一种除险加固混凝土重力坝安全性评估方法

本发明涉及大坝服役可靠性分析领域，特别涉及一种除险加固混凝土重力坝安全性评估方法。

背景技术：

1、服役期重力坝受水位、温度等多因素耦合作用下，老化和病损问题日益突出，严重威胁到重力坝长期健康服役。虽然通过实施各种补强加固措施可以对重力坝进行修复，但这些加固措施不可避免地会影响重力坝的材料特性和结构性态，导致重力坝服役性能的变化。评估除险加固混凝土重力坝在时效作用及加固修复作用下重力坝结构性态的改变及服役性能的变化对确保大坝安全具有重要意义。

2、传统的重力坝服役安全性的研究主要基于概率可靠性理论。概率可靠性分析方法充分考虑了重力坝的不确定因素，以全面反映结构的工况安全状况。然而，此方法需要大量的统计数据来确定不确定参数的概率分布函数(pdf)。由于试验和监测条件有限，大多数大坝的不确定参数的统计数据极为稀少，无法确定完整的pdf，并且许多不确定参数不是严格随机的(例如，大坝的上游水位)。此外，概率可靠性方法的计算结果对不确定参数极为敏感。不确定因素在一定程度上限制了概率可靠性分析方法在大坝工程领域的应用。近些年在结构领域发展出一种基于凸模型的非概率理论无需知道不确定参数的概率分布密度，仅需知道不确定参数集合的上下界限，以一种非概率指标度量结构的安全程度，在处理不确定参数信息量少的结构可靠度问题上有着独特优势和工程适应性。因此，研究多种加固措施下重力坝加固效能的演化规律，进一步研究坝体加固措施和材料时变演化对重力坝服役性能的影响。以综合评价和预测大坝结构服役性能的演化规律。

3、本发明的优势在于在分析重力坝加固效能和材料老化效应的基础上，采用时变非概率可靠性分析与区间数学相结合建立重力坝单元与体系的时变非概率可靠性指标计算模型。利用响应面法对加固前后重力坝单元与体系的非概率可靠性指标进行高效计算。最后，对某现有加固重力坝工程加固前后nr-η的时变过程和发展趋势进行计算分析，并对加固措施对提高大坝服役可靠性进行评估和预测。

技术实现思路

1、为了克服现有方法的技术的不足，对除险加固混凝土重力坝加固效能及受水位、温度等多因素耦合导致大坝参数不确定性的存在导致结构可靠度随服役变化的问题，本发明提出了一种除险加固混凝土安全性评估方法，结合rsm代理模型提高重力坝单元与体系的非概率可靠性指标计算效率，为重力坝服役可靠度评估和预测提供了新方法。

2、本发明提供了一种除险加固混凝土重力坝安全性评估方法，其技术方法包括如下步骤：

3、步骤1，采取搜集大量监测数据的办法，基于区间混合监控模型以反演获取重力坝区间参数界限；

4、长期服役大坝受水位、温度等多因素耦合作用下，由于损伤累计导致重力坝结构参数及材料参数发生了很大变化，及时反演坝体和坝基的主要物理参数有利于准确分析大坝真实服役形态；

5、充分利用重力坝运行过程中的监测资料，建立补强加固前后的有限元模型，借助区间混合监控模型反演不确定参数界限。假设所有的不确定参数都是区间变量，其中上下限分别为xu和xl。

6、步骤2，构建基于区间变量的非概率可靠性指标计算模型；

7、根据破坏准则构建功能函数可以表示为：

8、m＝g(x)＝g(x1，x2，...，xn)    (12)

9、式中g(x)是xi的连续函数，m是区间变量。进而，结构的非概率可靠指标可以表示为

10、η＝mc/mr    (13)

11、式中mc和mr分别是m的平均值和偏差。

12、当功能函数有多个区间变量的线性函数时，则表示为：

13、

14、其中n是结构阻力参数的数量，m是结构荷载参数的数量，并且ai和bj是常数。并且和是独立的区间变量，其中和分别是结构阻力和荷载参数的区间变量。

15、结构的非概率可靠指标可以表示为：

16、

17、步骤3，利用响应面法对重力坝单元时变非概率可靠指标计算，具体过程如下：

18、步骤301、针对重力坝复杂结构工程通常难以用显式表达式表述，利用响应面法代理模型使用无交叉项的二次多项式来表示结构的近似极限状态方程，即：

19、

20、其中，x＝[x1，x2，...，xn]是参数变量的向量，n是参数变量数。系数a、b＝[b1，b2，...，bn]t和c＝[c1，c2，...，cn]t构成上述方程的解，该方程应由2n+1组采样点数据确定，利用rsm法计算重力坝单元的非概率可靠性指标。

21、步骤302、结合原始检测数据、物理模型和数学模型进行分析，通过回归拟合以获取响应面函数m＝g(x)。依据拟合响应面函数m＝g(x)，利用数学规划法方法获取拟合响应面函数的最大值与最小值，看作是二次规划约束问题的极值求解，通过优化算法计算得到拟合响应面函数的最小值mmin和最大值mmax，数学模型如下：

