庫水作用形式對安全監(jiān)控確定性模型的影響

王梓優(yōu)

【摘要】建立混凝土壩確定性模型時通常假設(shè)水荷載以面力形式作用在庫盤上，這與大壩實際情況不符。本文首先通過流固耦合算法比較水荷載以面力和滲流體力兩種形式作用在庫盤上引起庫盤變形產(chǎn)生的壩頂水平位移，繼而分析主要因素的影響，最后依據(jù)計算成果選擇影響較大的因素并運用多項式擬合方法建立壩頂水平位移的修正系數(shù)回歸方程，使得在不進行滲流計算的情況下，得到與開展流固耦合計算相似的結(jié)果，從而在基本不增加確定性模型計算工作量的前提下，明顯提高計算精度。

【關(guān)鍵詞】庫水作用形式；水平位移；修正系數(shù)；確定性模型

引言

用有限元法計算荷載作用下壩體的位移并與大壩實測資料進行優(yōu)化擬合，求出調(diào)整參數(shù)，從而建立起因變量和效應(yīng)量之間的聯(lián)系以更好地監(jiān)測大壩的運行狀況，即安全監(jiān)控確定性模型的建立過程。其中在計算庫水壓力引起庫盤變形產(chǎn)生的壩頂水平位移時所用到的假設(shè)是水壓力以面力形式作用在庫盤上，與大壩實際狀態(tài)有所不符。本文從確定性模型水壓分量計算的角度去研究這個問題，建立在多個因素影響下壩頂位移修正系數(shù)的回歸方程，使得在以面力形式計算時，得到與開展流固耦合計算相同的結(jié)果，用這種方法建立的確定性模型更加接近大壩實際狀態(tài)且更加簡便。

1、水荷載兩種作用形式的比較

用有限元計算不同水位作用下的壩體位移然后用多項式擬合

（1）

以上就是混凝土重力壩位移確定性模型中水壓分量擬合公式的建立過程。

下面結(jié)合一個混凝土重力壩，通過流固耦合算法建立二維有限元模型，分析比較庫水作用形式引起庫盤變形對壩頂水平位移的影響。重力壩材料參數(shù)如下：密度（kg/m3）：壩體2350，壩基2620；彈性模量（GPa）：壩體20，壩基35；泊松比：壩體0.167，壩基0.22，孔隙比：壩體0.341，壩基0.352.

由上可得計算面力或滲流體力引起庫盤變形產(chǎn)生的壩頂水平位移結(jié)果。進行有限元計算時對地基底部施加固定約束，兩側(cè)順河流方向施加法向約束。由結(jié)果可知，作用在庫盤上的水荷載按面力分析時與按滲流體力分析引起的壩頂水平位移之間有較大的區(qū)別。

2、壩頂水平位移的主要影響因素及位移修正

混凝土壩的水平位移的影響因素眾多，其中滲透系數(shù)及防滲帷幕對在不同形式的庫水作用下產(chǎn)生的壩頂水平位移影響不大，在位移修正系數(shù)回歸計算時此因素可忽略。

根據(jù)以上分析，本文考慮用一個修正系數(shù)β來代替滲流體力引起庫盤變形所產(chǎn)生的壩體水平位移，即：

U1×β=U （2）

式中：U1表示作用在壩面上的水荷載所產(chǎn)生的壩頂水平位移；

U表示總的壩頂水平位移；

β表示修正系數(shù)。

2.1壩高及彈性模量對壩頂水平位移的影響

計算結(jié)果表明：在水位較低時，由滲流體力引起的壩頂水平位移在總的壩頂水平位移中所占比例較大。隨著水位的增加此比例逐漸減小，滲流體力引起的壩頂水平位移主要受水位壩高比值和壩基壩體彈性模量比值的影響，對于不同的壩高，當(dāng)它們的水位在整個壩高中的比例相同時，所需的位移修正系數(shù)是相同的。

2.2位移修正系數(shù)的回歸方程

根據(jù)上述計算結(jié)果及分析可知，按面力及滲流體力計算時，水位壩高比值及壩基壩體彈性模量比值是影響壩頂水平位移計算結(jié)果的主要因素，因此考慮，兩個不同因素，由擬合多項式來確定各種因素作用下的位移修正系數(shù)，嘗試通過對按面力計算結(jié)果進行修正，使其逼近按滲流體力計算的結(jié)果。

（注：為壩基彈性模量；為壩體彈性模量）

考慮到位移修正系數(shù)與這兩個因素的關(guān)系曲線，由二次多項式來擬合關(guān)于修正系數(shù)的回歸方程。

（3）

式中：x1為Er/Ec的值；x2為水位所占壩高的比例（即水位）

下面分析二次多項式的擬合效果并結(jié)合算例對公式的擬合效果加以驗證。

根據(jù)繪制計算值與公式修正所得值的擬合效果如下圖所示：

由上表的計算結(jié)果和位移擬合曲線可知，該修正公式精度較高，使得在不計算滲流體力的影響時經(jīng)公式修正后能較好的模擬大壩的真實運行狀態(tài)。

4、結(jié)語

由于實際工程的地形地質(zhì)條件較為復(fù)雜，計算時通常會做一些簡化，而這些簡化的計算結(jié)果與大壩的實際情況有一定偏差。本文就水壓分量計算時以面力和實際工程中以滲流體力的形式作用在庫盤上引起庫盤變形對壩頂水平位移的影響進行對比，得出兩者之間存在一定差異的結(jié)論。針對上述問題，進一步計算主要因素對壩頂水平位移的影響，得出壩頂水平位移的修正系數(shù)，即在不進行滲流計算的情況下，得到與開展流固耦合計算相似的結(jié)果，使得確定性模型的精度得到提高。

參考文獻

[1]王金昌，陳開頁.ABAQUS在土木工程中的應(yīng)用[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2006.

[2]左東啟，王世夏，林益才.水工建筑物[M].南京：河海大學(xué)出版社，1995.

[3]黃耀英，沈振中.高混凝土壩水荷載引起的位移分量研究[J].長江科學(xué)院院報，2009，8（6）：23-25.

[4]顧沖時，吳中如.大壩與壩基安全監(jiān)控理論和方法及其應(yīng)用.南京：河海大學(xué)出版社，2006.

[5]吳中如.水工建筑物安全監(jiān)控理論及其應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2003.

[6]費康，張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2010.