CN111125954A - 拱坝损伤预测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供的拱坝损伤预测方法及装置，根据监测数据确定拱坝两岸山体的位移值，所述位移值表示拱坝两岸的谷幅变形；建立拱坝‑地基的原始有限元模型，并根据位移值和预设的静力荷载，计算原始有限元模型的地基模型节点的节点反力，其中，所述节点反力用于表示地基模型节点在位移值和预设的静力荷载下所受的力；计算原始有限元模型在节点反力以及地震荷载下的拱坝应力，根据拱坝应力获得拱坝在节点反力以及地震荷载作用下的损伤分布，即本公开示例通过将谷幅变形造成的地基位移约束条件转化为地基节点反力，然后根据地基节点反力和地震荷载来预测拱坝损伤，实现了同时预测拱坝在谷幅变形和地震荷载的共同作用下的损伤分布的效果。

Description

拱坝损伤预测方法及装置

技术领域

本公开涉及水利水电工程领域，尤其涉及一种拱坝损伤预测方法及装置。

背景技术

拱坝是一种建筑在峡谷中的拦水坝，做成水平拱形，凸边面向上游，两端紧贴着峡谷壁的空间壳体结构，起到拦蓄水流的功能。随着拱坝建设越来越多，拱坝的安全运行也成为人们关注的目标。

现有技术中，通常采用拱坝-地基应力分析体系，在该体系中，地震荷载以力的形式施加在地基截断人工边界，然后通过波动方程计算拱坝-地基体系的应力反应，进而预测拱坝在地震荷载作用下的损伤分布。

但拱坝在运行期间可能会出现谷幅变形，谷幅变形会对拱坝产生挤压进而造成拱坝损伤，比如在我国西南强震区的高拱坝工程在运行期间就出现了明显的谷幅变形，但谷幅变形又属于地基位移约束条件，如果边界采用地基位移约束条件，将无法准确计算地震荷载对拱坝的作用，也就是说，现有技术存在着无法预测拱坝在地震荷载和谷幅变形共同作用下的损伤分布的问题。

发明内容

针对上述问题，本公开提供了一种拱坝损伤预测方法及装置，以解决现有技术中无法预测拱坝在谷幅变形和地震荷载共同作用下的损伤分布的问题。

第一方面，本公开提供了一种拱坝损伤预测方法，包括：

根据监测数据确定拱坝两岸山体的位移值，所述位移值表示所述拱坝两岸的谷幅变形；

建立拱坝-地基的原始有限元模型，并根据所述位移值和预设的静力荷载，计算所述原始有限元模型的地基模型节点的节点反力，其中，所述节点反力用于表示地基模型节点在所述位移值和预设的静力荷载下所受的力；

计算所述原始有限元模型在所述节点反力以及地震荷载下的应力，根据拱坝应力获得拱坝在所述节点反力以及地震荷载作用下的损伤分布。

在其他可选的实施方式中，所述计算所述原始有限元模型的地基模型节点的节点反力之后，还包括：

根据所述节点反力获得拱坝在所述谷幅变形和所述静力荷载下的损伤分布。

在其他可选的实施方式中，所述计算所述原始有限元模型在所述节点反力以及地震荷载下的拱坝应力，包括：

所述原始有限元模型中地基的边界采用粘弹性人工边界，将所述节点反力施加到所述原始有限元模型，并以力的形式在人工边界施加地震荷载，计算所述原始有限元模型在所述节点反力以及地震荷载下的拱坝应力。

在其他可选的实施方式中，所述根据拱坝应力获得拱坝在所述节点反力以及地震荷载作用下的损伤分布，包括：

将所述拱坝应力输入至混凝土损伤模型中，获得拱坝在所述节点反力以及地震荷载作用下的损伤分布。

在其他可选的实施方式中，所述预设的静力荷载包括水荷载、温度荷载。

第二方面，本公开提供了一种拱坝损伤预测装置，包括：

确定模块，用于根据监测数据确定拱坝两岸山体的位移值，所述位移值表示所述拱坝两岸的谷幅变形；

第一处理模块，用于建立拱坝-地基的原始有限元模型，并根据所述位移值和预设的静力荷载，计算所述原始有限元模型的地基模型节点的节点反力，其中，所述节点反力用于表示地基模型节点在所述位移值和预设的静力荷载下所受的力；

