CN110287634B - 一种基于体积力施加的坝肩变形模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于体积力施加的坝肩变形模拟方法，包括：大坝浇筑前在左右坝肩布置水平变形测点；监测所有测点垂直河流方向的水平变形，得到不同时间节点t时刻所有测点实测变形量值；根据地形地质条件进行区域划分，建立有限元网格模型；基于有限元网格模型，在t时刻向左右岸坝肩岩体中施加体积力，计算变形量值；根据实测值与计算值的误差大小调整各区域体积力，得到小于允许误差的区域体积力，计算得到大坝坝肩t时刻变形量值；得到典型时刻变形量值；考虑典型时刻变形量值，进行大坝工作性态数值模拟分析。本发明能够准确、简单便捷地进行坝肩边坡变形模拟，从而实现准确评估坝肩边坡变形对大坝工作性态和安全的影响。

Description

一种基于体积力施加的坝肩变形模拟方法

技术领域

本发明属于水利水电技术领域，具体涉及一种基于体积力施加的坝肩变形模拟方法。

背景技术

拱坝设计和分析中，普遍考虑地质条件良好，坝肩基岩稳定，垂直河流方向水平变形很小，因此在工作性态数值模拟分析中，左右岸侧边界普遍设置为法向约束，给定位移为0，坝肩仅在水压、温度及拱端推力等荷载作用下产生变形。但随着溪洛渡拱坝、锦屏一级拱坝等工程蓄水运行，坝肩变形监测结果显示除上述荷载带来的变形以外，还存在其它向河床方向较大的水平变形，会对大坝工作性态和安全带来影响。

坝肩变形理想的模拟方法是根据坝肩变形机理进行分析计算，如倾倒变形、沿弱面滑动变形、湿胀变形等，但已建高坝坝肩变形机理非常复杂，难以完全掌握，使得一是精细模拟过于复杂，时间不允许；二是简化模拟中计算变形与监测变形往往存在较大差异，无法合理分析对大坝工作性态带来的影响。另外一种变形模拟方法是在约束边界加固定位移，通过改变边界位移模拟坝肩变形，这种方式得到的坝肩岩体变形规律是深部变形大，浅部变形小，与实际监测变形规律不符。

有鉴于此，需要一种能够准确评估坝肩边坡变形对大坝工作性态和安全的影响的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于体积力施加的坝肩变形模拟方法，通过准确模拟坝肩变形，并施加至大坝结构，可以准确评估坝肩边坡变形对大坝工作性态和安全的影响。

本发明提供了一种基于体积力施加的坝肩变形模拟方法，包括如下步骤：

步骤1，大坝浇筑前在左右坝肩布置水平变形测点；

步骤2，监测所有测点垂直河流方向的水平变形，得到不同时间节点t时刻所有测点实测变形量值；

步骤3，根据地形地质条件进行区域划分，建立有限元网格模型；

步骤4，基于有限元网格模型，在t时刻向左右岸坝肩岩体中施加体积力，计算得到左、右岸各区域变形量值；

步骤5，根据步骤1实测值与步骤4计算值的误差大小调整各区域体积力，得到小于允许误差的区域体积力，基于小于允许误差的区域体积力计算得到大坝坝肩t时刻变形量值；

步骤6，计算其它时刻体积力对应的左、右岸各区域变形量值，得到典型时刻变形量值；

步骤7，考虑典型时刻变形量值，进行大坝工作性态数值模拟分析，得到坝肩变形对大坝整体变形和应力影响结果。

进一步地，步骤1中所述测点按照以下方法进行布置：

高度布置范围自建基面底部高程开始，顶部高程视上部山体高度，至少在0.5倍坝高以上，根据岩体质量决定布置层数；

上下游布置范围内测点呈网格状布置，测点布置范围上、下游在0.5倍坝高以上，测点数量根据岩体质量确定；

断层部位、岩体分层部位加密布置测点；

测点在表层、浅层、深层不同深度进行布置。

进一步地，所述步骤3包括：

根据坝肩测点变形量值和分布规律，结合基岩岩性、构造对两岸坝肩岩体进行区域划分，区域变形方向均指向河床中部或山体；

根据大坝基岩结构、岩体性质以及大坝坝体结构，建立有限元网格模型，根据坝肩岩体区域划分进行网格模型分区，所述网格模型分区与根据测点划分的区域相对应。

进一步地，所述步骤4包括：

采用有限元方法，底部变形采用固定约束，左右岸及上下游采用法向约束，在与变形方向一致的方向上施加初始量值为大于0的任意数的体积力，计算得到左、右岸各区域变形量值。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

