方衛(wèi)華 ，徐超健 ，陳允平 ，李 東

（1. 水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012；2. 水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所，浙江 杭州 310012）

0 引言

我國現(xiàn)有水庫大壩近 9 萬座，與其安全相關(guān)的高邊坡、隧洞等更是數(shù)量眾多。隨著人口的增長、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及環(huán)境脆弱性的增加，特別是全球極端氣候的頻繁出現(xiàn)，地球及人類活動(dòng)影響的加劇，大壩失事風(fēng)險(xiǎn)依然存在?？赡芗哟蟠髩伟踩L(fēng)險(xiǎn)的原因包括：1）隨著時(shí)間的推移，一些水庫大壩相繼老化；2）一些新建的高壩及其性態(tài)已經(jīng)超過了現(xiàn)有的科技水平；3）梯級(jí)開發(fā)可能使上游水庫大壩失事的單一事件演化成災(zāi)害鏈。最近多地水庫大壩失事的情況表明，加強(qiáng)大壩安全監(jiān)控研究變得越來越重要。為此本文在大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)近年來大壩安全監(jiān)控方面的研究進(jìn)展，并提出下一步研究的建議，以期提高大壩安全監(jiān)控的研究水平。

1 進(jìn)展及評價(jià)

1.1 監(jiān)測項(xiàng)目設(shè)置和測點(diǎn)布置

1.1.1 基于風(fēng)險(xiǎn)分析的方法

國際大壩委員會(huì)在 1998 年的會(huì)刊上提出根據(jù)工程風(fēng)險(xiǎn)給予相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)權(quán)重，從而確定相應(yīng)的監(jiān)測項(xiàng)目和采樣頻次。文獻(xiàn) [1] 將風(fēng)險(xiǎn)分析用于監(jiān)測項(xiàng)目設(shè)置和測點(diǎn)布置，并成功應(yīng)用于恰拉水庫等平原水庫監(jiān)測項(xiàng)目設(shè)置和測點(diǎn)布置。實(shí)際情況表明，現(xiàn)有的《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》監(jiān)測項(xiàng)目設(shè)置和測點(diǎn)布置對平原水庫大壩的針對性不強(qiáng)，這已經(jīng)在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)組織的多次研討會(huì)和有關(guān)規(guī)范討論會(huì)上得到多數(shù)專家的認(rèn)同。建立基于風(fēng)險(xiǎn)分析的監(jiān)測項(xiàng)目設(shè)置和測點(diǎn)布置方法，是解決特殊超規(guī)范大壩安全監(jiān)測項(xiàng)目設(shè)置和測點(diǎn)布置的必然趨勢。

1.1.2 基于靜力學(xué)的方法

文獻(xiàn) [1] 同時(shí)還探討應(yīng)用應(yīng)變能密度分布、應(yīng)力分布敏感性、最重要測度和結(jié)構(gòu)冗余等優(yōu)化測點(diǎn)布置的方法。此外可以根據(jù)測點(diǎn)監(jiān)測物理量的獨(dú)立性進(jìn)行測點(diǎn)優(yōu)化。選擇 1 組獨(dú)立測點(diǎn)監(jiān)測物理量作為所關(guān)心監(jiān)測測點(diǎn)的基，如果所選擇的測點(diǎn)是完備的，則其他測點(diǎn)測值可以由該組選定測點(diǎn)測值的線性組合獲得。顯然，采用這種方法選定的測點(diǎn)集并不唯一，需要根據(jù)其他約束條件進(jìn)行優(yōu)化。

以反演參數(shù)的存在性、唯一性和穩(wěn)定性為準(zhǔn)則也可實(shí)現(xiàn)對測點(diǎn)的布置優(yōu)化，文獻(xiàn) [2] 表明測點(diǎn)布置對反演分析的結(jié)果影響很大，因此以大壩力學(xué)參數(shù)反演為目標(biāo)的測點(diǎn)布置還需要同大壩安全敏感區(qū)分析結(jié)合起來。