第二处理模块，用于计算所述原始有限元模型在所述节点反力以及地震荷载下的拱坝应力，根据拱坝应力获得拱坝在所述节点反力以及地震荷载作用下的损伤分布。

在其他可选的实施方式中，第一处理模块，还用于：

根据所述节点反力获得拱坝在所述谷幅变形和所述静力荷载下的损伤分布。

在其他可选的实施方式中，所述第二处理模块，具体用于：

所述原始有限元模型中地基的边界采用粘弹性人工边界，将所述节点反力施加到所述原始有限元模型，并以力的形式在人工边界施加地震荷载，计算所述原始有限元模型在所述节点反力以及地震荷载下的拱坝应力。

在其他可选的实施方式中，所述第二处理模块，具体用于：

将所述拱坝应力输入至混凝土损伤模型中，获得拱坝在所述节点反力以及地震荷载作用下的损伤分布。

在其他可选的实施方式中，所述预设的静力荷载包括水荷载、温度荷载。

本公开提供的拱坝损伤预测方法及装置，通过根据监测数据确定拱坝两岸山体的位移值，所述位移值表示所述拱坝两岸的谷幅变形；建立拱坝-地基的原始有限元模型，并根据所述位移值和预设的静力荷载，计算所述原始有限元模型的地基模型节点的节点反力，其中，所述节点反力用于表示地基模型节点在所述位移值和预设的静力荷载下所受的力；计算所述原始有限元模型在所述节点反力以及地震荷载下的拱坝应力，根据拱坝应力获得拱坝在所述节点反力以及地震荷载作用下的损伤分布，即本公开示例通过将谷幅变形造成的地基位移约束条件转化为地基节点反力，然后根据地基节点反力和地震荷载来预测拱坝损伤，实现了同时预测拱坝在谷幅变形和地震荷载的共同作用下的损伤分布的效果。

附图说明

图1为本公开所基于的一种拱坝结构示意图；

图2为本公开提供的一种拱坝损伤预测方法的流程示意图；

图3为本公开所基于的一种沿高程分布的拱坝位移值的示意图；

图4为本公开所基于的一种拱坝-地基的原始有限元模型的示意图；

图5为本公开提供的一种拱坝损伤分布示意图；

图6为本公开提供的另一种拱坝损伤预测方法的流程示意图；

图7为本公开提供的一种拱坝损伤预测装置的结构示意图；

图8为本公开提供的一种拱坝损伤预测控制设备的硬件结构示意图。

具体实施方式

为使本公开示例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开示例中的附图，对本公开示例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1为本公开所基于的一种拱坝结构示意图，如图1所示，拱坝是一种建筑在峡谷中的拦水坝，做成水平拱形，凸边面向上游，两端紧贴着峡谷壁的空间壳体结构，起到拦蓄水流的功能。随着拱坝的建设越来越多，拱坝的安全运行也成为人们关注的目标。

现有技术中，通常采用拱坝-地基拱坝应力分析体系，在该体系中，地震荷载以力的形式施加在地基截断人工边界，然后通过波动方程计算拱坝-地基体系的应力反应，进而预测拱坝在地震荷载作用下的损伤分布。

但拱坝在运行期间可能会出现谷幅变形现象，所述的谷幅变形是指在特定地质条件下由于水库蓄水引起的大坝上下游较大范围(区域尺度)库岸(河流谷坡)水平变形(位移)现象，它等于水库(河流)左、右岸谷坡相同高程点之间最短水平距离的变化量，这种变化量可能造成拱坝损伤，例如在我国西南强震区的高拱坝工程运行期间就出现了明显的谷幅变形，但谷幅变形又属于地基位移约束条件，如果边界采用地基位移约束条件，将无法计算地震荷载对拱坝的作用，也就是说，现有技术存在着无法预测拱坝在地震荷载和谷幅变形共同作用下的损伤分布的问题。