能够准确、简单便捷地进行坝肩边坡变形模拟，得到与实测变形一致的规律，如表面变形大、内部变形小，不同区域变形规律不一致等，从而实现准确评估坝肩边坡变形对大坝工作性态和安全的影响。

附图说明

图1是本发明一种基于体积力施加的坝肩变形模拟方法的流程图；

图2是本发明一实施例中典型时刻代表性监测值；

图3是本发明一实施例中有限元网格模型图。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

参图1所示，本实施例提供了一种基于体积力施加的坝肩变形模拟方法，包括如下步骤：

步骤S1，大坝浇筑前在左右坝肩布置水平变形测点。

步骤S2，监测所有测点垂直河流方向的水平变形，得到不同时间节点t时刻所有测点实测变形量值。为准确评估坝肩变形对大坝工作性态的影响，坝肩变形监测应在大坝浇筑开始前开始监测，按照一定频率监测所有测点垂直河流方向的水平变形，得到不同时间节点t时刻所有测点实测变形。

步骤S3，根据地形地质条件进行区域划分，建立有限元网格模型。

步骤S4，基于有限元网格模型，(不考虑其它荷载)在t时刻向左右岸坝肩岩体中施加体积力，计算得到左、右岸各区域变形量值。

步骤S5，根据步骤S1实测值与步骤S4计算值的误差大小调整各区域体积力，得到小于允许误差的区域体积力，基于小于允许误差的区域体积力计算得到大坝坝肩t时刻变形量值。为实现计算变形与监测变形的一致，根据需要分析坝肩变形对拱坝工作性态影响具体时刻的坝肩变形，调整各区域体积力大小，进行反复试算，或采用其他方法，当所有区域目标函数均小于允许误差时，体积力为合适的模拟参数，计算得到的变形能够比较准确的反映大坝坝肩t时刻真实变形，同时坝肩表面水平应力接近0，与实际情况一致。

步骤S6，计算其它时刻体积力对应的左、右岸各区域变形量值，得到典型时刻变形量值。

步骤S7，考虑典型时刻变形量值，进行大坝工作性态数值模拟分析，得到坝肩变形对大坝整体变形和应力影响结果。进行常规大坝工作性态数值模拟分析，但考虑上述施加的体积力，能够实现坝肩变形模拟及对大坝工作性态影响的准确分析。

通过该基于体积力施加的坝肩变形模拟方法，能够准确、简单便捷地进行坝肩边坡变形模拟，得到与实测变形一致的规律，如表面变形大、内部变形小，不同区域变形规律不一致等，从而实现准确评估坝肩边坡变形对大坝工作性态和安全的影响。

在本实施例中，步骤S1中所述测点按照以下方法进行布置，以避免局部岩体变形带来较大误差：

高度布置范围自建基面底部高程开始，顶部高程视上部山体高度，至少在0.5倍坝高以上，根据岩体质量决定布置层数；

上下游布置范围内测点呈网格状布置，测点布置范围上、下游在0.5倍坝高以上，测点数量根据岩体质量确定；

断层部位、岩体分层部位加密布置测点；

测点在表层、浅层、深层不同深度进行布置。

在本实施例中，步骤S3包括：

根据坝肩测点变形量值和分布规律，结合基岩岩性、构造对两岸坝肩岩体进行区域划分(区域数量、大小、形状等均无限制)，区域变形方向均指向河床中部或山体(各区域变形方向需要一致)；

根据大坝基岩结构、岩体性质以及大坝坝体结构，建立有限元网格模型，根据坝肩岩体区域划分进行网格模型分区，所述网格模型分区与根据测点划分的区域相对应。该模型应该在实际工程测点位置布置节点；同时根据坝肩岩体区域划分进行网格分区，该网格模型分区与根据测点分区位置、大小、形状等保持一致。

