基于数值计算在水利工程中的应用分析

唐炜

摘 要：水利工程的修建，不仅解决了人们生活上的问题，同时对于提高国家经济发展也起到了重要作用。水利工程建设庞大，如若不能及时妥善解决修建过程中出现的问题，将会发生难以挽回的后果。随着水利工程和计算技术的不断发展发展，数值计算在水利工程的各个方面都有应用，这一应用对提高水利工程的安全稳定性起到了很大的作用，并且可以节省大量的人工计算时间，在人力、物力上都有显著的提高。

关键词：数值计算 水利工程 应用分析

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）11（a）-0062-02

水利工程的修建历史悠久，最早可追溯到大禹时期较为著名的大禹治水。古人重视水利工程的建设，原因在于它不仅促进了农业的发展，同时也促进了经济的发展。新中国成立后更是重视水利工程的建设，由于水利工程项目建设庞大，修建过程中难免不会出现小失误，而往往是小失误才可能导致大事故的发生。一旦发生水利事故，将会严重威胁生活在下游的百姓的生命和财产安全。所以，在工程建设的整个阶段都需要投入细心和耐心，在前期的计算阶段就要严格核查，不放过每一处小错误。

1 水利工程中存在的问题

水利工程是民生问题的关键所在，工程质量是大家关注的焦点问题。工程的整个设计阶段和施工阶段都会受到某些客观因素和意料不到的环境因素影响，给水利工程设计增加难题。所以，水利工程中存在的问题不容忽视，而对每个问题都必须仔细周全的分析。在设计阶段就要对施工地点的水文地质情况以及对实际地形地貌进行勘察，近些年来的降雨情况等问题都要仔细调查，将环境影响尽可能降至最低。同时要对可能出现问题的地点、产生原因、问题出现是否有规律性以及相应问题的紧急应对措施都要进行分析研究。如对小型水库引起溃坝风险的可能因素，溃坝后的紧急抢救措施，水工铜闸门的震动失效处理方法等问题进行研究。这些研究结果都能在很大程度上降低溃坝对工作人员和下游百姓的人身和财产安全，预防并减少灾害带来的经济损失。

1.1 重力坝

重力坝的根本特点是，在巨大的水压力及其他荷载的作用下，主要依靠坝体自重产生的抗滑力来维持稳定，同时依靠坝体自重产生的压力以及水压力所引起的拉应力以满足强度要求。其坝体应力较低，且对温度的控制要求较高。坝基是最容易出现问题的地方，坝基稳定是整个重力坝成败的关键，所以，坝基需满足承受重力坝压力的要求，防止渗漏也要控制在相应标准内。地基是重力坝的基础，为避免重力坝发生失稳现象，应当加强对巩固地基的重视。一般来说，重力坝的跨度相对较长，坝基所处位置的地质不同可能会导致地基对于稳定性的要求不同，所以，加强对地基稳定性调查时必要的。调查内容如基岩的渗透性、基体内是否存在软性夹层等。

1.2 土石坝

土石坝是历史最为悠久的一种坝型，主要是指由当地土料、石料等经一系列方法填筑而成的挡水坝，正是由于土石坝特殊的结构，使得其适应变形的能力较强。大多数土石坝的剖面形状为梯形。土石坝结构简单，施工简单，可就地取材，节省了大量水泥、木材和铜材，降低了工程造价，且便于维修。

1.3 拱坝

拱坝是一个空间的壳体挡水结构，平面上向上游弯曲，呈曲线形，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的基岩上，少部分荷载将通过垂直梁的作用传给坝底基岩。

拱坝上的载荷主要有水压力、温度载荷等，由于拱坝受到温度影响较大，所以，在拱坝的设计中温度荷载是需要重点考虑。尤其是在坝顶部分，温度变化相当明显。在长期的使用过程中坝体的温度就会趋于稳定，变化上下变化的幅度不会太大。

2 数值计算方法的应用

数值计算方法是一种研究并解决数学问题的数值的近似解方法，利用计算街解决各种数学问题的方法。在水利工程中，主要应用了数值计算方法中的有限元方法，利用ansys等有限元软件，对数据进行计算分析。

2.1 数值计算在重力坝上的应用

由于重力坝的坝面各个部分材质不同且坝体应力较低等原因，实际坝面应力难以根据测定和计算得出，尝试对重力坝坝面进行数值分析，进而得到较为合理和准确的解是很有必要的。要想计算混凝土重力坝的应用分析，首先需要初步拟定好坝体的断面，然后才能进行数值分析，数值分析的主要内容是校核坝体在使用期间内的强度和稳定性是否达到要求。目前计算的方法是理论计算法，其中较为常用的是材料力学法，这种方法得到广泛的运用，被认为是在重力坝设计中最基本的计算方法。理论计算法有很多，较为常用的就是材料力学法。随着对水利工程和计算机联合作业的深入研究，数值计算可视化是非常值得期待的。使数字化在重力坝上的应用，从而增加其坝体可靠性和稳定性。

2.2 数值计算在土石坝上的应用

由于多土石坝优点和性能好，所以，應用数值计算相对而言是比较容易的，并且在土石坝设计中，如地基的处理、边坡稳定性问题以及防止坝体渗流等问题较为常用的是数值计算方法。

引起边坡失稳问题的发生可能是多种因素导致的，较为主要的因素通常是降雨强度大，降雨量过多。解决降雨入渗导致滑坡失去稳定性这一问题，首先就要研究降雨瞬间渗流场、非饱和渗流场、土坡应力场以及各种边界的条件和特点。在渗流作用下对边坡进行研究，可使用代替容重法，这种方法的使用已经考虑到渗流作用的影响，但是在复杂的渗流条件下这种方法会受到影响。为了解决这种情况，不断改进方法以满足复杂渗流条件下的计算。

土石坝由于本身所具有的特殊结构，在建筑的时候用增加坝底的面积来减小坝体所承受的应力，且具有较好的抵抗变形的能力。因此，土石坝可利用自身性能加强天然地基的强度，满足其变形要求和地基处理的标准等。但是由于土石坝本身由土料和石料经过抛填和碾压等方法砌筑而成的，相对重力坝而言，坝基承载力、抵抗变形强度、抗渗能力都较为一般。土石坝的坝基处理处于整个建筑设计的核心地位，坝基的稳定性直接影响着整个土石坝的安全。所以对坝基问题的处理上要更加仔细谨慎，不论是计算还是修建过程中都不能有丝毫懈怠。张尚坤等就研究了基于IGW的各项异性地层渗流，实现对土石坝各项异性地层的二位渗流场真实区域的数值模拟；李永庆等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。

2.3 数值计算在拱坝上的应用

拱坝受温度的影响很大，在拱坝的应力和稳定分析中，温度载荷的影响是不可忽略的。温度荷载是在设计拱坝中必须考虑的一项荷载，只有在施工期间内较好地控制温度在合理的变化范围内波动，整个大坝的稳定性可保持稳定。但是目前对于重力拱坝内温度不能控制在线性范围内，要解决这一问题就需要对拱坝的温度荷载进行分析和研究，从而找到合适的解决方案。

3 结语

随着技术的不断进步和研究的深入，数值计算的方法将会不断应用到水利工程中的各个方面。更多的计算方法方法也会不断被研究出来，数值计算在水利工程中的应用也会对提高工程的安全性起到一定的保障作用。

参考文献

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