1.1.3 基于動(dòng)力學(xué)的方法

相對于靜力分析而言，目前在動(dòng)力測點(diǎn)優(yōu)化方面研究較多，主要是基于不同模態(tài)（如振型、應(yīng)變模態(tài)等）對損傷識(shí)別的靈敏度等，提出了不同的分析方法，如 Kammer DC 等的有效獨(dú)立法、Meo M 和 Zumpano G 的模態(tài)動(dòng)能最大化方法。這 2 種方法都應(yīng)用 Fisher 信息矩陣，前者使得模態(tài)向量盡可能線性無關(guān)，通過逐步刪除對秩影響最小的自由度，使得信息矩陣最大化；后者以模態(tài)質(zhì)量矩陣作為權(quán)加入到信息矩陣中，通過目標(biāo)動(dòng)能最大化實(shí)現(xiàn)傳感器的優(yōu)化。Guyan RI 模型縮減法通過靜力或動(dòng)力縮減子矩陣構(gòu)成轉(zhuǎn)換矩陣，以保留對模態(tài)反應(yīng)起主要作用的自由度，從而優(yōu)化測點(diǎn)布置。Came T G 通過使模態(tài)向量趨近正交而優(yōu)化測點(diǎn)。通過分析不難發(fā)現(xiàn)，上述方法是基于線性模式鑒別的分類方法，采用降維和正交化方法優(yōu)化測點(diǎn)布置。Kijko A. 及 Sciocatti M .[3]認(rèn)為傳感器的優(yōu)化布置由震源未知數(shù)的四維時(shí)空坐標(biāo) x = {t, x0, y0, z0} 的相關(guān)協(xié)方差陣covX= k (ATA)-1決定， 式中：k 為常數(shù)；A 為敏感矩陣，可由下式獲得：?

式中：Tn為計(jì)算得到的地震傳遞到的時(shí)間；n 為傳感器數(shù)量（測點(diǎn)數(shù)）。

在測點(diǎn)優(yōu)化布置方面，采樣動(dòng)力方法對振動(dòng)幅度比較大的薄壁結(jié)構(gòu)，包括橋梁等能起到很好的作用；但對于實(shí)體重力壩或土壩，目前基于動(dòng)力分析的測點(diǎn)優(yōu)化方法尚未見報(bào)道。

1.1.4 其他方法

在滲流監(jiān)測測點(diǎn)優(yōu)化布置方面，仵彥卿等[4]采用有限元數(shù)值模擬和 Kalman 濾波耦合的方法，建立了地下水系統(tǒng)確定—隨機(jī)數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了對測點(diǎn)位置和監(jiān)測頻率的同時(shí)優(yōu)化，該方法可以推廣到非穩(wěn)定滲流監(jiān)測的測點(diǎn)布置和監(jiān)測頻率優(yōu)化。Yang Y J 和 Rurn D H[5]提出了 1 種基于隨機(jī)不確定性的熵的測點(diǎn)布置方法。這 2 種方法都是在數(shù)據(jù)融合的基礎(chǔ)上，考慮不確定性的動(dòng)態(tài)測點(diǎn)優(yōu)化方法，對推進(jìn)測點(diǎn)布置技術(shù)的發(fā)展具有一定的實(shí)際意義。

1.1.5 問題和討論

監(jiān)測項(xiàng)目設(shè)置與大壩安全的效應(yīng)認(rèn)定和傳感技術(shù)密切相關(guān)，每個(gè)新效應(yīng)和傳感技術(shù)的發(fā)現(xiàn)意味著新的監(jiān)測項(xiàng)目的出現(xiàn)，如巖石受力變形和破壞的愷撒及電磁效應(yīng)等。

由于結(jié)構(gòu)的不同信息對結(jié)構(gòu)安全的敏感程度不同，究竟采取以靜力為主的監(jiān)測測點(diǎn)優(yōu)化，還是采取以動(dòng)力為主的測點(diǎn)優(yōu)化，不僅要看結(jié)構(gòu)所受的主要荷載和可能的破壞形式，還需要考慮大壩的結(jié)構(gòu)和材料特征。目前大壩監(jiān)測項(xiàng)目設(shè)置和測點(diǎn)布置大多依據(jù)規(guī)范進(jìn)行，基于規(guī)范的監(jiān)測項(xiàng)目設(shè)置和測點(diǎn)布置是經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)的總結(jié)，但對于平原水庫大壩、漿砌石壩等測點(diǎn)布置，目前的土石壩監(jiān)測技術(shù)規(guī)范的針對性還不是很強(qiáng)。

