第1章 绪 论
1.1 问题的提出
1.1.1 岩土类介质的工程特性
与其他类型的介质相比.岩土类介质具有很大的非确定性.这主要是由于岩土类材料多为天然沉积形成[1].成岩年代久远.难以详细了解和掌握形成机理､特性参数分布及空间上的结构状态.这一类材料与其他类型材料 (如各种人工合成材料 )相比具有较大的变异性[2].其工程特性具有明显的非确定性 ———随机性.
此外.在对岩土类介质进行模拟与仿真分析过程中.需要对各种性态复杂的岩土类材料建立相应的本构.甚至是广义本构计算模型.而这些模型本身对于参数的定义也具有很大的非确定性[3].天然材料的固有离散性导致各类工程量值的主观外延具有不同程度的非确定扰动特征[4 ~13].这种非确定性有别于前述的随机性.主要表现为对于参数外延的不明确性[14] ———模糊性.
岩土类介质多为三相系介质.表现为多孔的固相介质与空隙中的气､液相介质.本书主要涉及固､液两相介质.
1.1.2 岩土类介质的工程环境
本书所涉及的研究对象是在自然环境下运行的构筑物.其工程运行环境同样
具有某些非确定性.针对不同的非确定性也有不同的分析手段.可扼要地归结为如下几个方面[15 ~19] :
(1)随机性.造成这类非确定性的主要原因包括试验分析带来的非确定性以及统计分析带来的非确定性.表现为事件发生条件不充分.条件与结果之间没有必然的因果关系.事件的生成与否表现出不确定性.处理此类非确定性要借助于概率､统计､随机过程等手段.
(2)模糊性.造成这类非确定性的主要原因包括对象完整信息的不可预知性､确定外延所需的内涵具有互悖性.表现为研究对象外延不明确.即一个对象是否符合既定概念是难以确定的.一个集合或者一个域到底包含哪些对象也无法确定.表现为客观对象差异中间过度中的不分明性.考虑此类非确定性要借助于模糊数学中的概念.
(3)非确知性[20].此类非确定性主要是由知识的不完善性造成的.目前还没有很成熟的数学方法.工程中常借助于专家经验对这种非确定性进行评估､引入经验系数等手段.目前的做法是将此对象用颜色描述为三类问题 :白色系统､黑色系统和灰色系统.
本书中主要涉及前两种非确定性.
1.1 .3 岩土工程非确定性问题的提出及研究思路
从上述内容可以看出.在岩土工程领域.诸多非确定性是客观存在的.而且对分析结果有较大的影响.然而.长期以来由于受客观条件和认识水平所限.这一领域一直是由各种确定性理论所支配.以致在触及某些层次性和动态性较为明显､涉及因素复杂的问题时.无法合理地统筹各类因素.使得结论越加含混不准确[21].
在处理岩土类介质构筑物的可靠度问题时.确定性理论的弊端尤为明显.最早被用来进行结构安全分析的是所谓的允许应力法 ———按照规范取得相应的安全系数.若最大应力与允许应力的比值不大于规范给出的安全系数即认为是安全的.可以看出.在这类确定性分析方法中.大量的信息被简单的､经验性规范所忽略.有失客观.例如.在边坡稳定方面.通过一些岸坡稳定的研究实例发现.尽管计算的安全系数大于1.但斜坡仍然受到破坏.要将这些自然界的信息较为全面地反映出来就必须要借助于某些数学手段[22 ~24].岩土工程构筑物及结构物的许多物理力学量值外延定义并不明确.特征之本质不同于概率分布.其刻画物理力学场量的发育､演化程度的模糊性.由于这一特征和传统的工程力学概念区别较大.在工程中不甚普及.但又客观上影响､控制着岩土工程构筑物及结构物的安全状态[25 ~28].在堤防渗流分析方面.渗流场受到许多随机因素的制约和影响.如模型中各种参数的不确定性､模型定解条件 (初始条件和边界条件 )中包含的不确定性等.这些非确定性导致模型的解 (水头 )是有一定概率分布的随机函数.而传统的分析手段忽略了这些客观工程结构的物理特性[29 ~31].堤防等填筑工程在施工过程中的随机性及随机演变使构筑物的工作性态具有显著的非确定性.故此采用可靠指标､失效概率进行研究比之传统的应力应变分析更为直接.且易于给出简单明了的工程结果[32 ~35].首先用来作为可靠度分析的理论以概率､统计理论为基础.这类方法将结构失效定义为某些随机变量的函数.而结构失效就是一个随机事件[36.37].将结构的可靠度问题看成一个随机事件是比较大的进步.但还应当注意到.可靠度问题不仅具有前述的随机性.在很大程度上还具有模糊性[38 ~40].在这种岩土类两相介质构筑物的可靠性问题中.模糊性是一种更为深刻､更为普遍的不确定性[41].近年来.建筑工程质量几度下滑.工程事故屡有发生.建筑物坍塌､失效的情况呈上升趋势.甚至造成了众多的人身伤亡.业内人士对此高度关注.并反思我国建筑结构设计规范的可靠度水平是否偏低[42 ~46].
