前言

由于法国的马尔帕赛(Malpasset)拱坝、美国的Teton坝以及我国的板桥、石漫滩等大坝失事引发了下游地区严重的灾难,大坝安全监控逐渐得到重视。近些年来,随着西部大开发和“西电东送”工程的大力开展,突破现行规范适用范围的高坝大库建得越来越多,这些大坝一旦发生破坏,后果难以估计,大坝安全监控更显重要。大坝需要安全,大坝需要监控。

在大坝安全监控领域,已建大坝中水荷载问题和在建大坝中的温度控制问题是大坝建设和运行管理中的两个重要问题。本书分两部分介绍相关内容。

本书第1部分介绍了已建大坝中水荷载问题。

大坝变形监测正分析和反馈分析中的水荷载问题是一个十分传统的问题。这个大家习以为常的问题一直困扰着笔者,以致笔者对坝工数值计算结果的可信度持怀疑的态度。笔者尝试着与一些熟悉的同行讨论这个传统的问题,发现大家分歧很大,大家在讨论时经常出现一些自相矛盾的观点和结论。笔者惊诧地发现一些专家早已在这些含糊不清的传统水荷载问题的基础上,开始着手研究更复杂的问题和现象。这些状况进一步加重了笔者的困扰。

近些年,笔者陆续关注和研究这个传统的水荷载问题。例如,地基水荷载到底如何施加?地基水荷载作为面荷载或体荷载存在什么关系?库盘水荷载作用引起的大坝位移到底多大?建立大坝-地基数值计算模型时,地基到底截取多大范围?采用有限元等数值计算方法进行大坝变形稳定分析时,扬压力如何施加?倒垂线在基岩深处的锚固点确实是固定不动的吗?目前的反演反馈分析,往往是假设本构模型、计算荷载、几何尺寸、边界初始条件等完全确定,然后进行计算参数(坝体混凝土弹性模量或基岩变形模量等)的反演,该反演参数对应于所建立大坝-地基数值计算模型的参数,它和实际参数关系如何?等等。这些传统的水荷载问题至今仍困扰着笔者。虽然关于这些传统的水荷载问题至今笔者尚未理清楚,但基于“积跬步,才能至千里”的原则,笔者整理了以往的一些工作,这些工作主要是针对重力坝而言,但有些结论或许对拱坝或边坡的变形和渗流监测也有一定的参考作用。

本书第2部分介绍了在建大坝中的温度控制问题,其又分为混凝土坝不确定性的反馈、监控指标拟定以及温控措施的优选和调控。

对于混凝土坝不确定性的反馈,一般工程领域内的力学问题基本上采用偏微分方程及相应的初始边界条件来描述,然后借助于计算机和数值算法来进行求解。这种分析模式的计算精度往往受限于计算参数和计算模型等的合理性和准确性。混凝土坝不确定性的反馈,尤其是计算参数的反分析是一个十分传统的问题,说简单也不简单。由于已有现成的分析套路,即基于室内或现场监测值,采用常规、优化或仿生算法进行计算参数反演,所以略微有一点数学基础的人都能开展这项研究,但由于反分析不适定性问题尚未解决,要获得合理准确的计算参数又不简单,它需要对反演参数的工程有着比较深入的认识。

针对现有大坝安全监控中计算参数反演主要局限于运行期的参数反演,本书首先完善了一些施工期的计算参数反演。例如:基于施工期混凝土实测温度的热扩散率和太阳辐射热反馈;针对施工期高拱坝已灌区温度回升的现象,结合建设中的溪洛渡特高拱坝已灌区温度回升值进行统计分析,从理论上对已灌区温度回升的现象进行了解析,笔者认为这些解析有“四两拨千斤”的作用。然后针对现有拱坝温度荷载是线性等效温度,忽略了非线性温度,为此对重力拱坝温度荷载进行了改进,以考虑非线性温度的影响,进而说明采用不同的等效方式,虽然温度变化引起全截面的力学作用接近相等,对坝体的变形影响较小,但截面上的应力分布不同。最后提出基于矩法对高拱坝温度荷载进行反馈。

对于监控指标拟定,众所周知,在进行体检时,借助于医学仪器或设备可以获得人体各个检查项目的体检值,然后与健康指标参考值进行对比,以此判断健康与否。效仿健康体检思想,借助于监测或检测仪器可以获得大坝各个物理量的实测值,然后与监控指标进行对比,以此判断大坝正常与否。目前健康体检思想在工程上使用广泛。由于健康体检思想简单,所以对工程单位有着很大的诱惑性,但合理监控指标的拟定是一件十分复杂的事情。

