一种新的混凝土坝健康定性诊断指标量化方法.pdf

第 3 2卷第 3期 2 0 1 0年 3月 人民黄河 YEL LOW RI VER Vo 1 3 2， N o 3 Ma r 2 0 1 0 【 水利水 电工程 】 一 种新的混凝土坝健康定性诊断指标量化方法 张磊 ， 崔永建 ， 金秋 ， 陈坤城 ， 徐 波 ( 1 河海大学 水利水电工程学院， 江苏 南京 2 1 0 0 9 8 ； 2 河海大学 水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心， 江苏 南京 2 1 0 0 9 8 ； 3 河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室， 江苏 南京 2 1 0 0 9 8 ) 摘要： 构建了混凝土坝定性诊断指标体系， 利用模糊数学中的隶属度来反映定性诊断指标与健康评价集中的健康等级 之间的一一对应关系， 对定性诊断指标进行量化时引入模糊数学中的优先关系法， 通过二元比较的方法确定其排序， 继 而得到每个定性诊断指标的隶属度。 关键词：混凝土坝；定性诊断指标；隶属度；安全巡视检查 中图分类号 ：T V 6 4 2 文献标识码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 01 3 7 9 2 0 1 0 0 3 0 5 0 混凝土坝安全监测既包括对坝体、 坝基及近坝区位移、 渗 流、 应力应变等的定点仪器监测， 也包括定期或不定期的安全 巡视检查。因此 ， 在进行混凝土坝健康诊断时， 既要对实测数 据( 定量诊断指标) 进行分析 ， 也要对安全巡视检查的结果( 定 性诊断指标) 进行研究。 分析混凝土坝定性诊断指标时， 需要将大坝安全巡视检查 的定性结果进行量化， 即采用一定的度量方法将其转换为 0 ， 1 区间的无量纲数值， 使不同诊断指标具有相互可比性。目前 采用的定性诊断指标的度量方法有区间评分法、 二元有序对 比 模型法 。 等， 但它们存在以下问题： 主观随意性较大， 容易 受人为因素的影响； 不同指标之间评分相互独立， 协调性较 差 ； 定性指标隶属度排序提前给定， 实际操作限制过多。因 此 ， 笔者对定性诊断指标进行量化时引入模糊数学 中的优先关 系法。 1 混凝土坝定性诊断指标体系的构建 根据相关规范的规定， 按科学性、 相对完备性、 简洁性、 相对独立性及层次性原则， 构建了混凝土坝安全巡视检查健康 诊断指标体系， 见图 1 。 图 1 混凝土坝安全巡视检查健康诊断指标体系 2 诊断指标健康评价集的设计 考虑已有规范、 实践经验 、 医学上对健康的划分、 国外评价 方法及人类心理活动等 。 多方面因素， 将混凝土坝健康等 级划分为五级： 1 1 O V= ， ， ， ， = 健康 ， 亚健康， 轻度病变， 重度病变 ， 病重 ( 1 ) 采用模糊数学的方法对定性诊断指标进行定量分析， 即利 用模糊数学中的隶属度来反映定性诊断指标与健康等级之间 的一一对应关系。 隶属度一般取 0， 1 区间的无量纲数值， 则 可建立定性诊断指标隶属度与健康等级之间的映射关系， 即对 应 的分级标准为 ( 0 8 ， 1 、 ( 0 6 ， 0 8 、 ( 0 4 ， 0 6 、 ( 0 2 ， 0 4 、 0 ， 0 2 。 3 定性诊断指标隶属度的确定 定性诊断指标一般只能模糊地描述其特性， 若用确切的数 值或数学公式来表示则很困难。对定性诊断指标的分析一般 有以下两种方法 ： 一是纯粹的定性分析方法 ， 即整个分析过程 完全用定性语言进行描述， 其逻辑推理过程完全靠实际工程经 验和缜密的思维判断； 二是采用一定的方法将定性诊断指标量 化， 凭借数学计算理论进行诊断分析。前者是将经验推理用于 诊断分析， 受人为因素影响较大； 而后者则可根据专家的坝工 知识和数学计算方法对大坝定性指标进行科学诊断。 笔者采用模糊数学中基于二元对比的优先关系法 来确 定定性诊断指标的隶属度。