由于大壩存在多種失效模式和路徑，同時(shí)也存在不同尺度的破壞，破壞過程的演化也存在明顯的非線性特征，針對高風(fēng)險(xiǎn)大壩，考慮多失效模式的監(jiān)測項(xiàng)目設(shè)置和測點(diǎn)布置還需要進(jìn)一步研究，以提高監(jiān)測項(xiàng)目和測點(diǎn)布置的針對性。另外，考慮真實(shí)結(jié)構(gòu)的破壞總是在靜動(dòng)荷載組合之下、漸變與突變共存的條件下發(fā)生的，充滿許多不確定性，為此建立基于風(fēng)險(xiǎn)的監(jiān)測項(xiàng)目設(shè)置和測點(diǎn)布置是必要的。風(fēng)險(xiǎn)分析不僅需要考慮結(jié)構(gòu)的失效模式，同時(shí)還需要根據(jù)結(jié)構(gòu)失效的后果確定監(jiān)測投入，即通過監(jiān)測將不確定度降低至允許的程度。

1.2 異常判別與野值診斷

1.2.1 現(xiàn)狀及進(jìn)展

在噪聲測量和異常診斷方面，目前主要采用基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的殘差分析和概率的隨機(jī)模糊診斷技術(shù)。另外，基于小波分析、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解、Hilbert-Huang 變換、Kalman 濾波、中值濾波方法、盲值理論、數(shù)學(xué)形態(tài)濾波等的去噪方法已被用于邊坡和大壩監(jiān)測的噪聲處理。其中 Kalman 濾波方法主要基于濾波信息序列估計(jì)值的正交性質(zhì)進(jìn)行判斷，可以用于單個(gè)少數(shù)離群和成片野值的診斷。

1.2.2 問題和討論

在野值診斷方法方面，對少數(shù)測值異常診斷的研究比較多，但對成群野值，尤其對漸變趨勢性系統(tǒng)、階梯狀臺(tái)階及混合等誤差的研究相對較少。由于大壩測值的非平穩(wěn)性、荷載和結(jié)構(gòu)的突變性，以及傳感器和測量系統(tǒng)存在的各種噪聲，大壩測值的異常診斷方法目前很難做到對所有的異常測值都有效，也使得目前大壩測值的噪聲分析和異常診斷還需結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行。

1.3 安全監(jiān)控模型建立

1.3.1 現(xiàn)狀及進(jìn)展

隨著科技的發(fā)展，逐步回歸、差值回歸、混合模型、確定性模型、抗差回歸、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波網(wǎng)絡(luò)、灰色模型、支持向量機(jī)、粗集模型、動(dòng)態(tài)貝葉斯模型、動(dòng)力系統(tǒng)模型，以及非線性分析模型等相繼出現(xiàn)，同時(shí)上述模型的組合模型也得到研究。陳繼光[6]提出了基于 Lyapunov 指數(shù)和相空間重構(gòu)的大壩監(jiān)控模型，并結(jié)合實(shí)例對混沌時(shí)間序列相空間重構(gòu)中的延遲時(shí)間間隔和嵌入維數(shù)的選取方法進(jìn)行了討論，對 Lyapunov 指數(shù)預(yù)測方法進(jìn)行了計(jì)算驗(yàn)證。為克服大壩安全監(jiān)控模型中的多重共線性問題和局部最優(yōu)（欠擬合）問題，主成分最小二乘回歸、偏最小二乘回歸方法和全局優(yōu)化算法在大壩安全監(jiān)測領(lǐng)域得到深入研究。全局優(yōu)化算法主要包括遺傳、模擬退火、粒子群、蟻群和魚群等算法。

針對大壩安全監(jiān)控中的非線性特征，門限回歸、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型相繼被提出。針對大壩監(jiān)控中的動(dòng)態(tài)特征，文獻(xiàn) [7] 基于 Elman 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提出了一種時(shí)變模型，融合遞推分析及回歸分析優(yōu)點(diǎn)的遞推動(dòng)態(tài)預(yù)測模型。針對模型的推廣（過擬合）和泛化能力不足，基于結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化的支持向量回歸機(jī)（SVR）模型也得到很多研究。

