CN114372393B - 一种谷幅变形影响下拱坝安全预警方法 - Google Patents

一种谷幅变形影响下拱坝安全预警方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及水利工程技术领域，具体地说是一种谷幅变形影响下拱坝安全预警方法，包括确定拱坝安全预警指标分级标准，反演确定大坝真实边界条件及关键热力学参数，提出谷幅变形影响下基于全坝全过程仿真的拱坝‑基础整体安全预警模型，提出谷幅变形影响下基于全坝全过程仿真的拱坝安全预警指标，本发明同现有技术相比，通过水压、气温、时效(渗流、岩体蠕变)等影响因素的情况下，结合变形监测数据的回归统计模型和数值仿真模型，建立谷幅与大坝变形安全预警模型，预测分析谷幅变形影响下的坝体‑地基变形场与应力场，以坝体径向变形作为关键预警指标，提出了各预警等级的控制阈值，对大坝安全进行预警，实时掌握大坝工作性态。

Description

一种谷幅变形影响下拱坝安全预警方法
技术领域
本发明涉及水利工程技术领域，具体地说是一种谷幅变形影响下拱坝安全预警方法。
背景技术
拱坝是一种超静定结构，依靠拱、梁分载的作用将上游水压荷载传递至两岸坝肩和坝基，具有方量小、混凝土性能发挥充分、承载能力大的特点。拱坝对地形地质条件要求高，一般要求建在宽高比较小的V型河谷中，设计仅考虑基岩在运行荷载作用下有限的弹性变形，一旦变形较大将超出设计允许范围，可能会对大坝坝体安全带来较为严重的不利影响。历史上少有的拱坝严重事故主要是基础变形导致，如法国Malpasset拱坝溃决、意大利Beauregard拱坝、瑞士Zeuzier拱坝等。溪洛渡水电站大坝监测数据表明，蓄水以来，近坝区域河谷累计收缩量均在70mm～90mm左右，且拱坝弦长测值与谷幅测值具有高度的相关性，超出了原有基础设计变形，对坝体形成了挤压效应。因此，谷幅变形未来的变化趋势将直接影响到拱坝坝体的变形性态，若进一步扩大将对大坝安全构成一定的潜在威胁。
一般来说，大坝变形破坏都是一个从量变到质变的过程，针对高拱坝存在超设计谷幅变形的情况，进行谷幅变形影响下拱坝安全监控预警，实时掌握大坝及其坝基、坝肩岩体的真实工作性态，对于保证大坝长期安全运行具有重要的意义。
现有技术有发明专利“基于全生命周期的大坝安全智能监测与预警系统及其方法”，通过创建涵盖高拱坝混凝土和地基整体三维结构及建设过程信息的大坝全景信息模型(DIM)，并基于DIM开发的质量管理和动态分析控制的智能高拱坝建设信息化平台，运用智能技术，实现高拱坝建设从设计阶段基础数据的应用，到施工阶段的全过程监控，再到高拱坝运行管理阶段的各方面全方位监测及安全评估和预警分析评价，实现对高拱坝的精细化管控，但未给出大坝安全监控模型、关键监控指标以及监控警戒值，而这才是大坝监控预警的核心，未考虑谷幅收缩变形对大坝的影响。
发明专利“一种用于水利水电工程的拱坝监控系统”，公开了一种用于水利水电工程的拱坝视频监控系统，包括视频采集设备、信号传输设备和计算机监测中心；视频采集设备用于采集拱坝重要位置的视频图像；视频采集设备采集的视频图像通过信号传输设备传输到计算机监测中心，计算机监测中心对视频图像进行处理，得到不同位置处的振动位移曲线，通过对振动位移曲线的分析，实现对拱坝的监测，并未给出拱坝安全监控指标及预警值，不能对拱坝安全进行预警，未考虑谷幅收缩变形对大坝的影响以及无法反映拱坝位移的物理力学机制。
因此，需要设计一种谷幅变形影响下拱坝安全预警方法，综合考虑水压、气温、时效(渗流、岩体蠕变)等影响因素，运用数学方法和仿真方法，建立谷幅变形这一约束下的大坝变形安全预警混合模型，仿真预测分析谷幅收缩变形作用下坝体-地基的变形场与应力场，以坝体变形作为关键预警指标，确定各预警等级的控制阈值。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供了一种谷幅变形影响下拱坝安全预警方法，综合考虑水压、气温、时效(渗流、岩体蠕变)等影响因素，运用数学方法和仿真方法，建立谷幅变形这一约束下的大坝变形安全预警混合模型，仿真预测分析谷幅收缩变形作用下坝体-地基的变形场与应力场，以坝体变形作为关键预警指标，确定各预警等级的控制阈值。