针对该问题，本公开提供了一种拱坝损伤预测方法及装置，实现了同时预测拱坝在谷幅变形和地震荷载的共同作用下的损伤分布的效果。

第一方面，本公开示例提供了一种拱坝损伤预测方法，图2为本公开提供的一种拱坝损伤预测方法的流程示意图。

如图2所示，该拱坝损伤预测方法包括：

步骤101、根据监测数据确定拱坝两岸山体的位移值。

其中，所述位移值可表示出所述拱坝两岸的谷幅变形。

具体来说，可以利用专业的位移检测仪器检测从拱坝底部到拱坝顶端不同高程处的拱坝两岸的水平位移变化值。图3为本公开所基于的一种沿高程分布的拱坝两岸山体位移值的示意图，如图3所示，对于一个高度为610m的拱坝来说，在430m-610m高程处，拱坝两岸山体的位移值为Δ/2，在430m高程以下，位移值逐渐减小，直至到河床部位，位移值变为0。

步骤102、建立拱坝-地基的原始有限元模型，并根据所述位移值和预设的静力荷载，计算所述原始有限元模型的地基模型节点的节点反力。

其中，所述节点反力用于表示地基模型节点在所述位移值和预设的静力荷载下所受的力。

具体来说，拱坝是一个空间弹性壳体结构，其几何形状和边界条件都很复杂，应力状态也比较复杂，难以用严格的理论计算求解拱坝坝体应力状态。一种常用的拱坝应力分析方式是有限元法，可通过有限元前处理软件实现建模。在建立拱坝-地基有限元模型过程中，首先根据拱坝的设计数据提取出描述拱坝坝体特征的各项参数，包括结构图形参数和规则参数等，然后利用这各项参数绘制出拱坝结构，同时根据获取到地基的特征参数绘制地基，绘制完成后进行网格划分，为了最后能够更精确地体现出拱坝的损伤程度，拱坝坝体的网格尺寸约为1-2m，可参考图4所示，图4为本公开所基于的一种拱坝-地基的原始有限元模型的示意图；然后将位移值施加到原始有限元模型中地基的节点上，并施加预设的静力荷载，计算出原始有限元模型中地基模型节点的节点反力，优选的，预设的静力荷载包括水荷载、温度荷载，水荷载、温度荷载也会对拱坝产生的一定的影响。

步骤103、计算所述原始有限元模型在所述节点反力以及地震荷载下的拱坝应力，根据拱坝应力获得拱坝在所述节点反力以及地震荷载作用下的损伤分布。

本步骤中，原始有限元模型中的拱坝-地基的边界处不再施加谷幅变形造成的地基位移约束条件，而是将地基位移约束条件转化为节点反力施加到原始有限元模型中的地基模型节点上，然后叠加地震荷载，从而可以根据波动方程计算出应力反应，进而根据应力获得获得拱坝在谷幅变形和地震荷载共同作用下的损伤分布。

作为其他可选的实施方式，步骤103中所述计算所述原始有限元模型在所述节点反力以及地震荷载下的拱坝应力，包括：

所述原始有限元模型中地基的边界采用粘弹性人工边界，将所述节点反力施加到所述原始有限元模型，并以力的形式在人工边界施加地震荷载，计算所述原始有限元模型在所述节点反力以及地震荷载下的拱坝应力。

具体来说，原始有限元模型中的地基节点上不再施加谷幅变形造成的地基位移约束条件，谷幅变形造成的地基位移约束条件转化为节点反力施加到原始有限元模型中的地基模型节点上，然后以力的形式叠加地震荷载，利用有限元软件计算出应力。

