一种仿真与监测耦合的混凝土坝安全监控方法技术

本发明专利技术提供了一种仿真与监测耦合的混凝土坝安全监控方法；首先，根据工程结构设计资料构建大坝的有限元网格模型，并应用历史监测资料反演大坝混凝土和基岩的热力学参数。其次，根据大坝历史变形的有限元计算结果和实测结果确定统计误差，结合大坝从正常运行工况到超载工况的变形增量，确定大坝安全监控的一、二、三级监控阈值。再次，根据大坝运行过程中某时刻的变形计算值和一、二、三级监控阈值，拟定该时刻的分级监控指标。最后，根据分级监控指标和变形实测值判定该时刻大坝的安全监控状态。本发明专利技术能够为大坝在线监控和数字孪生工程建设提供理论和方法依据。建设提供理论和方法依据。建设提供理论和方法依据。

【技术实现步骤摘要】
一种仿真与监测耦合的混凝土坝安全监控方法


[0001]本专利技术属水利水电工程领域，具体涉及一种仿真与监测耦合的混凝土坝安全监控方法。

技术介绍

[0002]大坝安全事关国家公共安全和人民生命财产安全，在寻求工程供水、发电、防洪等综合效益的同时，保证大坝自身安全是最重要的约束条件。
[0003]大坝安全监控模型和监控指标是实现大坝在线监控的关键，然而现有的混凝土坝监控模型和监控指标拟定方法存在如下不足：
[0004]安全监控模型方面：主要依赖于监测数据的统计分析，即采用回归分析、模糊数学、神经网络算法等数学模型，基于历史数据，建立变形、应力、渗流、渗压等效应量与水位、温度、时效等原因量之间的函数关系，对未来不同荷载组合下的大坝性态进行局部预报。这种监控模型缺乏物理机制的整体性态分析，大坝真实工作性态认识不够，突发和极端情况下风险预判能力不足。事故症候出现后难以准确解析和有效处置，随着时间推移累积叠加，可能影响工程正常运行，且近年来极端气候多发，一旦遭遇突发和极端情况，超出正常运行区间，则缺乏有效的风险预判和评估手段。
[0005]监控指标拟定方面：现有安全监控指标的拟定，同样缺乏物理机制分析，例如采用置信区间法确定的安全监控指标，实际上反应的是监测数据在统计规律上的偏离程度；采用典型监控效应量小概率法确定的安全监控指标是现行荷载条件下的某一失事概率的极值，采用上述方法拟定的监控指标没有联系大坝失事时的原因和机理，监控指标与大坝自身安全性态的关系并不明确，在遭遇超出已有荷载极值的突发情况时，监控指标往往失去预警作用。

