基于凸集比例因子和WOA-Kriging模型的重力坝非概率可靠性分析

doi:10.11988/ckyyb.20231174

长江科学院院报 ›› 2025, Vol. 42 ›› Issue (3): 164-170.DOI: 10.11988/ckyyb.20231174

基于凸集比例因子和WOA-Kriging模型的重力坝非概率可靠性分析

刘要来¹(), 王堡生¹, 周红波¹, 赵二峰², 李章寅²()

¹ 中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司,长沙 410014
² 河海大学水利水电学院,南京 210098

收稿日期:2023-10-30 修回日期:2024-05-12 出版日期:2025-03-01 发布日期:2025-03-01
通信作者:
李章寅(1998-),男,江西赣州人,硕士研究生,主要从事大坝安全监控与健康诊断研究工作。E-mail:1163162893@qq.com
作者简介:
刘要来(1984-),男,河南洛阳人,正高级工程师,硕士,主要从事水利水电工程设计、咨询和科研工作。E-mail:369067021@qq.com
基金资助:
国家自然科学基金项目(52079046)

Non-probabilistic Reliability Analysis of Gravity Dam Based on Convex Set Scale Factor and the WOA-Kriging Model

LIU Yao-lai¹(), WANG Bao-sheng¹, ZHOU Hong-bo¹, ZHAO Er-feng², LI Zhang-yin²()

¹ Power China Zhongnan Engineering Corporation Limited, Changsha 410014, China
² College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China

Received:2023-10-30 Revised:2024-05-12 Published:2025-03-01 Online:2025-03-01

摘要/Abstract

摘要：

为了实现在统计资料匮乏时也能进行重力坝的可靠性分析,构建了仅需要不确定参数上下限的重力坝非概率可靠度评估方法。通过内切椭球模型描述了不确定参数的相关关系,引入比例因子将非概率可靠度计算模型转化为有约束的优化问题,利用Kriging模型对于高度非线性函数的适用性拟合重力坝单元功能函数,在此基础上,通过鲸鱼优化算法进行可靠度的寻优。经过实例分析计算,非概率可靠度计算方法与规范法得出的坝段的抗滑稳定均处于可靠状态,两种方法的结论相同,这验证了基于凸集比例因子和WOA-Kriging模型的重力坝非概率可靠度计算方法可以有效分析重力坝的可靠性。

关键词: 重力坝, 凸集比例因子, Kriging模型, 有限元模型, 非概率可靠度

Abstract:

To achieve reliable analysis of gravity dams with limited statistical data, a non-probabilistic reliability assessment method was developed. This method requires only the upper and lower bounds of uncertain parameters. The correlated relationship of these parameters was described using an inscribed ellipsoid model. By introducing a scaling factor, the non-probabilistic reliability calculation model was transformed into a constrained optimization problem. The Kriging model, known for its effectiveness in fitting highly nonlinear functions, was employed to model the functional behavior of gravity dam elements. Additionally, the Whale Optimization Algorithm (WOA) was used for reliability optimization. Case validation confirmed that the non-probabilistic reliability calculation method, based on the convex set scaling factor and the WOA-Kriging model, effectively analyzes the reliability of gravity dams.

Key words: gravity dam, convex set scaling factor, Kriging model, finite element model, non-probabilistic reliability

中图分类号:

TV642.3混凝土重力坝

刘要来, 王堡生, 周红波, 赵二峰, 李章寅. 基于凸集比例因子和WOA-Kriging模型的重力坝非概率可靠性分析[J]. 长江科学院院报, 2025, 42(3): 164-170.

LIU Yao-lai, WANG Bao-sheng, ZHOU Hong-bo, ZHAO Er-feng, LI Zhang-yin. Non-probabilistic Reliability Analysis of Gravity Dam Based on Convex Set Scale Factor and the WOA-Kriging Model[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2025, 42(3): 164-170.

图/表 8

图1 二维空间外接及内切椭球模型

Fig.1 Two-dimensional display of external and inscribed ellipsoid model

图2 基于凸集比例因子和WOA-Kriging模型的重力坝可靠性分析流程

Fig.2 Flow chart of gravity dam reliability analysis based on convex set scale factor and WOA-Kriging model

图3 重力坝有限元模型

Fig.3 Finite element model for gravity dam

表1 确定参数

Table 1 Deterministic parameters

基岩		扬压力系数 α	上游水位高程H/ m	坝体
密度ρ_r/ (kg·m^-3)	泊松比μ_r	扬压力系数 α	上游水位高程H/ m	密度ρ_c/ (kg·m^-3)		泊松比 μ_c
2 600	0.25	0.5	380	2 400		0.167

表2 不确定参数

Table 2 Uncertain parameters

统计量	抗拉强度/ MPa抗压强度/ MPa		弹性模量/ GPa				滑移面摩擦系数	滑移面黏聚力/ MPa
统计量	坝体	岩基	坝体	岩基	坝体	岩基	滑移面摩擦系数	滑移面黏聚力/ MPa
最小值	1.40	1.12	16.00	14.60	22.00	11.770	0.90	0.70
最大值	1.70	1.44	18.50	17.20	25.50	12.300	1.10	1.10
均值	1.55	1.28	17.25	15.90	23.75	12.035	1.00	0.90
离差	0.15	0.16	1.25	1.30	1.75	0.265	0.10	0.20

图4 重力坝主应力分布

Fig.4 Principal stress distribution of gravity dam

图5 重力坝可靠度指标分布云图

Fig.5 Contours of gravity dam reliability indices

图6 不同可靠度范围坝体单元个数统计

Fig.6 Statistics of the number of dam body elements in different reliability ranges

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