作为其他可选的实施方式，步骤103中所述根据拱坝应力获得拱坝在所述节点反力以及地震荷载作用下的损伤分布，包括：

将所述拱坝应力输入至混凝土损伤模型中，获得拱坝在所述节点反力以及地震荷载作用下的损伤分布。

具体来说，拱坝一般采用混凝土材料建成，因而损伤分布的计算可以采用体现谷幅收缩条件下混凝土处于压拉组合状态下的损伤破坏的混凝土损伤模型和参数，损伤分布可以用坝体损伤因子来表示，如图5所示为本公开提供的一种拱坝损伤分布示意图，当损伤因子越大，拱坝的损伤越大。

本公开示例提供的拱坝损伤预测方法，通过根据监测数据确定拱坝两岸山体的位移值，所述位移值表示所述拱坝两岸的谷幅变形；建立拱坝-地基的原始有限元模型，并根据所述位移值和预设的静力荷载，计算所述原始有限元模型的地基模型节点的节点反力，其中，所述节点反力用于表示地基模型节点在所述位移值和预设的静力荷载下所受的力；计算所述原始有限元模型在所述节点反力以及地震荷载下的拱坝应力，根据拱坝应力获得拱坝在所述节点反力以及地震荷载作用下的损伤分布，即本公开示例通过将谷幅变形造成的地基位移约束条件转化为地基节点反力，然后根据地基节点反力和地震荷载来预测拱坝损伤，实现了同时预测拱坝在谷幅变形和地震荷载的共同作用下的损伤分布的效果。

结合前述的各实现方式，图6为本公开提供的另一种拱坝损伤预测方法的流程示意图，如图6所示，该拱坝损伤预测方法包括：

步骤201、根据监测数据确定拱坝两岸山体的位移值。

所述位移值可表示出所述拱坝两岸的谷幅变形。

步骤202、建立拱坝-地基的原始有限元模型，并根据所述位移值和预设的静力荷载，计算所述原始有限元模型的地基模型节点的节点反力。

其中，所述节点反力用于表示地基模型节点在所述位移值和预设的静力荷载下所受的力。

步骤203、根据所述节点反力获得拱坝在所述谷幅变形和所述静力荷载下的损伤分布。

步骤204、计算所述原始有限元模型在所述节点反力以及地震荷载下的拱坝应力，根据拱坝应力获得拱坝在所述节点反力以及地震荷载作用下的损伤分布。

本实施方式中的步骤201、步骤202、步骤204分别与前述实施方式中的步骤101、步骤102、步骤103的实现方式类似，在此不进行赘述。

与前述实施方式不同的是，在本实施方式中，还可以根据所述节点反力获得拱坝在所述谷幅变形和所述静力荷载下的损伤分布，便于工程人员了解在包括谷幅变形在内的各种静力荷载下的拱坝损伤分布。

本公开示例提供的拱坝损伤预测方法，通过根据监测数据确定拱坝两岸山体的位移值，所述位移值表示所述拱坝两岸的谷幅变形；建立拱坝-地基的原始有限元模型，并根据所述位移值和预设的静力荷载，计算所述原始有限元模型的地基模型节点的节点反力，其中，所述节点反力用于表示地基模型节点在所述位移值和预设的静力荷载下所受的力；根据所述节点反力获得拱坝在所述谷幅变形和所述静力荷载下的损伤分布；计算所述原始有限元模型在所述节点反力以及地震荷载下的拱坝应力，根据拱坝应力获得拱坝在所述节点反力以及地震荷载作用下的损伤分布，即本公开示例通过将谷幅变形造成的地基位移约束条件转化为地基节点反力，然后根据地基节点反力和地震荷载来预测拱坝损伤，实现了同时预测拱坝在谷幅变形和地震荷载的共同作用下的损伤分布的效果。