技术实现思路

[0006]鉴于上述原因，本专利技术的目的在于提供一种仿真与监测耦合的混凝土坝安全监控方法，该方法基于大坝的有限元网格模型和反演参数，采用有限元方法，通过热力学耦合分析对大坝变形进行监控预报，将传统的统计方法和有限元超载方法相结合，拟定了既能反映监测数据异常又能反映大坝安全性态的分级监控指标。用该方法监控混凝土坝，可以精准识别大坝潜在安全隐患，为及时消除大坝运行风险、保证大坝长期安全运行提供技术支撑。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]一种仿真与监测耦合的混凝土坝安全监控方法，包括以下步骤：
[0009]S1.基于工程结构设计资料，应用三维建模技术，构建能够反映“大坝
‑
基岩
‑
库水”相互作用，并且满足不同物理场耦合分析需求的混凝土坝有限元网格模型。
[0010]S2.基于环境量监测资料和大坝温度、变形监测资料，通过参数反演，获得混凝土和基岩的真实热力学参数。
[0011]S3.根据历史上不同时刻的库水位、库水温和气温的实测资料，基于有限元网格模型和反演参数，计算大坝不同时刻的变形值。将大坝不同时刻的变形的计算值与实测值相减，得到不同时刻的变形残差，求该残差系列的标准差，作为大坝安全监控的一级监控阈值。
[0012]所述的一级监控阈值δ1：
[0013][0014]公式1中，N表示变形残差系列的数据个数，x
i
表示第i个变形残差，μ表示变形残差系列的平均值， S表示变形残差系列的标准差。
[0015]S4.将库水位设定为正常蓄水位，采用有限元方法计算大坝的变形和应力，逐步提高水头超载系数，直至大坝坝踵应力超过混凝土抗拉强度，将此时的大坝变形减去大坝未超载时的变形，得到的差值作为大坝安全监控的三级监控阈值。
[0016]所述的三级监控阈值δ3：
[0017]δ3＝δ
c
‑
δ
z
ꢀꢀ
(2)
[0018]公式2中，δ
z
表示正常蓄水位下未超载时的大坝变形，δ
c
表示正常蓄水位下超载至坝踵应力超过混凝土抗拉强度时的大坝变形。S5.将一级监控阈值和三级监控阈值相加求平均值，作为大坝安全监控的二级监控阈值。
[0019]所述的二级监控阈值δ2：
[0020][0021]公式3中，δ1表示一级监控阈值，δ3表示三级监控阈值。
[0022]S6.在混凝土坝未来运行的某一时刻，从监测数据库中获取库水位、库水温和气温的实时测值。若测值异常，则根据多年各月平均库水位、多年各月平均库水温、多年各月平均气温，通过插值获得该时刻的库水位、库水温和气温的估算值。
[0023]S7.综合考虑该时刻库水位、库水温、气温等边界条件，以及混凝土徐变、基岩流变等材料特性，通过“温度
‑
变形
‑
应力”耦合分析，计算得到大坝的变形。
[0024]S8.根据步骤S3至步骤S5确定的大坝安全监控的一级、二级、三级监控阈值，和步骤S7计算得到的大坝运行某时刻的变形值，确定大坝在该时刻的分级监控指标，具体如下：
[0025]1)将该时刻的大坝变形计算值加上一级监控阈值，作为一级监控指标的上限；将该时刻的大坝变形计算值减去一级监控阈值，作为一级监控指标的下限；
[0026]2)将该时刻的大坝变形计算值加上二级监控阈值，作为二级监控指标的上限；将该时刻的大坝变形计算值减去二级监控阈值，作为二级监控指标的下限；
[0027]3)将该时刻的大坝变形计算值加上三级监控阈值，作为三级监控指标的上限；将该时刻的大坝变形计算值减去三级监控阈值，作为三级监控指标的下限。
[0028]所述的分级监控指标：
[0029][0030]公式5中，δ
1u
表示一级监控指标上限，δ
1d
表示一级监控指标下限，δ
2u
表示二级监控指标上限，δ
2d
表示二级监控指标下限，δ
3u
表示三级监控指标上限，δ
3d
表示三级监控指标下限，δ表示大坝运行过程中某时刻的变形计算值。
[0031]S9.将同一时刻大坝变形的实测值与步骤S8拟定的分级监控指标比较，确定大坝的变形监控状态，具体如下：
[0032]1)若大坝变形实测值在一级监控指标的上下限范围内，则判定大坝的变形监控状态为安全；
[0033]2)若大坝变形实测值超出了一级监控指标的上下限范围，但在二级监控指标的上下限范围内，则判定大坝的变形监控状态为轻度异常；
[0034]3)若大坝变形实测值超出了二级监控指标的上下限范围，但在三级监控指标的上下限范围内，则判定大坝的变形监控状态为异常；
[0035]4)若大坝变形实测值超出了三级监控指标的上下限范围，则判定大坝的变形监控状态为危险。
[0036]本专利技术的有益效果：
[0037]本专利技术提出了一种仿真与监测耦合的混凝土坝安全监控方法，具有如下优点：
[0038]1)在监控模型方面，基于大坝有限元网格模型和反演参数，通过热力学耦合分析得到大坝变形的计算结果，该结果具备物理机制能够反映大坝真实工作性态；
[0039]2)在监控指标方面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种仿真与监测耦合的混凝土坝安全监控方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.基于工程结构设计资料，应用三维建模技术，构建能够反映“大坝
‑
基岩
‑
库水”相互作用，并且满足不同物理场耦合分析需求的混凝土坝有限元网格模型；S2.基于环境量监测资料和大坝温度、变形监测资料，通过参数反演，获得混凝土和基岩的真实热力学参数；S3.根据历史上不同时刻的库水位、库水温和气温的实测资料，基于有限元网格模型和反演参数，计算大坝不同时刻的变形值；将大坝不同时刻的变形的计算值与实测值相减，得到不同时刻的变形残差，求该残差系列的标准差，作为大坝安全监控的一级监控阈值；S4.将库水位设定为正常蓄水位，采用有限元方法计算大坝的变形和应力，逐步提高水头超载系数，直至大坝坝踵应力超过混凝土抗拉强度，将此时的大坝变形减去大坝未超载时的变形，得到的差值作为大坝安全监控的三级监控阈值；S5.将一级监控阈值和三级监控阈值相加求平均值，作为大坝安全监控的二级监控阈值；S6.在混凝土坝未来运行的某一时刻，从监测数据库中获取库水位、库水温和气温的实时测值；若测值异常，则根据多年各月平均库水位、多年各月平均库水温、多年各月平均气温，通过插值获得该时刻的库水位、库水温和气温的估算值；S7.综合考虑该时刻库水位、库水温、气温边界条件，以及混凝土徐变、基岩流变材料特性，通过“温度
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变形
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应力”耦合分析，计算得到大坝的变形；S8.根据步骤S3至步骤S5确定的大坝安全监控的一级、二级、三级监控阈值，和步骤S7计算得到的大坝运行某时刻的变形值，确定大坝在该时刻的分级监控指标，具体如下：1)将该时刻的大坝变形计算值加上一级监控阈值，作为一级监控指标的上限；将该时刻的大坝变形计算值减去一级监控阈值，作为一级监控指标的下限；2)将该时刻的大坝变形计算值加上二级监控阈值，作为二级监控指标的上限；将该时刻的大坝变形计算值减去二级监控阈值，作为二级监控指标的下限；3)将该时刻的大坝变形计算值加上三级监控阈值，作为三级监控指标的上限；将该时刻的大坝变形计算值减去三级监控阈值，作为三级监控...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷峥琦，张国新，王金亮，周秋景，张涛，程恒，吕轶斌，徐秀鸣，侯争光，宋思晗，李鑫，梁箫，江晨芳，郭麟熙，李琦，
申请(专利权)人：黄河万家寨水利枢纽有限公司，
类型：发明
国别省市：