为了达到上述目的，本发明提供一种谷幅变形影响下拱坝安全预警方法，包括以下步骤：
S1：确定拱坝安全预警指标分级标准：
为了能够合理地进行拱坝安全预警，首先应确定拱坝安全预警分级标准，拱坝安全预警层级由预警级和险情级两个层级组成，其中预警级划分为三级，分别为：
W＝[W1,W2,W3]＝[正常，轻度异常，异常]；
当达到险情级时，开始报警；S2：反演确定大坝真实边界条件及关键热力学参数：
反演确定以下参数：
S21：根据上游面温度监测数据，按照各月不同高程的温度分布，反演坝体上游面水温边界条件：
TW＝f(TWt,tmon,h)式中：
TW：坝体上游水温边界，℃；TWt：h高程处tmon月份时的温度值，℃；
tmon：月份，1～12；h：库水深度，m；
S22：根据多年平均气温监测数据，确定坝体气温边界条件：
TA＝f(TAt,tmon)；TA：坝体气温边界，℃；TAt：tmon月份时的气温值，℃；
tmon：月份，1～12；
S23：根据坝体内部温度监测数据，反演混凝土后期温度回升，大坝混凝土后期温升模型按下式进行回归分析：
Figure GDA0004100247870000041
Q(t)：冷却停水后任意时刻t时的绝热温升回归结果，℃；Q0：后期绝热温升值，℃；e：自然常数；α、β：待定系数；
S24：根据坝体无应力计监测数据，得到温度与微应变关系图，反演混凝土线膨胀系数。假设整个观测期间内线膨胀系数为常数，得：
Δu＝αΔT；α：线膨胀系数，则全部观测数据满足：
Figure GDA0004100247870000042
un：第n时刻的观测结果；ε0n：自生体积变形；
其中，ΔTi＝Ti-Ti-1；
利用上式表示的观测数据可以进行变形和温度的相关性分析，采用多测点按照上述方法求α；
S25：以水位快速上升期间的变形增量为依据，考虑静水压力作用，计算混凝土不同弹性模量下坝体的变形增量，将此变形增量值与监测值进行比较，以计算值与监测值误差最小为目标，反演坝体混凝土的最优弹性模量；
S3：提出谷幅变形影响下基于全坝全过程仿真的拱坝-基础整体安全预警模型：
根据大坝真实边界条件与关键热力学参数的反演结果，基于有限元计算模型，考虑水压、自重、温度、谷幅变形等真实荷载，进行拱坝施工、蓄水、运行全过程工作性态仿真分析；
S31：谷幅变形回归分析，得到水压面载、温度、时效变形分量：
根据水位变化过程，对各个监测点的谷幅变形过程进行了回归分析，分离出由水位变动瞬时引起的变形、气温引起的变形以及时效变形分量：δV＝δHW+δTW+δTD；δV：谷幅变形量，mm；δHW：水压面载分量，mm；
δTW：温度分量，mm；δTD：时效变形分量，mm；
水压面载分量δHW可表示为水头的四次多项式，即：
Figure GDA0004100247870000051
aHi为水压面载分量回归系数；Hi为水头；
温度分量δTW一般采取周期函数或多项式表示，即：
Figure GDA0004100247870000052
t为位移观测日到起始监测日的累计天数；τ0为温度分量回归系数；
时效变形分量δTD，由渗流、徐变等因素引起，可统一采用指数函数形式表示，即：
Figure GDA0004100247870000053
t为位移观测日到起始监测日的天数；c1、c2为时效变形分量回归系数；
S32：基于谷幅变形时效分量，反演谷幅变形施加模式：
以谷幅变形时效分量为标准，反演谷幅变形施加模式，包括谷幅变形加载方式和谷幅变形边界加载量；
基于谷幅变形与坝体变形监测资料，考虑真实边界条件和荷载，进行拱坝施工、蓄水与运行全过程的仿真反演分析，以谷幅、坝体变形计算值与监测值差异最小为目标函数，反演得到模型截断边界处最优的位移分布；在确定加载方式后，以谷幅变形时效分量收敛时的谷幅变形量确定谷幅变形边界加载量；
S33：基于上述真实材料参数和谷幅变形施加模式的反演，进行施工、蓄水、运行全过程仿真：
考虑水压、自重、温度、谷幅变形等真实荷载，进行施工、蓄水、运行全过程仿真，分析评估拱坝的真实性态(温度、变形、应力、横缝状态)与安全性；
S34：基于全过程仿真，对拱坝工作性态进行预测：
