水库大坝结构失稳突发事件预警阈值研究

王士军水利部大坝安全管理中心江苏南京

摘要首先阐述水库大坝突发事件的含义与分类对水库大坝结构失稳突发事件的突变特征进行了探讨其次以安全监控模型的时效分量为警兆信息基于突变理论建立了时效分量的突变模型最后结合遗传寻优算法提出水库大坝结构失稳突发事件预警阈值的确定方法关键词水库大坝突发事件结构失稳预警阈值中图分类号文献标识码工程案例表明该方法切实可行研究背景突发事件的预警是应急管理的有效技术支撑能为应急管理赢得宝贵的时间减少突发事件带来的生命财产及社会环境等损失目前海啸气象因素诱发的滑坡泥石流等突发灾害预警等方面已取得了一定的成果为有效减小灾害后果起到了非常重要的作用水库大坝突发事件是指水库大坝自身或者以水库大坝为载体突然发生的使得水库大坝的正常运行遭到或者可能遭到破坏甚至是毁坏并且危及到或者可能危及到下游安全的紧急事件这种安全包括人员财产生态环境供水危机以及社会负面影响等的公共安全根据不同的分类标准水库大坝突发事件可分为不同类型例如依据突发事件的发生过程特性与机理可以把水库大坝突发事件分为自然灾害类事故灾难类社会安全事件类等溃坝根据洪预警研究的需要按照突发事件的表现形式本文把水库大坝突发事件分为以下几类水主要由超标准洪水上游水库大坝溃决以及其他因素引起的库水漫顶浪涌翻坝等稳包括滑坡裂缝渗透变形等地震及地质灾害如地震库区滑坡和泥石流等如泄洪设施不畅闸门故障和运行调度失误等战争恐怖袭击等人为破坏坝体泄洪设施等目前水库大坝突发事件预警方面的研究报道较少因此根据水库大坝的运行状态及环境实现突发事件的预警是大坝安全应急管理需要迫切解决的课题是完善大坝安全管理体系的必要组成部分工程结构失运行管理不当供水危机包括水质污染干旱和供水设施破坏等水库大坝结构失稳突变模型大坝坝基或其他建筑物的运行性态具有突变模型所描述的规律例如多模态不可达性突跳性滞后性以及发散性等在设计工况下其运行状态一般是光滑连续的但在突发事件情况下当荷载总效应达到足够大或者坝体坝基材料的抗力降到足够小大坝的工作状态就会发生突然变化此时大坝坝基或其他建筑物从一种连续的运行形式突然跳跃到另一种运行形式收稿日期基金项目十一五国家科技支撑计划课题作者简介谷艳昌男河南开封人博士主要从事大坝安全监控与管理研究基于安全监控模型的预警指标传统拟定方法是根据大坝历史运行资料建立各种数学模型统计混合确定等依据小概率原理进而拟定出大坝坝基或其他建筑物的运行安全监控指标但是数学模型方法只能用来预测大坝所遭遇过的正常运行情况下的监测量其值未必包含突发性因素的影响失稳的突变判据突变理论是由法国数学家于年创立的用于对一个光滑系统中可能出现的不连续或突变现象做出适当解释与描述该理论以分叉理论奇异性理论及拓扑学为数学工提出其势函数为具通过给出系统在突变过程中的势函数来讨论相应的突变模型在众多突变模型中尖点突变模型应用最为广泛该模型由式中为自变量即系统的状态变量分别为系统的控制参数当势函数的一阶导数为零时系统处于平衡位置此时有由式确定的曲面即为系统的平衡曲面又称为突变流形如图所示的判别式为根据三次方程的性质式当时式只有个实根此时系统处于稳定的平衡时且状态系统的变形是连续的不会产生突变当不同时为零则式有个实根其中个相等对应于分叉集的条曲线此时系统处于临界稳定状态只要稍有干扰系统状态变量就会发生突变当个表示不稳定状态时式有个互异实根其中个稳定状态图

