高面板堆石坝变形时变参数解耦反分析.pdf
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1、收稿日期:2 0 2 2-1 2-0 2基金项目:国家重点研发计划(2 0 1 8 Y F C 0 4 0 7 1 0 3-1);四川省科技计划(2 0 2 2 Y F S 0 5 3 9)通信作者:裴亮(1 9 8 6-),男,副教授,博士,主要研究方向为水工结构工程.E-m a i l:p e i l i a n g 8 6 4 91 6 3.c o mD O I:1 0.1 3 3 9 3/j.c n k i.i s s n.1 6 7 2-9 4 8 X.2 0 2 3.0 4.0 0 2引用格式:匡楚丰,袁会林,李江波,等.高面板堆石坝变形时变参数解耦反分析J.三峡大学学报(自然科学
2、版),2 0 2 3,4 5(4):8-1 3,2 4.高面板堆石坝变形时变参数解耦反分析匡楚丰1,2 袁会林1,2 李江波1,2 杨松林1,2 刘阿妮1,2 裴 亮3(1.湖南五凌电力科技有限公司,长沙 4 1 0 0 0 4;2.湖南省水电智慧化工程技术研究中心,长沙 4 1 0 0 0 4;3.四川大学 水利水电学院,成都 6 1 0 0 6 5)摘要:如何充分利用大坝安全监测大数据,解析堆石体材料物理力学参数的演化特征,是保障堆石坝数值模拟精度,实现安全性态准确评估的重要前提.基于大坝监测数据,融合关键参数提取、典型时段区划、多目标函数及其代理模型构建、瞬时-蠕变参数互馈解耦,提出了高
3、面板堆石坝材料时变参数解耦反演分析方法.三板溪大坝参数反演分析表明,该方法反演最大相对误差小于5%,精度良好;通过时变参数经验公式构建与时变特性分析,揭示了堆石体邓肯-张E-B模型弹性模量系数Ke和体积模量系数Kb均呈随时间单调小幅增长且逐渐趋于平稳的时变规律.关键词:堆石坝;时变特性;变形参数;反演分析;多目标函数中图分类号:T V 6 4 1.4 文献标志码:A 文章编号:1 6 7 2-9 4 8 X(2 0 2 3)0 4-0 0 0 8-0 6D e c o u p l i n g I n v e r s i o n A n a l y s i s o f I n s t a n t
4、 a n e o u s a n d R h e o l o g i c a l P a r a m e t e r s f o r H i g h C o n c r e t e-F a c e R o c k f i l l D a mKU A N G C h u f e n g1,2 Y UA N H u i l i n1,2 L I J i a n g b o1,2 Y A N G S o n g l i n1,2 L I U A n i1,2 P E I L i a n g3(1.H u n a n Wu l i n g P o w e r T e c h n o l o g y C
5、 o r p o r a t i o n L t d.,C h a n g s h a 4 1 0 0 0 4,C h i n a;2.C h i n a H u n a n P r o v i n c i a l H y d r o p o w e r I n t e l l i g e n t E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y R e s e a r c h C e n t e r,C h a n g s h a 4 1 0 0 0 4,C h i n a;3.C o l l e g e o f W a t e r R e s o u r
6、c e a n d H y d r o p o w e r,S i c h u a n U n i v.,C h e n g d u 6 1 0 0 6 5,C h i n a)A b s t r a c t A n a l y z i n g t h e e v o l u t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e p h y s i c a l a n d m e c h a n i c a l p a r a m e t e r s o f t h e r o c k f i l l d a m m a t e r i a l s i
