拱坝结构受机理不明基础变形影响的安全性评价方法

摘要

本发明公开了一种拱坝结构受机理不明基础变形影响的安全性评价方法，属于水利水电工程建筑物监测评价方法技术领域。提供一种利用近坝区监测资料，采用有限元原理，快速实现准确评估机理不明基础变形对拱坝结构产生影响的安全性评价方法。该安全性评价方法在对整体模型、拱坝结构子模型以及对整体模型加载进行充分分析获得拱坝结构子模型节点加载响应数据后，再假定基础变形分布模式M并加载获理一个拱坝结构的变形数据S1，然后再与实际变形数据S0进行比较，导找出合理的基础变形分布模式M，并长期监测、预判远期变形，进而判断拱坝运行是否安全，是否需要进行加固处理，达到快速、准确实现拱坝机理不明基础变形对拱坝结构产生影响的评估工作。

说明书

技术领域

本发明涉及一种安全性评价方法，尤其是涉及一种拱坝结构受机理不明基础变形影响的安全性评价方法，属于水利水电工程建筑物监测评价方法技术领域。

背景技术

当前，依靠现代规范设计方法已经成功建造了大量拱坝工程，其中坝高大于200m的拱坝工程就有10余座。工程运行实践表明，运用现代规范方法设计的拱坝是安全可靠的。然而，部分工程运行期变形监测数据也表明，拱坝的实际运行状态与设计状态可能存在较大差异，比如流溪河、龙羊峡、小湾、溪洛渡、锦屏一级、大岗山等高拱坝工程建成蓄水后，监测数据均显示拱坝出现了不同程度的与设计不一致的变位状态和应力状态，部分工程中结构或者基础变形甚至出现了与设计及常规分析结果中相悖的变形模式，比如拱坝坝踵持续受压、大坝变位远小于设计值。差异的根源通常在于拱坝设计过程中，对复杂基础变形多项约束考虑不足，尤其是拱坝运行期间出现的基础变形现象，如谷幅变形、库盆变形及岸坡变形等。这类基础变形，其范围、特点及产生的机理复杂，因而其发生难以预料，往往在设计考虑之外，对拱坝结构的运行安全评价也带来了困难。

众所周知，大坝结构的安全至关重要，如何准确评价这些设计考虑之外的基础变形对运行中的大坝结构的影响是解决问题的关键。目前常用的分析手段以数值分析方法为主，有限元、离散元等方法。在基础变形机理不明情况下，正分析难以实现。为了研究这些复杂基础变形约束作用，有学者提出了一种边界位移法，在有限元模型边界解除约束，施加特定的固定位移，通过调整位移分布模式，最终获得与监测值或预测值相吻合的变形场。

现有方法通过在基础边界施加固定位移，①所有的基础变形资料来自监测，近坝区的变形资料是相对丰富易得的，这种通过远场边界施加的固定位移一般没有直接的监测成果，假定的固定位移模式与实际可能出入较大；②由于基础并非刚体结构，为了得到边界固定位移的施加后得到的近坝区位移场分布与监测基本一致，需要反复进行多次边界固定位移模式的尝试。且在非线性结构中的应力调整相对复杂，甚至可能出现多次位移模式尝试后仍无法得到相对合适的模式；③在非线性有限元分析中，边界固定位移的施加可能导致基础内部出现不必要的屈服，尤其是近坝区基础应力调整，导致计算不收敛或者结果失真。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种利用近坝区监测资料，采用有限元原理，快速实现准确评估机理不明基础变形对拱坝结构产生影响的安全性评价方法。

为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种拱坝结构受机理不明基础变形影响的安全性评价方法，所述的安全性评价方法先采用有限元原理对拱坝结构+基础的整体模型和拱坝结构子模型进行分析，以及向整体模型施加确定荷载进行分析后，再采用节点驱动进行子模型分析获得确定荷载在拱坝结构上的力学响应；根据基础变形监测资料假定基础变形分布模式M；接着将机理不明基础变形按假定的基础变形分布模式M施加到拱坝结构子模型上，获得拱坝结构的变形数据S

进一步的是，拱坝结构实际的变形数据S

上述方案的优选方式是，模拟的机理不明基础变形的荷载为以对近坝区基础变形进行一定时间的监测获得的监测数据进行分析，然后根据分析结果进行假设获得的作用在拱坝结构上的荷载。

