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        基于監(jiān)測反饋的土石壩實(shí)時(shí)安全評價(jià)系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用

        2022-07-14 09:12:18劉賢鵬蔣買勇張藝清李懇亮
        湖南水利水電 2022年3期
        關(guān)鍵詞:石壩滲流界面

        劉賢鵬,蔣買勇,張藝清,李懇亮

        (1.長沙縣水利局,湖南 長沙 410100;2.湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 長沙 410131;3.武漢大學(xué)水利水電學(xué)院,湖北 武漢 430072)

        引 言

        我國是全球大型水利設(shè)施最發(fā)達(dá)的國家,現(xiàn)有水庫近9.9萬座,數(shù)量居世界首位。據(jù)第一次全國水利普查公報(bào),已建水庫中約40%為病險(xiǎn)水庫,病險(xiǎn)水庫數(shù)量大、分布地域廣、涉及壩型多、病害險(xiǎn)情各異、處理技術(shù)復(fù)雜[1]。其中,土石壩在我國現(xiàn)有水庫大壩中占比達(dá)81.77%,大部分水庫大壩安全鑒定集中在2008年前后完成,目前正面臨新一輪大規(guī)模的安全評價(jià)任務(wù),而現(xiàn)有安全評價(jià)和設(shè)計(jì)體系中,常規(guī)的階段性安全評價(jià)存在間隔期間原始資料缺失、勘探損壞壩體整體性、安全鑒定工作繁重等問題。以基于監(jiān)測信息實(shí)時(shí)反饋的土石壩滲透系數(shù)的反演分析,獲取計(jì)算參數(shù),結(jié)合FEMFDM水力耦合分析方法,開發(fā)了滿足監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄、穩(wěn)定計(jì)算、反演分析有效連接,集大壩實(shí)時(shí)健康管理、安全評價(jià)一體的考慮土石壩實(shí)時(shí)性能演化的綜合安全評價(jià)系統(tǒng),并實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。

        1 基于監(jiān)測反饋的土石壩實(shí)時(shí)安全評價(jià)方法

        按照《水庫大壩安全鑒定辦法》(水管〔1995〕86號)和《水庫大壩安全評價(jià)導(dǎo)則》(SL 258-2017),水庫大壩安全評價(jià)工作包括現(xiàn)場安全檢查、工程質(zhì)量評價(jià)、運(yùn)行管理評價(jià)、防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核、滲流安全評價(jià)、結(jié)構(gòu)安全評價(jià)、抗震安全評價(jià)、金屬結(jié)構(gòu)安全評價(jià)、大壩綜合評價(jià)等內(nèi)容[2~3]。其中滲流安全評價(jià)、結(jié)構(gòu)安全評價(jià)是土石壩安全評價(jià)的重點(diǎn),需根據(jù)國家現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范對土石壩進(jìn)行評價(jià)?;诒O(jiān)測反饋的土石壩實(shí)時(shí)安全評價(jià)方法,主要包括以下三個(gè)部分:

        1)實(shí)時(shí)監(jiān)測信息的采集及其分析評價(jià)。大壩安全監(jiān)測資料分析的目的是通過水位、氣溫、降水量等環(huán)境量與變形、裂縫開度、應(yīng)力應(yīng)變、滲流壓力、滲流量等效應(yīng)量監(jiān)測資料的分析,評估大壩安全性態(tài)是否正?;虬l(fā)生轉(zhuǎn)異。其分析內(nèi)容包括監(jiān)測系統(tǒng)完備性評價(jià)、監(jiān)測資料可靠性分析、監(jiān)測資料正反分析以及大壩安全性態(tài)評估。

        2)基于監(jiān)測反饋的土石壩滲透特性多目標(biāo)反演分析。結(jié)合正交設(shè)計(jì)[4]、非穩(wěn)定滲流正分析、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[5]以及NSGA-II多目標(biāo)優(yōu)化算法[6],首先以滲透壓力、滲透流量等滲流監(jiān)測數(shù)據(jù)為變量,建立多目標(biāo)函數(shù),通過正交設(shè)計(jì)優(yōu)化數(shù)值計(jì)算方案,從而降低反饋分析的計(jì)算量;采用拋物Signorini型變分不等式方法對正交設(shè)計(jì)方案進(jìn)行非穩(wěn)定滲流正分析,計(jì)算壩體中滲流場的動(dòng)態(tài)演化特征,得到滲透壓力和測流點(diǎn)的計(jì)算時(shí)間序列數(shù)據(jù);建立基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的滲透系數(shù)輸入與滲透壓力、流量時(shí)間序列輸出之間的隱式映射關(guān)系,該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可靠性的驗(yàn)證使用拉丁超立方抽樣法進(jìn)行;最后基于NSGA-II多目標(biāo)優(yōu)化算法,計(jì)算得出壩體滲透系數(shù)的Pareto最優(yōu)解集。該方法針對滲流反分析的唯一性和可靠性問題,將滲流監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)變化納入演算范圍,引入多目標(biāo)算法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)單目標(biāo)反演方法的不足。