7、 s a n i m p o r t a n t p r e r e q u i s i t e f o r e n s u r i n g t h e a c c u r a c y o f n u m e r i c a l s i m u l a t i o n a n d a c h i e v i n g a c c u r a t e s a f e t y a s s e s s m e n t o f r o c k f i l l d a m s b y m a k i n g f u l l u s e o f t h e l a r g e d a t a o b t a
8、 i n e d f r o m t h e d a m s a f e t y m o n i t o r i n g.B a s e d o n d a m m o n i t o r i n g d a t a,a d e c o u p l i n g i n v e r s i o n a n a l y s i s m e t h o d o f t i m e-v a r y i n g p a r a m e t e r s f o r h i g h c o n c r e t e-f a c e r o c k f i l l d a m m a t e r i a l s
9、 i s p r o p o s e d b y i n t e g r a t i n g k e y p a r a m e t e r e x t r a c t i o n,t y p i c a l t i m e p e r i o d z o n i n g,m u l t i-o b j e c t i v e f u n c t i o n a n d i t s p r o x y m o d e l c o n s t r u c t i o n,a n d t r a n s i e n t c r e e p p a r a m e t e r m u t u a l
10、 f e e d d e c o u p l i n g.T h e p a r a m e t e r i n v e r s i o n a n a l y s i s o f t h e S a n b a n x i d a m s h o w s t h a t t h e m a x i m u m r e l a t i v e e r r o r o f t h i s m e t h o d i s l e s s t h a n 5%,a n d t h e a c c u r a c y i s g o o d.B y c o n s t r u c t i n g t
11、h e e m p i r i c a l f o r m u l a o f t i m e-v a r y i n g p a r a m e t e r s a n d a n a l y z i n g t h e t i m e-v a r y i n g c h a r a c t e r i s t i c s,i t r e v e a l s t h a t b o t h t h e e l a s t i c m o d u l u s c o e f f i c i e n t a n d t h e v o l u m e m o d u l u s c o e f
12、f i c i e n t o f t h e D u n c a n-Z h a n g E-B m o d e l s h o w a t i m e-v a r y i n g t r e n d t h a t m o n o t o n i c a l l y i n c r e a s e s w i t h t i m e a n d g r a d u a l l y b e c o m e s s t a b l e.K e y w o r d s r o c k f i l l d a m;t i m e-v a r y i n g c h a r a c t e r i