22、

23、步骤4，对实行加固措施前后重力坝单元和体系的非概率可靠性分析，最后进行失效模式的搜索，具体过程如下：

24、步骤401、重力坝的主要失效模式是强度不足和滑动失稳。考虑重力坝单元的强度破坏，三维状态下重力坝单元的强度破坏响应函数，即：

25、

26、式中，g(x)是重力坝单元强度破坏的功能函数；ft和fc分别是重力坝的抗拉强度和抗压强度；σ1、σ2和σ3分别是重力坝单元的第一、第二和第三主应力(张力为正，而压力为负)。

27、步骤402、考虑重力坝沿坝基表面的滑动失稳。根据滑动面上坝体与坝基上所有单元的应力，沿坝基面滑动失稳的响应函数可以表示为

28、

29、式中，g′(x)为重力坝沿坝基面滑动失稳的功能函数；m是坝基面上的单元总数；f和c分别是坝基面的摩擦系数和内聚力；σyi和τxyi分别是单元i的法向应力和剪切应力；si是单元i沿坝基表面的面积。

30、步骤403、重力坝的主要失效模式的搜索，为确定失效模式，先计算获得重力坝单元η，在重力坝单元η值较低的密集区域选择若干可能得最先失效单元作为初始失效单元，并将其杀死进而搜索下一个相邻失效单元。选择单元e1作为初始失效单元，在有限元分析中，假设单元e1为第一个失效单元(剔除该单元)，接着进行非概率可靠性计算分析，在e1单元附近搜索n个可能失效单元。然后，将失效单元e1和n个可能的失效单元依次组合，分别形成n个可能的临时失效路径，并计算每组可能临时失效路径的非概率可靠指标。选择非概率可靠指标最小的临时失效路径的失效单元作为下一个失效单元e2i。最后，剔除失效单元e2i，并重复搜索过程，直到满足终止条件，最危险的失效路径则由失效单元(e1，e2i，...，emk)确定。

31、步骤5，重力坝除险加固措施后随服役年限的非概率可靠指标预测，具体过程如下：

32、步骤501、考虑重力坝在服役期间内，受不确定环境因素的相互作用，及坝体结构的初始破坏和缺陷，不可避免导致坝体材料参数和结构性能随时间推移而演变。重力坝不确定参数的界限范围随着大坝的投入服役而动态变化。因此，重力坝的时变非概率可靠性指标随时间发生动态变化。同时，工程与非工程加固措施在重力坝服役期的综合应用，对维护和提高大坝服役性能、延长大坝健康服役时间具有重要作用。

33、假设重力坝的荷载与阻力为随时间变化的区间变量，功能函数表示如下：

34、mi(t)＝ri(t)-si(t)       (20)

35、式中si(t)和ri(t)分别是荷载和阻力随时间变化的区间变量；mi(t)是功能函数随时间变化的区间变量。假设ru(0)和rl(0)分别用于表示初始抗力ri(0)的上限和下限。同样用su(0)和sl(0)分别用于表示初始电抗力si(0)的上限和下限。重力坝阻力和荷载均值的时变演化过程可描述为

36、

37、式中和分别为时间t时重力坝的抗力和荷载的平均值；并且是重力坝在初始时间分别的阻力和荷载的平均值；和是确定性时间函数。结合等式(4)，重力坝系统的时变的nr-η可以表示为

38、

39、式中

40、步骤502、为探讨坝材料老化和除险加固对重力坝服役性能和寿命的影响，根据非概率时变理论分析加固后安全性能得演变情况，采用威布尔函数来描述材料参数的时变过程。确定大坝各参数的衰减函数为：坝体混凝土容重ρc和扬压力系数α的衰减函数分别取为和坝体混凝土和岩体的力学参数ec、ft、fc和er、ft′、fc′的衰减函数和坝基表面的摩擦系数f和内聚力c都取为其他参数随时间的变化可忽略。进而对补强加固后服役10年、20年和30年的单元与体系非概率可靠指标进行计算，对实施加固措施后的重力坝时变非概率指标进行预测。

41、本发明的有益效果在于：

42、本发明公开了一种除险加固混凝土重力坝安全性评估方法，具体是一种结合区间分析与非概率可靠度理论从大坝单元和体系失效模式方面对除险加固混凝土重力坝加固前后可靠性分析模型的构建方法；本发明方法利用了大坝变形的原始数据，通过拉丁超立方抽样对重力坝相关参数进行抽样，结合区间数学理论，获取重力坝参数区间界限，进而融合时变非概率可靠性理论，为保证计算效率发展了基于响应面法的nr计算方法，从单元和体系的失效模式分析了除险加固措施对混凝土坝服役形态的影响，得到了一种分析除险加固措施的综合效能演变规律和系统性评估的方法，克服了传统的可靠性分析方法功能函数高度非线性，不确定参数严格随机性及计算结果对参数敏感等因素。同时为重力坝的服役可靠性评估和预测提供了新方法。