仿真预测时，水压荷载、温度荷载取上一年同期值，自重荷载不变，谷幅变形荷载由所述S32中谷幅变形边界加载量确定，得到拱坝的预测工作性态；
S4：提出谷幅变形影响下基于全坝全过程仿真的拱坝安全预警指标：
S41：采用所述S34全坝全过程仿真方法确定的水位w、环境温度T、谷幅变形δV等变量，考虑自重g、残余应力σre、徐变cτ，以仿真计算得到的结构变形结果作为预警指标阈值的基础值，即：δd＝f(w,T,δV,g,σre,cτ)；
S42：在超载或降强工况中，水库水位w、环境温度T、谷幅变形δV是持续变化的，设某时间点t时水库水位wt、环境温度Tt、谷幅变形δVt，对应大坝变形值应为：δdt＝f(wt,Tt,δVt,g,σre,cτ)；
初始预测给定的基础值(正常工况下)对应水位是wt0、环境温度Tt0、谷幅变形δVt0，对应大坝变形值为：δdt0＝f(wt0,Tt0,δVt0,g,σre,cτ)；
S43：在基础值确定后，给定各点变形允许的变化区间，波动阈值的变幅Δδdt，有变形阈值为：δdt_per＝δd±Δδdt
其中Δδdt＝δdt-δdt0；
S44：变幅Δδdt确定方法是：
采用高水位时超载分析方法确定变幅上限，以坝踵屈服(一级)、屈服区扩展至防渗帷幕(三级)为允许变形范围；采用低水位降强分析方法确定变幅下限，以下游拱端屈服即一级、下游坝面屈服即三级为允许变形范围；
根据结合有限元计算结果，可得到各级变形阈值变幅对应的大坝判定状态；
根据已定拱坝变形预警指标分级，确定监测点变形在各预警级别内的指标范围。
S44中变形阈值包括一级阈值、二级阈值和三级阈值。
一级阈值包括+Δδdt1和-Δδdt1；所述二级阈值包括+Δδdt2和-Δδdt2；所述三级阈值包括+Δδdt3和-Δδdt3。
大坝判定状态如下：
+Δδdt1：超载时，坝踵屈服；
-Δδdt1：降强时，下游拱端出现屈服区；
+Δδdt2：取+Δδdt1和+Δδdt3的平均值；
-Δδdt2：取-Δδdt1和-Δδdt3的平均值；
+Δδdt3：超载时，坝踵屈服区扩展至防渗帷幕；
-Δδdt3：降强时，下游坝面出现明显屈服区。
S44中变形预警指标分级如下：
正常：监测点变形在一级阈值范围内，大坝安全等级为a级；
轻度异常：监测点变形在一级和二级阈值之间，大坝安全等级为a～a-级；
异常：监测点变形在二级和三级阈值之间，大坝安全等级为a-级；
报警：监测点变形在三级阈值外，大坝安全等级为b级～c级。
本发明同现有技术相比，通过综合考虑水压、气温、时效(渗流、岩体蠕变)等影响因素的情况下，结合变形监测数据的回归统计模型和数值仿真模型，建立谷幅与大坝变形安全预警模型，预测分析谷幅变形影响下的坝体-地基变形场与应力场，以坝体径向变形作为关键预警指标，提出了各预警等级的控制阈值，对大坝安全进行预警，实时掌握大坝工作性态。
附图说明
图1为本发明的总体技术路线图。
图2为本发明实施例谷幅测线详细布置情况图。
图3为本发明实施例坝体水平变形监测布置图。
图4为本发明的拱坝安全预警指标分级标准图。
图5为本发明实施例的水库水温数值分析结果图。
图6为本发明实施例坝体多年平均气温表示意图。
图7为本发明实施例典型高程C40混凝土自二冷停水后实测温度回升曲线。
图8为本发明实施例典型高程C35混凝土自二冷停水后实测温度回升曲线。
图9为本发明实施例典型高程C30混凝土自二冷停水后实测温度回升曲线。
图10为本发明无应力计温度与微应变关系及直线拟合图。
图11为本发明实施例无应力计监测结果图。
图12为本发明实施例坝体不同弹模下15#坝段各测点径向变形增量计算值与监测值对比统计图。
图13为本发明实施例弹性模量优选关系曲线图。
图14为本发明实施例VD01谷幅测线的回归曲线图。
图15为本发明实施例VD02谷幅测线的回归曲线图。
图16为本发明实施例VD03谷幅测线的回归曲线图。
图17为本发明实施例VD04谷幅测线的回归曲线图。
图18为本发明实施例VD05谷幅测线的回归曲线图。
图19为本发明实施例VD06谷幅测线的回归曲线图。
图20为本发明实施例VD07谷幅测线的回归曲线图。
图21为本发明实施例谷幅变形加载方式示意图。
图22为本发明实施例15#坝段垂线测点径向变形计算值与实测值对比图一。