13、s t i c s;d e f o r m a t i o n p a r a m e t e r s;i n v e r s i o n a n a l y s i s;m u l t i-o b j e c t i v e f u n c t i o n s第4 5卷 第4期2 0 2 3年8月三峡大学学报(自然科学版)J o f C h i n a T h r e e G o r g e s U n i v.(N a t u r a l S c i e n c e s)V o l.4 5 N o.4A u g.2 0 2 3 选择合适的堆石体本构模型并获取准确的模型参数是准确分析堆石坝应
14、力变形特性、合理评价其工作性态的关键.目前模型参数一般是通过级配缩尺后的室内三轴试验确定,然而由于尺寸效应、施工质量等因素影响,试验值与真实参数值存在偏差.根据大坝施工期与运行期变形监测数据,反演得到坝体材料的力学参 数,成 为 获 取 堆 石 体 变 形 参 数 的 有 效 手段1-2.针对堆石体参数反演问题,沈珠江3在所提出的三参数流变模型基础上,利用堆石坝沉降原观资料反演分析得到流变参数.赵文胜等4通过变形监测资料及三维有限元仿真分析了软岩筑坝面板堆石坝的变形特性,评价了大坝安全运行状况.周伟等5提出基于演化神经网络和序列二次规划算法的智能反演方法,通过实测变形资料对堆石坝流变参数进行反
15、演分析,利用反演的流变参数计算得到的流变变形与实测资料在发展规律及数值上均比较吻合.朱晟等6利用遗传算法建立了土石坝力学参数的反演分析方法,通过现场原型监测资料对心墙沥青混凝土的D u n c a n模型参数进行了反演计算.W e i Z h o u等7提出了一种改进的遗传算法,结合径向基神经网络对高堆石坝坝体材料参数进行反演分析.董威信等8采用单目标分区参数反演方法,对各区材料进行单独反演.马刚等9提出基于单目标粒子群算法的参数反演分析方法,对堆石体变形的静力本构模型和流变模型参数进行综合反演分析.高面板堆石坝在长期运行过程中,在赋存环境与内外部荷载共同作用下,堆石颗粒发生破碎、重组,堆石体
16、密实度随之变化,结构应力应变动态调整,导致堆石体部分变形参数呈现时变特性.材料参数的变化对大坝结构性态和安全风险的影响至关重要,把控材料参数在运行过程中的变化规律及量值是掌握 坝 体 运 行 安 全 状 况 的 重 要 条 件.黄 耀 英等1 0依据龙羊峡拱坝位移观测数据提出了关于混凝土坝和基岩时变参数的反分析三步法,结合敏感性分析反演与测值响应敏感的时变参数,并运用此方法分析了龙羊峡拱坝拱冠梁的径向时效变形向上游发展的缘故.程井等1 1借助HY T水电站工程,在对大坝运行期左岸非溢流坝段的抗滑稳定进行分析时将材料参数随时间的改变考虑在内,研究得到运行期的可靠度时变规律并对其加以分析,结果符合
17、实际规律.H u a i z h i S u等1 2将坝顶实测水平位移序列划分为多段,并分段构建统计回归模型,分离出各段水压分量,利用有限元数值模拟对S VM模型进行训练得到其代理水压分量与参数的映射关系,最终通过遗传算法求解出各时间段坝体及坝基两个部分的弹性模量.目前针对大坝参数时变规律的研究还多集中于混凝土坝,对于面板堆石坝参数时变规律的研究还较少,而参数的时变特征对大坝运行性态的分析和安全状况的掌控具有重要影响.本文基于大坝原观监测数据,融合关键参数提取、数值实验设计、代理模型构建、参数互馈解耦与快速寻优,研究提出高面板堆石坝变形时变参数解耦反分析方法,并依托三板溪面板堆石坝工程验证该方
18、法的适用性.1 变形时变参数解耦反演分析方法1.1 关键参数提取由于高面板堆石坝材料分区较多,且坝体变形的成因复杂,影响变形的参数众多,如若将每个可能对变形产生影响的参数都进行反分析,则计算工作量大、计算效率低,并且参数之间存在相互干扰、遮蔽,易导致计算精度下降,所得参数难以客观表征堆石体性能.因此,有必要考虑参数间的内在关联性,并通过显著性影响分析等方法提取影响变形的关键参数,从而提升反演分析的精度和计算效率.1.1.1 参数关联性部分岩土材料参数之间存在着一定的相关性,这是材料特性的客观表征,在参数反分析中不可忽略.因此,在反分析过程中需要对显著相关的参数进行关联约束,以减少待反演参数的数
19、量,并真实反映出材料参数内在的关联,从而降低反分析计算中目标函数量和寻优求解的复杂程度.本文在堆石坝瞬时变形模拟中采用邓肯-张本构模型,见式(1)(4).Et=KePa(3Pa)n(1-RfSL)2(1)式中:Pa为大气压(Pa=1 0 1.4 k P a);Ke、n 为试验常数;3为小主应力;SL为应力水平,根据摩尔-库仑强度准则可按式(2)进行计算;Rf为破坏比,按式(4)进行计算.SL=(1-3)(1-s i n)2c c o s+23s i n(2)式中:1为大主应力;c 为土体的黏聚力;为土体的内摩擦角;其它符号意义同前.对于粗粒土,可按式(3)进行计算.=0-l g(3Pa)(3)
