料劣化,强震作用下会降低大坝承载能力,增加大坝倒塌破坏风险。考虑混凝土多种劣化因素影响,所得结论可用于高寒地区混凝土坝的抗震设计。

考虑坝-基-库水相互作用的拱坝底缝开裂模拟

针对拱坝裂纹扩展问题,以某拱坝为例,建立了大坝-地基-库水系统的三维有限元模型.在此基础上,基于全耦合的拱坝-地基-库水模型,利用扩展有限元法(extended finite element methods,XFEM)对地震作用下的底缝开裂进行了模拟分析.研究中,在坝体上游底部设置了不同位置的人工短缝,以探讨拱坝在强震条件下的底缝开裂响应.结果表明:横缝削弱了坝体的整体性,增大了坝体的位移响应,但增设横缝可有效减小坝体的应力响应;在坝体底部设置人工短缝显著降低了坝踵的应力响应;拱坝的横缝对底缝开裂影响显著,能限制底缝的横向扩展,减少坝体的开裂损伤.

拱坝坝身泄洪孔道脉动压力分布规律及其振动特征

【目的】高拱坝坝身泄洪安全研究涉及泄洪孔道设计、结构强度、泄洪过程中的水流压力分布和流态特性等方面。【方法】以某坝高为270 m拱坝为研究对象,利用计算流体力学模拟坝身泄洪孔道流场并分析其脉动压力分布特征,利用流体/结构耦合有限元模拟最不利工况压力脉动与坝体结构振动特征,解析泄流激励下高拱坝坝身振动机理。【结果】研究结果表明,拱坝坝身泄洪孔道内脉动压力变化极为复杂,其中表孔脉动压力最大值为133.25 kPa,最小值为29.48 kPa;中孔脉动压力最大值为5274.99 kPa,最小值为953.24 kPa.拱坝坝身泄洪孔道脉动压力在频域的能量分布均具有低频的特征,主能量分布在0~10 Hz的频率范围内。在泄流激励条件下,拱坝坝身总位移随脉动压力变化呈现一定周期性,且随周期总位移逐渐衰减,总位移值与脉动压力在同周期内先增大后减小,总位移值在1.2 s增大至最大值0.2120 cm,对应泄洪孔道脉动压力增大至极大值;拱坝坝身等效应力和等效应变的变化规律基本一致,1.2 s时等效应力和等效应变极大值分别为1426.60 kPa、7.49×10^(-5),且同周期内脉动压力呈现同样的变化趋势,拱坝坝身等效应力和等效应变与脉动压力变化具有完全的相关性。

基于融合GNSS/UWB/RTS的RCC坝智能监控定位补偿方法研究

近年来,大坝压实质量的智能监控技术逐渐成为研究热点。现有的碾压混凝土(RCC)坝碾压作业过程实时监控技术依赖于全球导航卫星系统(GNSS),然而,对于建设在深窄河谷地区的RCC坝,GNSS系统易受两侧山体信号遮挡干扰。针对上述问题,本研究提出一种基于融合GNSS/UWB/RTS的RCC坝碾压施工智能定位补偿技术。首先,依据悬崖边壁、倒悬体遮挡处的环境特征建立了适用于深窄河谷地区的RCC坝碾压实时监控数学模型;其次,引入了超宽带(UWB)和机器人全站仪(RTS)定位补偿技术,采用耦合新息阈值与最小二乘的改进卡尔曼滤波算法融合GNSS/UWB/RTS的定位数据,实现了遮挡环境下卫星信号的连续稳定定位监控;最后,在西南某大型RCC坝工程中得到应用。结果表明,该方法能够实现对深窄河谷中RCC坝碾压施工的全地形、全过程实时监控,可弥补单纯依赖GNSS进行碾压过程实时监控所不足。

基于遗传算法的碾压混凝土重力坝温度场多测点反演

由于碾压混凝土重力坝施工现场条件复杂,实验获得的参数与实际参数存在一定的差异。为获得高精度的温度场仿真结果,根据某碾压混凝土重力坝现场实测温度数据,利用遗传算法反演该碾压混凝土坝的绝热温升Q 0、温升常数n和导热系数λ,并运用所得的反演参数进行温度场仿真模拟分析,对比不同测点个数下反演所得参数的可靠性和精确性。结果表明:通过遗传算法进行参数反演可有效提高反演的速度与精度,并且反演所依据的测点个数越多反演结果越接近实测数据,9个测点反演比3个测点反演误差减少了1.43%,比6个测点反演误差减少了0.44%。因此,在利用遗传算法进行参数反演时应尽量选择较多的测点个数,以提高仿真计算的精度。研究结果可为碾压混凝土重力坝热学参数反演提供理论指导和依据。