尖点突变模型的平衡曲面与分叉集

个表示稳定状态系统在这中缓慢变化当变化到分叉集时便会发生突变综上可以把系统发生突变的临界状态作为稳定与不稳定的特征点此时有水库大坝结构失稳突变模型量和时效分量等典型表达式为式中为监测效应量众所周知按照成因大坝安全监控模型一般分为水压分量温度分分别为水压分量温度分量与时效分量在各分量中水压分量与温度分量一般随着外荷载的变化呈现规律性变化而时效分量的变化及其规律在很大程度上反映了大坝坝基或其他建筑物的工作性态当时效分量急剧变化时表明大坝坝基或其他建筑物即将出现病态或异常因此本文选用时效分量建立突变模型常用的时效分量表达式一般为多项式函数对数函数指数函数或其组合形式而这些函数均可以通过一定的数学变换转化为尖点突变模型的标准形式时效分量的典型表达式为式中分别为时效分量的回归系数为效应量观测日至始测日的累计天数除以为建模资料序列第一个观测日到始测日的累计天数除以式可通过泰勒级数变换成标准尖点突变模型为反映材料蠕变特性参数取值区间一般为时效分量的指数函数部分可以展开成在点处的麦卡劳林公式忽略式中的高次项并代入式中的指数形式的时效分量表达式中整理为其中由变换令其中代入式可以得到其中再令则由可得到稳定性模型的表达式为同样时效分量的对数函数部分可以在处泰勒展开为忽略式中的高次项并代入式中的对数形式的时效分量表达式整理为其中由变换令其中代入式可以得到其中再令则式可整理为稳定性模型的表达式水库大坝结构失稳突发事件预警阈值确定方法遗传寻优算法法则遗传算法简称是一种根据达尔文进化论借鉴生物界自然选择和自然遗传机制的自适应概率性随机搜索算法体现了生物进化过程中优胜劣汰适者生存的遗传算法操作的所有优势都是建立在选择交叉和变异个基本遗传算子基础之上需要确定的运行参数主要包括个体编码长度群体规模交叉概率变异概率终止代数等这些参数对遗传算法的运算性能有着很大的影响需要认真研究选取但是目前尚无选取标准可供遵循一般通过试验方法或者二级演化算法来获取最优控制参数一般地群体规模偏小会降低群体多样性容易导致算法早熟现象发生当规模偏大时又会导致算法运行效率低下故一般取值范围定义在交叉概率一般应取较大值若取值过小则产生新个体的速度较慢一般取值范围为变异概率一般取适当小的值若取值较大则会破坏很多较好的模式一般取值范围终止代数是控制迭代停止的主要手段之一并把当前群体中最佳个体作为所求问题的最优解输出一般取值范围遗传寻优算法简单通用性和鲁棒性强因此本文联合该方法建立结构失稳预警阈值的确定方法结构失稳预警阈值确定方法与计算流程式式的判别式为时大坝处于稳定状态系统的稳定位置位于突变流形的上叶或者下叶只与式给出了结构失稳的模型对其求导有根据突变理论当有当图时时候才有可能发生突变其中时对应临界突变状态当系统沿着向方向变化时即为对应的临界减小突变点在微小扰动下系统即跳跃到点当系统沿着向方向变化即为对应的临界增大突变点在微小扰动下系统即跳跃到点在上述突变发生时系统的势也一般情向方向的变化过会相应的发生突变因此可以由突变点的突变量确定出势函数的临界值即为系统的预警阈值况下大坝效应量如变形渗漏量等是逐渐变大的过程故只需要研究系统沿着程即可此时大坝预警指标即为点所处状态的势为此提出水库大坝结构失稳预警阈值确定方法的思路与步骤为首先根据实测资料建立效应量安全监控模型从中分离出时效分量长度资料序列建立时间与回归系数之间的关系的突变模型式将搜索到的或式利用遗传优化算法找到的点根据不同建立时效分量进行回代进而求得效应量时效分量的预警阈值计算流程见图由于工程运行过程中其工作状态不断发生变化所以建议预警阈值应在年之后重新修正寻优过程中使得达到最小而不是为零这是由实际问题决定的同时也是偏于保守利于突发事件的提前预警图分叉集典型横剖面

工程案例东津水电站溢洪道左侧有一高约角断裂面有组以北东东组最发育个层以及测点布置见图根据高边坡的特性并考虑初始测值的影响建立左岸高边坡变形监测资料的统计模型为测点位于的边坡高边坡构造断裂发育中陡倾角断裂面有组缓倾即其中最大的条断层高边坡断层垂直位移监测点共平台上左岸高边坡断断层处的上盘分布于高程式中为位移观测日至始测日的累计天数除以为建模资料系列第一个观测日到始测日的累图水库大坝结构失稳突发事件预警阈值确定方法流程

计天数除以为时效因子回归系数为观测日当天观测日前前前前为降雨因的降雨量平均值子回归系数数为温度因子回归系数为始测日上述各时段对应的降雨量平均值为位移观测日到始测日的累计天数为建模资料系列第一个观监日到始测日的累计天年日月日年月年日和以垂直测点为例分别取年月日年月日月日年月日年月日年月日年月年月日等资料序列经建立监控模型可以获得如下拟合表达式经过遗传优化寻找最优使得测点突发失稳的预警阈值为为最小时也即当测点再回代到时效分量中可以得到该监控模型的时效分量达到时该点变形将会发生突变预示高边坡将发生失稳需启动水库大坝结构失稳突发事件预警结语预警阈值的确定是突发事件预警的关键环节本文对水库大坝结构失稳的突变特征进行了探讨建立了安全监控模型的时效分量突变模型结合遗传寻优算法提出了水库大坝结构失稳突发事件预警阈值的确定方法通过工程案例计算表明本文所提出方法切实可行值得注意的是工程运行过程年应对预警阈值重新修正中其外界环境和运行状态不断变化因此每本文仅是对结构失稳突发事件预警阈值的确定进行了尝试研究仍需要在实践中进一步检验和完善参考文献联合国教科文组织间海洋学委员会国际海啸信息中心海啸

骇人的巨浪北京海洋出版社图左岸高边坡断层以及测点布置

刘传正区域滑坡泥石流灾害预警理论与方法研究水文地质工程地质南京水利学报水利部大坝安全管理中心南京水利科学研究院水库大坝安全管理应急预案培训教材顾冲时吴中如徐志英用突变理论分析大坝及岩基稳定性的探讨黄典剑李传贵突发事件应急能力评价北京冶金工业出版社水利水运工程学报北京科学出版社肖浩波郑东健基于实测资料的边坡稳定性评价突变模型李敏强寇纪淞林丹等遗传算法的基本理论与应用责任编辑王冰伟