水工混凝土结构易因设计施工缺陷及服役期环境温湿度交变、多场耦合荷载作用,产生表观裂缝、剥蚀和内部空洞、蜂窝等损伤,结构连接处易发生错台与沉降差。其中,水下结构因承受更高荷载及复杂环境,检测需求尤为迫切。聚焦水下结构无损检测技术研究进展,系统分析了光学成像技术、声呐扫描技术、浅地层剖面技术和冲击映像法的应用现状与发展趋势。光学成像技术可识别表观缺陷,但受水体能见度限制且分辨率不足;声呐技术适用于浑浊水体,却易受噪声干扰且缺乏缺陷特征数据库。针对内部缺陷,浅地层剖面技术对基础脱空检测具潜力但应用较少;冲击映像法通过应力波识别内部缺陷,但信号解析精度不足。未来重点研究方向包括:①构建深度学习驱动的多源数据融合框架,提升光学/声呐系统特征识别能力;②发展声光协同检测技术,融合光学细节与声呐环境适应性;③开发应力波信号分离算法与定量评估模型,提升冲击映像法精度。

地下水的动态变化是诱发土质滑坡发生的重要因素。以三峡库区典型厚层土质滑坡——谭家湾滑坡为例,利用多年积累的全球导航卫星系统(GNSS)地表位移、地下水及降雨监测数据,结合多次现场调查,研究降雨条件下导致地下水水位动态变化诱发土质滑坡的变形机制。研究结果表明:谭家湾滑坡变形集中在中前部与左侧,且与降雨事件密切相关,前期降雨量决定坡体变形对前期单次强降雨的响应程度;此外,地下水位与降雨入渗有显著时空相关性,水位上升速率受前期和期间降雨强度影响;坡体变形的趋势受到水位动态变化的控制,同时坡体稳定性也受地下水位峰值持续时间的制约;降雨入渗后引起地下水动态迁移有2条路径,其中经路径AB形成的动水压力结合地形条件,促使了Ⅰ-1滑体的变形。研究成果可为降雨条件下土质滑坡变形机理、早期识别及预警等研究提供理论依据。

浅水环境常呈现浑浊特征,导致光学图像出现模糊、色偏、对比度低等问题。浑浊水体中散射粒子会遮蔽水下结构表观缺陷信息,造成缺陷识别率低、检测效率低和分类不准等问题。针对这些挑战,提出一种基于偏振成像和深度学习的轻量级三阶段水下缺陷检测方法,借助偏振复原模型、超分辨率重建模型和缺陷检测模型3个子模型实现缺陷检测。偏振复原模型用于实现浑浊水体的清晰成像和水下缺陷图像复原,CAA-SRGAN超分辨率重建模型用于获取高分辨率水下缺陷图像,CBAM-YOLOv7缺陷检测模型用于检测水下结构常见的裂缝、孔洞和剥落缺陷,最终形成适用于浑浊水体水下结构的PCC-YOLOv7缺陷检测模型。分别通过与现有先进图像复原、超分辨率重建和目标检测方法进行对比分析,结果显示3个子模型的输出结果在各自评价指标中均有提升。PCC-YOLOv7缺陷检测模型对平均精确度指标(mAP_0.5、mAP_0.75、mAP_0.5~0.95)的提升幅度均值达33.5%。本文所构建的模型相较于现有模型,对浑浊水下检测场景有着更强的适配性,能够为浑浊水体中水下结构表观缺陷检测工作提供切实可行的方法。

高心墙堆石坝赋存地质与环境复杂,防渗结构渗透破坏引发的结构故障甚至溃坝现象时有发生,合理评估大坝渗透破坏风险十分关键。针对高心墙堆石坝渗透系数时变规律不清晰、渗透破坏时变风险模型刻画难度大的问题,基于有限元模拟和原观数据,构建了高心墙堆石坝与地基渗透系数反演代理模型,提出了渗透系数的时变规律及表征函数;基于渗透系数时变规律和Monte-Carlo法,构建了高心墙堆石坝渗透破坏时变风险分析模型,并以瀑布沟大坝为案例进行了验证。结果表明:瀑布沟大坝坝与地基渗透系数反演的平均相对误差为0.4%,精度较高,且心墙与覆盖层的渗透系数均呈递增趋稳的时变规律;大坝渗透破坏时变可靠指标β在4.33~5.37之间,β值均大于目标可靠指标,表明该工程渗透破坏风险低,与工程实际相符。