基本思路是： 首先采用二元 比较的 方法得到各定性诊断指标关于诊断目标 优” 的隶属度排序， 然后将定性的顺序转换为定量的隶属度。 3 1 优先关系排序法 设有m个定性诊断指标， c 为诊断指标 相对于诊断指标 Y i 作二元比较时关于诊断目标 优”的隶属度， c 的含义正好 收稿 日期 ： 2 0 0 9 0 8 - 3 1 基金项 目： 国家 自然科 学基 资助金 项 目( 5 0 8 0 9 0 2 5 ， 5 0 8 7 9 0 2 4 ， 5 0 5 3 9 1 1 0 ) ； “ 十一 五 ” 国家科技 支撑计 划项 目( 2 0 0 6 B A C I 4 B 0 3 ) ； 中国水 电工程顾 问集团公 司科 技 项目( C H CK J一2 0 0 70 2 ) ； 江苏省“ 3 3 3高层次人 才培养工程” 科研项 目 ( 2 0 1 7一肋 8 0 3 7) 作者简介 ： 张磊 ( 1 9 8 5 一 ) ， 男， 山 东济南人 ， 硕 士研 究生， 研 究方向 为大坝安 全 监控。 E ma i l ： b i g w o r l d 3 2 6 y a h O O c o m e n 人 民 黄 河2 0 1 0年第 3期 相反。 c c 表示诊断指标Y 关于诊断 目标 y 优” 的隶属度高 于诊断指标 。 c =0表示Y 与， ， ， 相比无优越性可言。 c 在 O ， 1 区间取值， 如果Y 与， ， 相比绝对优越则 c =1 ， 反之c =0 。 c q i ：1 表示 Y 对 的优越性与 对 Y 的优越性之和为 1 。 可得优先关系矩阵为 f 0 C = I ； f= ( c ) ( 2 ) l c m l 0 j 给定 0， 1 ， 得 c的 A截矩阵： C =( c ： ) ( 3 ) 当C A时， c =1 ； 当 “ 塌陷” “ 裂缝”“ 滑移” 。 4 2 求各定性诊断指标的隶属度 ( 1 ) 平均法。 y 关于“ 近坝区人工巡视检查变形现象” 健康 的隶属度为 a 1=( 0+ 0 8 5+0 7 1+ 0 7 5 ) 4：0 5 8 ， 同理Y 2 、 儿、 关于“ 近坝区人工巡视检查变形现象” 健康的隶属度分别 为 a 2=0 3 7 、 a 3=0 3 4 、 a 4=0 2 1 o ( 2 )将定 顷 序转换成隶属度。 通过以上分析可知r ( y 。 )=1 、 r ( y 2 )=2 、 r ( y 3 )=3 、 r ( )=4 o y 。 关于“ 近坝区人工巡视检查 变形现象” 健康的隶属度为 b =l n ( 4+ 21 ) l n ( 4+ 21 )= 1 ， 同理 y 2 、 y 、 y 关于“ 近坝区人工巡视 ( 下转第 1 1 3页) 】 1 1 人 民 黄 河2 0 1 0年第 3期 系， 进行适当变换 ， 即可建立起基于各种分析方法的极限状态 方程。 笔者采用简化毕 肖普法建立功能函数 z， 进行土坡稳定 计算。 Z =g ( )=R( )一S ( ) ( 6 ) 式中： 为影响可靠度的随机变量 ； R ( )为结构抗力 函数 ； S ( )为结构的作用效应函数。 当 Z0时结构处于可靠状态； 当Z=0时处于极限状态， 此时 即为极限状态方程 J ， 根据简化毕肖普法建立功能函数 ： Z =g ( )=R( )一S ( )= 6 +( U i b i ) t a n p 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 _ 。 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 _ _ _ _ 。 _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 c O s + s m al t a mp 式中： i 为土条序号； W i 为土条质量； u 为作用于土条底面的孔 隙水压力； o r 为条块重力线与此条块底面中点径向的交角； b 为土条宽度； c 和 为土条底面相应的两个有效应力抗剪强度 指标； 为垂直地震惯性力 ， 向上取“ 一 ” ， 反之取“ +” ； Me 为 力矩； 为圆弧半径； n为土条总数。 