图23为本发明实施例15#坝段垂线测点径向变形计算值与实测值对比图二。
图24为本发明实施例15#坝段垂线测点径向变形计算值与实测值对比图三。
图25为本发明实施例15#坝段垂线测点径向变形计算值与实测值对比图四。
图26为本发明实施例15#坝段垂线测点径向变形计算值与实测值对比图五。
图27为本发明不同预警级别下变形阈值变幅的判定状态图。
图28为本发明实施例一级，正常，+Δδdt1，超载时，坝踵屈服示意图。
图29为本发明实施例一级，正常，-Δδdt1，降强时，下游拱端出现屈服区示意图。
图30为本发明实施例三级，异常，+Δδdt3，超载时，坝踵屈服区扩展至防渗帷幕示意图。
图31为本发明实施例三级，异常，-Δδdt3，降强时，下游坝面出现明显屈服区示意图。
图32为本发明监测点变形在各预警级别内的指标范围示意图。
图33为本发明实施例PL15-1不同预警级别下15#坝段监测点径向变形监控曲线图。
图34为本发明实施例PL15-2不同预警级别下15#坝段监测点径向变形监控曲线图。
图35为本发明实施例PL15-3不同预警级别下15#坝段监测点径向变形监控曲线图。
图36为本发明实施例PL15-4不同预警级别下15#坝段监测点径向变形监控曲线图。
图37为本发明实施例PL15-5不同预警级别下15#坝段监测点径向变形监控曲线图。
具体实施方式
现结合附图对本发明做进一步描述。
参见图1，本发明提供一种谷幅变形影响下拱坝安全预警方法，包括以下步骤：
S1：确定拱坝安全预警指标分级标准：
为了能够合理地进行拱坝安全预警，首先应确定拱坝安全预警分级标准，拱坝安全预警层级由预警级和险情级两个层级组成，其中预警级划分为三级，分别为：
W＝[W1,W2,W3]＝[正常，轻度异常，异常]；
当达到险情级时，开始报警；
S2：反演确定大坝真实边界条件及关键热力学参数：
反演确定以下参数：
S21：根据上游面温度监测数据，按照各月不同高程的温度分布，反演坝体上游面水温边界条件：
TW＝f(TWt,tmon,h)式中：TW：坝体上游水温边界，℃；
TWt：h高程处tmon月份时的温度值，℃；tmon：月份，1～12；h：库水深度，m；
S22：根据多年平均气温监测数据，确定坝体气温边界条件：
TA＝f(TAt,tmon)；TA：坝体气温边界，℃；TAt：tmon月份时的气温值，℃；tmon：月份，1～12；
S23：根据坝体内部温度监测数据，反演混凝土后期温度回升，大坝混凝土后期温升模型按下式进行回归分析：
Figure GDA0004100247870000111
Q(t)：冷却停水后任意时刻t时的绝热温升回归结果，℃；
Q0：后期绝热温升值，℃；e：自然常数；α、β：待定系数；
S24：根据坝体无应力计监测数据，得到温度与微应变关系图，反演混凝土线膨胀系数。假设整个观测期间内线膨胀系数为常数，得：
Δu＝αΔT；α：线膨胀系数，则全部观测数据满足：
Figure GDA0004100247870000112
un：第n时刻的观测结果；ε0n：自生体积变形；
其中，ΔTi＝Ti-Ti-1；
利用上式表示的观测数据可以进行变形和温度的相关性分析，采用多测点按照上述方法求α，不同测点的结果有一定的离散性，当测点数足够多时，应将偏差较大的点去除后进行平均；
S25：蓄水阶段水位快速上升期，大坝上下游变形主要受水压荷载增量影响，气温、水温、坝体内部温升、坝体徐变变形等在极短时间内的变化量很小，对大坝变形的影响可忽略不计，以水位快速上升期间的变形增量为依据，考虑静水压力作用，计算混凝土不同弹性模量下坝体的变形增量，将此变形增量值与监测值进行比较，以计算值与监测值误差最小为目标，反演坝体混凝土的最优弹性模量；
S3：提出谷幅变形影响下基于全坝全过程仿真的拱坝-基础整体安全预警模型：
根据大坝真实边界条件与关键热力学参数的反演结果，基于有限元计算模型，考虑水压、自重、温度、谷幅变形等真实荷载，进行拱坝施工、蓄水、运行全过程工作性态仿真分析；
S31：谷幅变形回归分析，得到水压面载、温度、时效变形分量：