利用各種組合方法將不同的模型組合在一起，使得各個(gè)模型相互取長補(bǔ)短，從而建立新的組合模型也是大壩安全監(jiān)控模型的一種發(fā)展趨勢。根據(jù)組合方式的不同，組合模型可分為算法、模型和算法模型同時(shí)（加權(quán)）組合等幾種方法，目前主要包括小波-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、賦權(quán)組合模型等。文獻(xiàn) [8] 采用微粒群優(yōu)化—支持向量機(jī)建立了大壩變形非線性智能組合預(yù)測模型，該模型利用不同預(yù)測模型的預(yù)測值建立混合核函數(shù)支持向量回歸機(jī)模型，采用混合核函數(shù)提高支持向量機(jī)（SVM）的學(xué)習(xí)和泛化能力，并用具有并行性和分布式特點(diǎn)的粒子群算法選擇 SVM 模型參數(shù)。為合理優(yōu)化各個(gè)模型的權(quán)值，文獻(xiàn) [9] 根據(jù)美國學(xué)者 Yager 提出的誘導(dǎo)有序加權(quán)平均算子提出一種組合模型。組合模型，尤其是基于不同原理的多模型組合避免了單一模型或計(jì)算方法的偶然性和不完備性，相對單一預(yù)測模型，組合預(yù)測模型具有更高的預(yù)測精度和更小的峰值噪聲，為準(zhǔn)確進(jìn)行大壩安全監(jiān)控提供了一種新的途徑。另外，文獻(xiàn) [10] 采用博弈論建立了拱壩變形模型，將水位和溫度等外界因素看成引起大壩變形的外因子，而將壩體結(jié)構(gòu)形態(tài)和材料參數(shù)看成變形的內(nèi)部抵抗因素，認(rèn)為大壩變形是水位和溫度 2 個(gè)因素博弈的結(jié)果。

1.3.2 問題和討論

就目前情況來看，針對大壩性態(tài)穩(wěn)定的情況，已經(jīng)能建立比較合理的監(jiān)控模型；但針對非平穩(wěn)隨機(jī)過程，即大壩出現(xiàn)開裂、地基蠕變和荷載組合突然變化等情況，單一的監(jiān)控模型尚難以有效描述大壩性態(tài)的發(fā)展。另外，許多統(tǒng)計(jì)模型都建立在高斯分布、平穩(wěn)過程和各態(tài)歷經(jīng)等假設(shè)的基礎(chǔ)上，這些假設(shè)是否成立，或者這些假設(shè)對模型的結(jié)論影響大不大，這些問題都需要進(jìn)一步研究。另外對于建模過程的病態(tài)問題也是使得模型缺乏可解釋性的根本原因，這需要采用抗差、魯棒和正則化策略。

狀態(tài)空間模型可以將機(jī)理模型同觀測模型有機(jī)結(jié)合起來，同時(shí)考慮模型和觀測誤差，具有重大理論意義，但到目前為止，在狀態(tài)空間模型的機(jī)理模型建立上，沒有很好地結(jié)合固體、滲流力學(xué)等偏微分方程，本質(zhì)原因是由于這些方程的復(fù)雜性很難用一階常微分方程（組）的形式加以表示，如果結(jié)合材料本構(gòu)模式和損傷模型，情況就更復(fù)雜了[1]。

1.4 安全監(jiān)控指標(biāo)確定

1.4.1 現(xiàn)狀及進(jìn)展

置信區(qū)間法、典型監(jiān)測效應(yīng)量小概率法和極限狀態(tài)法是監(jiān)控指標(biāo)擬定的常用方法，基于材料線彈性、彈塑性等不同階段，利用數(shù)值計(jì)算方法可以提出大壩安全監(jiān)控分級(jí)指標(biāo)。文獻(xiàn) [11] 針對傳統(tǒng)方法采用小變形和連續(xù)性假設(shè)不能合理描述臨近破壞時(shí)大壩的大變形和不聯(lián)系性，在研究影響混凝土重力壩安全因素和預(yù)警指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，引入基于塊體理論的不連續(xù)變形分析方法，考慮壩體和壩基整體抗滑穩(wěn)定，采用強(qiáng)度折減系數(shù)法分析了三峽大壩左岸廠房 3# 壩段的整體抗滑穩(wěn)定性，得到了安全系數(shù)與大壩位移之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而建立基于非連續(xù)變形分析的重力壩變形預(yù)警指標(biāo)方法。根據(jù)壩體位移與強(qiáng)度折減系數(shù)之間的關(guān)系曲線得到失穩(wěn)判據(jù)，從而確定變形預(yù)警指標(biāo)，將數(shù)值模型、整體安全系數(shù)和失穩(wěn)判據(jù)結(jié)合在一起，使得指標(biāo)的確定更加合理可信。文獻(xiàn) [12] 采用概率分析和結(jié)構(gòu)分析相結(jié)合的蒙特卡羅法對高拱壩的變形進(jìn)行了擬定，使得監(jiān)控指標(biāo)擬定考慮到各種不確定因素，提高了方法的通用性。