进一步的是，合理的基础变形模式M为S

上述方案的优选方式是，在判断S

1)当︱S

2)分析变形沿高程、按拱圈分布规律是否一致。

进一步的是，当︱S

上述方案的优选方式是，所述的基础变形假设是在近坝区基础变形监测数据的基础上进行分析后进行的基础变形模式假定，并根据该假定的基础变形获得作用在拱坝结构子模型上的模拟荷载。

进一步的是，所述的确定荷载为对大坝+基础的整体模型中施加的常规已知确定荷载。

进一步的是，所述的常规已知确定荷载至少包括拱坝自重、温度荷载和静水压荷载。

本发明的有益效果是：本申请提供的安全性评价方法在对整体模型和拱坝结构子模型进行充分分析以及对整体模型进行加载分析并获得拱坝结构子模型节点加载响应数据的条件下，通过假定基础变形分布模式M，并依据该假定基础变形分布模式M对拱坝结构子模型施加机理不明基础变形荷载获得一个拱坝结构的变形数据S

附图说明

图1为本发明拱坝结构受机理不明基础变形影响的安全性评价方法涉及到的流程图。

具体实施方式

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供的一种利用近坝区监测资料，采用有限元原理，快速实现准确评估机理不明基础变形对拱坝结构产生影响的安全性评价方法。所述的安全性评价方法先采用有限元原理对拱坝结构+基础的整体模型和拱坝结构子模型进行分析，以及向整体模型施加确定荷载进行分析后，再采用节点驱动进行子模型分析获得确定荷载在拱坝结构上的力学响应；根据基础变形监测资料假定基础变形分布模式M；接着将机理不明基础变形荷载按假定的基础变形分布模式M施加到拱坝结构子模型上，获得拱坝结构的变形数据S

上述实施方式中，为了尽可能的获得较为准确的评价结论，同时又能较为方便的进行评价操作，本申请拱坝结构实际的变形数据S

1)当︱S

2)分析变形沿高程、按拱圈分布规律是否一致。

在实际获取各个参数的过程中，当︱S

综上所述，采用本申请提供的安全性评价方法对运行期间的拱坝进行安全评价还具有以下优点，

相较于现有技术，本发明充分利用了近坝区变形监测资料，快速便捷且相对准确地能分析得到真正作用于坝体结构上的机理不明确的基础变形，并利用了拱坝坝体结构在正常运行工况下，对荷载路径不敏感的特点，进行了整体模型-子模型的联动分析，在非线性有限元中实现了拱坝结构在常规荷载和机理不明的基础变形荷载的共同作用下的力学响应。既有与监测资料的对比验证，又有应用，保证了分析成果的合理性和准确性。

同时，本申请的子模型技术中，采用了节点驱动的方法，同样也可以采用面驱动等方式来实现，均不影响本发明最终实现的效果。

实施例一

本发明提供一种基于近坝区监测资料，采用有限元方法，快速实现准确评估这些基础不明变形对拱坝结构影响的方法。其具体操作步骤如下：

1、近坝区监测资料整理。

实际大坝工程安全监测中，多数变形监测数据均在近坝区，我们可以相对容易和准确地得到大坝结构变形、近坝区基础变形等数据。分类整理近坝区基础变形数据，这些数据多以点的变形形式存在，在这一步资料整理中，重点是对基础变形规律和分布模式进行合理的判断和假定。得到结构变形S

2、采用大坝-基础整体模型，进行常规已知确定荷载分析，比如温度荷载、静水压等等。对于大坝结构本身而言，在正常运行条件下基本处于线弹性状态，荷载的加载路径对其力学响应的差异相对较小，因而可以分别考虑常规荷载和机理不明的基础变形荷载。

3、假定基础变形模式，并做验证。机理不明确的基础变形，往往不是短时间就能收敛稳定的，一方面根据监测数据进行规律和趋势的预测，另一方面则需要及时跟踪反馈拱坝结构的运行状态。因此可以利用前期相关监测成果，对假定的基础变形模式进行验证。通常情况下，基础变形既有相关监测数据，又有坝体结构受其影响后的变形、应力分布等力学响应，验证分析相对会容易。采用节点驱动的子模型分析方法，并施加假定的拱坝基础变形，分析得到的成果与监测成果对比分析，得到合理的拱坝基础变形模式。

4、根据上一步得到的合理拱坝基础变形模式和基础变形预测分析，往后则根据监测数据更新，利用整体模型与子模型的联动分析，实现常规荷载和机理不明的基础变形荷载的力学分析，则可以得到拱坝在运行期的当前较为真实的工作状态，以便为拱坝结构的安全评价提供依据。

以上过程参见图1的流程示意图。