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大壩安全監(jiān)控研究進(jìn)展

文檔作者：方衛(wèi)華，徐超健，陳允平，李東文檔來(lái)源： 1．水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所 2．水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年06月12日
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第2期
2013年4月
水利信息化
fer Resources Informatization
NO．2
Apr．，2013
大壩安全監(jiān)控研究進(jìn)展
方衛(wèi)華 ，徐超健 ，陳允平 ，李東
(1．水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇南京210012
2．水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所，浙江杭州310012)
摘要：從監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)置到運(yùn)行反饋等7個(gè)方面全面系統(tǒng)地總結(jié)近年來(lái)大壩安全監(jiān)控的研究進(jìn)展，指出需要進(jìn)
一步研究的問(wèn)題并進(jìn)行了探討，提出有關(guān)建議，為有關(guān)成果的推廣和下一步大壩安全監(jiān)控研究提供參考。
關(guān)鍵詞：犬壩安全監(jiān)控；研究；進(jìn)展；評(píng)價(jià)；建議
中圖分類(lèi)號(hào)：TV698．1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674—9405(2013)02—0005—06
0 引言
我國(guó)現(xiàn)有水庫(kù)大壩近9萬(wàn)座，與其安全相關(guān)的
高邊坡、隧洞等更是數(shù)量眾多。隨著人口的增長(zhǎng)、
經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及環(huán)境脆弱性的增加，特別是全球極端
氣候的頻繁出現(xiàn)，地球及人類(lèi)活動(dòng)影響的加劇，大
壩失事風(fēng)險(xiǎn)依然存在?？赡芗哟蟠髩伟踩L(fēng)險(xiǎn)的原
因包括：1)隨著時(shí)間的推移，一些水庫(kù)大壩相繼老
化；2)一些新建的高壩及其性態(tài)已經(jīng)超過(guò)了現(xiàn)有的
科技水平；3)梯級(jí)開(kāi)發(fā)可能使上游水庫(kù)大壩失事
的單一事件演化成災(zāi)害鏈。最近多地水庫(kù)大壩失事
的情況表明，加強(qiáng)大壩安全監(jiān)控研究變得越來(lái)越重
要。為此本文在大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)近年來(lái)大壩
安全監(jiān)控方面的研究進(jìn)展，并提出下一步研究的建
議，以期提高大壩安全監(jiān)控的研究水平。
1 進(jìn)展及評(píng)價(jià)
1．1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)置和測(cè)點(diǎn)布置
1．1．1 基于風(fēng)險(xiǎn)分析的方法
國(guó)際大壩委員會(huì)在1998年的會(huì)刊上提出根據(jù)工
程風(fēng)險(xiǎn)給予相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)權(quán)重，從而確定相應(yīng)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)
目和采樣頻次。文獻(xiàn)[1]將風(fēng)險(xiǎn)分析用于監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)
置和測(cè)點(diǎn)布置，并成功應(yīng)用于恰拉水庫(kù)等平原水庫(kù)
監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)置和測(cè)點(diǎn)布置。實(shí)際情況表明，現(xiàn)有的
《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)置和測(cè)點(diǎn)
布置對(duì)平原水庫(kù)大壩的針對(duì)性不強(qiáng)，這已經(jīng)在新疆
生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)組織的多次研討會(huì)和有關(guān)規(guī)范討論會(huì)
上得到多數(shù)專(zhuān)家的認(rèn)同。建立基于風(fēng)險(xiǎn)分析的監(jiān)測(cè)
項(xiàng)目設(shè)置和測(cè)點(diǎn)布置方法，是解決特殊超規(guī)范大壩
