基于物理学原理的拱坝事故后区域裂缝诊断方法

《Engineering Structures》：A physics-informed approach for post-event regional diagnosis of arch dam cracking

　　**摘要**
从常规可用的位移数据中快速定位拱坝开裂事件在事后受到位移响应的空间平滑处理以及对额外传感设备的限制。我们提出了一种基于物理原理的区域性筛查框架，该框架利用匹配记录中的径向位移曲率（RDC）来进行分析。按照试荷方法，将大坝分解为拱形单元和悬臂单元；利用荷载分担权重融合方向性RDC异常值，将其聚合成区域评分，并通过Bonferroni校正显著性检验进行验证。在13个模拟的Pacoima开裂案例中，RDC在每个案例中均将开裂区域列为首位，并在13个案例中的10个案例中保持了显著的区域对比度。与基于位移的其他方法相比，该方法能够识别出被误分类的早期基础开裂情况。噪声实验表明，基于RDC的诊断方法对测量噪声非常敏感，且检测能力是首先受到影响的环节。在测试的不同站点间距中，8-14米的间距能够实现接近无噪声的检测效果，而14米的间距具有最高的噪声容忍度。因此，RDC能够在匹配的模拟条件下支持可解释的检测优先级排序。

**引言**
在全球气候变化的背景下，极端自然灾害频率的增加对关键基础设施的安全性构成了严重挑战[1]。作为重要的水力结构，拱坝因其卓越的经济效率、高过载能力和较大的安全裕度而被广泛应用于峡谷地区[[1], [2], [3], [4]]。然而，在长期使用过程中，拱坝容易因热效应、化学降解、外部过度加载事件以及设计或施工方面的潜在缺陷而发生局部开裂[5,6]。作为一种主要承受压缩力的静不定结构，拱坝对轻微的局部缺陷具有较高的安全裕度；但一旦裂缝继续扩展或穿透，它们会降低结构刚度、增加变形，危及大坝稳定性，在严重情况下可能导致渗漏和其他次生灾害[[7], [8], [9]]。因此，早期识别和定位裂缝是拱坝安全评估的实际优先事项。

为应对与裂缝相关的风险，人们投入了大量精力进行裂缝分析，主要分为三个方向：首先，数值模拟和物理模型测试是理解失效机制的基本工具。包括有限元方法（FEM）[10,11]、扩展有限元方法（XFEM）[12]在内的数值方法已被广泛采用，并常结合各种损伤模型[13,14]来模拟不同情景下的裂缝传播和损伤演变。其次，基于振动的结构健康监测方法也被采纳，利用模态参数（如自然频率变化和模态形状曲率）来评估整体结构完整性[[18], [19], [20]]。第三，新兴的传感和基于视觉的技术为检测提供了新的途径。位移测量可以捕捉整体和局部的结构响应，但其对微小局部变化的处理能力取决于测量精度和空间覆盖范围[20]。微地震监测系统、声发射技术、热成像和无人机（UAV）可以为检测活跃裂缝及其来源提供补充信息[10,21,22]。通过将多传感器数据与机器学习模型相结合，可以提高对局部裂缝引起的损伤的敏感性，并根据残差的联合概率分布来检测损伤相关异常[23,24]。

与此同时，大坝安全诊断正在从纯粹的确定性条件评估转向监测数据的统计分析[25]。随机动态损伤评估明确考虑了材料参数的空间变化和随机地面运动激励，以量化拱坝的损伤变异性[26]，同时探索了多指标融合策略来结合工程尺度数值模型中的互补响应指标[27]。尽管取得了这些进展，实际的拱坝裂缝诊断仍面临一些挑战。传统的位移监测方法在跟踪整体结构行为方面广泛可用且可靠，但其积分变形响应可能无法为局部刚度损失提供足够的空间对比度，尤其是在早期开裂阶段。虽然先进的传感技术可以提高观测能力，但可能需要额外的仪器、维护和现场特定部署。因此，需要一个互补的工作流程，将配对的位移（事件前和事件后）记录处理为可解释的区域性筛查信息和检测优先级。在事后场景中，这样的工作流程可以利用位移记录来指导并优先安排后续的详细检查，对可疑区域进行排序并提供置信度指标，从而补充而非替代额外的传感、详细数值分析和现场验证。本研究通过三种方式满足这一需求，促进了拱坝开裂的事后区域性筛查：(i) 我们开发了一种基于物理原理的程序来处理配对的径向位移记录，利用径向位移曲率（RDC）提取与局部刚度损失相关的空间特征；(ii) 我们制定了一个决策导向的筛查程序，通过明确指定的方向性权重、区域聚合、参数化的相对排序转换和统计检验来对可疑区域进行排序，区分局限性异常和空间分布响应；(iii) 我们通过一个具有13个预定义开裂案例的双曲率拱坝的数值案例研究，评估了该程序在受控观测噪声和不同站点间距下的信息完整性。

**Pacoima大坝的裂缝特征**
Pacoima大坝（图4）位于加利福尼亚州圣费尔南多市的Pacoima溪流上，是一座用于区域洪水的混凝土拱坝。这座双曲率大坝建于1925年至1929年间，坝顶高度为113米，长度为180米。建成时，它是美国最高的拱坝。坝体厚度从坝顶的3米渐变到底部的30米。在左侧支墩处建造了一个推力块以提供支撑和稳定性。Pacoima大坝历史上曾经历过两次裂缝事件。

**径向位移变化与RDC响应**
在本节中，计算了径向位移（??）和RDC场，以评估不同裂缝情景下的结构响应。对于每个情景，选择了位于指定开裂位置附近的拱形单元和悬臂单元进行详细分析。径向位移（??）数据来自有限元模拟，作为主要输入。结果中的径向位移以毫米（mm）为单位量化。

**结论**
本研究开发了一种基于物理原理的工作流程，用于从匹配的径向位移记录中事后区域性筛查拱坝开裂情况。试荷法下的拱形-悬臂单元分解使RDC能够突出显示与局部刚度损失相关的曲率异常。随后通过方向性融合、区域聚合和Bonferroni校正测试，得到排序后的检测区域和基于对比度的置信度标志，而不是简单的几何裂缝声明。

**作者贡献声明**
吴瑞奇：撰写——原始草案、可视化、方法论、数据整理、概念化；杜晓虎：撰写——审阅与编辑、验证、概念化；李子伟：撰写——审阅与编辑、软件、数据整理；齐慧军：撰写——原始草案、可视化、方法论；李同春：监督、软件、资金获取；林朝阳：撰写——审阅与编辑、可视化。

**利益声明**
作者声明不存在可能影响本文工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

**致谢**
我们感谢中央高校基本科研业务费（B250201190）和中国科学技术协会2025年青年科技人才培育项目博士专项计划的资助。

**作者单位**
河海大学水利水电工程学院，南京，210098，中国