根据水位变化过程，对各个监测点的谷幅变形过程进行了回归分析，分离出由水位变动瞬时引起的变形、气温引起的变形以及时效变形分量：δV＝δHW+δTW+δTD；δV：谷幅变形量，mm；δHW：水压面载分量，mm；
δTW：温度分量，mm；δTD：时效变形分量，mm；
水压面载分量δHW可表示为水头的四次多项式，即：
Figure GDA0004100247870000121
aHi为水压面载分量回归系数；Hi为水头；
温度分量δTW一般采取周期函数或多项式表示，即：
Figure GDA0004100247870000122
t为位移观测日到起始监测日的累计天数；τ0为温度分量回归系数；
时效变形分量δTD，由渗流、徐变等因素引起，可统一采用指数函数形式表示，即：
Figure GDA0004100247870000123
t为位移观测日到起始监测日的天数；c1、c2为时效变形分量回归系数；
S32：基于谷幅变形时效分量，反演谷幅变形施加模式：
通过对谷幅变形进行回归分析，可以看出蓄水诱发了谷幅收缩变形，变形与水位相关性不明显。观测期岸坡的变形中由蓄水扰动直接引起的变形量和温度变形分量较小，其余大多数为时效变形，以谷幅变形时效分量为标准，反演谷幅变形施加模式，包括谷幅变形加载方式和谷幅变形边界加载量；
基于谷幅变形与坝体变形监测资料，考虑真实边界条件和荷载，进行拱坝施工、蓄水与运行全过程的仿真反演分析，以谷幅、坝体变形计算值与监测值差异最小为目标函数，反演得到模型截断边界处最优的位移分布；
在确定加载方式后，以谷幅变形时效分量收敛时的谷幅变形量确定谷幅变形边界加载量；
S33：基于上述真实材料参数和谷幅变形施加模式的反演，进行施工、蓄水、运行全过程仿真：
考虑水压、自重、温度、谷幅变形等真实荷载，进行施工、蓄水、运行全过程仿真，分析评估拱坝的真实性态(温度、变形、应力、横缝状态)与安全性；
S34：基于全过程仿真，对拱坝工作性态进行预测：
仿真预测时，水压荷载、温度荷载取上一年同期值，自重荷载不变，谷幅变形荷载由所述S32确定，得到拱坝的预测工作性态；
S4：通过对谷幅变形作用下的拱坝工作性态进行分析(计算荷载不考虑自重、水压、温度等荷载，只计算不同谷幅收缩量值下坝体的应力增量，研究谷幅变形对大坝应力的影响规律)，可以发现：谷幅收缩引起的上游拉应力增量与压应力增量与水压荷载引起的应力增量有抵消作用，谷幅收缩引起的下游面腮部的拉应力增量与水压荷载引起的应力增量有抵消作用、底部的压应力增量与水压作用叠加加强；而水压荷载作用使大坝产生向下游变形的趋势，谷幅变形使大坝产生向上游变形的趋势。因此，大坝径向变形直观反映了大坝安全度，考虑大坝安全度的非线性仿真分析，大坝向下游发生最大变形的可能工况为高水位时谷幅作用下持续超载，向上游发生最大变形的可能工况为低水位时谷幅作用下持续降强。综上，提出谷幅变形影响下基于全坝全过程仿真的拱坝安全预警指标为大坝径向变形，不同预警分级下的指标阈值按照以下方法确定：
提出谷幅变形影响下基于全坝全过程仿真的拱坝安全预警指标：
S41：采用所述S34全坝全过程仿真方法确定的水位w、环境温度T、谷幅变形δV等变量，考虑自重g、残余应力σre、徐变cτ，以仿真计算得到的结构变形结果作为预警指标阈值的基础值，即：δd＝f(w,T,δV,g,σre,cτ)；
S42：在超载或降强工况中，水库水位w、环境温度T、谷幅变形δV是持续变化的，设某时间点t时水库水位wt、环境温度Tt、谷幅变形δVt，对应大坝变形值应为：δdt＝f(wt,Tt,δVt,g,σre,cτ)；
初始预测给定的基础值(正常工况下)对应水位是wt0、环境温度Tt0、谷幅变形δVt0，对应大坝变形值为：δdt0＝f(wt0,Tt0,δVt0,g,σre,cτ)；
S43：在基础值确定后，给定各点变形允许的变化区间，波动阈值的变幅Δδdt，有变形阈值为：δdt_per＝δd±Δδdt
其中Δδdt＝δdt-δdt0；
S44：变幅Δδdt确定方法是：
采用高水位时超载分析方法确定变幅上限，以坝踵屈服(一级)、屈服区扩展至防渗帷幕(三级)为允许变形范围；采用低水位降强分析方法确定变幅下限，以下游拱端屈服(一级)、下游坝面屈服(三级)为允许变形范围；
根据结合有限元计算结果，可得到各级变形阈值变幅对应的大坝判定状态；
