淺談數(shù)值計(jì)算在水利工程中的應(yīng)用

■陳 聰 ■重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074

1 引言

我國是水資源非常豐富的國家，也是世界上文明古國之一。早期的大禹治水;芍陂、都江堰、鄭國渠等灌溉工程的興建;以及大運(yùn)河的挖掘，都是古代人民新修水利的輝煌成就。新中國成立之后更是注重水利的發(fā)展［1］。修建了那么多水利工程，事故在所難免。如水溝口二庫事故檢修閘門［2］;柘溪水電廠8 號(hào)機(jī)組事故［3］;旁多水利樞紐泄洪兼導(dǎo)流洞事故門［4］等，這些事故的發(fā)生，嚴(yán)重威脅到工作人員的生命安全，也威脅到下游居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此工程修建前的設(shè)計(jì)中對(duì)個(gè)各個(gè)部分的安全穩(wěn)定計(jì)算，以及工程修建后的安全加固至關(guān)重要。

2 水利工程中存在的問題

很多研究人員都對(duì)水利工程中存在的問題進(jìn)行了分析，對(duì)問題產(chǎn)生的原因，包括容易出現(xiàn)問題的地點(diǎn)，哪種季節(jié)段容易出現(xiàn)這樣的問題，還有出現(xiàn)該種問題現(xiàn)象的過程以及會(huì)造成怎樣的災(zāi)害進(jìn)行了研究，這對(duì)問題的預(yù)防還有該問題出現(xiàn)時(shí)的應(yīng)對(duì)措施以及指導(dǎo)性的建議的提出具有很大的幫助。例如就有研究人員對(duì)小型水庫的潰壩風(fēng)險(xiǎn)［5］;水利工程土石壩邊坡穩(wěn)定［6］水工鋼閘門的震動(dòng)失效處理［7］等進(jìn)行了研究。這對(duì)預(yù)防水利災(zāi)害的產(chǎn)生，以及盡可能降低災(zāi)害對(duì)工作人員以及保護(hù)下游居民的財(cái)產(chǎn)安全都具有極其關(guān)鍵的作用。

2.1 重力壩

重力壩的根本特點(diǎn)是，在巨大的水壓力(靜水壓力、揚(yáng)壓力為主)作用下，主要依靠壩體自重產(chǎn)生的抗剪(滑)力來維持穩(wěn)定(不移動(dòng)、不傾倒、不浮起)。

重力壩出現(xiàn)的主要問題主要是由于對(duì)壩基問題認(rèn)識(shí)重要性不夠而導(dǎo)致的失穩(wěn)現(xiàn)象，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，失事的重力壩中，有40%是由于地基缺陷引起的。由于重力壩的跨度通常很大，壩基所處地基不盡相同，因此，前期對(duì)于地基的處理相當(dāng)?shù)闹匾?/p>

2.2 土石壩

土石壩是一種極為古老的壩型，主要是指由散狀土、石等當(dāng)?shù)夭牧咸钪傻膲?，其自然的剖面形狀為梯形。因?yàn)榭梢跃偷厝〔?、就近取材、且能?jié)省大量水泥、木材和鋼材，能適應(yīng)不同的地形地質(zhì)和氣候條件，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)用管理方便，以及現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展等原因，土石壩得到了廣泛的應(yīng)用。

滲流是土石壩需要防范的一個(gè)主要問題，因?yàn)閴误w壩基都是比較透水的，由于上下游的水位差，水庫里的水將通過壩體、壩基及兩岸向下游滲透，而壩體壩基的結(jié)合面又是滲流的集中區(qū)域。滲流過于明顯會(huì)使蓄水量明顯減少、降低壩的穩(wěn)定性以及產(chǎn)生可能的滲透變形，因此，防滲設(shè)施在土石壩的設(shè)計(jì)中是必須要考慮的。根據(jù)我國早期的土石壩工程的資料統(tǒng)計(jì)，由滲流而引起的破壞事故約占31.7%。其中大型水庫占11 座，而對(duì)于中小型水庫而言，漫壩沖垮者最多，占51.5%。其次就是滲漏導(dǎo)致垮壩，占29.1%，由此可見滲漏造成的潰壩問題是相當(dāng)嚴(yán)重的［8］。

2.3 拱壩

拱壩是一個(gè)空間的殼體擋水結(jié)構(gòu)，平面上呈拱形拱向上游。在水和淤積泥沙等水平為主的荷載作用下，大部分荷載將通過拱的作用傳遞到兩岸基巖上，少部分荷載將通過垂直梁的作用傳給壩底巖基。

溫度荷載是拱壩設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要荷載，在靠近壩頂部分，溫度變化影響更為顯著。經(jīng)長期運(yùn)用，壩體溫度不再隨時(shí)間改變時(shí)，相應(yīng)的壩體溫度場稱為穩(wěn)定溫度場。但即使壩內(nèi)已無熱源，邊界溫度仍是時(shí)間的周期函數(shù)。

3 數(shù)值計(jì)算方法的應(yīng)用

數(shù)值計(jì)算主要研究如何利用計(jì)算機(jī)更好的解決各種數(shù)學(xué)問題，包括連續(xù)系統(tǒng)離散化和離散形方程的求解，并考慮誤差、穩(wěn)定性和收斂性等問題。從數(shù)學(xué)類型分，數(shù)值運(yùn)算的研究領(lǐng)域包括數(shù)值逼近、數(shù)值微分和數(shù)值積分、數(shù)值代數(shù)、最優(yōu)化方法、數(shù)值逼近、常微分方程數(shù)值解法、數(shù)值微分和數(shù)值積分、積分方程數(shù)值解法、偏微分方程數(shù)值解法、計(jì)算幾何、偏微分方程數(shù)值解法、計(jì)算概率統(tǒng)計(jì)等。