安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)置和測(cè)點(diǎn)布置的必然趨勢(shì)。
1．1．2 基于靜力學(xué)的方法
文獻(xiàn)[1】同時(shí)還探討應(yīng)用應(yīng)變能密度分布、應(yīng)
力分布敏感性、最重要測(cè)度和結(jié)構(gòu)冗余等優(yōu)化測(cè)點(diǎn)
布置的方法。此外可以根據(jù)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)物理量的獨(dú)立
性進(jìn)行測(cè)點(diǎn)優(yōu)化。選擇1組獨(dú)立測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)物理量作
為所關(guān)心監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)的基，如果所選擇的測(cè)點(diǎn)是完備
的，則其他測(cè)點(diǎn)測(cè)值可以由該組選定測(cè)點(diǎn)測(cè)值的線(xiàn)
性組合獲得。顯然，采用這種方法選定的測(cè)點(diǎn)集并
不唯一，需要根據(jù)其他約束條件進(jìn)行優(yōu)化。
以反演參數(shù)的存在性、唯一性和穩(wěn)定性為準(zhǔn)則
也可實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)點(diǎn)的布置優(yōu)化，文獻(xiàn)【2]表明測(cè)點(diǎn)布置
對(duì)反演分析的結(jié)果影響很大，因此以大壩力學(xué)參數(shù)
反演為目標(biāo)的測(cè)點(diǎn)布置還需要同大壩安全敏感區(qū)分
析結(jié)合起來(lái)。
1．1．3 基于動(dòng)力學(xué)的方法
相對(duì)于靜力分析而言， 目前在動(dòng)力測(cè)點(diǎn)優(yōu)化方
面研究較多，主要是基于不同模態(tài)(如振型、應(yīng)變
模態(tài)等)對(duì)損傷識(shí)別的靈敏度等，提出了不同的分
析方法，如Kammer DC等的有效獨(dú)立法、Meo M
收稿日期：2013-01-25
作者簡(jiǎn)介：方衛(wèi)華(1972一)，男，安徽望江人，博士，高級(jí)工程師，從事大壩安全監(jiān)控研究工作。
6 水利信息化 2013(2)
和Zumpano G的模態(tài)動(dòng)能最大化方法。這2種方法
都應(yīng)用Fisher信息矩陣，前者使得模態(tài)向量盡可能
線(xiàn)性無(wú)關(guān)，通過(guò)逐步刪除對(duì)秩影響最小的自由度，
使得信息矩陣最大化；后者以模態(tài)質(zhì)量矩陣作為權(quán)
加入到信息矩陣中，通過(guò)目標(biāo)動(dòng)能最大化實(shí)現(xiàn)傳感
器的優(yōu)化。Guyan RI模型縮減法通過(guò)靜力或動(dòng)力縮
減子矩陣構(gòu)成轉(zhuǎn)換矩陣， 以保留對(duì)模態(tài)反應(yīng)起主要
作用的自由度，從而優(yōu)化測(cè)點(diǎn)布置。Came T G 通
過(guò)使模態(tài)向量趨近正交而優(yōu)化測(cè)點(diǎn)。通過(guò)分析不難
發(fā)現(xiàn)，上述方法是基于線(xiàn)性模式鑒別的分類(lèi)方法，
采用降維和正交化方法優(yōu)化測(cè)點(diǎn)布置。Kijko A．及
Sciocatti M ．【] 認(rèn)為傳感器的優(yōu)化布置由震源未知數(shù)
的四維時(shí)空坐標(biāo)X={t，X。，Y。，z。}的相關(guān)協(xié)方差陣
cov =k ) 決定，
式中：k為常數(shù)；A為敏感矩陣，可由下式獲得：
f 1 aT1／Oxo T1／Oyo aT]Ozo1
A=I i i i i I (1)
【1 a T．／Ox0 a ro／Oyo a L／oz~．J
式中： 為計(jì)算得到的地震傳遞到的時(shí)間；11為傳感
器數(shù)量(測(cè)點(diǎn)數(shù))。
在測(cè)點(diǎn)優(yōu)化布置方面，采樣動(dòng)力方法對(duì)振動(dòng)幅
度比較大的薄壁結(jié)構(gòu)，包括橋梁等能起到很好的作
用；但對(duì)于實(shí)體重力壩或土壩， 目前基于動(dòng)力分析
的測(cè)點(diǎn)優(yōu)化方法尚未見(jiàn)報(bào)道。
1．1．4 其他方法
在滲流監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化布置方面，仵彥卿等 采
用有限元數(shù)值模擬和Kalman濾波耦合的方法，建立
了地下水系統(tǒng)確定一隨機(jī)數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)點(diǎn)
位置和監(jiān)測(cè)頻率的同時(shí)優(yōu)化，該方法可以推廣到非
穩(wěn)定滲流監(jiān)測(cè)的測(cè)點(diǎn)布置和監(jiān)測(cè)頻率優(yōu)化。Yang Y J