根据已定拱坝变形预警指标分级，确定监测点变形在各预警级别内的指标范围。
S44中变形阈值包括一级阈值、二级阈值和三级阈值。
一级阈值包括+Δδdt1和-Δδdt1；所述二级阈值包括+Δδdt2和-Δδdt2；所述三级阈值包括+Δδdt3和-Δδdt3。
大坝判定状态如下：
+Δδdt1：超载时，坝踵屈服；
-Δδdt1：降强时，下游拱端出现屈服区；
+Δδdt2：取+Δδdt1和+Δδdt3的平均值；
-Δδdt2：取-Δδdt1和-Δδdt3的平均值；
+Δδdt3：超载时，坝踵屈服区扩展至防渗帷幕；
-Δδdt3：降强时，下游坝面出现明显屈服区。
S44中变形预警指标分级如下：
正常：监测点变形在一级阈值范围内，大坝安全等级为a级；
轻度异常：监测点变形在一级和二级阈值之间，大坝安全等级为a～a-级；
异常：监测点变形在二级和三级阈值之间，大坝安全等级为a-级；
报警：监测点变形在三级阈值外，大坝安全等级为b级～c级。
实施例：
以下结合一具体实施例对本发明的方法及效果进行详细说明：
溪洛渡水电站位于四川省雷波县和云南省永善县接壤的金沙江溪洛渡峡谷，大坝采用混凝土双曲拱坝，最大坝高285.5m，属特高型拱坝。大坝自2009年3月开始浇筑大坝混凝土，至2014年3月，大坝至封顶高程610m，7月整体接缝灌浆完成。
水电站蓄水前上游布置4条谷幅测线(01测线～04测线)，下游布置3条谷幅测线(05测线～07测线)，2014年7月和2016年1月又补充布置了08、09测线，谷幅测线详细布置情况见图2所示；水库2013年蓄水后，监测到谷幅持续收缩变形，谷幅挤压导致坝体向上游变形。截止到2020年10月，上游谷幅长度累计缩短71.73-100.49mm，下游谷幅长度累计缩短80.80-83.62mm，目前变形有收敛趋势，但未完全收敛。坝体水平变形监测布置如图3所示。
步骤一：
根据图4确认拱坝安全预警指标分级标准，即关键预警指标分级。
步骤二：反演确定大坝真实边界条件及关键热力学参数：
(1)如图5所示，反演得到坝体上游面水温边界条件；
(2)如图6所示，根据实测资料确定坝体气温边界；
(3)通过对坝体内部横缝测缝计温度监测结果的统计分析，得到不同混凝土分区各测点的二冷末温升监测值，根据公式确定不同分区温度回升模型如下(如图7-图9所示)：
C40混凝土后期温升曲线模型如下：
Figure GDA0004100247870000161
C35混凝土后期温升曲线模型如下：
Figure GDA0004100247870000162
C30混凝土后期温升曲线模型如下：
Figure GDA0004100247870000163
根据坝体无应力计监测数据，对每个测点绘制温度与微应变关系图(如图10)，拟合并统计出各测点线膨胀系数(相关性直线的斜率)见图11，反演得到大坝坝体线膨胀系数为7.01×10-6/℃。
计算坝体径向变形增量，选取15#拱冠梁坝段垂线，将计算值与监测值进行比较，见图12，画出弹性模量优选关系曲线，如图13。可以看出，当弹性模量为47.8GPa时，各测点径向变形计算值与监测值的平均误差最小。因此，坝体混凝土弹模系数反演值为47.8GPa，基岩弹性模量反演值为22GPa。
步骤三：
提出谷幅变形影响下基于全坝全过程仿真的拱坝-基础整体安全预警模型。
对谷幅变形进行回归分析，得到各谷幅测线的回归曲线(如图14-图20所示)，其中，VD04测线的回归公式为：
Figure GDA0004100247870000171
确定谷幅变形加载方式如图21所示。根据图2可以看出，VD04测线靠近左右坝肩区域，以VD04测线谷幅变形回归的时效分量为基础，选取上一年水位变化为预测水位H，按照VD04的回归公式进行预测，确定谷幅变形收敛(时效分量小于0.001mm/d)时VD04的谷幅变形量预测值为76.97mm，按照图21所示谷幅变形加载方式，对仿真边界进行谷幅变形荷载施加。
基于上述真实材料参数和谷幅变形施加模式的反演，对拱坝进行全过程仿真并预测，得到图22-图26，为15#坝段垂线测点的径向变形计算值与实测值对比(“+”为向下游变形)，并对径向变形进行预测，预测截止时间为2026年12月15日。可以看出，2021年8月前计算得到的坝体径向变形演化过程与实测值吻合较好，表明反演得到的坝体与地基材料参数真实准确，对2026年12月15日前大坝径向变形进行了预测，预测结果表明后期大坝径向变形随时间周期性变化，径向变形最大值将趋于稳定。
