混凝土壩應力分析管理論文

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在混凝土壩應力觀測資料分析工作中，常采用統計模型和混合數學模型來分析大壩應力的發展規律以及影響因素。統計模型和混合模型要求具有典型分布規律的長序列數據，而在施工期和蓄水初期，由于觀測數據很少，采用上述兩種模型很難取得較好的效果?；疑到y模型的特點是可以從較少的離散數據中尋找內在的規律。

灰色模型簡稱GM模型，GM模型的建模包括因素分析、等時距處理、數據標準化、數據生成、建立狀態模型、模型效果評價等方法和過程。本文只探討灰色理論在混凝土壩應力觀測資料分析中的應用。

1因子選擇

在研究大壩的應力規律時，應力數列是參考數列，影響應力的行為因子則為比較數列，它們均為時間數列。混凝土壩應力主要與水壓力、溫度、自重、濕漲以及時效等因素有關系。在蓄水初期的觀測資料分析中，自重應力和濕漲應力以常數表示。

(1)庫水位因子。選擇水深的三次多項式：H、H2、H3。

(2)時效因子。選擇線性函數和對數函數的疊加函數：

(3)溫度因子。選擇當日氣溫T、前30天平均氣溫T30、前60天平均氣溫T60、前1～6個月的某日氣溫Tqi(i=1～6)、前1～6個月的月平均氣溫Tqi(i=1～6)。

于是，參考數列：應力

x1(0)={x1(k)(0)|k=1,2,3…m}；

比較數列：庫水位、時效、溫度

xi(0)={xi(k)(0)|k=1,2,3,...m}

(i=2,3,...n)，m為樣本數，n為變量數。

2模型建立

在蓄水初期由于水位較低，水壓力對應力的影響并不明顯，因此考慮對水壓應力分量采用有限元計算的確定性模型。溫度和時效應力分量采用GM模型，將以上各種因素的模型求和就得出表征壩體實測應力變化規律的灰色混合模型。

2.1水壓應力分量確定性模型

為了尋求水位與應力之間的確定性函數關系，可采用有限元法進行計算，以便提高數學模型值的精度。其一般方程見下式。

式中：α0、αi為回歸系數。

2.2溫度和時效應力分量GM模型

經過等時距處理、數據標準化和數據生成可得到生成數列

xit(1)={xit(k)(1)|k=1,2,...,m}(i=1,2,...,n)

通過編制GM程序可以很方便的建立動態和靜態模型，動態模型x1(1)的時間（離散）近似關系式為：

靜態模型x1(1)的時間（離散）近似關系式為：

對模型值進行數據還原可用于模型效果的評價，通過后驗差比值C和小誤差概率P可綜合評價模型的精度。在實際建模中，模型的精度與選入的因子有很大關系，可以通過剔除關聯度小的因子來提高模型精度。

2.3灰色混合模型的建立

將水壓應力分量確定性模型與溫度時效應力分量GM模型求和就得出灰色混合模型，其一般方程式如下：

3工程實例

桃林口水庫位于灤河主要支流青龍河上，工程于1992年10月動工，1998年底竣工。水庫大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高74.5m，壩頂長度500m，壩頂寬7m，壩底最大寬度63.76m。5號壩段為應力監測的重點壩段，在距建基面6m的80.00m高程選擇應力觀測截面一個，在觀測截面的中心線上布設5組5向應變計組測點，每個測點布設無應力計一個，其中靠上游的第1組測點位于常態混凝土中，其余4個測點位于碾壓混凝土中。本例以第1、3、5測點垂直向應力為分析對象，選取1998年3月至1998年11月的觀測時段進行建模。

3.1水壓應力分量

選取35級不同上游水深，通過有限元計算相應的應力，然后采用逐步回歸的方法進行擬合，計算結果見表1。

表1中各參數正負號有所不同，說明水壓對不同部位測點應力的影響是不同的。各方程的復相關系數都很接近1，表明全部因子與應力的相關程度十分密切，剩余標準差都很接近0，表明模型回歸值與計算值之間的離散程度微小，因此，采用表1的模型回歸擬合值作為灰混模型的水壓分量是比較理想的。

3.2溫度時效應力分量

對各因子進行一次累加生成，使用GM程序計算動態和靜態模型參數，通過對比較數列的舍取使模型精度達到最高，計算結果見表2。

表2中模型精度均為Ⅰ級，表明模型精度較好。選取因子包括ln(1＋τ/30.5)、前1～6個月的某日氣溫Tqi(i=1～6)、前1～6個月的月平均氣溫Tqi(i=1～6)，沒有選入當日氣溫、前30天平均氣溫、前60天平均氣溫，表明各測點應力與氣溫變化存在滯后性，前1～6個月的氣溫變化對應力均有疊加影響。

3.3灰色混合模型

繪制應力灰混模型擬合曲線見圖1～3。殘差分布概率見圖4。計算結果中灰混模型的殘差90％分布在－0.5～0.5kg/cm2之間，表明模型的精度較好。除了第一、第五測點動態模型曲線的初期2～3個數據的殘差較大外，其余各點與實測值擬合地很好。

4結語

(1）在大壩運行初期，采用混合模型分析實測應力較統計模型更具有合理性。

(2）在實際問題中把統計學、灰色理論和有限元方法有機結合起來可以取得互相補充的效果。所建立的碾壓混凝土壩應力灰色混合模型，其精度是較好的。在只有少量觀測資料的情況下，即可以用于第一次蓄水及運行初期這一重要時期大壩的安全觀測。

(3)在建立GM模型過程中，要通過對模型精度的檢驗來選擇因子。

TheApplicationofGraySystemModelinStressAnalysisofConcreteDam

WangYong－liang，XuYang

（HebeiProvincialAcademyOfWaterResource,Shijiazhuang050051,China）

Abstract:Toanalysetheimpactfactorsonstressofconcretedamandstresschanges,especiallyinthecaseofinsufficientobservationsatthebeginningofstoringwater,GrayMixModelaredevelopedinthispaperbyintegratingthedeterminablefiniteelementmodelandgraysystemmodel.ThemodelhasbeenappliedtostressanalysisofTaolinkouconcretedam,theresultsshowthatthemodelisapplicable.

Keywords:graysystemmodel;determinablemodel;finiteelementmodel;stressanalysis;concretedam

基金項目：河北省水利廳碾壓混凝土壩蓄水初期工作性態分析研究

作者簡介：王永亮（1974－），男，工程師，從事水庫觀測資料分析以及水工建筑物安全評價等工作。