碾压混凝土坝等效黏弹性参数反演.pdf
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1、第 3 5卷第 8期 2 0 1 3年 8月 人民黄河 YELLOW RI VER Vo 1 3 5 No 8 Au g , 2 0 1 3 【 水利水电工程 】 碾压混凝土坝等效黏弹性参数反演 李姝昱 , 白家泽 , 苏 琼 ( 1 黄河水利科学研究院, 河南 郑州4 5 0 0 0 3 ; 2 河南东龙控股有限公司, 河南 郑州 4 5 0 0 0 0 ; 3 河海大学 水利水电学院, 江苏 南京 2 1 0 0 9 8 ) 摘要: 根据碾压混凝土坝的成层结构特性, 将层面影响概化到整个坝体中, 将碾压混凝土坝视为横观各向同性体, 建立 了碾压混凝土坝等效黏弹性模型。根据位移实测资料, 采
2、用偏最小二乘法建立位移统计模型, 分 离水压分量和时效分 量, 建立反演碾压混凝土坝双向异性黏弹性参数的目标函数 , 并利用混沌遗传算法对黏弹性参数进行反演。工程实例 中, 将反演得到的黏弹性参数作为已知值, 计算测点在相应时间段变形的水压和时效分量之和, 并与分离出的实测值进 行对比, 结果表明: 计算值与实测值比较接近 , 说明反演方法是正确、 可行的。 关键词: 碾压混凝土坝;黏弹性参数;混沌遗传算法;偏最小二乘法 中图分类号 :T V 6 4 2 2 文献标 志码 : A d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 1 3 7 9 2 0 1 3 0 8
3、 0 3 2 I n v e r s i o n o f t h e Eq u i v a l e nt Vi s c o e l a s t i c Pa r a me t e r s o f t he Ro l l e r Co mpa c t e d Co n c r e t e Da m L I S h u y u ,B a i J i a z e ,S U Q i o n g 3 ( 1 Y e l l o w Riv e r I n s t i t u t e o f H y d r a u l i c R e s e a r c h ,Z h e n g z h o u 4 5
4、0 0 0 3, C h i n a ;2 H e n a n D o n g l o n g Ho l d i n g s C o L t d, Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 0, C h i n a ; 3 C o l l e g e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d H y d rop o w e r , H o h a i U n i v e r s i t y ,N a n j i n g 2 1 0 0 9 8 ,C h i n a ) Ab s t r a c t :A c c o r d i n g t
5、o t h e l a y e r f e a t u r e o f r o l l e r c o mp a c t e d c o n c r e t e d a m ( R C C D) , t h i s p a p e r g e n e r a l i z e d t h e l a y e r i n fl u e n c e t o t h e e n t i re d a m, a n d t o o k rol l e r c o mp a c t e d c o n c r e t e d a m a s t r a n s v e r s e i s o t ropy
6、 ,t h e n b u i l t t h e e q u i v ale n t v i s c o e l a s t i c mo d e 1 Ac c o r d i n g t o t h e me asu r e d d a t a ,t h e d a m d i s p l a c e me n t s t a t i s t i c a l mo d e l wa s e s t a b l i s h e d t o s e p a r a t e t h e wa t e r p r e s s u re c o mp o n e n t a n d t h e a