在本实施例中，步骤S4包括：

采用有限元方法，底部变形采用固定约束，左右岸及上下游采用法向约束，在与变形方向一致的方向上施加初始量值为大于0的任意数V0的体积力，计算得到左、右岸各区域变形量值。

实施例：

某拱坝，坝高305m，位于我国西南，左岸地质条件一般，在建设及运行过程中产生水平变形，会对大坝工作性态产生影响，需要进行左岸坝肩变形对大坝工作性态影响分析。

步骤1：根据左岸地形地质条件设置水平变形测点网格如图2，具体测点位置如图2所示；

步骤2：监测得到变形值，代表性监测值如表1，监测频率是1次/月；

步骤3：根据地形地质条件等进行区域划分，共6个区域，并建立有限元网格如图3；

步骤4：采用有限元方法计算，底部变形采用固定约束，左右岸及上下游采用法向约束，左岸坝肩建基面以上区域初始体积力参数取1000t/m³，计算得到坝肩变形，见表2；测点主要分布在1～5个区域，根据监测值与计算值差异，计算得到5个区域位移与监测位移的标准差函数值分别为：13.2mm、21.4mm、31.7mm、53.4mm、57.7mm，均不满足误差要求，其中区域5目标函数误差最大；

步骤5：根据误差大小调整各区域体积力,分别按照修正系数0.9、0.8、…0.1依次进行修正并组合，进行重新计算，得到新的坝肩变形，并反复迭代；

步骤6：最终得到1～5区体积力分别为800t/m³、500t/m³、500t/m³、20t/m³、10t/m³时，误差均小于20mm，各测点计算变形与监测变形对比见表3，两者吻合良好，能够反映大坝坝肩变形；

步骤7：计算其它时刻体积力，得到变形对比列表4；

步骤8：将典型时刻变形考虑进整体模型中分析，得到坝肩变形对大坝整体变形和应力影响。

通过该基于体积力施加的坝肩变形模拟方法，能够实现坝肩变形的便捷准确模拟，得到与实际坝肩变形规律一致的模拟结果，为大坝工作性态分析提供前提条件。

表1

表2

表3

表4

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (1)

1.一种基于体积力施加的坝肩变形模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，大坝浇筑前在左右坝肩布置水平变形测点；所述测点按照以下方法进行布置：

高度布置范围自建基面底部高程开始，顶部高程视上部山体高度，至少在0.5倍坝高以上，根据岩体质量决定布置层数；

上下游布置范围内测点呈网格状布置，测点布置范围上、下游在0.5倍坝高以上，测点数量根据岩体质量确定；

断层部位、岩体分层部位加密布置测点；

测点在表层、浅层、深层不同深度进行布置；

步骤2，监测所有测点垂直河流方向的水平变形，得到不同时间节点t时刻所有测点实测变形量值；

步骤3，根据地形地质条件进行区域划分，建立有限元网格模型，包括：

根据坝肩测点变形量值和分布规律，结合基岩岩性、构造对两岸坝肩岩体进行区域划分，区域变形方向均指向河床中部或山体；

根据大坝基岩结构、岩体性质以及大坝坝体结构，建立有限元网格模型，根据坝肩岩体区域划分进行网格模型分区，所述网格模型分区与根据测点划分的区域相对应；

步骤4，基于有限元网格模型，在t时刻向左右岸坝肩岩体中施加体积力，计算得到左、右岸各区域变形量值，包括：

采用有限元方法，底部变形采用固定约束，左右岸及上下游采用法向约束，在与变形方向一致的方向上施加初始量值为大于0的任意数的体积力，计算得到左、右岸各区域变形量值；

步骤5，根据步骤1实测值与步骤4计算值的误差大小调整各区域体积力，得到小于允许误差的区域体积力，基于小于允许误差的区域体积力计算得到大坝坝肩t时刻变形量值；

步骤6，计算其它时刻体积力对应的左、右岸各区域变形量值，得到典型时刻变形量值；

步骤7，考虑典型时刻变形量值，进行大坝工作性态数值模拟分析，得到坝肩变形对大坝整体变形和应力影响结果。

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