浅谈数值计算在水利工程中的应用

2015-08-15重庆交通大学河海学院重庆400074

江西建材 2015年22期

■陈聪 ■重庆交通大学河海学院，重庆 400074

1 引言

我国是水资源非常丰富的国家，也是世界上文明古国之一。早期的大禹治水;芍陂、都江堰、郑国渠等灌溉工程的兴建;以及大运河的挖掘，都是古代人民新修水利的辉煌成就。新中国成立之后更是注重水利的发展［1］。修建了那么多水利工程，事故在所难免。如水沟口二库事故检修闸门［2］;柘溪水电厂8 号机组事故［3］;旁多水利枢纽泄洪兼导流洞事故门［4］等，这些事故的发生，严重威胁到工作人员的生命安全，也威胁到下游居民的生命财产安全。因此工程修建前的设计中对个各个部分的安全稳定计算，以及工程修建后的安全加固至关重要。

2 水利工程中存在的问题

很多研究人员都对水利工程中存在的问题进行了分析，对问题产生的原因，包括容易出现问题的地点，哪种季节段容易出现这样的问题，还有出现该种问题现象的过程以及会造成怎样的灾害进行了研究，这对问题的预防还有该问题出现时的应对措施以及指导性的建议的提出具有很大的帮助。例如就有研究人员对小型水库的溃坝风险［5］;水利工程土石坝边坡稳定［6］水工钢闸门的震动失效处理［7］等进行了研究。这对预防水利灾害的产生，以及尽可能降低灾害对工作人员以及保护下游居民的财产安全都具有极其关键的作用。

2.1 重力坝

重力坝的根本特点是，在巨大的水压力(静水压力、扬压力为主)作用下，主要依靠坝体自重产生的抗剪(滑)力来维持稳定(不移动、不倾倒、不浮起)。

重力坝出现的主要问题主要是由于对坝基问题认识重要性不够而导致的失稳现象，据不完全统计，失事的重力坝中，有40%是由于地基缺陷引起的。由于重力坝的跨度通常很大，坝基所处地基不尽相同，因此，前期对于地基的处理相当的重要。

2.2 土石坝

土石坝是一种极为古老的坝型，主要是指由散状土、石等当地材料填筑而成的坝，其自然的剖面形状为梯形。因为可以就地取材、就近取材、且能节省大量水泥、木材和钢材，能适应不同的地形地质和气候条件，结构简单，运用管理方便，以及现代先进技术的发展等原因，土石坝得到了广泛的应用。

渗流是土石坝需要防范的一个主要问题，因为坝体坝基都是比较透水的，由于上下游的水位差，水库里的水将通过坝体、坝基及两岸向下游渗透，而坝体坝基的结合面又是渗流的集中区域。渗流过于明显会使蓄水量明显减少、降低坝的稳定性以及产生可能的渗透变形，因此，防渗设施在土石坝的设计中是必须要考虑的。根据我国早期的土石坝工程的资料统计，由渗流而引起的破坏事故约占31.7%。其中大型水库占11 座，而对于中小型水库而言，漫坝冲垮者最多，占51.5%。其次就是渗漏导致垮坝，占29.1%，由此可见渗漏造成的溃坝问题是相当严重的［8］。

2.3 拱坝

拱坝是一个空间的壳体挡水结构，平面上呈拱形拱向上游。在水和淤积泥沙等水平为主的荷载作用下，大部分荷载将通过拱的作用传递到两岸基岩上，少部分荷载将通过垂直梁的作用传给坝底岩基。

温度荷载是拱坝设计中的一项重要荷载，在靠近坝顶部分，温度变化影响更为显著。经长期运用，坝体温度不再随时间改变时，相应的坝体温度场称为稳定温度场。但即使坝内已无热源，边界温度仍是时间的周期函数。

3 数值计算方法的应用

数值计算主要研究如何利用计算机更好的解决各种数学问题，包括连续系统离散化和离散形方程的求解，并考虑误差、稳定性和收敛性等问题。从数学类型分，数值运算的研究领域包括数值逼近、数值微分和数值积分、数值代数、最优化方法、数值逼近、常微分方程数值解法、数值微分和数值积分、积分方程数值解法、偏微分方程数值解法、计算几何、偏微分方程数值解法、计算概率统计等。

水利工程中，主要应用了有限元的方法，利用ansys 或者anaqus 等有限元软件，对所需要的计算的部分进行分析。

3.1 数值计算在重力坝上的应用

重力坝的坝面由于分封，坝面的应力往往比较难计算，有人就通过对坝面的应力进行数值分析，得到较为精确的解，来保证设计的合理性。混凝土重力坝的应力计算分析是在坝体断面初步拟定的情况下进行的，其目的时判断坝体在运用期和施工期的强度和稳定是否满足要求。目前计算的主要方法是理论计算法，分为材料力学法、弹性理论法和弹塑性理论法，但材料力学法至今被认为是计算重力坝应力和设计坝剖面的基本的常用方法。在此基础上，还可以实现其数值计算的可视化。

3.2 数值计算在土石坝上的应用

数值计算的方法在土石坝中的应用相对而言是比较广泛的，在地基处理、边坡稳定以及坝体渗流等问题的分析中，都会采用此种方法进行计算。

边坡失稳的原因往往是因为降雨，降雨入渗滑坡是一种典型的非饱和渗流耦合边坡应力应变现象，需要研究瞬态和非饱和渗流场、土坡应力场以及各种边界条件。考虑渗流作用下的边坡分析，在常规方法中一般采用基于渗流力合力作用效果而引入的替代容重法，由于该法在复杂渗流条件下实用性会受影响，因此一些例如水流边坡稳定法，圆弧有限元法等改进的方法不断涌现出来。

土石坝底面积大，坝基应力较小，坝身具有一定的适应变形的能力，坝身断面分区和材料的选择也具有灵活性。所以，土石坝对天然地基的强度和变形要求，以及地基处理的标准等，都可以略低于重力坝，但是由于土石坝坝基本身的承载力、强度变形和抗渗能力等条件一般不如重力坝，一次坝基处理不能丝毫放松。张尚坤等［9］就研究了基于IGW 的各项异性地层渗流，实现对土石坝各向异性地层的二位渗流场真实区域的数值模拟;李永庆等［10］对新立城水库坝基渗流进行了分析以及对防渗措施进行了选择。土石坝的坝基处理对土石坝的安全有至关重要的影响。