基于SAM&ImageJ图像处理的堆石混凝土坝层面露石率研究

堆石混凝土坝层面的外露块石为上下层提供了重要的啮合作用,其投影面积比例是科学评价层间抗剪性能的重要指标。采用国际最新Meta AI模型segment anything model(SAM)对层面外露堆石进行自动图像分割,并基于ImageJ软件对SAM识别后的图片进行再加工与图像计算,利用平滑、差分算法、中值滤波等方法精准标定外露堆石,二值化后计算得到层面露石率。结果表明:SAM图像预分割可识别约90%的外露堆石,经过ImageJ二次图像处理后可有效提高小粒径堆石的识别精度,对比手动标注结果误差在±3%以内。以贵州省两座水库的工程应用为例,对浇筑仓面进行分区预处理,结果发现靠近上游、中部、下游不同区域的露石率差别较大,计算得到的层面露石率以10%~30%居多,其中堆石入仓运输通道区域的露石率较低。研究内容与结论可为堆石混凝土结构层间界面抗剪力学性能和大坝蓄水安全稳定的研究提供参考与借鉴。

近断层脉冲型SV波斜入射下混凝土重力坝损伤特性研究

近断层地震动由于断层距较小,在到达地表之前经历的透射次数不多,因此近断层地震动一般不满足垂直入射假定。近断层脉冲型SV波斜入射下混凝土重力坝抗震性能研究尚不多见。本文以Koyna重力坝为研究对象,开展了近断层地震动的脉冲型特性和斜入射对坝体抗震性能的影响研究。选择近断层脉冲型和非脉冲型地震动记录各5条,分析了地震动的脉冲特性和斜输入角度对坝顶位移、坝体损伤分布以及损伤耗能的影响规律。结果表明:脉冲型SV波在30°斜入射下,比非脉冲型SV波在0°(垂直)入射下坝顶水平顺河向位移提高了5.37倍,竖向位移提高了27倍;脉冲型SV波对坝体造成的损伤破坏范围比非脉冲型更广,主要出现在上游坝踵和下游折坡处,脉冲型整体损伤指标相比非脉冲型增大了1.71倍;脉冲型SV波作用下坝体最大损伤耗散能是非脉冲型的2.47倍,对坝体造成的损伤及能量耗散更大。本文研究结论可为近断层地震动作用下混凝土重力坝的抗震性能评价提供参考。

多策略改进的NGO算法在大坝参数反演中的应用

为解决混凝土坝参数优化反演存在的问题,包括寻优性能不佳、精度不足和效率低下等,提出了一种基于多策略改进北方苍鹰算法(MSNGO)的混凝土坝参数优化反演策略。首先,采取多个策略改进北方苍鹰算法,以提高原始算法的寻优能力。接着,结合有限元正分析,构建计算与实测值之间合适的目标函数,利用MSNGO构建智能优化反演模型,并通过并行策略提高反演效率,搜索得到参数反演最优值。通过两个算例对该方法进行验证,并与基准优化算法比较计算结果。结果表明,MSNGO反演策略比其他优化算法收敛速度快、且能跳出局部极值使反演参数结果更为准确,测点计算值与实测值有良好的吻合度,表明该智能优化方法可在混凝土坝参数反演的实际问题中进行应用。

基于温度应力仿真的仙洞沟堆石混凝土坝分缝技术研究

堆石混凝土重力坝是否分横缝及分缝间距对大坝温度应力影响很大,在相同环境下,坝体不分缝或横缝间距越大,温度应力越大,大坝开裂风险也越高;但不分缝或长距离分缝,可有效简化施工工序,实现快速连续施工,能充分体现该坝型优势。该研究针对仙洞沟水库工程实际,对堆石混凝土大坝整体不分缝和超出规范规定的长距离坝段分缝方案进行研究,基于不同的温控措施进行温度应力三维仿真分析,在最终确定大坝的分缝和温控方案的同时,进行有益探索,推动了堆石混凝土筑坝技术的发展。

双曲拱坝大悬挑曲线现浇混凝土表孔施工技术研究

因表面坡度大、结构体型复杂、高空作业危险性高等因素,双曲拱坝表孔溢流面施工控制难度大。依托浙江省清水源水库工程项目,针对双曲拱坝溢流表孔施工,研发了溢流表孔牛腿倒悬内拉悬臂支模技术和不同强度混凝土界面钢丝网连接技术,解决了大悬挑曲线现浇混凝土表孔的倒悬体结构施工难题和不同强度等级混凝土的浇筑质量问题。

单薄混凝土重力坝的静动力特性研究

混凝土重力坝作为挡水建筑物,已广泛应用于水利水电工程中,但对于体型单薄的混凝土重力坝,在运行过程中,特别是地震荷载作用下,容易出现应力集中和滑动失稳现象。该文依托石城子二级电站工程,采用有限元数值模拟方法,对其压力前池末端的单薄混凝土重力坝开展静动力特性研究,并基于有限元分析成果研究重力坝的抗滑稳定性。该研究成果对类似单薄混凝土重力坝工程具有参考价值。

