混凝土坝作为水利与水电工程的最主要结构物，其不仅要承受各种动、静循环荷载及各种突发性灾害的作用，还要承受来自恶劣环境的侵蚀与腐蚀、材料性能劣化等的组合影响；另外，混凝土坝建设投资巨大，社会影响面广，而且在漫长的服役过程中一般与周围环境渐趋平衡状态，其退役和拆除需要特别慎重，为此需突破仅从设计、施工质量单一层面上去寻求工程安全性的传统理念，向工程结构物的可检性、可修性、可换性、可强性、可控性及可持续性的综合安全理念转变。项目组针对“多因素协同作用下混凝土坝长效健康服役”主题，围绕多因素协同作用下混凝土坝材料特性演化机理、混凝土坝结构特性演化机理与驱动规律、混凝土坝工程质量长效影响机理与控制方法、混凝土坝长效服役的监控与预警理论和方法、混凝土坝长效服役的提升方法等内容开展了系统研究，深入探索和揭示了在环境因素、交变荷载等多因素作用下，混凝土坝服役性态随时间的演变、衰减规律和机理，据此建立了混凝土坝的长效服役保障与提升的理论和方法，以期实现生命早期保障混凝土坝的“活力”，生命中期通过保健而增强“活力”，生命后期通过医治加强“活力”等目标。结合本项目的开展，已培养博士后3人、博士研究生17人、硕士研究生54人。基于项目研究成果，已出版专著3部、译著2部，发表论文180余篇，其中被SCI收录110余篇；获授权发明专利23项、软件著作权9项。部分成果已入水利、水运等行业和地方标准，并被成功应用于多座大坝工程的设计、施工、运行管理中，为监控工程服役安全、优化工程除险加固、提升工程服役性能、延长工程服役年限等提供了重要的科技支撑。本项目的高质量完成，为混凝土坝设计、建设、运行管理，尤其是混凝土坝长效健康服役提供了理论和方法基础，为推动水工结构工程学科的发展和完善发挥了积极的作用。成果已获国家科技进步一等奖1项、国家技术发明二等奖1项、省部级科技进步特等奖1项、一等奖3项。 2100433B

重点针对多因素协同作用下混凝土坝长效健康服役主题，开展荷载与环境多因素协同作用下混凝土坝材料与结构交互演化机理研究，揭示混凝土坝长效服役性态的多因素协同驱动规律，创建服役机理的宏、微、细观多尺度融合研究理论；开展影响要素－工程质量－工程长效服役性态一体化研究，揭示工程质量的多要素组合作用规律和工程质量对混凝土坝服役性态的长效影响机理，提出工程质量监测与控制方法，构建长效服役的基础保障方法；综合考虑确定性与不确定性因素交互影响，研究混凝土坝服役性态监控与评估的时空四维场理论和方法，提出长效服役性态多指标组合预警体系，构建长效服役的预警理论与方法；基于长效服役风险管理理念，研究混凝土坝服役模式调控与补强修复方法，提出提升效果评估方法和决策优化模型，构建混凝土坝长效服役的提升方法。

本书针对我国已建混凝土坝的数量和总高度均居世界首位的现状，围绕混凝土坝长期运行安全这一当前坝工技术的焦点问题，系统介绍了混凝土坝服役性态安全监控多尺度分析理论，并列举了相应的应用实例。全书共分9章，介绍了混凝土坝服役性态多尺度数据估计模型和随机动态分析方法，高拱坝库盘变形的空间跨尺度正反分析方法和裂缝损伤安全监控分析方法，坝基渗流性态的有规分形分析方法、演变和转异监控模型，重力坝服役稳定性可靠度安全监控方法以及混凝土坝服役性态多源信息集成融合推理方法等内容。