20、式中:0为3为Pa时对应的内摩擦角;为反映内摩擦角随3增加而降低的一个参数.破坏比为土体破坏时主应力差(1-3)f与双曲线极限主应力差(1-3)u l t的比值,按式(4)计算:9第4 5卷 第4期 匡楚丰,等 高面板堆石坝变形时变参数解耦反分析Rf=(1-3)f(1-3)u l t(4)引入体积模量Bt,见式(5):Bt=Kb(3Pa)m(5)式中:Kb、m为材料常数.该模型参数中,弹性模量系数Ke和体积模量系数Kb之 间 存 在 较 强 的 正 相 关 性,复 相 关 系 数 达0.8 9 5;同时,参数0和也存在显著的相关性,复相关系数达0.9 0 81 3,各参数间函数关系见式(6)(
21、7),本文在参数反分析中据此进行参数内在关联性约束.Kb=0.6 9 8Ke-6 0.3 3 4(6)=0.5 4 10-1 9.0 8 3(7)1.1.2 参数显著性影响分析方差分析是进行多因素显著性影响分析的重要工具,适用于提取影响堆石坝位移关键参数1 4.方差分析法以参数显著性F来判断某因素的影响显著性.当置信度分别为9 9%、9 5%和9 0%时,对应分别为0.0 1、0.0 5和0.1 0.在堆石体变形参数显著性检验时,显著性判断共有4种情况1 1-1 2,见表1.通常选择对变形影响显著和高度显著的参数作为待反参数.表1 显著性水平等级划分显著性水平等级FF1-0.1 0影响不显著F
22、1-0.1 0FF1-0.0 5有一定影响F1-0.0 5FF1-0.0 1影响显著FF1-0.0 1高度显著影响1.2 多目标函数构建在高面板堆石坝的时变参数反分析研究中,既要考虑空间上多点变形参数的整体最优,又要考虑到时间历程中各点变形全过程的参数优化,因此需要通过多目标优化的方法综合考虑大坝多个要素间的相互关联和作用,以得到能准确反应大坝的整体变形情况的最优参数.通常多目标优化问题可以转化为多目标函数最小化问题.假设有M个目标函数,S个决策变量,则多目标优化问题定义见式(8):F(x)=f1=ni=1(*i1-i1(x)/*i1)2f2=ni=1(*i2-i2(x)/*i2)2fm=ni
23、=1(*i m-i m(x)/*i m)2(8)式中:F(x)为多目标函数;x为S维决策变量,x=x1,x2,xs,xS,xm i nxsxm a x,s=1,2,S;n为每个目标函数包含的时间段;fm为第m个目标函数;在高面板堆石坝时变参数反分析中,决策变量x为参与反演的参数组;xm i n和xm a x为每个决策变量即具体各参数的上下限;*i m为各测点实际变形监测值;i m为对应参数下的变形计算值1 5.在高面板堆石坝的时变参数反分析中,多目标优化问题就是通过优化求解得到一组最优参数解,使以该组参数反分析得到的所有目标测点在各时段的整体变形计算值与实际监测值之间的差值之和尽可能达到最小,
24、本文采用非支配排序的多目标遗传算法(N S GA-I I)进行瞬时变形参数和蠕变参数迭代寻优.1.3 代理模型构建多目标函数寻优的过程中,大坝变形计算值与各关键参数间的映射关系难以显式表达,为此,通过构建待反参数与大坝变形的代理模型,以替代大量复杂繁琐的数值模拟,在保证求解精度的同时,使目标函数的求解过程大幅简化.在复杂的高面板堆石坝工程问题中,坝体的变形值与参数间呈非线性关系,常采用不含交叉项的二次多项式构建代理模型,见式(9):=a+ni=1biXi+ni=1ci(Xi)2(9)式中:为大坝变形计算值;Xi为待反演的变形参数;a、bi、ci为模型的拟合系数.代理模型的构建需基于面板堆石坝变
25、形过程仿真模拟,针对面板堆石坝特点,本文选择待反演的上下游堆石体的材料参数,采用正交实验设计法确定数值仿真模拟方案,通过最小二乘法对数值仿真模拟结果拟合得到代理模型系数.1.4 时变参数解耦反分析方法与技术流程由于面板堆石坝变形的同时受到瞬时变形参数和蠕变变形参数的影响,若同时对蠕变参数和瞬时变形参数进行反演,则因不同时段载荷环境的变化,可能造成不同模型参数间的相互干扰,影响计算精度,同时计算工作量太大,效率较低.为此,本文对堆石体材料参数中的瞬时变形参数与蠕变参数进行解耦分析.大坝坝体在稳定运行期内的变形主要表现为蠕变变形,而在施工期和运行初期的变形则主要表现为蠕变变形和瞬时变形相叠加,因此
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