大坝背管混凝土裂缝全局优化网络的预测研究.pdf

第 1 7卷第 5期 2 0 0 5年 1 0月 三峡大学学报( 自然科 学版) J o f Ch i n a Th r e e Go r g e s Un i v ( Na t u r a l S c i e n c e s ) Vo I 2 7 No 5 0c t 2 0 05 大坝背管混凝 土裂缝全局 优化 网络 的预测研究 徐 福 卫 田 斌伏 义淑 ( 三峡 大 学 土木 水 电学 院 ， 湖 北 宜 昌4 4 3 0 0 2 ) 摘要 ： 基 于 人工 神经 网络 的全 局优 化 方 法 的基 本 理 论 ， 对 钢 衬 钢 筋 混凝 土 压 力 管道 外包 混 凝 土 结 构 裂缝 预测 进行 了研 究 ， 提 出 了基 于 神 经 网络 的管 道 混凝 土 裂 缝 预 测 模 型 并 重 点研 究 了水 头 的 变化对 压 力管道 混凝 土最 大裂 缝宽 度 的影 响 ， 最 后对 三 峡 电站 压 力 管道 混凝 土 结 构 裂缝 进 行 了预 测 关键词 ： 全局 优化 网络 ； 钢衬 钢筋 混凝 土 ； 压 力管道 ； 最大 裂缝 宽度 中图分 类 号 ：T V3 3 2 文献 标识 码 ： A 文 章编 号 ： 1 6 7 2 9 4 8 X( 2 0 0 5 ) 0 5 0 3 9 4 0 4 Pr e d i c t i o n o f Co nc r e t e Cr a c k W i d t h i n S t e e l l i n e d Re i nf o r c e d Co nc r e t e Pe ns t o c ks Ba s e d o n Gl o b a l Opt i m i z a t i o n Ne t wo r k XU Fu we i Ti a n Bi n Fu Yi s hu ( C o l l e g e o f Ci v i l& Hy d r o p o we r En g i n e e r i n g，Ch i n a Th r e e Go r g e s Un i v ，Yi c h a n g 4 4 3 0 0 2 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t Be c a us e c o nc r e t e c r a c k wi l l g r e a t l y a f f e c t t he s e c ur i t y o f c o nc r e t e p e n s t oc k i n hy dr o p owe r s t a t i o n， t he p ap e r a pp l i e s t he t h e o r y o f gl ob a l op t i mi z a t i o n me t ho d t o pr e di c t t he ma xi mum c o nc r e t e c r a c k wi dt h i n s t e e l l i n e d r e i nf or c e d c on c r e t e p e ns t o c k a n d br i n g f or wa r d a p r e di c t i n g mod e l b a s e d on t h e t h e o r y of a r t i f i c i a l ne u r a l n e t wor k( ANN ) And t h e e f f e c t o f wa t e r pr e s s u r e on c on c r e t e c r a c k wi dt h i S ma i nl y s t u di e d：c o nc r e t e c r ac k wi d t h of p e ns t o c ks i n Thr e e Gor g e s H y dr o po we r St a t i on i s p r e d i c t e d i n t he e n d Ke y wo r d s gl o ba l op t i m i z a t i on n e t wo r k； s t e e l l i ne d r e i nf