扩大基础和垫座对高拱坝地震动响应的影响研究

中国的高拱坝多位于西南部地震多发且地形地质条件复杂的地区,在地震作用下极易造成坝体局部开裂和整体失稳。以金沙江下游白鹤滩拱坝为研究对象,探讨扩大基础和垫座对坝顶和拱冠梁最大位移、横缝开度、坝体损伤体积比等地震动响应的影响特点。分析结果表明扩大基础和垫座具有如下优点:使拱坝左右两侧的体型更趋于对称,对减小坝顶和拱冠梁的位移响应有利。以增大边缝开度为代价而使坝体中部横缝开度显著减小,且使横缝张开趋于均匀,对充分发挥止水片密封效果有利;能够明显减小坝体的损伤体积比;其中,扩大基础对坝体位移和损伤体积比的减弱效果明显优于垫座。但是,随着地震动强度增加,扩大基础和垫座对位移响应约束能力逐渐减弱。研究结果证明了扩大基础和垫座对增强拱坝抗震能力的有效性,可为类似高拱坝工程建设提供有益参考。

东庄拱坝基础加固措施效果分析

拱坝基础加固是保证坝肩稳定和拱坝安全的重要工程措施,以东庄拱坝坝基加固措施为研究对象,系统模拟坝肩岩体中断层、夹泥裂隙、宽大裂隙和相应的加固措施,采用弹塑性本构对其坝基加固效果进行了有限元分析。计算结果表明:基础加固措施对坝体位移和应力的最大值影响很小,但在一定程度上使坝体以及建基面的屈服区减小,改善了坝体受力;基础加固措施对拱坝坝体的塑性区影响不大,但是基础加固后建基面屈服区明显减小,基础加固措施明显改善了坝基的受力状态,基础加固措施对于断层f5和夹泥裂隙Rnj3的屈服区体积影响相对较小,对于宽大裂隙L22的屈服区体积影响较为显著。东庄拱坝基础加固措施改善了坝体和坝基受力、提高了坝基的稳定性。

寒冷条件下高拱坝施工过程仿真方法研究

众多高拱坝施工面临着恶劣寒冷气候的考验。然而,现有的高拱坝施工过程仿真方法较少直接考虑气温对施工的影响,且未考虑基于气温预测成果进行动态分块,以分析寒冷条件下利用正温时段进行浇筑的特点。针对以上问题,本文提出了基于Informer的寒冷条件下高拱坝施工过程仿真方法。首先,提出基于Informer气温预测模型,实现未来气温序列的预测,在此基础上实现可施工时段分析;其次,建立考虑动态分块的寒冷条件下高拱坝施工进度仿真模型,提出更加贴近实际施工情况的分块施工仿真策略,以更好地模拟和分析不同气温条件下的施工过程;最后,以西南地区的叶巴滩高拱坝工程为例进行研究,采用Informer模型对气温进行预测,平均误差为±1.49℃,每日的可施工时长平均误差为±1.16 h。通过对比三种不同的仿真策略,发现寒冷条件下采用动态分块策略可以充分利用可浇筑时段,施工效率更高,也表明在仿真中“考虑气温”比简单降效处理更加贴近实际情况。

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.

特高拱坝变形机理可解释性智能预测模型

针对传统“黑箱”模型可以预测却无法解释拱坝变形的缺陷,利用Shapley Additive Explanation(SHAP)理论对特高拱坝的机器学习变形预测模型进行解构分析,分析水压、温度、时效对特高拱坝不同部位径向水平位移的影响规律。构建特高拱坝变形监测数据的轻量梯度提升算法(Light Gradient Boosting Machine,LightGBM)黑箱预测模型,利用SHAP对存在多重共线性的因子进行剔除,再从整个因子集和单个样本两个角度分析不同影响因子对模型变形预测的贡献度;通过分析拉西瓦特高拱坝坝肩、坝基、拱冠等不同部位的径向水平位移与影响因子间的关系,发现时效因子对高程越高、越靠近拱冠位置的径向水平位移影响越大,温度因子主要影响靠近拱冠位置的径向水平位移,水压因子主要影响高程较高位置的径向水平位移,而坝基和深入坝肩岩体测点的径向水平位移几乎不受水位、温度的影响。解决了以往“黑箱”变形预测模型可视性差、内部机理不明的问题,根据可解释模型得到的相关规律可为特高拱坝的工作性态分析和运行管理提供借鉴。

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PCA-SSA-XGBoost算法的拱坝应力预测模型研究