混凝土坝是人工构造建筑物,各个混凝土浇筑仓的温度变化规律较好,这为拟定温度监控指标提供了一个相对理想的状态,很幸运,笔者发现并提出了温度双控指标法。与此同时,笔者提出结合实测应力应变,基于小概率法估计大坝混凝土实际抗拉强度这一特殊强度监控指标。

对于温控措施优选和调控,将通水冷却阶段的混凝土坝作为控制系统(受控对象),由于混凝土坝的温度场可以采用热传导方程及相应的初始边界条件来描述,那么在进行温度控制时,可以从热传导偏微分方程和边界初始条件角度着手进行调控,当然,要进行温度控制(调控)必须事先要有温度预测(受控对象数学状态模型)。笔者试着采用朱伯芳提出的理论和方法进行大体积混凝土温度场及应力场仿真分析,遇到如下问题:由于温控防裂是一个与温控措施和混凝土热力学参数相关的复杂多因素问题,必须进行细致分析及多方案比选,严格来说,对不同(可行域内的)温控措施,应采用优化算法来寻找最优解,但在寻优的过程中存在计算工作量很大的问题,即:要进行有效地温控措施寻优,必须要采用一种计算工作量小的先验性模型进行快速的温度预测。

由于施工期的混凝土坝的通水冷却相对比较明确和理想,以致可以获得一些温度理论解析解(有热源水管冷却实用方程,无热源水管冷却实用方程,等),受隧洞衬砌支护中“新奥法”的启示——实时监测、动态调控、寻找最优支护时机,基于“实时监测、动态调控、寻找最优的措施”的思路,笔者探讨了施工期混凝土坝通水冷却的动态调控,即结合实测温度(由观测器输出),以及通水阶段的一些温度理论解析解,进行预测,通过采用实测温度动态更新温度理论解析解中的重要输入项(校正状态变量的初始值),来达到修正温度理论解析解预测中的误差,从而达到提高预测精度的目的。快速可靠的温度预测(受控对象数学状态模型)的建立是温度控制(调控)必要前提。接下来就可以基于设计温控措施拟定控制变量和状态变量的完备约束条件,进而建立混凝土坝通水冷却最优调控模型(受控系统最优调控模型),最后软硬件结合,研发控制器,引入优化算法,实时动态调控通水措施,使调控温度过程线按设计温度过程线变化,温控防裂目的自然解决。

笔者认为,无论大体积混凝土还是准大体积混凝土的温控防裂问题都是一个复杂多因素系统优选问题。从某种意义上来说,这些问题都应采用优化理论和优化方法来解决,略微有一点数学基础和工程常识的人都能开展这项研究,但至今仍然“无坝不裂”!看似简单的问题,具体实施时,难度实在太大,以致控制论和协同论等理论往往流于形式。而当前很多的研究是一个静态预测,没有和实测资料进行有机结合,以达到动态预测-调控;虽然有些研究开始着手进行动态预测,但存在计算工作量很大,以致难以达到优化调控的目的。相对于进行温度场数值仿真分析来说,笔者提出的受控系统最优调控模型,由于和实测资料进行了有机结合,能保证一定的预测精度,且计算工作量小,可以达到快速可靠的调控的目的,从而踏实推进了“规划设计-施工建设-安全监测”这一“闭路系统”(吴中如,1989)在温控防裂中的应用。

本书部分内容来自笔者的博士学位论文,部分研究成果得到国家自然科学基金(批准号:51209124)和湖北省教育厅重点项目(批准号:D20101207)等的资助,工程应用研究主要来自溪洛渡、龙羊峡、涔天河水库扩建工程等科研项目的研究成果,在此谨表感谢!在研究期间,河海大学吴中如院士、沈振中教授等,中国科学院武汉岩土力学研究所郑宏教授等给予笔者许多指导和有益的建议,三峡大学谭超博士在最优调控系统的研发中给予了大力帮助,三峡大学周宜红教授在溪洛渡项目的研究中提供了支持,在此谨表谢忱。

笔者的研究生程中凯硕士、陈勋辉硕士、魏晓斌硕士和陈义涛硕士分别参与了本书第2.6节、第3.6节、第5.6节和第8章部分初稿的撰写。对这些内容,笔者进行了必要的增、删、改。

本书承蒙中国工程院院士吴中如教授在百忙中审读并撰写序,对此表示衷心感谢!

由于大坝安全监控是一门综合性很强的学科,而且是一个正在迅速发展的研究方向,在理论和实践上都有很大的拓展和完善空间,每年有大量的文献发表,笔者无意将本书写成一本教科书类的专著,而是试图以自身研究及应用成果为主干进行写作。

本书写作目的主要是与同行交流心得体会,限于水平,书中难免存在不妥之处,期待同行们的批评指正。

作者

2016年3月