1.4.2 問題和討論

監(jiān)控指標(biāo)的研究主要有統(tǒng)計(jì)和數(shù)值模型 2 種方法，前者基于實(shí)測資料，后者主要基于考慮結(jié)構(gòu)大變形的非線性有限元、數(shù)值流形、無單元法，以及不連續(xù)變形分析等數(shù)值計(jì)算方法。

由于荷載、材料力學(xué)性質(zhì)等的不確定性和大壩的動(dòng)態(tài)特征，不同時(shí)段、方向和監(jiān)測物理量對應(yīng)大壩不同監(jiān)控指標(biāo)。同時(shí)這種“指標(biāo)”只是在一定的條件下對大壩某一種失效模式的度量，單個(gè)指標(biāo)能否作為大壩整體安全度的度量，只有在大壩滿足整體性的條件下才能成立，因此對于同一座大壩的不同時(shí)期、測點(diǎn)和失效模式，安全監(jiān)控指標(biāo)是不同的。即使是同一座大壩，采用單個(gè)指標(biāo)作為大壩安全的“測度”，往往要求這個(gè)監(jiān)測物理量與大壩安全狀態(tài)之間存在一一對應(yīng)關(guān)系，這一條件往往是很強(qiáng)的。其次基于統(tǒng)計(jì)或動(dòng)力學(xué)理論的大壩安全監(jiān)控指標(biāo)擬訂的力學(xué)基礎(chǔ)尚不充分。采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行監(jiān)控指標(biāo)擬訂除采用大變形、非線性本構(gòu)等充分考慮結(jié)構(gòu)臨近破壞時(shí)候的狀態(tài)特征外，還必須采用局部強(qiáng)度折減方法，同時(shí)考慮變形模量的變化[13]。

1.5 材料參數(shù)反演

1.5.1 現(xiàn)狀及進(jìn)展

利用實(shí)測資料進(jìn)行大壩力學(xué)參數(shù)的反演可分為確定性反演、不確定性反演和基于機(jī)器學(xué)習(xí)等方法。前者包括基于正分析最優(yōu)化，基于反分析正則化、變分、可變?nèi)莶?、同倫方梯度等方法。其中正分析的反演方法主要通過正分析（一般采用有限元等數(shù)值計(jì)算方法）建立待反演參數(shù)與監(jiān)測物理量之間的函數(shù)關(guān)系，并以計(jì)算物理量與實(shí)測物理量之差的平方建立目標(biāo)函數(shù)，通過優(yōu)化算法就目標(biāo)函數(shù)的極小解來反演材料參數(shù)。其中優(yōu)化方法包括全局優(yōu)化算法及全局和局部 2 種優(yōu)化算法的組合優(yōu)化算法。文獻(xiàn) [14] 指出待反演的參數(shù)中若同時(shí)包含破壞比、凝聚力和內(nèi)摩擦角，容易導(dǎo)致反演失敗，原因在于不同參數(shù)組合導(dǎo)致統(tǒng)一有限元解，為此必須重新擬定反演參數(shù)或約束待反演參數(shù)，以確保待反演參數(shù)的可辨識(shí)性。

除上述確定性方法外，還有基于貝葉斯和粒子濾波、區(qū)間等不確定反演分析方法，參數(shù) Bayes 反演是通過最大熵原理和 AIC (Akaika Information Criterion）準(zhǔn)則求下述泛函的極值：

式中：Y*為實(shí)測位移；Y 為利用參數(shù)求得的計(jì)算位移；X 和 μX為待反演參數(shù)及其均值；β 為衡量主觀和客觀信息的比例系數(shù)，由 AIC 確定。

蔣樹屏[15]將擴(kuò)展卡爾曼與有限元法結(jié)合，對地下洞室初始應(yīng)力和材料的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反演，取得了良好的效果。

機(jī)器學(xué)習(xí)的方法是利用訓(xùn)練好的模型的泛化能力進(jìn)行材料參數(shù)“預(yù)測”，主要方法是采用有監(jiān)督學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或支持向量機(jī)模型，目前該類方法成為大壩材料參數(shù)反演的熱點(diǎn)。

1.5.2 問題和討論

大壩參數(shù)反演本質(zhì)上是一個(gè)不適定問題，涉及解的存在性、唯一性和穩(wěn)定性等數(shù)學(xué)問題，目前在大壩多分區(qū)材料參數(shù)、非線彈性、粘性和塑性反演等方面的研究，還需要加強(qiáng)。另外對于多參數(shù)、多重屈服面問題，反演問題會(huì)變得更加復(fù)雜。