和Rum D H5 提出了1種基于隨機(jī)不確定性的熵的
測(cè)點(diǎn)布置方法。這2種方法都是在數(shù)據(jù)融合的基礎(chǔ)
上，考慮不確定性的動(dòng)態(tài)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化方法，對(duì)推進(jìn)測(cè)
點(diǎn)布置技術(shù)的發(fā)展具有一定的實(shí)際意義。
1．1．5 問(wèn)題和討論
監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)置與大壩安全的效應(yīng)認(rèn)定和傳感技
術(shù)密切相關(guān)，每個(gè)新效應(yīng)和傳感技術(shù)的發(fā)現(xiàn)意味著
新的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的出現(xiàn)，如巖石受力變形和破壞的愷
撒及電磁效應(yīng)等。
由于結(jié)構(gòu)的不同信息對(duì)結(jié)構(gòu)安全的敏感程度不
同，究竟采取以靜力為主的監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化，還是采
取以動(dòng)力為主的測(cè)點(diǎn)優(yōu)化，不僅要看結(jié)構(gòu)所受的主
要荷載和可能的破壞形式，還需要考慮大壩的結(jié)構(gòu)
和材料特征。目前大壩監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)置和測(cè)點(diǎn)布置大
多依據(jù)規(guī)范進(jìn)行，基于規(guī)范的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)置和測(cè)點(diǎn)
布置是經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)的總結(jié)，但對(duì)于平原水庫(kù)大壩、漿
砌石壩等測(cè)點(diǎn)布置， 目前的土石壩監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范的
針對(duì)性還不是很強(qiáng)。
由于大壩存在多種失效模式和路徑，同時(shí)也存
在不同尺度的破壞，破壞過(guò)程的演化也存在明顯的
非線(xiàn)性特征，針對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)大壩，考慮多失效模式的
監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)置和測(cè)點(diǎn)布置還需要進(jìn)一步研究， 以提
高監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和測(cè)點(diǎn)布置的針對(duì)性。另外，考慮真實(shí)
結(jié)構(gòu)的破壞總是在靜動(dòng)荷載組合之下、漸變與突變
共存的條件下發(fā)生的，充滿(mǎn)許多不確定性，為此建
立基于風(fēng)險(xiǎn)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)置和測(cè)點(diǎn)布置是必要的。
風(fēng)險(xiǎn)分析不僅需要考慮結(jié)構(gòu)的失效模式，同時(shí)還需
要根據(jù)結(jié)構(gòu)失效的后果確定監(jiān)測(cè)投入，即通過(guò)監(jiān)測(cè)
將不確定度降低至允許的程度。
1．2 異常判別與野值診斷
1．2．1 現(xiàn)狀及進(jìn)展
在噪聲測(cè)量和異常診斷方面， 目前主要采用基
于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的殘差分析和概率的隨機(jī)模糊診斷技
術(shù)。另外，基于小波分析、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解、Hilbert-
Huang變換、Kalman濾波、中值濾波方法、盲值理
論、數(shù)學(xué)形態(tài)濾波等的去噪方法已被用于邊坡和大
壩監(jiān)測(cè)的噪聲處理。其中Kalman濾波方法主要基于
濾波信息序列估計(jì)值的正交性質(zhì)進(jìn)行判斷，可以用
于單個(gè)少數(shù)離群和成片野值的診斷。
1．2．2 問(wèn)題和討論
在野值診斷方法方面，對(duì)少數(shù)測(cè)值異常診斷的
研究比較多，但對(duì)成群野值，尤其對(duì)漸變趨勢(shì)性系
統(tǒng)、階梯狀臺(tái)階及混合等誤差的研究相對(duì)較少。由
于大壩測(cè)值的非平穩(wěn)性、荷載和結(jié)構(gòu)的突變性， 以
及傳感器和測(cè)量系統(tǒng)存在的各種噪聲，大壩測(cè)值的
異常診斷方法目前很難做到對(duì)所有的異常測(cè)值都有
效，也使得目前大壩測(cè)值的噪聲分析和異常診斷還