7、g i n g c o mp o n e n t u s i n g t he p a r t i al l e a s t s q u are s r e g r e s s i o n me t h odA n d t h e o b j e c t i v e f u n c t i o n w a s e s t a b l i s h e d t o i n v e rs e t h e b i a x i al a n i s o t rop i c v i s c o e l a s t i c p aram e t e r s o f rol l e r c o mp a c
8、t e d c o n c r e t e d a m u t i l i z i n g c h a o s g e n e t i c alg o rit h mT h rou g h a n e n g i n e e rin g e x a mp l e ,t h e i n v e r s e d v i s c oel ast i c p aram e t e r s we r e s e t as k n o wn v alu e s ;t h e s u m o f t h e w a t e r p r e s s u re c o mp o n e n t a n d t
9、h e a g i n g c o mp o n e n t wa s c alc u l a t e d a n d wa s c o mp a r e d wi t h t h e me asu red v alu e T h e res u l t s s h o w t h a t t h e c alc u - l a t e d v alu e a p p rox i ma t e s t o t h e o b j e c t i v e v a l u e a n d p rov e t h a t t h i s i n v e rsi o n m e tho d i s f
10、 e asib l e Ke y wo r d s :mi l e r c o mp a c t e d c o n c r e t e d a m ;v i s c o e l a s t i c p a r am e t e rs;c h a o s g e n e t i c a l g o rithm ;p a r t i al l e as t s q u a r e s me tho d 碾压混凝土筑坝技术始于2 O世纪 7 O年代末, 因其具有工 艺简单 、 工期短、 造价低、 适应性强等特点而在大坝建设中得 到广泛应用。不同于常规混凝土坝, 碾压混凝土坝有几十个甚 至几百个施工
11、层面, 其层面的力学性能表明: 层面是碾压混凝 土坝的薄弱环节, 各项强度指标都小于本体, 是影响碾压混凝 土坝强度、 稳定和渗流的关键部位 J 。因此, 要对碾压混凝土 坝运行时的工作状态进行分析就需要正确模拟层面结构。 对碾压混凝土坝层面结构进行模拟有两种思路: 一种是直 接模拟层面, 如采用节理单元 j 、 裂缝单元 J 、 薄层单元 J 等, 但碾压混凝土坝施工层面多, 直接模拟层面计算量大, 也给 反演层面力学参数带来了困难 ; 另一种是将层面影响概化到整 个坝体中, 在建立碾压混凝土坝整体连续模型的同时模拟本体 和层面的力学特性。笔者采取第二种思路 , 将碾压混凝土坝视 为横观各向
12、同性体 , 利用实测资料反演出垂直和平行于层面方 向的等效黏弹性参数。 1 0 2 1 碾压混凝土坝等效黏弹性本构模型 1 1 等效弹性本构模型 在逐层碾压过程中, 碾压混凝土坝的层与层之间形成过渡 区, 即层面影响带。假设碾压混凝土沿高程方向每层厚度为 h , 本体厚度为 h , 层面厚度为 h , 则 h=h +h 。碾压混凝土平 行于层面方向的等效弹性模量、 泊松比和等效切变模量分别为 巨 、 G , 垂直层面方向的等效弹性模量、 泊松比和等效切变模 量分别为 E , t 、 G , 其中E 。 l 、 E 、 G 为 5 个相互独立的参 数。等效弹性模型对应的应力应变关系为 收稿日 期
13、 : 加1 2 1 2 2 4 基金项 目 : 水利部科技推 广计 划项 目( T G 1 1 1 6 ) ; 水利部 公益性 行 业科研 专项 ( 2 0 1 3 0 1 0 6 1 ) ; 水利标准化工作资助项 目( 1 2 6 1 1 2 0 1 6 2 5 0 9 , 1 2 6 1 1 2 0 1 6 2 5 1 0 ) ; 水利 重大政策研究和制度建设专项资助项目( 1 2 6 1 3 2 0 1 6 2 5 1 4 ) 。 作者简介: 李妹昱( 1 9 8 8 一) , 女, 河南濮阳人, 助理工程师, 硕士, 主要从事大坝 安全监测工作 E - ma i l :h h u l