碾压混凝土坝施工层面是坝体性态劣化的主要部位，其服役期受静动力荷载与不确定环境因素协同作用，层间材料性能演化是加剧大坝局部结构和整体性态衰减的重要因素，是一种导致大坝安全裕度降低的时变不可逆过程，如何利用大坝多源时空监测信息把控结构服役性能演化态势安全与否，是坝工领域亟需解决的科学技术问题。 本项目以运行期碾压混凝土坝为研究对象，通过理论分析、数值仿真、模型试验与原位观测相结合的研究方法，从其坝体结构宏观力学行为角度，在考量碾压混凝土坝服役性态演化程度的基础上，融合多源时空信息对其运行性态实施了综合诊断。其主要研究成果：（1）在分析大坝碾压层物理参数渐变特性的基础上，构造了表征层内本体和层面影响带力学参数的连续分布规律函数及其流变协调关系，建立了碾压混凝土坝切法向并层等效力学行为仿真分析模型，提出了基于GA-APSO混合罚模型的大坝结构力学参数优化反演方法；（2）通过对坝体渗流场和应力场耦合机理分析，建立了考虑层内参数渐变的碾压混凝土坝流固耦合分析模型及参数确定方法，并编制了相应计算程序，为分析运行期混凝土坝力学性能演化规律提供了新途径；（3）构建了碾压混凝土坝服役性态安全综合诊断体系，就其关键监测指标（变形、渗流等）时间序列，从层面渗流滞后与时变特性、序列残差效应等多个视角，分别建立了考虑滞后与时变双重效应的碾压混凝土坝渗流监控模型，顾及大坝位移残差序列混沌效应的GA-BP预测模型和蛙跳式组合监测模型等，并给出了具体定性和定量指标的隶属度及赋权方法，提出了基于信息融合的碾压混凝土坝工作性态融合诊断模型，发展了融合多源时空信息的碾压混凝土坝服役性态综合判诊方法，其相关研究成果为部分碾压混凝土坝安全监控给予了技术咨询，亦为相关水工结构运行性态评判提供理论与技术支撑。 在该项目资助下，发表学术论文25篇，其中SCI论文3篇【JCR一区2篇、二区1篇】，EI收录8篇，培养硕士研究生8名，项目达到了预期研究目标。 2100433B