需結(jié)合專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行。
1-3 安全監(jiān)控模型建立
1．3．1 現(xiàn)狀及進(jìn)展
隨著科技的發(fā)展，逐步回歸、差值回歸、混合
模型、確定性模型、抗差回歸、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波網(wǎng)
絡(luò)、灰色模型、支持向量機(jī)、粗集模型、動(dòng)態(tài)貝葉
斯模型、動(dòng)力系統(tǒng)模型，以及非線(xiàn)性分析模型等相
繼出現(xiàn)， 同時(shí)上述模型的組合模型也得到研究。陳
第2期 方衛(wèi)華等：大壩安全監(jiān)控研究進(jìn)展 7
繼光 提出了基于Lyapunov指數(shù)和相空間重構(gòu)的大
壩監(jiān)控模型，并結(jié)合實(shí)例對(duì)混沌時(shí)間序列相空間重
構(gòu)中的延遲時(shí)間間隔和嵌入維數(shù)的選取方法進(jìn)行了
討論，對(duì)Lyapunov指數(shù)預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了計(jì)算驗(yàn)證。
為克服大壩安全監(jiān)控模型中的多重共線(xiàn)性問(wèn)題和局
部最優(yōu)(欠擬合)問(wèn)題，主成分最小二乘回歸、偏
最小二乘回歸方法和全局優(yōu)化算法在大壩安全監(jiān)測(cè)
領(lǐng)域得到深入研究。全局優(yōu)化算法主要包括遺傳、
模擬退火、粒子群、蟻群和魚(yú)群等算法。
針對(duì)大壩安全監(jiān)控中的非線(xiàn)性特征， 門(mén)限回
歸、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型相繼被提
出。針對(duì)大壩監(jiān)控中的動(dòng)態(tài)特征，文獻(xiàn)[7]基于
Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提出了一種時(shí)變模型，融合遞推分析
及回歸分析優(yōu)點(diǎn)的遞推動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型。針對(duì)模型的
推廣(過(guò)擬合)和泛化能力不足，基于結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小
化的支持向量回歸機(jī)(SVR)模型也得到很多研究。
利用各種組合方法將不同的模型組合在一起，
使得各個(gè)模型相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，從而建立新的組合模
型也是大壩安全監(jiān)控模型的一種發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)組
合方式的不同，組合模型可分為算法、模型和算法
模型同時(shí)(加權(quán))組合等幾種方法， 目前主要包括
小波一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、賦權(quán)組合模型
等。文獻(xiàn)【8]采用微粒群優(yōu)化一支持向量機(jī)建立了大
壩變形非線(xiàn)性智能組合預(yù)測(cè)模型，該模型利用不同
預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)值建立混合核函數(shù)支持向量回歸機(jī)
模型，采用混合核函數(shù)提高支持向量機(jī)(SVM)的
學(xué)習(xí)和泛化能力，并用具有并行性和分布式特點(diǎn)的
粒子群算法選擇SVM 模型參數(shù)。為合理優(yōu)化各個(gè)模
型的權(quán)值，文獻(xiàn)[9]根據(jù)美國(guó)學(xué)者Yager提出的誘導(dǎo)
有序加權(quán)平均算子提出一種組合模型。組合模型，
尤其是基于不同原理的多模型組合避免了單一模型
或計(jì)算方法的偶然性和不完備性，相對(duì)單一預(yù)測(cè)模
型，組合預(yù)測(cè)模型具有更高的預(yù)測(cè)精度和更小的峰
值噪聲，為準(zhǔn)確進(jìn)行大壩安全監(jiān)控提供了一種新的
途徑。另外，文獻(xiàn)[10]采用博弈論建立了拱壩變形
模型，將水位和溫度等外界因素看成引起大壩變形
的外因子，而將壩體結(jié)構(gòu)形態(tài)和材料參數(shù)看成變形
的內(nèi)部抵抗因素，認(rèn)為大壩變形是水位和溫度2個(gè)
因素博弈的結(jié)果。
1．3．2 問(wèn)題和討論
就目前情況來(lái)看，針對(duì)大壩性態(tài)穩(wěn)定的情況，
已經(jīng)能建立比較合理的監(jiān)控模型；但針對(duì)非平穩(wěn)隨
機(jī)過(guò)程，即大壩出現(xiàn)開(kāi)裂、地基蠕變和荷載組合突
然變化等情況，單一的監(jiān)控模型尚難以有效描述大
壩性態(tài)的發(fā)展。另外，許多統(tǒng)計(jì)模型都建立在高斯