or c e d c on c r e t e；pe ns t oc k； ma x i m u m c r ac k Wj d t h 2 0世纪 6 0年代 ， 前 苏联 首 创 钢 衬 钢筋 混 凝 土 管 ( 简 称坝 后背 管 ) 一 1， 并最 先运 用 于克拉 斯诺 雅 尔克 水 电站 ， 此后 的 四 、 五十年 中 ， 这 种管 型 得到 了广 泛 的发 展 前 苏联 和我 国 ( 包 括三 峡 ) 已有 十 几座水 电站 采用 了这种 管 型 坝后 背管 是一 种 经 济 、 安 全 ， 并且 有 广 阔 发 展前 景的水 电站输 水 管道 型式 它 是一 种钢 板 衬砌 与外 包 钢筋混 凝 土 联 合 承 受 内 水 压 力 的结 构 ， 具 有 很 多 优 点 ： 钢 衬 的厚 度 可 以较 明 管方 案 为薄 ， 并 允 许 外 包 混 凝土开裂 ， 可充分发挥钢材的抗拉作用 ； 在工程 布置 上 改 变 了传统 的 坝 内埋 管形 式 ， 将 压 力 管 道 布 置 在 下 游坝 面 ， 从 而 减 少 了管道 空 腔 对 坝 体 的削 弱 减 少 了坝体 施工 与管 道安 装施 工 的干扰 ， 有 利 于保 证施 工 收稿 日期 ： 2 0 0 5 0 7 2 8 作者简介 ： 徐福卫( 1 9 7 6 一 ) 男 ， 硕士研究生 质量 和进 度 ； 由于节 省 了 高强 钢 板 ， 在造 价 上 相 对 要 经 济些 ； 外包 混凝 土 还可 以防 止钢 管受 严寒 或 日照 等 温 度影 响小 钢衬 钢筋 混凝 土 压 力 管 道 正 在 被 日益 广 泛 地 用 于大 型水 电站 这 种管 道 的管径 随着 电站 规 模 的扩 大 而扩 大 ， 甚 至 达十几 m( 三峡 1 2 4 m) ， 大 坝背 管 工 作 时 ， 受 有 内压 、 温度 等 作用 ， 其 外 包钢 筋混 凝 土极 易 开 裂 管 壁裂 缝宽 度 的大小 ， 关 系 到管道 的 耐久性 设 计 时 ， 必 须对 工作 中的管 壁裂缝 宽 度作具 有 一定 精 度 的 估算 ， 以解 决裂 缝控 制 问题 导 致 压力 管道 混凝 土开 裂 的因素 较 复杂 ， 影 响 因 素较 多 ， 常 规 的计算 方法 很难 定量 地 计算 出混 凝 土 裂 缝 的最 大 宽度 如今 已广泛应 用 于科学 各 个邻 域 的 神 维普资讯 第 2 卷第 5期 徐福卫等 大坝背管混凝土裂缝 全局优化 网络 的预测研 究 3 9 5 经 网络 方 法 在 这 方 面 具 有 很 强 的 能 力 ， 神 经 网 络 ( ANN) 方 法 是一个 大规 模 的 非线 性 动力 系统 ， 具 有 很强 的非 线性 处理 能力 ， 其最 突 出 的特点 是 具 有 自 适 应 、 自组织 、 自学 习的能 力 ， 可 以处理各 种 变 化 的信 息 而且在处理信息的同时 ， 非线性动力系统本身也 在不断变化 ， 即可以通过 对信息的训练学 习， 实现对 任意复 杂 函数 的 映射 ， 从 而实现 各 个因素 与 目标 的 非 线性 连接 本 文就 全 局 优化 ( G a u s s N e wt o n ) 方 法 一 j 在 钢衬 钢筋 混凝 土 压 力 管道 外 包 混 凝 土裂 缝 宽 度 预 测 中的应 用进 行研 究 全局优化方法 网络模型 全局优 化算 法是 利 用全部 样本 的 信息 ， 求 出 连接 权 w 的修 正值 ， 再 对 w 进 行修 正 。 这种 方 法 在 电 气和 电磁方 面应 用较 多 ， 在边 坡稳 定方 面也 有应 用 当计算 过程 只含有一 个输 出 神经 元 时 ， 其 输 出 Y 与输 入 x一( ， ， ) 之 间的关 系可以写作 ， 一 ( x w ) ， _厂 ( ) 为激 发 函数 ， 通 常 选 择 S i g mo i d函数 则 这 种方 法对 连接 权 w 的 修 正 是 ： 假 设 给 出连 接 权 w 的初始值为 w( 0 ) ， 且使 ww( 0 ) +A W， A W 为 w 的 修正值 在 W( 0 ) 的附近 ， 对 ( x， W) 作泰勒 级数展 开 略 去 A W 的 高次项 ， 当 xX 时 ， 有 xp， w )一 ( xp， w )+ 其中 f 。 ( x ， w ) 一 x ， w ( 0 ) ， 一 1 w =w( 0) w一( Av, A 0 能量函数E一寺( f 一y ) ! ， 要使E值达到最 小 根据多元函数极值原理， 应该有 a E a w一0 ， 将 ， ( X w) 的泰 勒 级 数 展 开 式 代入 能 量 函 数 表 达 式 中 可 得 E 一 豁 一 ( w ) 一 旷 一 岫 其 中 可得 y 一 ( x户， w )+ + + 蛐 d u 同时 也可 得到 A W 各分 量 的具体 表达 式为 一 一 。 一 一 。 一 一 。 联立 以上 各式 ， 建 立方 程组 当 已知样 本 和 w 的初 始 值 w( 0 ) 后 ， 方程组中的各元素可以求 出， 这样就可 以 求 出 W 的修 正 值 A W ， 进 一 步求 得 w 的 新 值 WW f 0 + AW 2 网络学 习训练 根据 上述 神 经 网 络 的 理 论 编 制 F o r t r a n计 算 程 序一 ， 利 用李 家峡 水 电站 和其 他一些 电站 的 观测 资 料 ( 西北 勘测 设计 研 究 院 已建 水 电站 坝 后 背 管 工 程 裂 缝 观测 及调 查 分 析 报告 2 0 0 3 ， 6 ) ， 选 取 3 0个 样 本数 据对网络进行训练 ( 如表 1所示 ) ， 2 0个样本 数据 作 为网络 的 预测检 验 数据 ( 如 表 2所 示 ) 学 习训 练 时取 学 习效 率 7 7 为 0 8 5 ， 允许 误差 为 1 0 1 0 一 为 了加 快 网络 训练 和收 敛 ， 通常 在 网络训练 之 前对 样 本 进行 预处理 ， 常 用 的方 法 为 归 一 化方 法 ， 即 采 用一 般 应 用 公 式 式 中 ， a取 0 8 5 ， 1 7 一ma x 1 7 1 p ， 1 7 2 p ， ， ， = mi n p ， ， 选 择 S i g mo i d函数 作 为隐 含层 神 经元 的激 发 函数 ， 即 ( )一 1 1 + e x p ( 一 7 ) 一 网络结 构选 择多 输入 单输 出 的网络 模 型 ， 当迭 代 次数 达 到 2 0万 次时 收敛 表 1 学 习训 练 样 本 数 据 序号 上 水位 下 水位 裂 宽 度 i n i n m m 1 1 93 2 8 78 2 6 26 3 2 36 2 1 91 8 2 78 6 4 2 5 2 1 3 3 2 0 05 9 78 8 2 1 3 7 2 58 4 2 0 05 9 78 8 2 1 3 7 2 38 5 1 96 71 77 7 1 2 5 4 35 6 1 94 1 1 76 4 2 7 2 4 54 7 1 88 O 3 76 8 3 1 4 2 08 8 1 84 9 3 78 1 7 1 0 3 4 74 9 1 72 61 78 5 1 7 4 4 58 1 0 1 76 2 9 76 4 7 2 3 5 3 66 11 1 83 95 79 2 9 2 3 7 35 5 1 2 1 95 O3 79 5 26 5 4 17 1 3 】 86 36 7 7 68 27 2 3 67 维普资讯 3 9 6 三 峡 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) 2 0 0 5年 1 0月 续表 1 学 习训练样本数据 表 3预 测误差 E E 图 1 网络 预 测 效 果 图 通过图 1和表 3 显示的预测结果和实测值 ， 可以 看 出预测 结果 与实 测值 之 间 的差距较 小 ， 图 1中 的预 测值和实测值的拟合线吻合较好 ， 表 3中的预测误差 最大值只有 l 1 6 3 ， 说明编制 的程序切实可用 ， 预 测效果较好， 可以运用于实际工程的计算 3 三峡 水 电站 钢衬 钢筋 混凝土压 力 管 道裂缝预 测研 究 根据西 北勘 测设 计研 究 院的 已建水 电站 坝后 背 管工程裂缝观测及调查分析报告 ( 2 0 0 3年 6月) ， 选 维普资讯 第 2 7卷第 5期 徐福 卫等 大坝背管混凝土裂缝全局优化 网络 的预测研 究 3 9 7 取 国内外代 表性 较好 ， 资料 较 全面 的工程 资 料作 为 网 络 学 习与训 练 的样 本 ， 如 表 4所 示 表 4 已建水 电站坝后背管 与地面外 包钢 筋混凝土压力管道工程实例 工程名称 最大水头 钢 管半径 