大坝变形混合模型

大坝变形混合模型

0大坝安全监测与分析水库变形是指变形体在时间和空间上的形状、大小和位置的变化。变形在一定范围内是允许的,但如果变形超过了变形体所能承受的允许值时,变形就会演变成灾害。大坝作为水利工程最主要的建筑物,其安全、稳定、正常的运行将直接影响到水利工程效益的发挥。由于水文、地质、施工质量以及老化等原因,许多大坝存在着安全隐患,直接影响工程效益的发挥,甚至威胁下游人民的生命财产安全。如法国的马尔巴塞拱坝,美国的提塘坝以及我国的板桥、石漫滩等大坝失事都引起下游的严重灾难。在经历了长期的惨痛教训和经验后,人类已经认识到对大坝及其地质条件进行安全监测的必要性及重要性。安全监测的最终目的是采用监测模型正确地分析与处理变形观测数据,了解大坝运行规律及工作性态,保证大坝安全运行,为水利水电工程设计及运行管理水平提供可靠的科学依据。混合模型是介于统计模型和确定性模型之间,既具备统计性质,又可以反映大坝的物理力学工作性态。具有建模受时域限制较小、外延功能较强的特点,在大坝变形分析中得到了广泛的应用。1坝体结构的有限元模拟众所周知,大坝任一点变形都是在水压力、扬压力、泥沙压力和温度等荷载共同作用下的结果。大坝变形按其成因可分为3个部分:水压分量fH、温度分量fT和时效分量fθ,其通用表达式为δ=fH+fT+fθ混合模型是结合大坝和地基的实际工作性态,用有限元方法计算荷载(如水压)作用下的大坝和地基的效应场(如位移场、应力场或渗流场),即水压分量,而温度分量和时效分量采用统计分析,然后与实测值进行优化拟合而建立的模型。有限元的基本思路是:将连续的结构离散成有限个单元,并在每一个单元中设定有限个节点,将连续体看作是只在节点处相连的一组单元的集合体。有限元法程序是把有限元理论和方法用在计算机实施计算工程的载体。有限元计算采用国际通用计算软件Ansys,对坝体结构进行三维有限元实体模拟。主要目的是通过有限元计算对大坝变形进行模拟,求出坝体变形和水位的关系,再结合实测变形资料进行回归计算,得到大坝变形混合模型。2因素选择2.1引起弹性变化的地基变形水压分量是大坝在水压力、扬压力和坝体自重作用下,由于坝体变形、地基变形和地基转动而引起效应量的弹性或可恢复变化部分。其表达式为fH=Σi=0maiHifΗ=Σi=0maiΗi式中a为回归系数;H为坝前水深。一般情况下,重力坝m取3,拱坝和连拱坝m取4。2.2温度因子的选择温度分量是由于坝体混凝土和基岩温度变化引起的位移。温度位移一般在坝体总位移中占相当大的比重,尤其是拱坝和连拱坝。温度因子的选择根据温度计布设的不同而不同。温度因子具体选择见文献。2.3大坝变形期次大坝产生时效分量的原因复杂,它综合反映坝体混凝土和基岩的徐变、塑性变形及基岩地址构造的压缩变形,同时还包括坝体裂缝引起的不可逆位移以及自身体积变形。一般正常运行的大坝,时效位移的变化规律为初期变化急剧,后期渐趋稳定。时效因子的数学模型及选择见文献。3拦河坝设计万家寨水利枢纽工程拦河坝为混凝土半整体式直线重力坝,大坝坝顶高程982.00m,坝顶长度443m,最大坝高105m,拦河坝由22个坝段组成。具有防洪、防凌、发电、供水、旅游等综合功能。枢纽属一等大(Ⅰ)型工程,永久性主要建筑物为1级水工建筑物。设计洪水标准为1000年一遇,校核洪水标准10000年一遇。坝址岩层由寒武系灰岩、白云岩、页岩等组成,岩性致密坚硬,岩体完整,断层不发育。工程地质条件优良,地震活动微弱,地震基本烈度为Ⅵ度,设计地震烈度为Ⅶ度。3.1工坝约束及荷载有限元计算模型包括大坝坝体,上、下游长度、基岩深度各取2～2.5倍坝高。取5#坝段作为计算模型(图1)。约束及荷载:基岩底部施加三向固定约束,上下游面施加法向约束(沿水流方向约束),坝体混凝土及基岩两侧施加沿坝轴线方向的约束。荷载主要包括坝体自重、水压力、泥沙压力及扬压力。计算工况:采用980.00m、975.00m、970.00m、965.00m、960.00m、955.00m、952.00m8种水位。3.2模型因素的选择(1)e+0.1263采用多项式回归拟合有限元计算结果求得水位因子为fH=-0.0348592+0.0014341E-02H-0.236032E-04H2+0.143547E-06H3偏差平方和Q=0.87E-18;回归平方和U=0.42E-04;复相关指数R=1.00。表明水位表达式的拟和效果比较理想。(2)温度回归因子万家寨水利枢纽气温监测资料齐全,故采用周期谐波作为温度回归因子。包括sins、coss、sin2s和cos2s,其中,s=2πt′/12,t′为测时距分析起始日期的时间长度(月)。(3)等式中的时差根据时效变形规律,采用t、Ln(1+t)、e-kt这3项函数作为时效因子(其中:t=t′,k=0.01)。3.3in2t/12+bcos+b7lnt+1+b8e+b8e+b8e+b8e+b8e+b7lnt+1对岸坡2#坝段水平变形建立的混合模型为δ=b0+b1δH+b2sin(2πt′/12)+b3(2πt′/12)+b4sin(2πt′/12)+b5cos(2πt′/12)+b6t+b7Ln(t+1)+b8e-0.01tb0=0.11E+04;b1=1.00;b4=-0.41E+03;b5=-0.11E+04;b6=-0.68;b7=0.11E+01。当置信水平为95%,偏差平方和Q=0.37E+02;回归平方和U=0.17E+03;复相关指数R=0.91,拟和效果令人满意。4大坝位移监测和资料回归模型水压分量与坝顶水平位移呈正相关,它是大坝坝顶水平位移的主要因素;温度分量对坝顶水平位移的影响次于水压分量,温度升高时坝体位移倾向上游,两者呈负相关。时效分量逐年增加,但增加的速率逐年减小,符合工程实际。混合模型对大坝位移安全监控和资料回归分析是适用的,整体回归拟合效果较好,可以作为大坝位移监测的有力工具。当然