第二方面，本公开示例提供了一种拱坝损伤预测装置，图7为本公开提供的一种拱坝损伤预测装置的结构示意图，如图7所示，该拱坝损伤预测装置包括：

确定模块10，用于根据监测数据确定拱坝两岸山体的位移值，所述位移值表示所述拱坝两岸的谷幅变形；

第一处理模块20，用于建立拱坝-地基的原始有限元模型，并根据所述位移值和预设的静力荷载，计算所述原始有限元模型的地基模型节点的节点反力，其中，所述节点反力用于表示地基模型节点在所述位移值和预设的静力荷载下所受的力；

第二处理模块30，用于计算所述原始有限元模型在所述节点反力以及地震荷载下的拱坝应力，根据拱坝应力获得拱坝在所述节点反力以及地震荷载作用下的损伤分布。

在其他可选的实施方式中，第一处理模块20，还用于：

根据所述节点反力获得拱坝在所述谷幅变形和所述静力荷载下的损伤分布。

在其他可选的实施方式中，所述第二处理模块30，具体用于：

所述原始有限元模型中地基的边界采用粘弹性人工边界，将所述节点反力施加到所述原始有限元模型，并以力的形式在人工边界施加地震荷载，计算所述原始有限元模型在所述节点反力以及地震荷载下的拱坝应力。

在其他可选的实施方式中，所述第二处理模块30，具体用于：

将所述拱坝应力输入至混凝土损伤模型中，获得拱坝在所述节点反力以及地震荷载作用下的损伤分布。

在其他可选的实施方式中，所述预设的静力荷载包括水荷载、温度荷载。

本公开提供的拱坝损伤预测装置，确定模块用于根据监测数据确定拱坝两岸山体的位移值，所述位移值表示所述拱坝两岸的谷幅变形；第一处理模块用于建立拱坝-地基的原始有限元模型，并根据所述位移值和预设的静力荷载，计算所述原始有限元模型的地基模型节点的节点反力，其中，所述节点反力用于表示地基模型节点在所述位移值和预设的静力荷载下所受的力；第二处理模块用于计算所述原始有限元模型在所述节点反力以及地震荷载下的拱坝应力，根据拱坝应力获得拱坝在所述节点反力以及地震荷载作用下的损伤分布，即本公开示例通过将谷幅变形造成的地基位移约束条件转化为地基节点反力，然后根据地基节点反力和地震荷载来预测拱坝损伤，实现了同时预测拱坝在谷幅变形和地震荷载的共同作用下的损伤分布的效果。

第三方面，本公开示例提供了一种拱坝损伤预测控制设备，图8为本公开提供的一种拱坝损伤预测控制设备的硬件结构示意图，如图8所示，包括：

至少一个处理器801和存储器802。

在具体实现过程中，至少一个处理器801执行所述存储器802存储的计算机执行指令，使得至少一个处理器801执行如上的拱坝损伤预测方法，其中，处理器801、存储器802通过总线803连接。

处理器801的具体实现过程可参见上述方法实施例，其实现原理和技术效果类似，本实施例此处不再赘述。

在上述的图8所示的实施例中，应理解，处理器可以是中央处理单元(英文：Central Processing Unit，简称：CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(英文：Digital Signal Processor，简称：DSP)、专用集成电路(英文：Application SpecificIntegrated Circuit，简称：ASIC)等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合发明所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。

存储器可能包含高速RAM存储器，也可能还包括非易失性存储NVM，例如至少一个磁盘存储器。

总线可以是工业标准体系结构(Industry Standard Architecture，ISA)总线、外部设备互连(Peripheral Component Interconnect，PCI)总线或扩展工业标准体系结构(Extended Industry Standard Architecture，EISA)总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，本申请附图中的总线并不限定仅有一根总线或一种类型的总线。

第四方面，本公开还提供了一种可读存储介质，所述可读存储介质中存储有计算机执行指令，当处理器执行所述计算机执行指令时，实现如上的拱坝损伤预测方法。

上述的可读存储介质可以是由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器(SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(EPROM)，可编程只读存储器(PROM)，只读存储器(ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。可读存储介质可以是通用或专用计算机能够存取的任何可用介质。