为保证盾构掘进施工路线尽可能地吻合设计轴线,提高工程施工质量,基于深度学习技术,提出了一种新的盾构姿态WM-CTA预测模型。该模型主要由数据前处理模块(小波变换、最大信息系数)和预测模块(卷积神经网络和注意力机制)2个框架组成,选取沈阳某在建盾构隧道某区间的监测数据对模型的预测性能进行验证。首先利用试验对数据进行了降噪和相关性分析,然后分析了模型的预测性能和泛化能力。试验结果表明:经过小波变换处理后的监测曲线更平滑,减少了数据点之间发生突变的频率;通过相关性分析发现盾构施工参数对盾构姿态的影响大于土体参数,可对输入参数维度进行精简;与4种基准模型进行对比发现,提出的WM-CTA预测模型预测效果最好,且计算效率较高,同时还通过试验进一步验证了该模型具有较好的泛化能力,可为以后类似的工程提供参考。

传统的大坝变形预测模型难以反映效应量与环境量之间存在的复杂非线性关系,预测效果常常不够理想。考虑到LSTM模型具有较强的非线性学习能力,PSO模型具有优越的全局寻优能力,将PSO应用于LSTM超参数全局寻优之中,建立基于PSO-LSTM的大坝变形组合预测模型,既可以解决传统预测模型在描述非线性特性方面的不足,又可以提高LSTM超参数取值的合理性,并为提升大坝变形预测精度提供一种新思路。运用所提出的方法,以某混凝土重力坝和某混凝土拱坝实测水平位移为例,进行了实例研究。研究结果表明,所提出的PSO-LSTM组合模型在模型的RMSE、MAE和R²等指标方面均优于单纯的LSTM模型和传统的监测统计模型,在3种预测模型中,PSO-LSTM组合模型的预测效果更优。

库水升降及降雨引起库岸地下水动态变化,地下水动态升降是顺层碎裂岩质滑坡变形破坏的直接诱发因素之一。通过三峡库区木鱼包滑坡近7 a监测数据、勘察资料等,研究了降雨、库水位与地下水位之间的定量关系,以及坡体变形对地下水的响应机制。研究表明:①地下水升降明显先于坡体变形,由降雨和库水位来预测地下水位,可进一步判断坡体变形情况,这为滑坡预警预报提供了有力依据。② 当坡体前部地下水位超过最高库水位(175 m)时,坡体变形在浮托减重效应影响下,动水压力作用逐渐增强。③获得了降雨抬升地下水位的阈值,持续降雨10 d降雨量达150 mm,坡体前部地下水位抬升3.22~6.88 m;30 d内降雨量300 mm,坡体前部地下水位抬升10 m左右。④2017年10—12月,前部平台QSK1钻孔地下水位高达184.2 m,比库水位(175 m)高近10 m,72 d坡体位移量为88.5 mm。该研究成果为库区顺层岩质滑坡监测预警、防灾减灾和库水调度提供理论支撑。

依托北京市东六环改造项目中京哈高速—潞苑北大街标段大直径泥水盾构隧道工程,结合地应力提取与掘进断面地层信息编码的地质数据处理方法,建立考虑地质条件的盾构参数智能预测模型,提出包含数据获取、数据预处理、数据分解、智能预测模型构建、模型训练与测试、结果评价与分析的一套智能预测分析方法,并对依托工程的盾构掘进参数进行了预测分析。分析结果表明在考虑地质条件后,盾构推力与刀盘扭矩的预测精度分别提高了38.53%与44.86%,保证了后续盾构掘进的施工安全。