14、s y 1 6 3 c o m 人 民 黄 河2 0 1 3 年第 8期 =D e ( 1 ) 式中: 为应力矩阵; 为应变矩阵; D 为横观各向同性弹性 矩 阵。 D = E。 E E 等 告 E, 2 ( 1+ 1 ) G ( 2 ) 式中: g= E 1 E ; p:1一 l 一 2 q l x 。 1 2 等效黏弹性本构模型 采用三元件模型模拟碾压混凝土坝的黏弹性特性, 碾压混 凝土总应变由弹性应变和复合黏性应变两部分组成 , 即其总应 变 为 s = + ( 3 ) 式中: 为总应变 ; 8 为弹性应变 ; e 为复合黏性应变。 弹性应变满足 H o o k e 定律, 弹性应变为
15、E = 1 ( 4 ) 式中: 为应力矩阵; D 为横观各向同性弹性矩阵, 与碾压混凝 土瞬时弹性模量 。 ( q= 口 , z ) 有关。 复合黏性应变由三元件固体模型确定: , 7 。 s +E 2 8 =o ( 5 ) 式中: 为复合黏性应变对时间的导数; 。 ( q= , z ) 为碾压混 凝土的延迟弹性模量; 仉( q= , Z ) 为碾压混凝土黏性系数。 对式 ( 5 ) 积分得 s = + C 爰 e x p ( 一 d c 【 e x p 一 ( ( 6 ) 式中: 为 t 。时刻结构的初始黏性应变 ; D:为弹性矩阵, 与碾 压混凝士延迟弹性模量 ( g= , f ) 有关。
16、 考虑 为常应力的情况得 s =和 一 ( 0 ) 1 ) 2 1 一 x p 一 ( 7 ) 2 黏弹性参数优化反演分析 将碾压混凝土视为横观各向同性体进行三元件的黏弹性 非线性有限元分析, 需要反演出平行于层面方向及垂直于层面 方向的瞬时弹性模量和延迟弹性模量, 共 6个参数 , 分别为瞬 时弹性模量 E l 1 、 延迟弹性模量 。 、 和黏性系数 町 。 、 。 碾压混凝土坝的位移是各种因素影响下大坝稳定性的综合反 映, 在建立碾压混凝土坝等效黏弹性模型的基础上 , 利用坝体 的位移值对坝段的等效力学参数进行反演。碾压混凝土坝的 位移主要 由水压分量、 温度分量和时效分量组成 j ,
17、位移为 6=6 H+6 T+6 0 ( 8 ) 式中: 艿为碾压混凝土坝位移; 占 为位移水压分量; 6 为位移温 度分量; 6 。 为位移时效分量。 反演瞬时弹性模量 E E 时, 需要通过数学模型从总位移 中分离出水压分量 , 即6 = 6一 研 一 氐, 并将不同时刻的6 作为 目标进行反分析。同理 , 通过建立位移数学模型分离出水压和 时效分量之和 6 + 。 = 6一 砩, 将不同时刻的6 + 。 作为 目标进行 反演。在之前反演出的E E。 基础上, 进一步反演得到碾压混 凝土坝的延迟弹性模量 。 、 和黏性系数 叼 , 、 7 。 使用优化反分析法反演坝体的黏弹性参数时还需要确定
18、 目标函数 , 通常将有限元计算出的各位移分量与实测各位移分 量的残差加权平方和作为目标函数, 即目标函数为 m l 1 F ( ) = ( 一 6 ) X c n ( 9 ) 式中: m 。 为测点数; n 为测点 i 的监测次数; 伪 权重, 其值取 决于测点的重要性和测量精度, 精度高的点相应的权重值大; 氏 为在力学参数 =( 。 , : , , ) 下, 通过等效黏弹性模型 计算出的位移分量 ; 6 为通过建立位移统计模型分离出的实测 值分量; 力为力学参数 的取值范围, 通常依据工程经验及现 场试验给出, 即 口 b 。 ( 1 i n ) , 0 、 b 分别为第 i 个力学 参
19、数 的最小值 、 最大值。 确定了目标函数后 , 参数的反演问题实际上就转变为求解 最优化问题, 就是要在满足约束条件的前提下, 求出能够使优 化反演 目标 函数 达到极 小值 的参数组合 , 即求 使得 F= F ( x) 一mi n满足约束条件 n 6 。通常优化反分析法不能 够直接求解, 而是要通过正分析法进行反复试算 , 最终得到参 数范围内的最优解。求解过程中, 要选取合适的方法对参数进 行优化, 笔者采用改进的混沌遗传算法进行优化求解。 2 1 混沌遗传算法 遗传算法是一类可用于解决复杂非线性优化问题的随机 搜索方法, 但在优化求解过程中也存在一些不足 : 缺乏产生最 优个体的强大
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