分布、平穩(wěn)過(guò)程和各態(tài)歷經(jīng)等假設(shè)的基礎(chǔ)上，這些
假設(shè)是否成立，或者這些假設(shè)對(duì)模型的結(jié)論影響大
不大，這些問(wèn)題都需要進(jìn)一步研究。另外對(duì)于建模
過(guò)程的病態(tài)問(wèn)題也是使得模型缺乏可解釋性的根本
原因，這需要采用抗差、魯棒和正則化策略。
狀態(tài)空間模型可以將機(jī)理模型同觀(guān)測(cè)模型有機(jī)
結(jié)合起來(lái)， 同時(shí)考慮模型和觀(guān)測(cè)誤差，具有重大理
論意義，但到目前為止，在狀態(tài)空間模型的機(jī)理模
型建立上，沒(méi)有很好地結(jié)合固體、滲流力學(xué)等偏微
分方程，本質(zhì)原因是由于這些方程的復(fù)雜性很難用
一階常微分方程(組)的形式加以表示，如果結(jié)合
材料本構(gòu)模式和損傷模型，情況就更復(fù)雜了 ]。
1．4 安全監(jiān)控指標(biāo)確定
1．4．1 現(xiàn)狀及進(jìn)展
置信區(qū)間法、典型監(jiān)測(cè)效應(yīng)量小概率法和極限
狀態(tài)法是監(jiān)控指標(biāo)擬定的常用方法，基于材料線(xiàn)彈
性、彈塑性等不同階段，利用數(shù)值計(jì)算方法可以提
出大壩安全監(jiān)控分級(jí)指標(biāo)。文獻(xiàn)[1 1】針對(duì)傳統(tǒng)方法
采用小變形和連續(xù)性假設(shè)不能合理描述臨近破壞時(shí)
大壩的大變形和不聯(lián)系性，在研究影響混凝土重力
壩安全因素和預(yù)警指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，引入基于塊
體理論的不連續(xù)變形分析方法，考慮壩體和壩基整
體抗滑穩(wěn)定，采用強(qiáng)度折減系數(shù)法分析了三峽大壩
左岸廠(chǎng)房3≠≠壩段的整體抗滑穩(wěn)定性，得到了安全
系數(shù)與大壩位移之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而建立基于非
連續(xù)變形分析的重力壩變形預(yù)警指標(biāo)方法。根據(jù)壩
體位移與強(qiáng)度折減系數(shù)之間的關(guān)系曲線(xiàn)得到失穩(wěn)判
據(jù)，從而確定變形預(yù)警指標(biāo)，將數(shù)值模型、整體安
全系數(shù)和失穩(wěn)判據(jù)結(jié)合在一起，使得指標(biāo)的確定更
加合理可信。文獻(xiàn)[12]采用概率分析和結(jié)構(gòu)分析相
結(jié)合的蒙特卡羅法對(duì)高拱壩的變形進(jìn)行了擬定，使
得監(jiān)控指標(biāo)擬定考慮到各種不確定因素，提高了方
法的通用性。
1．4．2 問(wèn)題和討論
監(jiān)控指標(biāo)的研究主要有統(tǒng)計(jì)和數(shù)值模型2種方
法，前者基于實(shí)測(cè)資料，后者主要基于考慮結(jié)構(gòu)大
變形的非線(xiàn)性有限元、數(shù)值流形、無(wú)單元法， 以及
不連續(xù)變形分析等數(shù)值計(jì)算方法。
由于荷載、材料力學(xué)性質(zhì)等的不確定性和大壩
的動(dòng)態(tài)特征，不同時(shí)段、方向和監(jiān)測(cè)物理量對(duì)應(yīng)大
壩不同監(jiān)控指標(biāo)。同時(shí)這種“指標(biāo)”只是在一定的
8 水利信息化 2013(2)
條件下對(duì)大壩某一種失效模式的度量，單個(gè)指標(biāo)能
否作為大壩整體安全度的度量，只有在大壩滿(mǎn)足整
體性的條件下才能成立，因此對(duì)于同一座大壩的不
同時(shí)期、測(cè)點(diǎn)和失效模式，安全監(jiān)控指標(biāo)是不同
的。即使是同一座大壩，采用單個(gè)指標(biāo)作為大壩安
全的“測(cè)度”，往往要求這個(gè)監(jiān)測(cè)物理量與大壩安全
狀態(tài)之間存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，這一條件往往是很強(qiáng)
的。其次基于統(tǒng)計(jì)或動(dòng)力學(xué)理論的大壩安全監(jiān)控指
標(biāo)擬訂的力學(xué)基礎(chǔ)尚不充分。采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行
監(jiān)控指標(biāo)擬訂除采用大變形、非線(xiàn)性本構(gòu)等充分考
慮結(jié)構(gòu)臨近破壞時(shí)候的狀態(tài)特征外，還必須采用局
部強(qiáng)度折減方法，同時(shí)考慮變形模量的變化[13]o
1．5 材料參數(shù)反演
1．5．1 現(xiàn)狀及進(jìn)展
利用實(shí)測(cè)資料進(jìn)行大壩力學(xué)參數(shù)的反演可分為
確定性反演、不確定性反演和基于機(jī)器學(xué)習(xí)等方
法。前者包括基于正分析最優(yōu)化，基于反分析正則
化、變分、可變?nèi)莶?、同倫方梯度等方法。其中?