在库坝区域边坡的连续变形监测应用中,地基合成孔径雷达干涉测量(GB-InSAR)容易受到测区大气环境变化干扰,导致其干涉图序列变形解算结果不够精确;同时大数量的连续GB-SAR影像处理过程较为耗时,影响了GB-InSAR整体解算效率和准实时的变形分析应用需求。针对上述问题,在常规多项式大气改正方法的基础上,引入了基于相位梯度的均匀格网采样法和干涉图叠加法,构建了一种基于抽稀高质量像元(HQP)的多项式大气改正方法,并将该方法应用于黄登水电站施工期右岸高边坡变形监测中。分析结果表明,二元多项式大气模型的RMSE均值为0.039 5 rad,明显优于一元模型和其他常规大气改正方法。该抽稀HQP方法RMSE均值为0.024 0 rad,同抽稀前精度相当,但整体解算时间由2.32 h大幅缩减至0.80 h,说明该方法能够在保证建模精度的基础上显著提高GB-SAR连续影像大气改正处理效率,可为边坡安全监测提供有效技术支持。

水电站工程安全监测仪器服役时长和时变特性,是影响工程安全监测设计、实施和运行管理的核心因素之一,然而国内外却鲜有对于安全监测仪器服役时变规律的研究。收集了我国10个水电站工程安全监测仪器服役表现的实际大样本数据,总结其重要时间节点,统计其监测仪器总失效率,揭示了安全监测仪器失效率的时变规律。结果表明:①施工期,7个工程监测仪器失效率增量模型符合正态函数,6个工程监测仪器失效率增量先增后减,拐点出现在施工期的51%~84%处;3个工程失效率持续上升。②运行期,工程监测仪器失效率均呈平稳上升趋势,符合线性模型。提出的安全监测仪器服役时变模型均能有效预估各工程安全监测仪器失效率变化情况。

针对隧洞穿越高压富水断层涌水突泥破坏性强、可灌性差的难题,以滇中引水工程香炉山隧洞过大栗树断裂次级断层涌水突泥灾害治理为例,通过分析隧洞涌水突泥洞段的地质特征、灾害过程与成因,提出了超前钻探、超前灌浆、超前泄压、超前支护组合处置对策。针对隧洞下半断面围岩碎粉含量高、阻止浆液扩散导致注浆效果不佳的问题,提出了置换式注浆加固技术,即注浆孔分A孔、B孔,通过A孔注浆,B孔泄压并冲出岩粉的方式进行注浆,以利于岩粉排出和浆液扩散,成功解决了香炉山隧洞DLI3+681.5涌水突泥灾害治理技术难题。研究成果对类似地质条件下隧洞涌水突泥灾害治理提供参考。

在富水、高压、不良地质条件下,如何评估施工过程中的突水突泥破坏风险等级,是地下隧洞施工设计的难题。正确分析地下隧洞开挖应力与渗流耦合互馈作用,是合理模拟地下隧洞施工开挖突水突泥演化过程的关键。首先,根据开挖荷载释放过程中的围岩损伤演化机理,提出了根据不同变形阶段围岩损伤特性计算相应围岩损伤系数的方法,并分析其对渗透系数的影响。然后,根据围岩破坏特性和突水破坏机理,提出了围岩临界突水系数的计算方法,并根据围岩损伤破坏和渗透破坏程度,将突水突泥破坏划分成4个风险等级,为地下隧洞施工开挖突水突泥破坏风险评估提供了依据。最后,根据渗流变化与应力损伤互馈耦合作用原理,提出了变损伤刚度、开挖荷载加权分级以及渗流荷载迭代施加的耦合计算方法,模拟了地下隧洞施工开挖突水突泥演化发展过程。将该方法运用于工程实际,证明了所提理论和分析方法的合理性,为地下隧洞开挖突水突泥演化判别提供了一个可行的分析思路。