步骤四：
提出谷幅变形影响下基于全坝全过程仿真的拱坝安全预警指标。
根据提出的拱坝变形预警指标分级对应变形阈值变幅下大坝判定状态(图27)，溪洛渡拱坝各状态屈服分布(如图28-图31所示)。根据不同级别下变形阈值预警指标取值范围(如图32)，得到不同预警级别下15#坝段监测点径向变形监控曲线如图33-图37所示。
以上仅是本发明的优选实施方式，只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
本发明从整体上解决了现有技术未给出大坝安全监控模型、关键监控指标以及监控警戒值且未考虑谷幅收缩变形对大坝的影响的问题，综合考虑水压、气温、时效(渗流、岩体蠕变)等影响因素，结合变形监测数据的回归统计模型和数值仿真模型，建立谷幅与大坝变形安全监控混合模型；基于混合模型，预测分析不同谷幅变形量值下坝体-地基的变形场与应力场，以坝体径向变形作为关键预警指标，提出了各预警等级的控制阈值，对大坝安全进行预警，实时掌握大坝工作性态。

Claims (5)

1.一种谷幅变形影响下拱坝安全预警方法，其特征在于包括以下步骤：
S1：确定拱坝安全预警指标分级标准：
为了能够合理地进行拱坝安全预警，首先应确定拱坝安全预警分级标准，拱坝安全预警层级由预警级和险情级两个层级组成，其中预警级划分为三级，分别为：
W＝[W1,W2,W3]＝[正常，轻度异常，异常]；
当达到险情级时，开始报警；
S2：反演确定大坝真实边界条件及关键热力学参数：
反演确定以下参数：
S21：根据上游面温度监测数据，按照各月不同高程的温度分布，反演坝体上游面水温边界条件：
TW＝f(TWt,tmon,h)
式中：
TW：坝体上游水温边界，℃；
TWt：h高程处tmon月份时的温度值，℃；
tmon：月份，1～12；
h：库水深度，m；
S22：根据多年平均气温监测数据，确定坝体气温边界条件：
TA＝f(TAt,tmon)
TA：坝体气温边界，℃；
TAt：tmon月份时的气温值，℃；
tmon：月份，1～12；
S23：根据坝体内部温度监测数据，反演混凝土后期温度回升，大坝混凝土后期温升模型按下式进行回归分析：
Figure FDA0004110239250000021
Q(t)：冷却停水后任意时刻t时的绝热温升回归结果，℃；
Q0：后期绝热温升值，℃；
e：自然常数；
α、β：待定系数；
S24：根据坝体无应力计监测数据，得到温度与微应变关系图，反演混凝土线膨胀系数，假设整个观测期间内线膨胀系数为常数，得：
Δu＝αΔT
α：线膨胀系数，则全部观测数据满足：
Figure FDA0004110239250000022
un：第n时刻的观测结果；
ε0n：自生体积变形；
其中，ΔTi＝Ti-Ti-1；
利用上式表示的观测数据可以进行变形和温度的相关性分析，采用多测点按照上式求α；
S25：以水位快速上升期间的变形增量为依据，考虑静水压力作用，计算混凝土不同弹性模量下坝体的变形增量，将此变形增量值与监测值进行比较，以计算值与监测值误差最小为目标，反演坝体混凝土的最优弹性模量；
S3：提出谷幅变形影响下基于全坝全过程仿真的拱坝-基础整体安全预警模型：
根据大坝真实边界条件与关键热力学参数的反演结果，基于有限元计算模型，考虑水压、自重、温度、谷幅变形真实荷载，进行拱坝施工、蓄水、运行全过程工作性态仿真分析；
S31：谷幅变形回归分析，得到水压面载、温度、时效变形分量：
根据水位变化过程，对各个监测点的谷幅变形过程进行了回归分析，分离出由水位变动瞬时引起的变形、气温引起的变形以及时效变形分量：
δV＝δHW+δTW+δTD
δV：谷幅变形量，mm；
δHW：水压面载分量，mm；
δTW：温度分量，mm；
δTD：时效变形分量，mm；
水压面载分量δHW可表示为水头的四次多项式，即：
Figure FDA0004110239250000031
aHi为水压面载分量回归系数；Hi为水头；