目前.我国缺乏堤防工程在复杂环境下运行的风险分析､安全评价理论体系以及实用模型[47].这种现状极大地阻碍了对汛期堤防系统的行为进行分析并做出相应的安全性评价.使我国的防汛抢险处于一种紧急被动､消极反应的局面.作为本书内容的一部分.如果不考虑堤防安全评价及模式识别的非确定性､不借助于相应的非确定性理论.要得出有价值的结论是比较困难的.
针对上述问题.首先.本书试图通过模糊数学的方法将堤防这一复杂大系统的模型较为客观又不失灵活性地建立起来.以便取得一些具有指导意义的结论.其次.为了将岩土类介质问题中客观存在的模糊､随机这两种非确定性更好地结合.并妥善地应用于实际工程的可靠度问题中.本书拟就某一具体问题运用模糊随机理论对其进行非确定性分析.并给出相应的模糊随机可靠度计算方法.再次.为了更好地反映两相介质渗流场客观存在的各种非确定性.本书将基于差分数值方法对只考虑随机性的渗流场做初步的分析研究.
1.2 堤防系统安全评价方法及安全模式识别概述
系统工程设计[48]将系统(system)､元件(component)､过程(process)服务于需求目标.应用基础科学､数学､工程科学实现资源向需求目标之间的转换.是一种决策过程 (通常要反复进行).
从系统的设计过程来看.应当包括以下几点 :目标及准则的确立､综合､分析､实施及评价.其中的核心部分是决策及分析.
根据Nadle的系统方法论.一个完整的设计过程应当包含以下几点 :
(1)设计是分层次的.这是理解设计系统的复杂程序､子系统及其联系的关键.
(2)设计是功能性的.设计成果必须服务于有效的功能.
(3)设计意味着决策.需经过详细评价后从多个方案中选择一个有效的方案.
(4)设计需反复进行.要对已有的设计结论 (甚或目的､功能等 )进行协调､变化､改进.
(5)设计追求最优化价值.设计的目的是寻求系统的局部最优.而不是系统中各单元因子的局部行为.
具体到堤防系统的问题.重点在于对堤防工程大系统的安全性作出评价.由于影响因素复杂.相互间又有着千丝万缕的联系.要真正实现此系统的功能.作出稳妥的决策､评价.设计方法的合理选用显得尤为重要.必须兼顾堤防系统安全概念的层次性､动态性.将安全评价定量化､模型化[49].
目前.国内外用来处理这类大系统建模最常见也最有力的工具是层次分析法(analytichierarchyprocess.AHP)[50].堤防为岩土类两相介质构筑物.在运用AHP理论建立系统模型时所涉及的各项系统指标中.定性､定量[51 ~55]相互混杂.对安全的定义也包含有较大的非确定性.此外.要将这些不同层次､不同地位的系统指标联系起来形成一个有机的评价体系.借助于其他的确定性手段要面临很大的困难.在这里引入一个目前系统工程界较为年轻､颇具生命力的理论工具 ———模糊一致理论(fuzzyconsistencytheorem)[56].这一理论工具对于处理模糊性较强､定性指标较多､层次性明显的评价体系十分有效.
系统设计要具有功能性､目的性.上述这种安全综合评价体系最终将以综合优度值的形式给出评价最优方案.这是建立在整个大系统之上的局部最优值.