        3)實(shí)時(shí)工程結(jié)構(gòu)性態(tài)計(jì)算分析評價(jià)。根據(jù)規(guī)范對土石壩工程的滲流穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及壩坡穩(wěn)定等進(jìn)行分析。以規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)及專家經(jīng)驗(yàn)為評判依據(jù),對分析結(jié)果進(jìn)行評價(jià)。此部分主要包括土石壩滲流穩(wěn)定評價(jià)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定評價(jià)。

        2 土石壩實(shí)時(shí)安全評價(jià)系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)

        2.1 系統(tǒng)功能分析

        土石壩實(shí)時(shí)安全評價(jià)系統(tǒng)面向水庫管理部門,可用于收集管理土石壩實(shí)時(shí)監(jiān)測資料,多維度分析實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù),從而對土石壩實(shí)測性態(tài)做出評價(jià)。

        土石壩實(shí)時(shí)安全評價(jià)系統(tǒng)功能包括土石壩實(shí)時(shí)監(jiān)測資料的錄入、修正、查詢、分析以及評價(jià)土石壩實(shí)測性態(tài)等,主體功能如下:

        1)監(jiān)測資料的錄入,包括測點(diǎn)編號、監(jiān)測項(xiàng)目、監(jiān)測日期、監(jiān)測值等。

        2)監(jiān)測資料的修改,查詢等。

        3)基于監(jiān)測反饋的土石壩滲透特性的多目標(biāo)反演分析。

        4)實(shí)時(shí)的滲流及變形穩(wěn)定計(jì)算分析。

        5)計(jì)算分析結(jié)果的顯示及保存。

        6)利用建立的土石壩實(shí)時(shí)安全評價(jià)模型進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)。

        7)土石壩實(shí)測性態(tài)的綜合評價(jià)。

        8)安全評價(jià)報(bào)告的自動(dòng)生成。

        此外,出于對系統(tǒng)安全性的考慮,還需實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)用戶的管理功能,對用戶進(jìn)行安全認(rèn)證,管理功能如下:用戶名密碼登錄認(rèn)證;用戶管理,包括新用戶注冊,用戶資料修改,注銷用戶等。

        2.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

        根據(jù)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能,按照結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的原則將整個(gè)系統(tǒng)劃分為如圖1所示的若干功能模塊。

        圖1 實(shí)時(shí)安全評價(jià)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        2.3 系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

        搭載土石壩實(shí)時(shí)安全評價(jià)系統(tǒng)的應(yīng)用程序采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法,邏輯上自上而下進(jìn)行設(shè)計(jì),通過可選式下拉菜單調(diào)用各獨(dú)立的功能模塊。為保證程序穩(wěn)定性,利于程序運(yùn)行維護(hù),各功能模塊采用獨(dú)立式設(shè)計(jì),輸入輸出數(shù)據(jù)均直接與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行鏈接,進(jìn)行可視化處理后指向顯示器,不影響其他模塊功能。程序模塊的編寫采用事件驅(qū)動(dòng)編程以簡化編程邏輯、減少編程工作量,同時(shí)可優(yōu)化程序結(jié)構(gòu),提升代碼可讀性,進(jìn)一步保證程序質(zhì)量,降低運(yùn)維難度。下面簡要介紹本系統(tǒng)各模塊的功能和設(shè)計(jì)。

        1)登錄模塊。為提高系統(tǒng)安全性,用戶必須通過用戶名密碼登錄認(rèn)證才能使用本系統(tǒng)。

        同時(shí)系統(tǒng)會識別用戶賬號并根據(jù)分配給用戶賬號的權(quán)限來啟動(dòng)相應(yīng)的服務(wù),防止發(fā)生越權(quán)使用現(xiàn)象。

