库水作用形式对安全监控确定性模型的影响

王梓优

【摘要】建立混凝土坝确定性模型时通常假设水荷载以面力形式作用在库盘上，这与大坝实际情况不符。本文首先通过流固耦合算法比较水荷载以面力和渗流体力两种形式作用在库盘上引起库盘变形产生的坝顶水平位移，继而分析主要因素的影响，最后依据计算成果选择影响较大的因素并运用多项式拟合方法建立坝顶水平位移的修正系数回归方程，使得在不进行渗流计算的情况下，得到与开展流固耦合计算相似的结果，从而在基本不增加确定性模型计算工作量的前提下，明显提高计算精度。

【关键词】库水作用形式；水平位移；修正系数；确定性模型

引言

用有限元法计算荷载作用下坝体的位移并与大坝实测资料进行优化拟合，求出调整参数，从而建立起因变量和效应量之间的联系以更好地监测大坝的运行状况，即安全监控确定性模型的建立过程。其中在计算库水压力引起库盘变形产生的坝顶水平位移时所用到的假设是水压力以面力形式作用在库盘上，与大坝实际状态有所不符。本文从确定性模型水压分量计算的角度去研究这个问题，建立在多个因素影响下坝顶位移修正系数的回归方程，使得在以面力形式计算时，得到与开展流固耦合计算相同的结果，用这种方法建立的确定性模型更加接近大坝实际状态且更加简便。

1、水荷载两种作用形式的比较

用有限元计算不同水位作用下的坝体位移然后用多项式拟合

（1）

以上就是混凝土重力坝位移确定性模型中水压分量拟合公式的建立过程。

下面结合一个混凝土重力坝，通过流固耦合算法建立二维有限元模型，分析比较库水作用形式引起库盘变形对坝顶水平位移的影响。重力坝材料参数如下：密度（kg/m3）：坝体2350，坝基2620；弹性模量（GPa）：坝体20，坝基35；泊松比：坝体0.167，坝基0.22，孔隙比：坝体0.341，坝基0.352.

由上可得计算面力或渗流体力引起库盘变形产生的坝顶水平位移结果。进行有限元计算时对地基底部施加固定约束，两侧顺河流方向施加法向约束。由结果可知，作用在库盘上的水荷载按面力分析时与按渗流体力分析引起的坝顶水平位移之间有较大的区别。

2、坝顶水平位移的主要影响因素及位移修正

混凝土坝的水平位移的影响因素众多，其中渗透系数及防渗帷幕对在不同形式的库水作用下产生的坝顶水平位移影响不大，在位移修正系数回归计算时此因素可忽略。

根据以上分析，本文考虑用一个修正系数β来代替渗流体力引起库盘变形所产生的坝体水平位移，即：

U1×β=U （2）

式中：U1表示作用在坝面上的水荷载所产生的坝顶水平位移；

U表示总的坝顶水平位移；

β表示修正系数。

2.1坝高及弹性模量对坝顶水平位移的影响

计算结果表明：在水位较低时，由渗流体力引起的坝顶水平位移在总的坝顶水平位移中所占比例较大。随着水位的增加此比例逐渐减小，渗流体力引起的坝顶水平位移主要受水位坝高比值和坝基坝体弹性模量比值的影响，对于不同的坝高，当它们的水位在整个坝高中的比例相同时，所需的位移修正系数是相同的。

2.2位移修正系数的回归方程

根据上述计算结果及分析可知，按面力及渗流体力计算时，水位坝高比值及坝基坝体弹性模量比值是影响坝顶水平位移计算结果的主要因素，因此考虑，两个不同因素，由拟合多项式来确定各种因素作用下的位移修正系数，尝试通过对按面力计算结果进行修正，使其逼近按渗流体力计算的结果。

（注：为坝基弹性模量；为坝体弹性模量）

考虑到位移修正系数与这两个因素的关系曲线，由二次多项式来拟合关于修正系数的回归方程。

（3）

式中：x1为Er/Ec的值；x2为水位所占坝高的比例（即水位）

下面分析二次多项式的拟合效果并结合算例对公式的拟合效果加以验证。

根据绘制计算值与公式修正所得值的拟合效果如下图所示：

由上表的计算结果和位移拟合曲线可知，该修正公式精度较高，使得在不计算渗流体力的影响时经公式修正后能较好的模拟大坝的真实运行状态。

4、结语

由于实际工程的地形地质条件较为复杂，计算时通常会做一些简化，而这些简化的计算结果与大坝的实际情况有一定偏差。本文就水压分量计算时以面力和实际工程中以渗流体力的形式作用在库盘上引起库盘变形对坝顶水平位移的影响进行对比，得出两者之间存在一定差异的结论。针对上述问题，进一步计算主要因素对坝顶水平位移的影响，得出坝顶水平位移的修正系数，即在不进行渗流计算的情况下，得到与开展流固耦合计算相似的结果，使得確定性模型的精度得到提高。

参考文献

[1]王金昌，陈开页.ABAQUS在土木工程中的应用[M].杭州：浙江大学出版社，2006.

[2]左东启，王世夏，林益才.水工建筑物[M].南京：河海大学出版社，1995.

[3]黄耀英，沈振中.高混凝土坝水荷载引起的位移分量研究[J].长江科学院院报，2009，8（6）：23-25.

[4]顾冲时，吴中如.大坝与坝基安全监控理论和方法及其应用.南京：河海大学出版社，2006.

[5]吴中如.水工建筑物安全监控理论及其应用[M].北京：高等教育出版社，2003.

[6]费康，张建伟.ABAQUS在岩土工程中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2010.