分析的反演方法主要通過(guò)正分析(一般采用有限元
等數(shù)值計(jì)算方法)建立待反演參數(shù)與監(jiān)測(cè)物理量之
間的函數(shù)關(guān)系，并以計(jì)算物理量與實(shí)測(cè)物理量之差
的平方建立目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)優(yōu)化算法就目標(biāo)函數(shù)的
極小解來(lái)反演材料參數(shù)。其中優(yōu)化方法包括全局優(yōu)
化算法及全局和局部2種優(yōu)化算法的組合優(yōu)化算
法。文獻(xiàn)[14]指出待反演的參數(shù)中若同時(shí)包含破壞
比、凝聚力和內(nèi)摩擦角，容易導(dǎo)致反演失敗，原因
在于不同參數(shù)組合導(dǎo)致統(tǒng)一有限元解，為此必須重
新擬定反演參數(shù)或約束待反演參數(shù)，以確保待反演
參數(shù)的可辨識(shí)性。
除上述確定性方法外，還有基于貝葉斯和粒
子濾波、區(qū)間等不確定反演分析方法，參數(shù)Bayes
反演是通過(guò)最大熵原理和AIC(Akaika Information
Criterion)準(zhǔn)則求下述泛函的極值：
．廠(chǎng)=( 一Y)rcov。 ( 一y)+
一 ) cov‘。( )( 一 ) (2)
式中： 為實(shí)測(cè)位移；y為利用參數(shù)求得的計(jì)算位
移；X和 為待反演參數(shù)及其均值； 為衡量主觀(guān)和
客觀(guān)信息的比例系數(shù)， 由AIC確定。
蔣樹(shù)屏¨ 將擴(kuò)展卡爾曼與有限元法結(jié)合，對(duì)地
下洞室初始應(yīng)力和材料的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反演，取得
了良好的效果。
機(jī)器學(xué)習(xí)的方法是利用訓(xùn)練好的模型的泛化能
力進(jìn)行材料參數(shù)“預(yù)測(cè)”，主要方法是采用有監(jiān)督學(xué)
習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或支持向量機(jī)模型， 目前該類(lèi)方法成
為大壩材料參數(shù)反演的熱點(diǎn)。
1．5．2 問(wèn)題和討論
大壩參數(shù)反演本質(zhì)上是一個(gè)不適定問(wèn)題，涉及
解的存在性、唯一性和穩(wěn)定性等數(shù)學(xué)問(wèn)題， 目前在
大壩多分區(qū)材料參數(shù)、非線(xiàn)彈性、粘性和塑性反演
等方面的研究，還需要加強(qiáng)。另外對(duì)于多參數(shù)、多
重屈服面問(wèn)題，反演問(wèn)題會(huì)變得更加復(fù)雜。
1．6 安全綜合評(píng)價(jià)
1．6．1 現(xiàn)狀及進(jìn)展
大壩安全綜合評(píng)價(jià)方法主要有基于SL258-2000
《水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》的綜合評(píng)價(jià)方法及基于
專(zhuān)家系統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法。前者從工程質(zhì)量、運(yùn)行管
理、水文復(fù)核、結(jié)構(gòu)安全、滲流安全、金屬結(jié)構(gòu)和
抗震安全等進(jìn)行；后者主要應(yīng)用數(shù)值模型和實(shí)測(cè)資
料，應(yīng)用力學(xué)、水工結(jié)構(gòu)、人工智能、模糊理論的
綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)大壩安全進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。綜合評(píng)價(jià)
方法包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、層次分析、物元可拓和粗集
(Rough set)等方法。采用單一方法進(jìn)行的安全評(píng)
價(jià)主要包括如下3種：
1)以朱伯芳、張國(guó)新等為代表[1 的基于數(shù)值
仿真的大壩安全評(píng)價(jià)，主要采用彈塑性有限元等數(shù)
值模擬方法建立大壩(包括基礎(chǔ))的數(shù)值模型，通
過(guò)對(duì)大壩整個(gè)施工和運(yùn)行期的結(jié)構(gòu)和加卸載過(guò)程的
數(shù)值模擬，通過(guò)屈服、開(kāi)裂和擴(kuò)展及滑動(dòng)失穩(wěn)定等
準(zhǔn)則分析大壩安全。
2)以楊強(qiáng)、金峰、周偉、常曉林等為代表 的
考慮大壩極限承載力的大壩安全評(píng)價(jià)方法，主要采
用極限分析方法，如強(qiáng)度儲(chǔ)備和超載方法等對(duì)大壩
安全進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，通過(guò)變形突變、塑性區(qū)貫通和
計(jì)算不收斂等準(zhǔn)則判斷作為臨界狀態(tài)，通過(guò)強(qiáng)度折
減或超載系數(shù)判斷大壩的安全狀況。
3)以趙國(guó)藩 、金偉良[19】、劉寧 等為代
表的可靠度和隨機(jī)有限元方法，是以可靠度理論為