由于大坝应力受水位、温度等众多因素共同作用,各影响因子间的相互关联会引起多重共线性问题,容易导致以此为输入的预测模型出现伪回归现象。此外,现有基于机器学习算法的应力预测模型由于训练特征过多、过度训练易产生过拟合现象,其预测精度还有待提高。针对上述问题,提出了基于主成分分析法(PCA)和麻雀搜索算法(SSA)改进的极限梯度提升算法(PCA-SSA-XGBoost)构建拱坝应力预测模型。该模型首先采用主成分分析法对参数进行降维,降低影响因子的多重共线性影响;进而通过SSA算法优化XGBoost的超参数,以避免传统算法过拟合,进一步提高模型预测性能。将该模型应用于我国西南某混凝土拱坝工程,对应力及应力相关监测数据进行处理、分析和预测,并与多元线性回归模型(MVLR)、神经网络模型(RBFNN)、极限梯度提升回归预测模型(XGBR)的预测结果进行对比分析。结果表明,基于PCA-SSA-XGBoost算法的应力预测模型可克服输入变量的多重共线性和过拟合问题,在预测精度方面具有优越性。

高拱坝时序多属性施工方案随机智能优化方法

为了解决当前施工方案优化方法大多忽略各关键节点施工进度指标的随机性对施工方案优化的影响,同时属性权重确定方法难以实现对高维度多层次的多属性决策问题进行整体优化的问题,提出了基于前景随机理论和麻雀搜索算法的高拱坝时序多属性施工方案随机智能优化方法。针对高拱坝工程建设特点,基于前景随机理论建立时序多属性随机智能优化模型,提出了基于阶段发展特征的动态参考点设置方法;基于麻雀搜索算法建立最优属性权重及时间权重搜索模型,并以差异最大化思想构造适应度函数,实现模型的求解。工程实例验证结果表明该优化方法具有合理性,优化结果与前景随机占优-CRITIC方法、随机占优方法优化结果一致,且具有更好的方案区分度。

基于耐震时程法的高拱坝地震易损性分析

基于耐震时程分析方法(ETA),建立了三维坝体-库水-地基动力相互作用模型,进行高拱坝抗震性能评价。以基于目标反应谱合成的10条耐震加速度时程曲线为地震输入,选取坝体损伤体积比、坝顶坝踵顺河向相对位移和拱冠梁横缝开度作为结构性能指标,通过对结构不同性能水准的定义,建立了极限状态与结构性能指标之间的关系,以此为基础绘制易损性曲线。结果表明:随着耐震时程输入时间的增加,拱坝的各项响应值随之增大,不同响应指标对地震强度的敏感性不同,且ETA法与增量动力分析法(IDA)得到的响应结果基本一致,在同一性能水平下采用不同评价指标时对应的超越概率也不相同。因此,在进行结构的抗震性能评价时应综合考虑不同结构响应指标,选取不同性能下超越概率最大的结构响应指标进行分析。

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。

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。

基于面板数据模型的拱坝缺失数据填补方法

混凝土拱坝作为重要的水工建筑物,由于监测设备故障、人为因素等影响,导致其监测数据频繁出现缺失的现象,降低了大坝安全评估与预测的有效性与准确性。传统方法多仅依赖单测点测值进行插补,忽略了测点之间的相关性与异质性。本文提出了一种基于面板数据模型的变形缺失数据插补方法。首先,改进传统变形相似性增量速度指标,解决了其分母可能等于零的问题。其次,提出了一种组合加权方法以计算变形相似性综合指标,并采用改进的基于密度聚类方法对变形监测点进行分类。随后,建立了面板模型,以填补不同区域内的缺失数据。本文提出的方法可以更准确地填补混凝土拱坝变形数据的缺失,从而能够有效地解决变形监测数据缺失的问题。

水下爆炸下高拱坝坝面冲击荷载特性研究

确定爆炸荷载是高拱坝抗爆性能评估和抗爆设计的前提。为此,开展了高拱坝水下爆炸模型试验,并结合数值模拟方法,研究了高拱坝水下爆炸冲击荷载特性。以原型拱坝按1∶200缩比设计和制作了拱坝模型,测量了水下爆炸作用下库中以及拱坝表面的冲击荷载;采用Abaqus软件进行了拱坝水下爆炸数值模拟,结合试验数据验证了数值模拟的可靠性。研究结果表明,高拱坝水下爆炸冲击荷载可分为三个部分:首波爆炸冲击荷载、岸坡反射爆炸冲击荷载以及基底反射爆炸冲击荷载;对于库中起爆工况,高拱坝中心区域受到首波冲击的影响较大,而底部和靠近岸坡的区域则受到反射波的冲击较大,反射波在这些区域引起了较大的速度响应,在高拱坝的抗爆设计以及性能评估中,应考虑反射爆炸荷载的影响。研究成果可为高拱坝抗爆设计以及抗爆性能评估提供参考。