《博士后文库》序言

序

前言

第1章 绪论 1

1.1 混凝土坝服役性态安全监控的意义 1

1.2 本书主要内容 2

第2章 混凝土坝服役性态多尺度数据估计模型 5

2.1 概述 5

2.2 监测数据的奇异值诊断方法 6

2.2.1 奇异值分类及其模型描述 6

2.2.2 主元分析 7

2.2.3 奇异值诊断 11

2.2.4 奇异值校正 13

2.3 监测效应量的最优估计方法 16

2.3.1 最小方差估计 16

2.3.2 极大似然估计 18

2.3.3 极大验后估计 19

2.3.4 线性最小方差估计 19

2.3.5 最小二乘估计 21

2.4 监测效应量的多尺度数据估计模型 22

2.4.1 多尺度统计模型 22

2.4.2 多尺度数据估计模型 25

2.5 应用实例 31

第3章 混凝土坝服役性态多尺度随机动态分析方法 40

3.1 概述 40

3.2 混凝土坝材料特性的多尺度建模分析方法 40

3.2.1 混凝土材料特性的多尺度建模框架 40

3.2.2 混凝土多相细观力学特性分析方法 42

3.2.3 混凝土细观力学参数非均质随机分布模型 45

3.3 重力坝服役稳定性的随机动态分析模型 52

3.3.1 工程材料时变特性的随机场分析 52

3.3.2 重力坝服役荷载和效应的随机处理 55

3.3.3 基于递阶对角神经网络的动态分析模型 58

3.3.4 应用实例 64

3.4 高拱坝服役性态的等效模拟分析方法 71

3.4.1 高拱坝施工期黏弹性力学参数反演方法 71

3.4.2 高拱坝运行期极限承载能力等效分析方法 76

3.4.3 应用实例 83

第4章 高拱坝库盘变形的空间跨尺度正反分析方法 93

4.1 概述 93

4.2 库盘变形影响因素分析 94

4.2.1 坝体-坝基-库盘系统模拟的有限元方法 95

4.2.2 库盘变形的影响因素 99

4.2.3 库盘变形影响因素的权重分析方法 100

4.2.4 算例分析 102

4.3 库盘变形变化规律分析 106

4.3.1 库盘变形实测资料分析 107

4.3.2 库盘变形数值模拟分析 109

4.4 库盘变形对大坝结构性态影响分析 121

4.4.1 跨尺度模型构建方法 121

4.4.2 小湾双曲拱坝结构性态模拟分析 127

4.4.3 龙羊峡重力拱坝结构性态模拟分析 133

4.5 库盘变形对坝体裂缝稳定性的影响分析 136

4.5.1 薄层单元模拟方法 137

4.5.2 裂缝薄层单元等效弹性模量估算方法 139

4.5.3 应用实例 143

第5章 拱坝裂缝损伤安全监控分析方法 148

5.1 概述 148

5.2 高拱坝裂缝成因挖掘方法 150

5.2.1 高拱坝裂缝成因分析 150

5.2.2 基于粗集理论的高拱坝裂缝成因挖掘 153

5.2.3 应用实例 158

5.3 高拱坝裂缝稳定性安全监控方法 160

5.3.1 基于断裂力学理论的裂缝稳定性分析 161

5.3.2 基于小波理论的裂缝稳定性分析 164

5.3.3 基于典型小概率法的裂缝失稳警戒指标拟定 170

5.3.4 应用实例 172

5.4 高拱坝裂缝损伤尺度影响的分析方法 189

5.4.1 基于弹性补偿法的高拱坝极限承载能力分析 189

5.4.2 高拱坝裂缝损伤尺度对极限承载力的影响分析 202

第6章 坝基渗流性态的有规分形分析方法 219

6.1 概述 219

6.2 坝基断层渗流特性分析方法 220

6.3 坝基断层几何形态的有规分形模拟方法 224

6.3.1 分形特性与分形维数 225

6.3.2 断层单一表面的分形模拟 225

6.3.3 断层的开度分布模拟 232

6.3.4 断层的组合形貌 232

6.4 坝基断层面渗流特性的分形数值模拟方法 233

6.4.1 断层面渗透系数的确定方法 233

6.4.2 渗流场数值模拟方法 236

6.4.3 断层面渗流特性数值模拟试验 240

6.5 坝基蠕变损伤的力学特性分析 244

6.5.1 断层带蠕变损伤模型 245

6.5.2 坝基等效连续介质岩体黏弹性蠕变本构模型 256

6.5.3 断层面剪切黏弹塑性蠕变本构模型 258

6.6 考虑蠕变损伤的坝基渗流性态分析模型 259

6.6.1 坝基蠕变对渗流分形特性影响的数学模型 260

6.6.2 坝基蠕变与渗流耦合模型 262

6.6.3 应用实例 268

第7章 坝基渗流性态演变和转异监控模型 274

7.1 坝基渗流性态演变时序模型 274

7.1.1 考虑断层面分形特性的坝基渗透系数反演方法 274

7.1.2 坝基渗流演变规律和时序模型 283

7.2 坝基渗流安全监控模型 286

7.2.1 坝基测压管水位安全监控模型 286

7.2.2 坝基渗流量安全监控模型 298

7.3 坝基渗流监控模型优化方法 301

7.3.1 基于量子遗传算法的坝基渗流混合模型优化 302

7.3.2 基于小波神经网络的坝基渗流监控模型 305

7.3.3 基于最大熵的坝基渗流监控组合模型 307

7.3.4 应用实例 309

7.4 坝基渗流时效转异诊断模型 313

7.4.1 突变势函数 313

7.4.2 坝基渗流的灰色尖点突变模型 314

7.4.3 坝基渗流性态的转异准则 316

第8章 重力坝服役稳定性可靠度安全监控方法 317

8.1 概述 317

8.2 重力坝服役可靠度分析模式 318

8.2.1 重力坝服役稳定性风险因素识别 318

8.2.2 重力坝失稳破坏模式构成方式概化模型 322

8.2.3 基本随机变量的随机过程模型 323

8.2.4 考虑破坏模式相关性的串联系统可靠度算法 325

8.2.5 累积破坏模式形成的并联系统可靠度算法 327

8.3 重力坝服役可靠度模糊综合评价方法 328

8.3.1 模糊综合评判分析模型 328

8.3.2 重力坝服役可靠度计算 333

8.3.3 应用实例 335

8.4 重力坝服役稳定性的时空监控方法 338

8.4.1 重力坝深层滑动失稳分析方法 338

8.4.2 重力坝服役稳定性时效位移突变监控模型 345

8.4.3 应用实例 349

第9章 混凝土坝服役性态多源信息集成融合推理方法 352

9.1 概述 352

9.2 多源信息集成融合分析模型 353

9.2.1 多源信息集成融合分析结构 353

9.2.2 数据信息的模糊贴近度融合模型 355

9.2.3 关联信息的相似度融合模型 357

9.2.4 特征信息的GA-BP网络融合模型 360

9.2.5 决策信息的D-S证据理论融合模型 362

9.3 多源信息的相容方法集综合评价方法 368

9.3.1 相容方法集的确定 368

9.3.2 综合评价方法 371

9.3.3 可靠性分析 380

9.4 多源信息集成融合推理方法 382

9.4.1 黑板框架结构 382

9.4.2 推理分析结构 384

9.4.3 知识库和推理过程 385

参考文献 394

编后记 399 2100433B