水利工程中，主要應(yīng)用了有限元的方法，利用ansys 或者anaqus 等有限元軟件，對(duì)所需要的計(jì)算的部分進(jìn)行分析。

3.1 數(shù)值計(jì)算在重力壩上的應(yīng)用

重力壩的壩面由于分封，壩面的應(yīng)力往往比較難計(jì)算，有人就通過對(duì)壩面的應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值分析，得到較為精確的解，來保證設(shè)計(jì)的合理性?；炷林亓蔚膽?yīng)力計(jì)算分析是在壩體斷面初步擬定的情況下進(jìn)行的，其目的時(shí)判斷壩體在運(yùn)用期和施工期的強(qiáng)度和穩(wěn)定是否滿足要求。目前計(jì)算的主要方法是理論計(jì)算法，分為材料力學(xué)法、彈性理論法和彈塑性理論法，但材料力學(xué)法至今被認(rèn)為是計(jì)算重力壩應(yīng)力和設(shè)計(jì)壩剖面的基本的常用方法。在此基礎(chǔ)上，還可以實(shí)現(xiàn)其數(shù)值計(jì)算的可視化。

3.2 數(shù)值計(jì)算在土石壩上的應(yīng)用

數(shù)值計(jì)算的方法在土石壩中的應(yīng)用相對(duì)而言是比較廣泛的，在地基處理、邊坡穩(wěn)定以及壩體滲流等問題的分析中，都會(huì)采用此種方法進(jìn)行計(jì)算。

邊坡失穩(wěn)的原因往往是因?yàn)榻涤?，降雨入滲滑坡是一種典型的非飽和滲流耦合邊坡應(yīng)力應(yīng)變現(xiàn)象，需要研究瞬態(tài)和非飽和滲流場、土坡應(yīng)力場以及各種邊界條件?？紤]滲流作用下的邊坡分析，在常規(guī)方法中一般采用基于滲流力合力作用效果而引入的替代容重法，由于該法在復(fù)雜滲流條件下實(shí)用性會(huì)受影響，因此一些例如水流邊坡穩(wěn)定法，圓弧有限元法等改進(jìn)的方法不斷涌現(xiàn)出來。

土石壩底面積大，壩基應(yīng)力較小，壩身具有一定的適應(yīng)變形的能力，壩身斷面分區(qū)和材料的選擇也具有靈活性。所以，土石壩對(duì)天然地基的強(qiáng)度和變形要求，以及地基處理的標(biāo)準(zhǔn)等，都可以略低于重力壩，但是由于土石壩壩基本身的承載力、強(qiáng)度變形和抗?jié)B能力等條件一般不如重力壩，一次壩基處理不能絲毫放松。張尚坤等［9］就研究了基于IGW 的各項(xiàng)異性地層滲流，實(shí)現(xiàn)對(duì)土石壩各向異性地層的二位滲流場真實(shí)區(qū)域的數(shù)值模擬;李永慶等［10］對(duì)新立城水庫壩基滲流進(jìn)行了分析以及對(duì)防滲措施進(jìn)行了選擇。土石壩的壩基處理對(duì)土石壩的安全有至關(guān)重要的影響。

3.3 數(shù)值計(jì)算在拱壩上的應(yīng)用

溫度荷載是在設(shè)計(jì)拱壩中必須考慮的一項(xiàng)荷載，如果在施工期間不能很好的控制溫度，那么對(duì)大壩整體穩(wěn)定會(huì)相當(dāng)?shù)牟焕?，目前拱壩?guī)范中溫度荷載不能較好地考慮重力拱壩內(nèi)部溫度的非線性變化，因此黃耀英等對(duì)混凝土重力拱壩溫度荷載的分析方法進(jìn)行了改進(jìn)。

4 結(jié)語

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)值計(jì)算的方法在水利工程中的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛，更多的實(shí)用的方法也會(huì)不斷的出現(xiàn)，工程的安全性也會(huì)得到不斷的提高。

［1］顏宏亮，閆濱.水工建筑物［M］.北京:中國水利水電出版社，2012:1-157.

［2］姚福成.水溝口二庫事故檢修閘門的設(shè)計(jì)［J］.中國科技投資，2014(A13):251.

［3］唐凱，譚劍輝.柘溪水電廠8 號(hào)機(jī)組事故配壓閥和分段關(guān)閉閥的改造［J］.水電站機(jī)電技術(shù)，2014(3):105-107.

［4］袁偉，刁顏斌，陸陽，張春豐.旁多水利樞紐泄洪兼導(dǎo)流洞事故門6000KN 級(jí)定輪研究［J］.東北水利水電，2014(9):9-13.

［5］李超，呂巖，陳更新.小型水庫的潰壩風(fēng)險(xiǎn)分析及對(duì)策探討［J］.內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2014(13):65-66.

［6］楊慧玲.關(guān)于水利工程土石壩邊坡穩(wěn)定設(shè)計(jì)的思考［J］.中國科技投資，2014(A15):418.

［7］郭利，姜勇.水工鋼閘門的震動(dòng)時(shí)效處理［J］.廣西水利水電，2014(4):10-12.

［8］鄧現(xiàn)國.土石壩滲流分析與控制［J］.科技風(fēng)，2011(7):122.

［9］張尚坤，陳秀.基于IGW 的各項(xiàng)異性地層滲流數(shù)值計(jì)算分析［J］.吉林水利，2014(5):9-13.

［10］李永慶，趙清.新立城水庫壩基滲流分析及防滲措施選擇［J］.吉林水利，2013(1):4-6.