西藏DG水电站大坝安全监测系统设计

基于相关规程规范和已建工程经验,结合西藏DG水电站坝址区水文地质条件、枢纽工程的布置及各建筑物结构形式,各项安全监测设施的特点,研究建立了大坝自动化安全监测系统。电站下闸蓄水至今,大坝安全监测系统运行正常,变形、位移、渗流等实测资料、现场巡查及相关复核计算成果表明,大坝工作性态正常,满足设计和相应规程规范等要求,自动化安全监测系统可供类似工程设计参考。

三河口碾压混凝土高拱坝非线性超载安全度分析研究

三河口拱坝为国内已建的第二高碾压混凝土拱坝,其结构复杂,综合难度大。通过仿真计算分析非线性超载情况下三河口高拱坝安全度,进行综合技术评判,初步给出拱坝的安全度,与类似高拱坝工程进行对比分析,明确坝体应力状态及发展趋势,提出坝肩岩体的相对薄弱部位,并建议进行相应工程加固处理处理,保证拱坝结构安全运行,为类似工程设计提供非常有益参考。

基于参数随机反演的拱坝位移监控指标拟定方法

针对传统混凝土拱坝位移监控指标拟定中未考虑大坝材料参数不确定性的问题,结合贝叶斯推断理论、粒子群优化和长短时记忆网络提出一种基于随机反分析结果的拱坝位移监控指标拟定方法。利用粒子群方法优化长短时记忆神经网络作为代理模型;基于不同监测点实测位移值和代理模型计算位移值建立联合似然函数;在已知材料参数先验分布下,通过贝叶斯推断获得材料参数的后验分布;利用材料参数的后验分布计算监控指标的水压分量,结合实测位移数据确定混凝土拱坝位移监控指标。工程实例分析表明:通过贝叶斯推断方法,可以反演得到准确的材料参数后验结果;以混合法确定的位移监控指标充分利用了材料参数的随机反分析结果,具有更好的预警效果。

基于深度蒙特卡洛树搜索的拱坝仓面排序研究

合理的仓面排序方案对于加快工程进度和优化资源配置有着重要影响。然而,现有仓面排序方法将这一序贯决策问题简化,多数采用多属性决策方法,存在仅对大坝实时施工状态进行分析以及未考虑未来仓面浇筑方案对当前排序策略影响的问题;部分采用多目标优化方法进行仓面排序多目标优化问题分析,但主要是采用静态权重,存在忽略了仓面排序策略随环境动态变化的不足。针对以上问题,本文提出基于深度蒙特卡洛树搜索的拱坝仓面排序方法。首先,分析仓面排序问题的约束条件和目标函数,建立仓面排序强化学习模型;其次,针对仓面排序强化学习模型具有复杂且庞大的离散状态空间,为提高搜索效率,提出融合深度学习的蒙特卡洛树搜索方法,分别利用深度神经网络进行先验动作概率分布预测和策略函数评估;最后,以乌东德拱坝工程为例进行研究,结果表明本文方法可以有效地分析拱坝仓面排序问题,且相比于粒子群方法、证据理论方法,本文方法分析的施工工期可分别提前6天、14天,平均机械利用率分别提高1.19%、1.35%。本研究为拱坝仓面排序分析与优化提供了新思路。

不同弯曲段曲率对超高沥青混凝土心墙受力特性影响分析

传统沥青混凝土心墙坝在水平水压力推动下心墙易产生水力劈裂,通过将两端坝肩处心墙向上游起拱,能够减小心墙中的拉应力及拉应力区域面积,避免心墙产生水力劈裂破坏。采用三维有限元数值模拟方法,研究心墙两端不同弯曲段长度对沥青混凝土心墙坝的应力及变形影响。计算中采用Duncan-Chang E-B模型作为坝体及心墙材料的本构模型,对大坝填筑和水库蓄水过程进行模拟,将心墙两端弯曲段曲率分别取为5.0×10^(-4)、8.27×10^(-4)、3.0×10^(-3),以获得不同弯曲段曲率对沥青混凝土心墙和坝体的位移、应力分布的影响规律。结果表明,当心墙两端弯曲段曲率取为3.0×10^(-3)时,改善沥青混凝土心墙的受力特性效果最佳,坝体填料和心墙材料满足强度要求。

横缝间摩擦系数对拱坝开度地震响应的影响分析

拱坝在施工时,需在各坝段之间设置横缝,分段浇筑坝体,横缝在地震作用下会出现张开、闭合和滑移等现象,对坝体的地震响应产生重大影响。文章采用ABAQUS软件建立某拱坝有限元模型,以横缝间摩擦系数为控制变量,对不同控制变量下的拱坝进行动力响应计算,分析了不同摩擦系数对拱坝横缝开度地震响应的影响,为拱坝横缝设计提供参考借鉴。