为进一步深化对南水北调中线工程安阳河以北段冬季气温变化规律的认识,选取沿线10个国家气象站1981—2021年的冬季日平均气温数据,借助气候倾向率法、累积距平法、Mann-Kendall突变检验法和Morlet小波分析等方法,对南水北调中线工程安阳河以北段近41 a来的冬季气温变化特征进行了系统分析。结果表明:①在1981—2021年间,南水北调中线工程安阳河以北段各站冬季平均气温整体上表现为由南向北逐步降低的趋势,同时时间序列具有明显的同步相关性和冷暖同步特征,尤其是邻近站点之间,相关系数甚至超过0.9;②在近41 a间,各站点冬季季度及月度平均气温在波动中呈现明显的升温趋势,总体上可将1980年代中后期、2000年代初期和2010年代中前期作为沿线区域冬季平均气温突变的节点;③在研究时域内,南水北调中线工程安阳河以北段多数站点以40 a为第一主周期,冬季平均气温先后经历了低→高→低→高的循环交替,而且在未来一段时间内仍将继续偏高,为冬季实施冰期动态调度提供了有利条件。研究成果可为南水北调中线工程优化冰期输水调度、提升冬季渠道过流能力和防范各类冰冻灾害发生提供科学依据。

为探究正断层对下盘影响区基坑围护桩变形的影响特性,以深圳市某基坑工程为案例,采用数值模拟和现场实测等综合分析方法,分析了正断层对下盘影响区围护桩变形特性及不同断层滑移量、倾角和位置对围护桩变形的影响规律,并对断层参数进行了敏感性分析和正交试验。结果表明:正断层下围护桩的变形减小,减小趋势重心下移,桩身的上部变形影响明显大于下部;桩身变形与断层滑移量、倾角成反比,与断层距基坑的距离成正比,且最大变形变化率r(ΔZ_max/Δ)随断层滑移量和倾角增大呈近似指数函数减小,随断层距基坑的距离增大呈近似对数函数增大;通过断层滑移量、倾角和位置对围护桩最大变形的敏感性分析,得到断层倾角影响最大,滑移量次之,断层位置影响最小的结论;通过64组正交试验数据拟合,得到围护桩最大变形U_hm与指标η(\eta = \frac{\theta \mathrm{\pi }T}{180°S})具有良好的线性关系,进而得到正断层对下盘影响区基坑围护桩最大变形的预测模型和该项目预测公式。研究结果可为正断层区域类似地质条件下的基坑工程变形控制提供参考。

传统基于单一模型的混凝土大坝变形预测方法预测精度低,噪声稳健性差,泛化能力弱。为解决该问题,提出一种基于贝塔先验主成分分析(BP-PCA)与水循环算法(WCA)优化支撑向量机(SVM)相结合的混凝土大坝变形组合预测方法。首先利用所提BP-PCA模型对变形数据进行多尺度降噪分解,将复杂非线性、非平稳随机过程分解为一系列结构简单的主分量;然后利用WCA优化的SVM(WCA-SVM)对每个主分量分别建立预测模型;最后将多个主分量的预测结果综合叠加得到最终预测结果。以我国中部地区某混凝土大坝变形监测数据开展试验,结果表明,所提BP-PCA模型能够有效挖掘数据中隐含的趋势性和规律性信息,BP-PCA-WCA-SVM模型能够获得较高的预测精度,预测结果的相对误差为1.07%,误差均方根为0.065。相对于Kalman滤液、SVM、CNN 3种方法,所提模型预测性能提升均超过62%,并且具有更强的噪声稳健性和泛化能力。

“阶跃型”演化规律是滑坡在等速变形阶段受外界因素影响表现出的一种波动特性,具有变形周期长、机制复杂、临灾预警难度大的特点。基于“阶跃型”滑坡变形-时间曲线的特征和规律,通过引入“一个降雨过程”定义滑坡监测序列的多期降雨区间,将预警过程划分为前期+当期降雨和当期降雨两种模式,以诱因-时间-空间作为滑坡预警的重要指标,建立了滑坡综合预警判据模型,据此提出设计麻池村1号滑坡综合动态分级预警系统的方法。并结合麻池村1号滑坡的地质条件、监测数据等信息,深入分析了滑坡的变形演化规律及预警阈值。结果表明:①滑坡变形破坏模式为牵引式,属于典型的降雨诱发的“阶跃型”堆积层滑坡; ②前期降雨有效持时为10 d,前期+当期降雨模式下的降雨阈值分别为24、32 mm,当期降雨模式下滑坡的的降雨阈值为37 mm,滑坡的位移速率阈值为12 mm;③以降雨量、位移速率到达阈值时为Ⅲ级黄色预警中心面(线),构建滑坡的综合动态分级预警系统,将滑坡预警从传统的“阈值预警”升级为“过程预警”,使得预警更具针对性。