1.6 安全綜合評價(jià)

1.6.1 現(xiàn)狀及進(jìn)展

大壩安全綜合評價(jià)方法主要有基于 SL258-2000《水庫大壩安全評價(jià)導(dǎo)則》的綜合評價(jià)方法及基于專家系統(tǒng)的評價(jià)方法。前者從工程質(zhì)量、運(yùn)行管理、水文復(fù)核、結(jié)構(gòu)安全、滲流安全、金屬結(jié)構(gòu)和抗震安全等進(jìn)行；后者主要應(yīng)用數(shù)值模型和實(shí)測資料，應(yīng)用力學(xué)、水工結(jié)構(gòu)、人工智能、模糊理論的綜合評價(jià)方法對大壩安全進(jìn)行綜合評價(jià)。綜合評價(jià)方法包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、層次分析、物元可拓和粗集（Rough set）等方法。采用單一方法進(jìn)行的安全評價(jià)主要包括如下 3 種：

1）以朱伯芳、張國新等為代表[16]的基于數(shù)值仿真的大壩安全評價(jià)，主要采用彈塑性有限元等數(shù)值模擬方法建立大壩（包括基礎(chǔ)）的數(shù)值模型，通過對大壩整個(gè)施工和運(yùn)行期的結(jié)構(gòu)和加卸載過程的數(shù)值模擬，通過屈服、開裂和擴(kuò)展及滑動(dòng)失穩(wěn)定等準(zhǔn)則分析大壩安全。

2）以楊強(qiáng)、金峰、周偉、常曉林等為代表[17]的考慮大壩極限承載力的大壩安全評價(jià)方法，主要采用極限分析方法，如強(qiáng)度儲(chǔ)備和超載方法等對大壩安全進(jìn)行綜合評價(jià)，通過變形突變、塑性區(qū)貫通和計(jì)算不收斂等準(zhǔn)則判斷作為臨界狀態(tài)，通過強(qiáng)度折減或超載系數(shù)判斷大壩的安全狀況。

3）以趙國藩[18]、金偉良[19]、劉寧[20]等為代表的可靠度和隨機(jī)有限元方法，是以可靠度理論為基礎(chǔ)，通過建立極限狀態(tài)方程，應(yīng)用響應(yīng)面、分枝約界或重要性抽樣等方法計(jì)算結(jié)構(gòu)體系可靠度，或?qū)⒋髩魏奢d、材料參數(shù)和幾何尺寸等作為隨機(jī)變量（過程）或隨機(jī)場處理，通過隨機(jī)有限單元法計(jì)算大壩可靠度。

大壩安全評價(jià)的方法還包括基于損傷力學(xué)、細(xì)觀力學(xué)和安定性分析方法等，此外基于能量耗散、突變理論、Lyapunov 指數(shù)和加卸載響應(yīng)比等安全評價(jià)方法也在一定程度上得到研究。

風(fēng)險(xiǎn)分析方法是系統(tǒng)可靠度分析的推廣，是一種既考慮結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定破壞，又考慮非荷載因素和下游損失、預(yù)警時(shí)間的綜合分析方法，目前已有文獻(xiàn)將風(fēng)險(xiǎn)分析方法用于大壩的風(fēng)險(xiǎn)分析。

1.6.2 問題和討論

綜合評價(jià)最終往往轉(zhuǎn)化為求取各類影響因素的權(quán)重問題，這在很大程度上依賴專家的經(jīng)驗(yàn)，其與量綱、相關(guān)性等問題緊密相關(guān)。

數(shù)值仿真方法對加載過程、卸載效應(yīng)、數(shù)值模型、本構(gòu)關(guān)系、屈服準(zhǔn)則的依賴性及計(jì)算量都比較大。

可靠度分析方法適應(yīng)范圍比較廣，但在一定程度上存在計(jì)算復(fù)雜度問題，特別是針對多失效模式、變量相關(guān)、非高斯分布等問題，因此目前對系統(tǒng)可靠度的研究還不成熟。

實(shí)際上大壩破壞是一個(gè)損傷逐步積累、材料逐步老化，量變到質(zhì)變的過程。受材料分布、加載方式等因素的影響，既存在多種失效模式，也存在漸變和突變不同的失效形式，涉及靜動(dòng)力耦合、多時(shí)間尺度和多幾何尺度耦合，因此進(jìn)行大壩安全動(dòng)態(tài)多尺度分析評價(jià)是下一步大壩安全評價(jià)的研究發(fā)展方向。