坝前滑坡涌浪压力分布对震损拱坝损伤影响的研究

强震中震损边坡在震后比震前更容易诱发滑坡,震后滑坡涌浪可能会对震损拱坝产生附加损伤,可能造成坝体溃决。现有的滑坡涌浪对坝体研究主要针对震前完好拱坝,并且通常将坝前涌浪简化为沿着拱向波高及相位完全相同。然而关于滑坡涌浪的研究表明,传播至坝前的涌浪在坝面不同位置存在比较明显的高度差和时间差。针对强震中震损拱坝在震后承受涌浪冲击的问题,本文以某高拱坝为例,基于中国水科院涌浪高经验公式,分析了坝前涌浪高的分布规律,识别出了三种典型的坝前涌浪压力分布形式。基于所定义的拱坝损伤影响度量指标,分析不同坝前涌浪压力分布对震损拱坝损伤的影响。结果表明,坝前涌浪分布存在高度差和时间差时,其压力分布对震损拱坝的影响比按均匀分布涌浪考虑的影响会更大。以均匀分布的涌浪压力形式分析震损拱坝所受的影响时,对危险性的评估会怕偏于不足,因此,建议考虑坝前涌浪空间分布和时间特性的影响。该研究结果可为震后滑坡涌浪的安全评价提供参考。

拱坝体形参数化设计与体形智能优化研究

拱坝体形设计需考虑多个复杂因素,如坝址河谷形状、工程地质条件、区域地震烈度、枢纽布置和泄洪方式等,是一个典型的复杂优化问题。提出了一种通用的拱坝体形参数化设计方法,可统一描述抛物线、双曲线等各类形式的拱坝。采用固定拱端位置,调整拱冠梁位置、形状、拱厚等来驱动拱坝体形变化,实现拱坝自动化建模和有限元应力变形计算。将拱坝体积最小作为优化目标,在几何、应力、稳定等约束下,进行拱坝体形智能优化。采用该方法进行某高拱坝的体形优化,优化效率高、优化效果明显,优化体形的拱坝坝体应力、建基面等效应力等均满足规范要求,柔度系数和应力水平也符合经验建议指标。

拱坝振动台动力破坏模型试验及其结构动力特性

研究拱坝结构抗震性能及破坏形态的重要手段为拱坝振动台动力模型试验,试验配制一种以重晶砂、重晶石粉和水泥为主要成分的模型材料,结合选用的振动台所具备的条件及模型材料的力学性能,设计拱坝振动台试验模型,并测试和获取其在不同地震荷载下的动力响应。选择某一工况进行分析,该工况下结构开始出现明显裂缝损伤并逐渐发展。通过分析该工况下结构动应变响应,分析其损伤出现的时间,由此将该工况分为4个时段。通过计算分析不同时段多个加速度响应测点的加速度放大系数,并引入模态参数辨识的数值子空间辨识算法和ARX模型辨识法,计算不同时段+拱坝模型的自振频率和阻尼比,并将其与损伤发展情况相对比,以分析拱坝模型损伤发展情况及其结构动力特性。研究结果可为拱坝振动台试验制作和结果分析提供价值性参考,并可为拱坝结构动力特性参数识别和损伤诊断方法提供验证素材。

龙羊峡重力拱坝模态识别与材料参数反演

基于龙羊峡重力拱坝实测振动数据,利用随机子空间法进行了大坝模态参数识别,建立了坝体-地基-库水系统的三维流固耦合有限元模型。根据识别出的一阶频率,分别考虑均质地基及分层地基,反演了坝体与基岩材料参数,并通过有限元软件ABAQUS进行了大坝的动力特征分析。结果表明:龙羊峡重力拱坝的一阶频率为2.778~3.196 Hz,反演得到坝体的弹性模量约为50 GPa~52 GPa;对于均值地基,其弹性模量的反演值为30 GPa;对于分层地基,2 490 m高程以下区域的弹性模量为34 GPa;实测振动数据反演得到的坝体弹性模量和地基弹性模量高于其设计值;龙羊峡重力拱坝的前3阶振型分别为正对称、反对称与正对称,其1阶频率和2阶频率相差较大,与重力坝自振频率分布特征相似。

基于空间面板数据模型的拱坝变形缺失数据处理

变形监测信息缺失会对拱坝安全性态的分析造成困难甚至引起误判,需要采用科学合理的方法对缺失数据进行处理,从而获取完整可靠的监测数据。传统的缺失值处理方法仅考虑了拱坝测点的局部空间关联性,而拱坝变形整体性较强,在进行缺失值插补时有必要考虑拱坝所有测点间的时空关联性。鉴于此,从拱坝的整体性和测点的空间相关性出发,首先引入空间权重矩阵,证明拱坝变形具有显著的空间正自相关性;在此基础上,基于空间面板数据模型提出一种考虑拱坝整体时空关联性的变形缺失数据处理方法;最后结合某拱坝工程实例,验证了所构建模型的有效性。工程实例表明:该方法插补残差值低于SL 601—2013《混凝土坝安全监测技术规范》所规定的误差限值,具有较高的插补精度,可对变形监测缺失数据进行有效处理。