具体计算步骤： 首先把在( 0， 1 )开区间上的均匀分布随 机数利用坐标变换生成实际概型分布情况下的模拟抽样值； 把模拟抽样值代入功能函数 z； 重复步骤 和 ， 累计记录 Z 0的次数 和总计算次数 ； 统计计算失效概率和可 靠度。 3 三岔口土坝稳定分析 3 1 材料参数统计特征 该工程除险加固方式是上游贴坡加坝， 在原坝高基础上加 高 2 3 m， 新坝顶宽 6 m， 上游坝坡坡比为 1 ：3 5 。根据直剪试 验结果， 同时假定土体指标 C 和 妒服从正态分布， 然后采用蒙 特卡罗法， 编写数据文件 ， 用 S T A B分析程序进行计算 ， 生成参 数统计特征见表 1 。 表 1随机变量 c 和 的统计特征 3 2 滑动失稳风险率的计算 采用 随机 抽 样 的蒙 特 卡 罗法 分 别 计算 设 计 洪 水位 1 7 8 0 6 8 IT I 、 正常蓄水位 1 7 7 9 3 4 m以及其他水位下的滑动失 稳风险率， 结果见表 2 。 表 2 滑 动失稳风险率计算结果 结果表明： 在设计洪水位为 1 7 8 0 6 8 m时， 计算剖面上游 坝坡滑动失稳风险率为 0 0 0 0 0 l 1 ； 在水位为 1 7 7 5 1 0 in时 为0 0 3 9 2 4 ； 可以认为上游坝坡稳定性 比较好 ， 且随着水位 的升高， 上游坝坡失稳风险率逐渐降低。对照我国水利水电工 程结构可靠度设计统一标准， 该工程结构安全级别为级 ， 可 靠度满足要求。 参考文献 ： 1 陈祖煜 土质边坡稳定分析一原理 方法 程序 M 北京： 中国水利水电 出版社 ， 2 0 0 3 2 张明， 刘金勇， 麦家煊 土石坝边坡稳定可靠度分析与设计 J 水力发电学 报 ， 2 0 0 6 ， 2 5 ( 2 ) ： l O 3 一l O 7 【 责任编辑吕艳梅】 。 一 -” - l l - t - “ I 一 。 l - 。 。 l _ I - - 1 。 l - l l - 一 - ( 上接第 1 1 1页)检查变形现象”健康 的隶属度分别为 b ：= 0 8 6 、 6 3=0 6 8 、 b 4=0 4 3 。 综合两种方法可得“ 冲刷” 、 “ 塌陷” 、 “ 裂缝” 、 “ 滑移”关于 “ 近坝区人工巡视检查变形现象”健康的隶属度分别为 0 7 9 、 0 6 2、 0 5 1 、 0 3 2 。 5 结语 结合有关规范构建了混凝土坝定性诊断指标体系， 设计了 健康评价集及相应的隶属度分级， 着重研究了定性诊断指标的 量化方法， 采用模糊数学中的优先关系法确定其隶属度 ， 能够 在一定程度上弥补已有方法的不足， 且可操作性较好。 参考文献 ： 1 何金平 大坝结构实测性综合评价方法研究 D 武汉： 武汉水利电力大 学 1 9 9 9 2 张琳琳 重大水工混凝土结构健康诊断综合分析理论和方法 D 南京： 河 海大学 ， 2 0 0 3 3 李婷婷 混凝土坝健康诊断及其预警系统 D 南京： 河海大学， 2 0 0 6 4 中华人民共和国国家经济贸易委员会 D L T 5 1 7 8 -2 0 0 3混凝土坝安金监 测技术规范 S 北京 ： 中国电力 出版社 ， 2 0 0 3 5 中华人民共和国水利部 S L 2 5 8 -2 0 0 0水库大坝安全评价导则 S 北京： 中国水利水电出版社 ， 2 0 0 1 6 侯玉成 土石坝健康诊断理论与方法研究 D 南京： 河海大学， 2 0 0 5 7 冷元宝， 江恩惠， 张清明， 等 堤防工程健康诊断技术初步研究 J 人民黄 河 ， 2 0 0 8， 3 0 ( 5 )： l 2一l 3 8 李鸿吉 模糊数学基础及实用算法 M 北京： 科学出版社， 2 0 0 5 【 责任编辑张华岩】 1l 3 1 J、， R 7 ( + n S 、， ，L rl 一