在实际工程中.往往存在这样的情况.已经有了一个可以用来作为对照的理想优模型 ———根据既往历史得出的符合某一评价标准为最优的方案.需要对现有的一些待评价方案进行比照并从中选出一个相对最优方案.在比照过程中需要考虑的因素仍然具有前述大系统的特征.这类问题对堤防系统安全评价而言更具有现实意义.因为.其工程运行状况具有不可再现性.这样一来.历史运行状况便显得极端珍贵.也最具说服力.以其作为比照对象得出的评价结论也将具有很高的置信度.这种分析手段称为模式识别.
在模式识别过程当中.要借助于距离､贴近度[57]等数学工具的构造.本书将采用多维贴近度[18]来做识别.
1.3 当前国内外关于堤防大系统安全综合评价的研究现状
目前国际上已逐渐意识到水利工程项目各组成部分之间有着紧密的关系.水利枢纽整体安全性能与各构成建筑物的运行状况息息相关[58].要对这样一个巨大的系统工程作出一个真正意义上的综合安全性能评价.其难度是可想而知的.长期生活在碧海汪洋环抱之中的荷兰较早地提出了挡水建筑物(dike)的安全运行除了与自身工况有关外还和处于同一体系(ring)中其他建筑有关.但在文献[59]中.更多的内容还是集中在就系统的某一部分在考虑某一项或某几项影响因素的条件下.建立计算､评价模型.近几年国内也在这一领域开展了一些颇有意义的研究工作.童海鸿等[60]运用模糊综合评判的方法对三峡库区堤防护岸工程选址做了研究.汪华斌等[61]对清江鱼洞河滑坡体系作了一些有意义的分析研究.刘沐宇等[62]以原范例为基础对边坡稳定识别作了一些具有创新意义的工作.
1.4 模糊一致理论在岩土类介质构筑物大系统综合评价中的应用
由于岩土类介质构筑物大系统涉及诸多定性指标 (它们同时还具有很大的模糊性[51].这些指标在依附于同一大系统的同时.在各个子系统内又相互独立).在实现指标体系的综合时.在同一子系统内这种综合可以很容易地实现.但综合以后的判断矩阵[63]往往不再符合一致性.即AHP中的矩阵所应满足的四个条件 :①aii=1. ②aij=aik /ajk. ③aij=1 /aji. ④aij=ωi/ωj[64].在这里采用模糊一致理论中的三标度法首先给出模糊优先关系矩阵B.再将其改造为模糊一致矩阵.此时其满足一致性条件[41]
rij=ril-rj+0.5由文献[57]可知.通过蒙特卡罗五万次l模拟.在75%和95%的保证条件下.从实用的角度来讲.改造后的判断矩阵已经基本上满足严格意义下模糊一致矩阵所应满足的四个条件.从而可以作为一致矩阵在工程中应用.
1.5 可靠度理论概述
结构在规定的时间内与条件下完成预定功能的概率称为结构的可靠度.这里规定的时间指的是结构的设计基准期.如中小型挡水建筑物一般规定使用期为100 ~150年.规定条件指的是设计预先确定的结构所可能要经受的各种施工和使用条件.预定功能一般指结构在使用过程中应具有的四项基本功能[65] :
(1)能承受正常施工和正常使用时可能出现的各种作用 (包括荷载､外加变形､约束变形).
(2)在正常使用时具有良好的工作性能.
(3)在正常维护下具有足够的耐久性能.
(4)在偶然事件 (如爆炸､车辆撞击､超过设计烈度的地震､龙卷风等 )发生时及发生后.仍能保持必需的整体稳定性 (即结构仅产生局部的损坏而不至于发生连续倒塌).
完成各项功能的标志则由极限状态来衡量.结构整体或部分在超过某状态时.结构就不能满足设计规定的某一功能的要求.这种状态称为结构的极限状态[66].极限状态是区分结构工作状态为可靠或不可靠的标志.在结构设计当中.传统的设计原则用抗力的均值R同荷载效应的均值S进行比较.当R大于S时.说明结构可靠.在考虑到了结构可靠度存在有随机性时.即抗力､荷载效应､结构尺寸等都是一些随机变量.所以.存在着抗力R小于荷载效应S的可能性.这种可能性的大小就用所谓的失效概率Pf来表示.设结构的随机设计变量为X.功能函数表示为G(X)=R (X)-S (X).当G(X) >0时.表示结构可靠.其对应的概率称为可靠概率.用Pr表示.当G(X) <0时.
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