基礎(chǔ)，通過(guò)建立極限狀態(tài)方程，應(yīng)用響應(yīng)面、分枝
約界或重要性抽樣等方法計(jì)算結(jié)構(gòu)體系可靠度，或
將大壩荷載、材料參數(shù)和幾何尺寸等作為隨機(jī)變量
(過(guò)程)或隨機(jī)場(chǎng)處理，通過(guò)隨機(jī)有限單元法計(jì)算
大壩可靠度。
大壩安全評(píng)價(jià)的方法還包括基于損傷力學(xué)、細(xì)
觀(guān)力學(xué)和安定性分析方法等，此外基于能量耗散、
突變理論、Lyapunov指數(shù)和加卸載響應(yīng)比等安全評(píng)
價(jià)方法也在一定程度上得到研究。
第2期 方衛(wèi)華等：大壩安全監(jiān)控研究進(jìn)展 9
風(fēng)險(xiǎn)分析方法是系統(tǒng)可靠度分析的推廣，是一
種既考慮結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定破壞，又考慮非荷載因
素和下游損失、預(yù)警時(shí)間的綜合分析方法， 目前已
有文獻(xiàn)將風(fēng)險(xiǎn)分析方法用于大壩的風(fēng)險(xiǎn)分析。
1．6．2 問(wèn)題和討論
綜合評(píng)價(jià)最終往往轉(zhuǎn)化為求取各類(lèi)影響因素的
權(quán)重問(wèn)題，這在很大程度上依賴(lài)專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)，其與
量綱、相關(guān)性等問(wèn)題緊密相關(guān)。
數(shù)值仿真方法對(duì)加載過(guò)程、卸載效應(yīng)、數(shù)值模
型、本構(gòu)關(guān)系、屈服準(zhǔn)則的依賴(lài)性及計(jì)算量都比較
大。
可靠度分析方法適應(yīng)范圍比較廣，但在一定程
度上存在計(jì)算復(fù)雜度問(wèn)題，特別是針對(duì)多失效模
式、變量相關(guān)、非高斯分布等問(wèn)題，因此目前對(duì)系
統(tǒng)可靠度的研究還不成熟。
實(shí)際上大壩破壞是一個(gè)損傷逐步積累、材料逐
步老化，量變到質(zhì)變的過(guò)程。受材料分布、加載方
式等因素的影響，既存在多種失效模式，也存在漸
變和突變不同的失效形式，涉及靜動(dòng)力耦合、多時(shí)
間尺度和多幾何尺度耦合， 因此進(jìn)行大壩安全動(dòng)態(tài)
多尺度分析評(píng)價(jià)是下一步大壩安全評(píng)價(jià)的研究發(fā)展
方向。
1．7 運(yùn)行反饋分析
1．7．1 現(xiàn)狀及進(jìn)展
國(guó)內(nèi)較早利用實(shí)測(cè)資料建立反饋控制的是桓仁
大壩，后來(lái)陳村等大壩也利用實(shí)測(cè)資料建立了相應(yīng)
的運(yùn)行控制條件， 以確保大壩安全。在反饋分析中
實(shí)測(cè)資料的作用主要包括反演材料參數(shù)、確定臨界
荷載和推斷最不利荷載組合。在反饋分析中還需借
助數(shù)值分析方法，利用各種屈服準(zhǔn)則、擴(kuò)展準(zhǔn)則、
抗滑穩(wěn)定、滲透破壞等臨界條件。根據(jù)不同的破壞
模型，從而求得允許荷載的交集是大壩反饋分析基
礎(chǔ)。對(duì)于不同的荷載組合及加載速率，損傷和破壞
速度和部位是不一樣的。
1．7．2 問(wèn)題和討論
目前反饋分析方法大多建立在統(tǒng)計(jì)模型和數(shù)值
計(jì)算的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)模型要求樣本來(lái)自同一總體，
數(shù)值計(jì)算目前只能做到單一過(guò)程或有限工況的模
擬。隨著水資源合理利用問(wèn)題的提出，基于結(jié)構(gòu)實(shí)
際動(dòng)態(tài)安全度的水位動(dòng)態(tài)控制方法研究是我們必須
面對(duì)的課題。
2 幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題
2．1 力學(xué)基礎(chǔ)
大壩安全問(wèn)題本質(zhì)上是一個(gè)力學(xué)問(wèn)題， 即使由
于運(yùn)行管理水平低下，最終導(dǎo)致洪水漫頂沖刷或潰
壩也是由于大壩結(jié)構(gòu)在水荷載作用下的破壞。為
此，加強(qiáng)大壩力學(xué)問(wèn)題的研究是做好大壩安全監(jiān)控
的基礎(chǔ)，具體包括：1)熟悉非飽和土力學(xué)、有效應(yīng)
力理論可以加深對(duì)滲壓計(jì)測(cè)值物理意義的理解；2)
熟悉水動(dòng)力學(xué)可以更好地理解沖刷淤積及結(jié)構(gòu)振動(dòng)
對(duì)大壩安全的影響；3)理解結(jié)構(gòu)的卸荷破壞可以更
好地降低大壩安全風(fēng)險(xiǎn)；4)結(jié)構(gòu)的本構(gòu)關(guān)系選擇直
接關(guān)系到混合和確定性2個(gè)模型的建立，以及應(yīng)變
局部化現(xiàn)象的描述；5)理解非應(yīng)力變形等是擬定大
壩安全監(jiān)控指標(biāo)所必須考慮的；6)建立動(dòng)靜荷載長(zhǎng)
期和多場(chǎng)耦合作用下的材料屈服和破壞準(zhǔn)則對(duì)大壩
安全數(shù)值模擬具有決定性意義。
2．2 數(shù)據(jù)處理