平均管壁厚度 最大环筋折算 厚度 外包混凝 土厚度 裂缝 宽度 f m m ram ram m ram 萨扬舒 申斯克 ( 前 苏联 ) 泽雅( 前苏联 ) 扎戈尔 ( 前 苏联 ) 东江 ( 中国) 紧水滩 ( 中国) 李家峡 ( 中 国) 五强溪 ( 中国) 万家寨 ( 中国) 公伯峡 ( 中国) 三 峡 ( 中 国 ) 3 75 3 9 3 7 5 2 6 2 2 5 4 O 5 6 3 75 4 O 6 2 2 67 2 2 4 2 51 1 2 2 6 2 1 4 5 1 3 O 1 2 2 1 3 1 1 6 1 O5 O O 1 5 1 O O 2 2 O 6 5 O 5 3 O 0 8 3 ( 施 工 期 ) 根 据 输 入 、 输 出 的变 量 数 确定 输 入 层 、 输 出 层 的 结点 数分 别 为 5个 、 1个 ， 故 隐 含 层 的 结 点 个数 为 6 个 。 因此 确定 网络模 型 的结 构为 5 6 1型 学习训练 时取学 习效 率 刁为 0 8 5 ， 允许 误 差 为 1 0 1 0 ， 当样本迭 代次数 为 2 1万次达到精度 要求 根据 关于裂 缝 宽度 的 网络 训练 结 果 ， 仅 模 拟 三峡 水电 站 的蓄水过 程 时 ， 预 测其 钢衬 钢筋 混凝 土 压 力管 道 的最 大裂 缝宽 度 的变化 值 ， 绘 制 出水 头 一裂 缝 宽度 的关 系 曲线 如 图 2所 示 暑 暑 豫 K 略 图 2 水 头 变化 与最 大 裂 缝 宽 度 变 化 关 系 预 测 图 通过 对 以上样 本进 行充 分地 学 习训练 ， 从 预 测 的 最 大裂 缝 宽度 中可 以看 出 ， 考 虑施 工 期 裂缝 ( 裂缝 宽 度 为 0 8 3 mm) 时 ， 随着 水 位 上 升 ， 水 头 的增 大 ， 压 力 管道 的混凝 土 最大 裂缝 宽度 也随 着发 展 ， 当水 位 最 高 时 ， 即水 头最大 ， 最 大裂 缝宽 度达 到 3 4 9 mm； 不 考虑 时 ， 随 着水 位上 升 到最高 ， 其 最大 值仅 为 1 1 3 mm 可 见水 位对裂 缝 宽度 的影 响 比较 明显 ， 尤 其是 施 工 期就 已经 出现裂 缝 影响更 为 显著 ， 对压 力 管道 的安 全 影响 也较大 因此施工时应严格控制施工程序 ， 确保施工 质量 4 结 论 研 究 充 分 利 用 了 B P网络 中 的全 局 优 化 算 法 的 模型实施容易 、 运行速度较快 、 误差修正方便 、 操作简 单 、 计 算精 度较 高 等 优 点 从 网络 模 型 对 三峡 水 电 站 钢衬 钢筋混 凝 土 压 力 管道 的最 大 裂 缝 宽 度 的实 例 分 析表 明 ： 采 用最 大 水 头 、 钢 管 半径 、 平 均 管 壁 厚 度 、 最 大环筋 折算 厚度 、 外 包混 凝土 厚度 和最 大 裂缝 宽 度作 为输入 和输 出 ， 建 立 的 5 6 1预 报 模 型 是 合 理 的 ， 预 测结 果 也是 可信 的 由于受样 本 的影 响 ， 研 究 中没 有考 虑温 度 对混 凝 土 开裂 以后 裂缝 宽度 变化 的影 响 ， 有待 以后 进 一 步搜 集 相关 资料进 行深 入研 究 参 考文献 ： 1 张超然 前苏联钢衬钢筋混 凝土压力 管道经验及 其应用 J 中国三峡建 设 ， 2 0 0 1 ， 5 ： 7 1 0 2 伍鹤皋 水电站钢衬钢筋混 凝土压 力管道 M 北京 ： 中 国水利水 电出版社 ， 2 0 0 0 3 周 志 华 神经 网 络及 其应 用 M 北京 ： 清华 大 学 出版 社 ， 2 0 0 4 4 赵林明 多层前向人工神经 网络 M 郑州 ： 黄河水 利 出 版 社 ， 1 9 9 9 5 阎平凡 ， 张长水 人工神经 网络 与模 拟进化 计算 M 北 京 ： 清华 大学 出版社 ， 2 0 0 0 6 苑 希 民 神经 网络 和 遗 传算 法 在 水 科 学 邻 域 的 应 用 M 北 京 ： 中国水利水 电出版 社 ， 2 0 0 2 7 彭国伦 F o r t r a n 9 5程序设 计 M 北 京 ： 中 国电力 出版 社 ， 2 0 0 2 责任编辑王康平 5 O 4 O O 5 O 5 5 O 1 3 O 2 1 1 3 1 1 2 孙 I三 I三 7 O O 2 5 2 1 5 维普资讯