1.7 運(yùn)行反饋分析

1.7.1 現(xiàn)狀及進(jìn)展

國內(nèi)較早利用實(shí)測資料建立反饋控制的是桓仁大壩，后來陳村等大壩也利用實(shí)測資料建立了相應(yīng)的運(yùn)行控制條件，以確保大壩安全。在反饋分析中實(shí)測資料的作用主要包括反演材料參數(shù)、確定臨界荷載和推斷最不利荷載組合。在反饋分析中還需借助數(shù)值分析方法，利用各種屈服準(zhǔn)則、擴(kuò)展準(zhǔn)則、抗滑穩(wěn)定、滲透破壞等臨界條件。根據(jù)不同的破壞模型，從而求得允許荷載的交集是大壩反饋分析基礎(chǔ)。對于不同的荷載組合及加載速率，損傷和破壞速度和部位是不一樣的。

1.7.2 問題和討論

目前反饋分析方法大多建立在統(tǒng)計(jì)模型和數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)模型要求樣本來自同一總體，數(shù)值計(jì)算目前只能做到單一過程或有限工況的模擬。隨著水資源合理利用問題的提出，基于結(jié)構(gòu)實(shí)際動(dòng)態(tài)安全度的水位動(dòng)態(tài)控制方法研究是我們必須面對的課題。

2 幾個(gè)關(guān)鍵問題

2.1 力學(xué)基礎(chǔ)

大壩安全問題本質(zhì)上是一個(gè)力學(xué)問題，即使由于運(yùn)行管理水平低下，最終導(dǎo)致洪水漫頂沖刷或潰壩也是由于大壩結(jié)構(gòu)在水荷載作用下的破壞。為此，加強(qiáng)大壩力學(xué)問題的研究是做好大壩安全監(jiān)控的基礎(chǔ)，具體包括：1）熟悉非飽和土力學(xué)、有效應(yīng)力理論可以加深對滲壓計(jì)測值物理意義的理解；2）熟悉水動(dòng)力學(xué)可以更好地理解沖刷淤積及結(jié)構(gòu)振動(dòng)對大壩安全的影響；3）理解結(jié)構(gòu)的卸荷破壞可以更好地降低大壩安全風(fēng)險(xiǎn)；4）結(jié)構(gòu)的本構(gòu)關(guān)系選擇直接關(guān)系到混合和確定性 2 個(gè)模型的建立，以及應(yīng)變局部化現(xiàn)象的描述；5）理解非應(yīng)力變形等是擬定大壩安全監(jiān)控指標(biāo)所必須考慮的；6）建立動(dòng)靜荷載長期和多場耦合作用下的材料屈服和破壞準(zhǔn)則對大壩安全數(shù)值模擬具有決定性意義。

2.2 數(shù)據(jù)處理

大壩安全實(shí)測資料的處理涉及實(shí)測資料的物理意義、噪聲、動(dòng)態(tài)、非平穩(wěn)、非正態(tài)、小樣本等問題，在大壩綜合分析和建模中涉及量綱、權(quán)重、矛盾證據(jù)、數(shù)據(jù)降維、巡查信息定量化、自然語言理解和數(shù)據(jù)同化等問題。另外在資料分析中如何正確考慮初始應(yīng)力、損傷、變形（儀器安裝前未測量變形）等對結(jié)構(gòu)安全評價(jià)的影響也是一個(gè)十分重要的問題。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)體系

大壩安全監(jiān)控研究的最終目的是為建立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)體系服務(wù)。目前大壩安全監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范還需要進(jìn)一步梳理以實(shí)現(xiàn)體系協(xié)調(diào)，如目前還比較欠缺的監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范包括：測點(diǎn)符號(hào)、小壩安全監(jiān)測與評價(jià)等標(biāo)準(zhǔn)，抽水蓄能電站水道及其附屬建筑物安全監(jiān)測與評價(jià)、平原水庫大壩安全監(jiān)測、地下廠房及洞室安全監(jiān)測與評估、水閘及閘門安全監(jiān)測與評估等技術(shù)規(guī)范，以及大壩安全監(jiān)控模型技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等，同時(shí)在規(guī)范體系建設(shè)中如何考慮監(jiān)測技術(shù)的進(jìn)步，配套發(fā)布監(jiān)測技術(shù)規(guī)范編制說明也是大壩安全監(jiān)控技術(shù)推廣應(yīng)用所需要研究的問題。