        2)主控模塊。通過系統(tǒng)登錄認(rèn)證后,系統(tǒng)進(jìn)入到主界面,在主界面上可以完成系統(tǒng)所有功能的操作,包括:用戶管理、監(jiān)測資料管理、監(jiān)測資料分析、實(shí)時(shí)穩(wěn)定計(jì)算分析、土石壩實(shí)測性態(tài)綜合評價(jià)等。

        3)用戶管理模塊。用戶管理模塊主要是為合理管理用戶而設(shè)置的。主要功能有:新用戶注冊、用戶注銷(刪除)、用戶資料的修改等。

        4)資料管理分析模塊。資料管理模塊可以完成監(jiān)測信息采集、監(jiān)測資料的錄入、修改和刪除,以及對監(jiān)測的應(yīng)力應(yīng)變、滲流壓力、滲流量等效應(yīng)量監(jiān)測信息進(jìn)行分析評價(jià)。

        5)土石壩滲透性能的多目標(biāo)反演模塊。通過系統(tǒng)實(shí)時(shí)自動(dòng)采集的水位、滲漏量等獲得滲壓和流量測點(diǎn)上的計(jì)算時(shí)間序列數(shù)據(jù),采用NSGA-II多目標(biāo)優(yōu)化算法獲得土石壩壩體實(shí)時(shí)滲透系數(shù)值。

        6)土石壩實(shí)時(shí)安全評價(jià)模塊。基于實(shí)時(shí)監(jiān)測信息反演分析獲得的滲流參數(shù)值,通過系統(tǒng)內(nèi)置的有限元滲流場與有限差分應(yīng)力場的耦合計(jì)算功能,完成對土石壩實(shí)時(shí)滲流與變形計(jì)算分析評價(jià)。

        7)安全評價(jià)報(bào)告自動(dòng)生成模塊。自動(dòng)生成報(bào)告模塊主要為Word寫入功能。將用戶所輸入的監(jiān)測資料,生成的關(guān)于滲流、沉降變形等計(jì)算內(nèi)容,安全評價(jià)結(jié)果,根據(jù)規(guī)范的要求,填入預(yù)先設(shè)定格式的Word報(bào)告模板中,形成完整的報(bào)告。以供存檔、打印。

        3 土石壩安全評價(jià)系統(tǒng)的主要功能

        基于監(jiān)測反饋的土石壩實(shí)時(shí)安全評價(jià)系統(tǒng)開發(fā)具備以下主要功能:

        1)監(jiān)測信息自動(dòng)采集與分析。通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)化對監(jiān)測數(shù)據(jù)自動(dòng)采集水位、氣溫、降水量等環(huán)境量與變形、裂縫開度、應(yīng)力應(yīng)變、滲流壓力、滲流量等效應(yīng)量監(jiān)測信息,對監(jiān)測資料進(jìn)行分析,評估大壩安全性態(tài)是否正?;虬l(fā)生異常。

        2)土石壩實(shí)時(shí)性態(tài)安全評價(jià)。通過數(shù)據(jù)庫內(nèi)置的土石壩滲透系數(shù)與力學(xué)參數(shù)演化模型,使用FEM滲流計(jì)算程序與FDM穩(wěn)定計(jì)算程序?qū)?shí)時(shí)水位、降雨、氣溫等情況下的土石壩實(shí)時(shí)性態(tài)進(jìn)行安全評價(jià)。

        3)土石壩安全預(yù)警。對監(jiān)測信息與土石壩實(shí)時(shí)性態(tài)穩(wěn)定計(jì)算中出現(xiàn)的異常情況及時(shí)進(jìn)行安全預(yù)警。

        4)實(shí)時(shí)安全評價(jià)報(bào)告自動(dòng)生成。自動(dòng)生成報(bào)告模塊主要為Word寫入功能。將用戶所輸入的監(jiān)測資料,生成的關(guān)于滲流、沉降變形的計(jì)算內(nèi)容,安全評價(jià)結(jié)果,根據(jù)規(guī)范的要求,填入預(yù)先設(shè)定格式的Word報(bào)告模板中,形成完整的報(bào)告,以供存檔、打印。

        5)土石壩健康檔案。通過預(yù)先設(shè)定好時(shí)間,自動(dòng)對土石壩實(shí)時(shí)性態(tài)進(jìn)行計(jì)算分析,并自動(dòng)保存為安全評價(jià)報(bào)告。將生成的報(bào)告按時(shí)間存檔,可隨時(shí)查詢查看,建成土石壩的健康檔案庫。