一种示例性的可读存储介质耦合至处理器，从而使处理器能够从该可读存储介质读取信息，且可向该可读存储介质写入信息。当然，可读存储介质也可以是处理器的组成部分。处理器和可读存储介质可以位于专用集成电路(Application Specific IntegratedCircuits，简称：ASIC)中。当然，处理器和可读存储介质也可以作为分立组件存在于设备中。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种拱坝损伤预测方法，其特征在于，包括：

根据监测数据确定拱坝两岸山体的位移值，所述位移值表示所述拱坝两岸的谷幅变形；

建立拱坝-地基的原始有限元模型，并根据所述位移值和预设的静力荷载，计算所述原始有限元模型的地基模型节点的节点反力，其中，所述节点反力用于表示地基模型节点在所述位移值和预设的静力荷载下所受的力；

计算所述原始有限元模型在所述节点反力以及地震荷载下的拱坝应力，根据拱坝应力获得拱坝在所述节点反力以及地震荷载作用下的损伤分布。

2.根据权利要求1所述的拱坝损伤预测方法，其特征在于，所述计算所述原始有限元模型的地基模型节点的节点反力之后，还包括：

根据所述节点反力获得拱坝在所述谷幅变形和所述静力荷载下的损伤分布。

3.根据权利要求1所述的拱坝损伤预测方法，其特征在于，所述计算所述原始有限元模型在所述节点反力以及地震荷载下的拱坝应力，包括：

所述原始有限元模型中地基的边界采用粘弹性人工边界，将所述节点反力施加到所述原始有限元模型，并以力的形式在人工边界施加地震荷载，计算所述原始有限元模型在所述节点反力以及地震荷载下的拱坝应力。

4.根据权利要求1所述的拱坝损伤预测方法，其特征在于，所述根据拱坝应力获得拱坝在所述节点反力以及地震荷载作用下的损伤分布，包括：

将所述拱坝应力输入至混凝土损伤模型中，获得拱坝在所述节点反力以及地震荷载作用下的损伤分布。

5.根据权利要求1-4任一项所述的拱坝损伤预测方法，其特征在于，所述预设的静力荷载包括水荷载、温度荷载。

6.一种拱坝损伤预测装置，其特征在于，包括：

确定模块，用于根据监测数据确定拱坝两岸山体的位移值，所述位移值表示所述拱坝两岸的谷幅变形；

第一处理模块，用于建立拱坝-地基的原始有限元模型，并根据所述位移值和预设的静力荷载，计算所述原始有限元模型的地基模型节点的节点反力，其中，所述节点反力用于表示地基模型节点在所述位移值和预设的静力荷载下所受的力；

第二处理模块，用于计算所述原始有限元模型在所述节点反力以及地震荷载下的拱坝应力，根据拱坝应力获得拱坝在所述节点反力以及地震荷载作用下的损伤分布。

7.根据权利要求6所述的拱坝损伤预测装置，其特征在于，第一处理模块，还用于：

根据所述节点反力获得拱坝在所述谷幅变形和所述静力荷载下的损伤分布。

8.根据权利要求6所述的拱坝损伤预测装置，其特征在于，所述第二处理模块，具体用于：

所述原始有限元模型中地基的边界采用粘弹性人工边界，将所述节点反力施加到所述原始有限元模型，并以力的形式在人工边界施加地震荷载，计算所述原始有限元模型在所述节点反力以及地震荷载下的拱坝应力。

9.根据权利要求6所述的拱坝损伤预测装置，其特征在于，所述第二处理模块，具体用于：

将所述拱坝应力输入至混凝土损伤模型中，获得拱坝在所述节点反力以及地震荷载作用下的损伤分布。

10.根据权利要求6-9任一项所述的拱坝损伤预测装置，其特征在于，所述预设的静力荷载包括水荷载、温度荷载。

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