大壩安全實(shí)測(cè)資料的處理涉及實(shí)測(cè)資料的物理
意義、噪聲、動(dòng)態(tài)、非平穩(wěn)、非正態(tài)、小樣本等問(wèn)
題，在大壩綜合分析和建模中涉及量綱、權(quán)重、矛
盾證據(jù)、數(shù)據(jù)降維、巡查信息定量化、自然語(yǔ)言理
解和數(shù)據(jù)同化等問(wèn)題。另外在資料分析中如何正確
考慮初始應(yīng)力、損傷、變形(儀器安裝前未測(cè)量變
形)等對(duì)結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)的影響也是一個(gè)十分重要的
問(wèn)題。
2．3 標(biāo)準(zhǔn)體系
大壩安全監(jiān)控研究的最終目的是為建立相應(yīng)的
標(biāo)準(zhǔn)體系服務(wù)。目前大壩安全監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范還需
要進(jìn)一步梳理以實(shí)現(xiàn)體系協(xié)調(diào)，如目前還比較欠缺
的監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范包括：測(cè)點(diǎn)符號(hào)、小壩安全監(jiān)測(cè)
與評(píng)價(jià)等標(biāo)準(zhǔn)，抽水蓄能電站水道及其附屬建筑物
安全監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)、平原水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)、地下廠(chǎng)
房及洞室安全監(jiān)測(cè)與評(píng)估、水閘及閘門(mén)安全監(jiān)測(cè)與
評(píng)估等技術(shù)規(guī)范，以及大壩安全監(jiān)控模型技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
等，同時(shí)在規(guī)范體系建設(shè)中如何考慮監(jiān)測(cè)技術(shù)的進(jìn)
步，配套發(fā)布監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范編制說(shuō)明也是大壩安全
監(jiān)控技術(shù)推廣應(yīng)用所需要研究的問(wèn)題。
3 結(jié)語(yǔ)
大壩安全監(jiān)控是一門(mén)綜合邊緣交叉學(xué)科，經(jīng)過(guò)
數(shù)十年的發(fā)展， 已經(jīng)取得了大量成果，但也有以下
問(wèn)題需要進(jìn)一步研究：
1)加強(qiáng)大壩安全監(jiān)控應(yīng)充分考慮大壩風(fēng)險(xiǎn)和失
10 水利信息化 2013(2)
效多路徑問(wèn)題。為克服目前點(diǎn)監(jiān)測(cè)信息有限問(wèn)題，
還應(yīng)該引入新的監(jiān)測(cè)方法，如微震、氡氣、微聲、
聲發(fā)射監(jiān)測(cè)信息，從而降低由于測(cè)點(diǎn)布置不準(zhǔn)確帶
來(lái)的漏測(cè)問(wèn)題。
2)大壩反饋控制是大壩安全管理的關(guān)鍵，建立
實(shí)測(cè)資料和數(shù)值計(jì)算的實(shí)際監(jiān)控反饋分析方法在小
時(shí)間尺度上已經(jīng)取得進(jìn)展，但在長(zhǎng)時(shí)間尺度和組合
破壞模式方面目前研究尚不充分。
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Overview Oil Dam Safety Monitoring
FANG Weihua。
， XU Chaojian 2 CHEN Yunping ，LI Dong
(1．Nanjing Automation Institute of Water Resources and Hydrology,the Ministry of Water Resources，
Nanjing 210012，China；
2．Product Quality&amp;amp;Standard Institution，the Ministry ofWater Resources，Hangzhou 3 10012，China)
Abstract：Dam safety monitoring progress of recent years is summarized on 7 respects which are from the
monitoring project settings to running feedback．The article points out and discusses the problems which need to be
studied further．The related suggestions are put forward．It provides a reference for spreading of some outcome and the
next research about dam safety monitoring．
I~ woras：dam safety monitoring；research；development；evaluation；suggestion

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