为了探究2022年9月5日四川甘孜州泸定县6.8级地震对大岗山高拱坝的影响,根据坝体及坝基上布置的由21台强震仪组成的强震监测系统监测记录,对泸定地震强震监测数据进行了时域和频域分析,总结了大岗山高拱坝在泸定地震中的动力响应规律。分析结果表明:泸定地震时坝顶与两岸坝肩的位移与加速度较大,加速度峰值最大为576.6 cm/s²,位于坝顶6^#坝段;大岗山高拱坝对频率范围为0.5~8 Hz的地震动响应最为明显;坝体高程对地震动响应具有放大效应,且顺河向加速度峰值放大该效应最明显。震后大坝运行状态稳定,整体受地震影响较小,但坝肩及两岸边坡处需引起重视。研究成果可为类似拱坝的安全运行提供参考。

针对滑坡监测数据库数据量大,进行关联规则分析需要多次扫描数据库导致运行时间长的问题,将Eclat关联规则算法引入滑坡监测数据挖掘中,通过K-means聚类法和Eclat算法对八字门滑坡的变形进行了分析。通过综合研究,选择了降雨量监测值和库水位监测值中的6种因素进行数据挖掘分析。分别挖掘了3种降雨因子和3种库水位因子与八字门滑坡多测点位移的关联性,并从八字门滑坡时空监测大数据挖掘出的全部关联规则中选择8个具有较高的置信水平的关联规则进行分析,发现降雨和库水位因素影响八字门滑坡运动的有效信息。结果表明,这种数据挖掘方法及其在监测数据研究中的高精度,有望广泛应用于库区堆积滑坡的数据分析和预测。

极端降水诱发的泥石流具有规模大、沿程侵蚀严重、淤埋范围大等特点,需要在小流域内修建梯级拦砂坝工程进行调控。在汶川地震影响区域内选取33条典型泥石流沟道进行调查,获取了105座拦砂坝特征参数以及梯级拦砂坝作用下的沟道冲淤形态变化,总结了拦砂坝的类型及判别方式,提出了实体坝与透过性坝的4种坝型组合模式、梯级坝的坝间距下2种回淤模式。进一步分析了梯级坝的特征模式(坝型组合模式、回淤模式)对沟道的冲淤形态(回淤坡降折减系数、冲刷深度相对系数)的影响。结果表明实体坝与透过性坝的组合模式(SO、OS模式)对沟道回淤形态影响明显,两种回淤模式中的互馈式运行模式对淤积形态影响显著,回淤相互不影响的独立运行模式下的冲刷作用更强烈。研究结果可为小流域内梯级坝的坝型选择、坝间距优化提供参考。

为掌握大渡河上游金川水电站工程及其所属区域的地质灾害特征及其分布规律,以该电站近坝区及库区近40 km的干流及其支流为研究对象,采用1∶10 000高精度遥感影像解译、无人机航空摄影、工程地质测绘和工程地质剖面测量等多种研究手段,复核了地质灾害类型和数量,研究了地质灾害与地形地貌、地质构造、工程地质岩组、斜坡结构、水文地质条件等孕灾因子的关系。结果表明:研究区内共发育地质灾害38处,地质灾害类型主要为泥石流、崩塌、坍岸、不稳定斜坡及滑坡等,其中泥石流和崩塌最为发育,分别占比28.95%和23.68%;崩塌、滑坡、不稳定斜坡、堆积体、塌岸多发育于<2 600 m高程的大渡河河谷地带;滑坡、不稳定斜坡分布的地形坡度多介于25°～45°之间,崩塌发育坡度一般>50°,堆积体和塌岸发育坡度一般在20°～35°;地质灾害集中在起伏度200～500 m的地区;平面曲率为直线坡最为发育的地质灾害占总数的48.1%,剖面曲率为直线坡最为发育的地质灾害占总数的59.3%;研究区共分8个岩组;地质灾害多发育在距河流100 m范围内。研究成果可为区域性的地质灾害防治工作提供更为科学精确的依据。