3 結(jié)語

大壩安全監(jiān)控是一門綜合邊緣交叉學(xué)科，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，已經(jīng)取得了大量成果，但也有以下問題需要進(jìn)一步研究：

1）加強(qiáng)大壩安全監(jiān)控應(yīng)充分考慮大壩風(fēng)險(xiǎn)和失效多路徑問題。為克服目前點(diǎn)監(jiān)測信息有限問題，還應(yīng)該引入新的監(jiān)測方法，如微震、氡氣、微聲、聲發(fā)射監(jiān)測信息，從而降低由于測點(diǎn)布置不準(zhǔn)確帶來的漏測問題。

2）大壩反饋控制是大壩安全管理的關(guān)鍵，建立實(shí)測資料和數(shù)值計(jì)算的實(shí)際監(jiān)控反饋分析方法在小時(shí)間尺度上已經(jīng)取得進(jìn)展，但在長時(shí)間尺度和組合破壞模式方面目前研究尚不充分。

[1] 方衛(wèi)華. 基于狀態(tài)空間理論的大壩安全多尺度監(jiān)控方法研究[D]. 南京：河海大學(xué)，2010: 27-38.

[2] 黃立新，孫秀山，劉應(yīng)華. 正交各向異性平面問題材料參數(shù)識(shí)別的反分析方法[J]. 燕山大學(xué)學(xué)報(bào)，2004 (2): 118-129.

[3] Kijko A, Sciocatti M. Optimal spatial distribution of seismic stations in mines[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences & Geomechanics Abstracts,1995, 32 (6):629-632.

[4] 仵彥卿，邊農(nóng)方. 巖溶地下水監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化分析[J]. 地學(xué)前緣，2003 (4): 1156-1164.

[5] YANG Y J, Rurn D H. An entropy approach to data collection network design[J]. Journal of Hydrology, 1994, 157 (1-4) : 307-324.

[6] 陳繼光. 基于 Lyapunov 指數(shù)的觀測數(shù)據(jù)短期預(yù)測[J]. 水利學(xué)報(bào)，2001 (9): 35-40.

[7] 鄭東健，顧沖時(shí)，吳中如. 邊坡變形的多因素時(shí)變預(yù)測模型[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005, 24 (17): 3180-3184.

[8] 李秀珍，王成華，孔紀(jì)名. 基于最優(yōu)加權(quán)組合模型及Gauss－牛頓法的滑坡變形預(yù)測研究[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2009, 17 (4): 538-544.

[9] 閆濱，周晶，高真?zhèn)? 一種基于 IOWGA 算子的大壩安全監(jiān)控組合預(yù)測模型[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007, 26 (增刊 2): 4074-4078.

[10] SU HuaiZhi, WU Zhongru, GU Yanchang. Game model of safety monitoring for arch dam deformation. Science in China Series E: Technological Sciences. 2008, 51 (增刊 2): 76-81.

[11] 沈振中，馬明，涂曉霞. 基于非連續(xù)變形分析的重力壩變形預(yù)警指標(biāo)[J]. 水利學(xué)報(bào)，2007 (增刊1 ): 111-119.

[12] 谷艷昌，何鮮峰，鄭東健. 基于蒙特卡羅方法的高拱壩變形監(jiān)控指標(biāo)擬定[J]. 水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2008 (1): 146-153.

[13] 楊光華，鐘志輝，張玉成，等. 用局部強(qiáng)度折減法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析[J]. 巖土力學(xué)，2010, 31 (增刊 2): 53-58.[14] 王建，岑威均，張煜. 鄧肯-張模型參數(shù)反演的不唯一性[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2011, 33 (7): 1054-1057.

[15] 蔣樹屏. 擴(kuò)展卡爾曼濾波器有限元法耦合算法及其隧道工程應(yīng)用[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，1996, 18 (4): 11-19.

[16] 朱伯芳. 有限單元法原理及應(yīng)用 [M]. 北京：中國水利水電出版社，1998: 80-90.

[17] 周偉，常曉林. 高混凝土重力壩復(fù)雜壩基穩(wěn)定安全度及極限承載能力研究[J]. 巖土力學(xué)，2006, 27 (增刊 1 ): 166-171.

[18] 趙國藩. 結(jié)構(gòu)可靠度理論[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005: 116-126.

[19] 金偉良. 工程荷載組合理論與應(yīng)用[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006: 56-78.

[20] 劉寧. 可靠度隨機(jī)有限元法及其工程應(yīng)用[M]. 北京：中國水利水電出版社，2001: 118-136.