基于多源信息融合的坝体泄水建筑物运行性态监测与安全评判方法研究

As the flow velocity of high-dam flood discharge structures is increasing in our country, more concern has been paid on the influences of high velocity flow. According to statistics, nearly one third of the flood discharge structures appears varies degrees of damage or serious damage, and the systematic research on operational safety monitoring and health diagnosis of flood discharge structure is relatively few. The project takes dam flood discharge structure as studying object, combines theoretical analysis, model tests, numerical simulation and prototype observation research methods, studies the sensitive characteristics of different measurable information and its variation during the dam flood discharge structure disease evolution period, reveals the relationship between the disease and the precursory characteristics of different measurable information, studies the identification method of abnormal value of the monitoring information and equipment failure, exploits multi-source information from different monitoring types, uses the information fusion technology, studies the data level, feature level and decision level fusion method, develops the operational behavior monitoring and safety evaluation theory of dam flood discharge structure based on multi-source information fusion, establishes the multi-source information fusion model of operational behavior monitoring and safety evaluation, achieves the comprehensive and systematic monitoring of disease evolution, and forms the foundation for safety evaluation, disaster prevention and reduction of high-dam flood discharge structure.

随着我国高坝泄水建筑物所涉及的水流流速愈来愈大，高速水流问题的影响日益突出，据统计有近1/3的泄水建筑物出现不同程度的破坏，部分破坏相当严重，目前对于泄水建筑物运行期间的安全监控与健康诊断的系统研究相对较少。本项目以坝体泄水建筑为研究对象，采用理论分析、模型试验、数值模拟、原型观测相结合的研究方法，研究坝体泄水建筑物病害演化的不同可测信息的敏感特征量及其变化规律，揭示病害与不同可测信息前兆特征之间的关系；研究坝体泄水建筑物多源监测信息异常值与监测仪器故障辨识方法，综合利用来自不同类型监测的多源信息，采用信息融合技术，研究反映坝体泄水建筑物运行状态的多源监测信息的数据层、特征层和决策层融合方法，发展基于多源信息融合的坝体泄水建筑物运行性态监测与安全评判理论，建立运行性态监测与安全评判的多源信息融合模型，实现对病害演变的全面系统监测，从而为高坝泄水建筑物运行期的安全评价、防灾减灾对策奠定基础。

随着我国高坝泄水建筑物所涉及的水流流速愈来愈大，高速水流问题的影响日益突出，据统计有近1/3 的泄水建筑物出现不同程度的破坏，部分破坏相当严重，目前对于泄水建筑物运行期安全监控与健康诊断的系统研究相对较少。本项目以泄水建筑物为研究对象，以多源信息融合理论为基础，主要研究内容包括：研究泄水建筑物病害演化的不同可测信息的敏感特征量及变化规律，揭示病害与不同可测信息前兆特征之间的关系；研究泄水建筑物多源监测信息异常值与监测仪器故障辨识方法，综合利用来自不同类型监测的多源信息，采用信息融合技术，研究反映泄水建筑物运行状态的多源监测信息的数据层、特征层和决策层融合方法。主要取得了以下研究成果：（1）通过现场原型观测与资料调研，针对不同类型泄水建筑物，研究并分析了不同病害特征对结构安全影响的变化规律；对于坝身泄洪拱坝，以坝体静力变形和库水-坝-基础偶联动力特性作为坝体裂缝或材料屈服（老化）等病害的敏感特征量；对于泄洪闸坝，提出以闸室底板脱空作为软基闸坝典型病害特征，以闸墩动态响应（含模态参数）作为软基水闸底板脱空的敏感特征量。（2）针对传统数据级融合算法对信号相似度要求高及固定融合系数的缺陷，提出了基于方差贡献率的泄水建筑物动态响应数据融合算法，不同时间的融合系数随该点的方差贡献率而变化，从而动态分配权重系数，实现多测点振动信号的动态融合；针对坝体静态位移监控统计分析中拟合残差序列内蕴的混沌成分（含异常值）以及传统算法在挖掘监测信息时的优势单一性，提出了基于蛙跳算法的大坝位移组合预报模型，提升模型预报能力。（3）构造了响应面模型拟合坝体子区域的弹性模量与结构的静动力响应间的非线性关系，建立了基于最优的静、动态响应数据点的响应面模型，提出了基于D-S证据理论的高拱坝病害特征级融合诊断方法。针对软基闸坝泄水建筑物底板淘空这一典型病害，提出了基于遗传算法的软基泄水闸底板淘空病害识别的信息融合方法，建立了模态参数与脱空参数之间的数学代理模型方程，实现软基闸坝底板淘空区域识别。（4）以泄水建筑物振动位移响应均方差作为坝体振动剧烈程度的重要指标，提出了基于有限测点的泄水建筑物原型整体动位移场和动应力场反演方法，基于反演结果从结构安全、振动舒适度等方面对泄水建筑物进行了安全评判。（5）将本研究成果应用于蜀河水电站泄洪闸抗振加固和信江泄洪闸枢纽安全评价两个实际工程，取得了较好的社会和经济效益。