        4 土石壩安全評價(jià)系統(tǒng)的工程應(yīng)用

        在已開發(fā)的土石壩安全評價(jià)系統(tǒng)基礎(chǔ)上,根據(jù)某土石壩己有的實(shí)測資料和歷史安全評價(jià)報(bào)告設(shè)定該水庫大壩的安全評價(jià)系統(tǒng)。

        1)系統(tǒng)登錄界面。系統(tǒng)登陸界面如圖2所示,系統(tǒng)通過正確的賬號密碼進(jìn)入,默認(rèn)的初始用戶名為“admin”,密碼為“admin”,可以進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行密碼修改。

        圖2 系統(tǒng)登錄界面

        2)系統(tǒng)主界面。系統(tǒng)主界面如圖3所示,主界面集成了基本信息輸入、滲流與力學(xué)計(jì)算模型選擇、滲流、應(yīng)力與變形穩(wěn)定計(jì)算、計(jì)算結(jié)果展示與分析幾個(gè)部分。

        圖3 系統(tǒng)主界面

        3)工程概況介紹界面。工程簡介界面如4所示,工程簡介包括工程概況、工程基本資料、工程大事件以及全文檢索四個(gè)部分。工程概況包括工程的一些主要特性以及介紹;工程基本資料相較于工程概況會更加詳細(xì);工程大事件包括土石壩的初建、除險(xiǎn)加固、安全評價(jià)以及工程曾出現(xiàn)的一些較嚴(yán)重的問題等;全文檢索提供了工程的詳細(xì)資料,并提供了搜索功能供用戶查詢。

        圖4 工程概況界面

        4)信息錄入功能。信息錄入模塊包括監(jiān)測信息自動(dòng)采集與巡檢信息的錄入。監(jiān)測信息的采集包括水位、滲流量、應(yīng)力位移等信息,將各監(jiān)測斷面各監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測值錄入,系統(tǒng)可以將錄入的信息保存成文檔,并可以將輸入的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)生成歷史位移變化折線圖。巡檢信息的錄入包括人工巡檢結(jié)果的錄入及土石壩巡檢表的生成。見圖5。

        圖5 監(jiān)測信息采集

        5)報(bào)告生成功能。報(bào)告生成界面如圖6所示,在界面的左邊,是土石壩的健康檔案,包括系統(tǒng)在不同時(shí)間段的計(jì)算結(jié)果,系統(tǒng)默認(rèn)每天對土石壩的滲流、應(yīng)力與變形進(jìn)行一次安全評價(jià),并將安全評價(jià)結(jié)果保存在數(shù)據(jù)庫當(dāng)中,通過健康檔案管理,管理者可以隨時(shí)查看不同時(shí)間的安全評價(jià)報(bào)告,并可以通過界面右邊的導(dǎo)出按鈕,將安全評價(jià)結(jié)果保存為可供用戶使用的安全評價(jià)報(bào)告。

        圖6 報(bào)告生成

        5 結(jié) 論

        通過土石壩監(jiān)測資料的多目標(biāo)實(shí)時(shí)反演分析,結(jié)合FEM-FDM水力耦合分析方法對土石壩滲流、應(yīng)力與變形進(jìn)行分析評價(jià),使用Fortran、C#等語言進(jìn)行編程,開發(fā)了基于監(jiān)測反饋的土石壩實(shí)時(shí)安全評價(jià)系統(tǒng),該評價(jià)系統(tǒng)具備土石壩監(jiān)測信息自動(dòng)采集與分析、土石壩實(shí)時(shí)性態(tài)安全評價(jià)、土石壩安全預(yù)警、實(shí)時(shí)安全評價(jià)報(bào)告自動(dòng)生成、土石壩健康檔案管理等主要功能。

        開發(fā)滿足數(shù)據(jù)監(jiān)測、穩(wěn)定計(jì)算、反演分析有效連接,集大壩實(shí)時(shí)健康管理、安全評價(jià)于一體的土石壩實(shí)時(shí)安全評價(jià)系統(tǒng),并實(shí)現(xiàn)工程的信息化應(yīng)用,能有效提高評價(jià)準(zhǔn)確性和降低評價(jià)工作量,保證土石壩長期安全運(yùn)行,具有廣闊的應(yīng)用前景和良好的示范作用。

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