温度分量δTW一般采取周期函数或多项式表示，即：
Figure FDA0004110239250000032
t为位移观测日到起始监测日的累计天数；τ0为温度分量回归系数；
时效变形分量δTD，由渗流、徐变因素引起，可统一采用指数函数形式表示，即：
Figure FDA0004110239250000033
t为位移观测日到起始监测日的天数；c1、c2为时效变形分量回归系数；
S32：基于谷幅变形时效分量，反演谷幅变形施加模式：
以谷幅变形时效分量为标准，反演谷幅变形施加模式，包括谷幅变形加载方式和谷幅变形边界加载量；
基于谷幅变形与坝体变形监测资料，考虑真实边界条件和荷载，进行拱坝施工、蓄水与运行全过程的仿真反演分析，以谷幅、坝体变形计算值与监测值差异最小为目标函数，反演得到模型截断边界处最优的位移分布；
在确定加载方式后，以谷幅变形时效分量收敛值确定谷幅变形边界加载量；
S33：基于真实材料参数和谷幅变形施加模式的反演，进行施工、蓄水、运行全过程仿真：
考虑水压、自重、温度、谷幅变形真实荷载，进行施工、蓄水、运行全过程仿真，分析评估拱坝的温度、变形、应力、横缝状态与安全性；
S34：基于全过程仿真，对拱坝工作性态进行预测：
仿真预测时，水压荷载、温度荷载取上一年同期值，自重荷载不变，谷幅变形荷载由所述S32中的谷幅变形边界加载量确定，得到拱坝的预测工作性态；
S4：提出谷幅变形影响下基于全坝全过程仿真的拱坝安全预警指标：
S41：采用所述S34全坝全过程仿真方法确定的水位w、环境温度T、谷幅变形δV变量，考虑自重g、残余应力σre、徐变cτ，以仿真计算得到的结构变形结果作为预警指标阈值的基础值，即：δd＝f(w,T,δV,g,σre,cτ)；
S42：在超载或降强工况中，水库水位w、环境温度T、谷幅变形δV是持续变化的，设某时间点t时水库水位wt、环境温度Tt、谷幅变形δVt，对应大坝变形值应为：δdt＝f(wt,Tt,δVt,g,σre,cτ)；
初始预测给定的正常工况下的基础值，对应水位是wt0、环境温度Tt0、谷幅变形δVt0，对应大坝变形值为：δdt0＝f(wt0,Tt0,δVt0,g,σre,cτ)；
S43：在基础值确定后，给定各点变形允许的变化区间，波动阈值的变幅Δδdt，有变形阈值为：δdt_per＝δd±Δδdt
其中Δδdt＝δdt-δdt0；
S44：变幅Δδdt确定方法是：
采用高水位时超载分析方法确定变幅上限，以坝踵屈服即一级、屈服区扩展至防渗帷幕即三级为允许变形范围；采用低水位降强分析方法确定变幅下限，以下游拱端屈服即一级、下游坝面屈服即三级为允许变形范围；
根据结合有限元计算结果，可得到各级变形阈值变幅对应的大坝判定状态；
根据已定拱坝变形预警指标分级，确定监测点变形在各预警级别内的指标范围。
2.根据权利要求1所述的一种谷幅变形影响下拱坝安全预警方法，其特征在于：所述S44中变形阈值包括一级阈值、二级阈值和三级阈值。
3.根据权利要求2所述的一种谷幅变形影响下拱坝安全预警方法，其特征在于：所述一级阈值包括+Δδdt1和-Δδdt1；所述二级阈值包括+Δδdt2和-Δδdt2；
所述三级阈值包括+Δδdt3和-Δδdt3。
4.根据权利要求1所述的一种谷幅变形影响下拱坝安全预警方法，其特征在于：所述大坝判定状态如下：
+Δδdt1：超载时，坝踵屈服；
-Δδdt1：降强时，下游拱端出现屈服区；
+Δδdt2：取+Δδdt1和+Δδdt3的平均值；
-Δδdt2：取-Δδdt1和-Δδdt3的平均值；
+Δδdt3：超载时，坝踵屈服区扩展至防渗帷幕；
-Δδdt3：降强时，下游坝面出现明显屈服区。
5.根据权利要求1所述的一种谷幅变形影响下拱坝安全预警方法，其特征在于：所述S44中变形预警指标分级如下：
正常：监测点变形在一级阈值范围内，大坝安全等级为a级；
轻度异常：监测点变形在一级和二级阈值之间，大坝安全等级为a～a-级；
异常：监测点变形在二级和三级阈值之间，大坝安全等级为a-级；
报警：监测点变形在三级阈值外，大坝安全等级为b级～c级。
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