一種模擬砂礫石壩基管涌侵蝕對(duì)大壩應(yīng)力變形影響的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于水利水電工程堤壩的設(shè)計(jì)、研宄及控制的技術(shù)領(lǐng)域，具體地涉及一種 模擬砂礫石壩基管涌侵蝕對(duì)大壩應(yīng)力變形影響的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 部分江河大堤和一些水庫大壩都不可避免地坐落于在滲流作用下內(nèi)部不穩(wěn)定的 砂礫石覆蓋層上，這些堤壩在高水頭滲流作用下可能發(fā)生內(nèi)部管涌侵蝕，嚴(yán)重時(shí)威脅堤壩 的安全。砂礫石土的管涌侵蝕，會(huì)改變土體的滲透性、強(qiáng)度和應(yīng)力變形關(guān)系，導(dǎo)致壩基及壩 體滲流場(chǎng)的變化、導(dǎo)致大壩發(fā)生變形和應(yīng)力調(diào)整，危害壩基的滲透穩(wěn)定性和壩基的抗滑穩(wěn) 定性，危害上部及壩基內(nèi)部結(jié)構(gòu)的正常工作，最終危害整個(gè)堤壩的安全運(yùn)行。
[0003] 砂礫石土的管涌侵蝕的類型包括：管道型（流土型）管涌和管涌型管涌。管涌型 管涌是指粗顆粒構(gòu)成骨架而細(xì)顆粒在粗顆粒之間的孔隙中發(fā)生移動(dòng)侵蝕。管涌型管涌可以 在堤壩基礎(chǔ)內(nèi)部首先發(fā)生，并溯源發(fā)展。管涌型管涌侵蝕發(fā)生對(duì)應(yīng)力變形有兩個(gè)方面的影 響：（1)侵蝕改變土體的滲透性，從而改變壩基的滲流場(chǎng)，而導(dǎo)致壩基及其上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng) 力變形；（2)侵蝕改變土體的強(qiáng)度和變形模量，土體在應(yīng)力狀態(tài)不變時(shí)將產(chǎn)生應(yīng)變，從而引 起壩基的應(yīng)力動(dòng)態(tài)調(diào)整和迀移。為了保證堤壩的安全運(yùn)行，亟需一種模擬砂礫石壩基管涌 侵蝕對(duì)大壩應(yīng)力變形影響的方法，以便定量描述砂礫石壩基管涌侵蝕對(duì)大壩應(yīng)力變形造成 的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種模擬砂礫石壩基管涌 侵蝕對(duì)大壩應(yīng)力變形影響的方法，其能夠定量描述砂礫石壩基管涌侵蝕對(duì)大壩應(yīng)力變形造 成的影響，用于分析和控制管涌型管涌對(duì)大壩應(yīng)力變形造成的影響，從而保證整個(gè)堤壩安 全運(yùn)行。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：這種模擬砂礫石壩基管涌侵蝕對(duì)大壩應(yīng)力變形影響的 方法，該方法包括以下步驟：
[0006] (1)仿真計(jì)算壩體填筑和蓄水過程中壩體的滲流和應(yīng)力變形，當(dāng)壩基中砂礫石土 中的滲透坡降超過臨界管涌坡降時(shí)，判斷管涌侵蝕開始發(fā)生；
[0007] (2)進(jìn)行管涌侵蝕計(jì)算和大壩應(yīng)力變形計(jì)算，并對(duì)二者進(jìn)行耦合，獲得管涌侵蝕對(duì) 大壩應(yīng)力變形影響的結(jié)果。
[0008] 本發(fā)明通過仿真計(jì)算壩體填筑和蓄水過程中壩體的滲流和應(yīng)力變形，進(jìn)行管涌侵 蝕計(jì)算和大壩應(yīng)力變形計(jì)算，并對(duì)二者進(jìn)行耦合，獲得管涌侵蝕對(duì)大壩應(yīng)力變形影響的結(jié) 果，所以能夠定量描述砂礫石壩基管涌侵蝕對(duì)大壩應(yīng)力變形造成的影響，用于分析和控制 管涌型管涌對(duì)大壩應(yīng)力變形造成的影響，從而保證整個(gè)堤壩安全運(yùn)行。
【附圖說明】
[0009] 圖Ia示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的典型剖面在正常高水位管涌侵蝕100 小時(shí)后由于管涌滲流場(chǎng)變化引起的水平位移增量；圖Ib示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施 例的典型剖面在正常高水位管涌侵蝕100小時(shí)后由于管涌滲流場(chǎng)變化引起的垂直位移增 量。
[0010] 圖2a示出了圖Ia的管涌滲流場(chǎng)變化后大壩的水平正應(yīng)力增量；圖2b示出了圖Ib 的管涌滲流場(chǎng)變化后大壩的垂直正應(yīng)力增量。
[0011] 圖3a示出了圖Ia的管涌土體模量衰化引起的水平位移增量；圖3b示出了圖Ib 的管涌土體模量衰化引起的垂直位移增量。
【具體實(shí)施方式】
[0012] 這種模擬砂礫石壩基管涌侵蝕對(duì)大壩應(yīng)力變形影響的方法，該方法包括以下步 驟：
[0013] (1)仿真計(jì)算壩體填筑和蓄水過程中壩體的滲流和應(yīng)力變形，當(dāng)壩基中砂礫石土 中的滲透坡降超過臨界管涌坡降時(shí)，判斷管涌侵蝕開始發(fā)生；
[0014] (2)進(jìn)行管涌侵蝕計(jì)算和大壩應(yīng)力變形計(jì)算，并對(duì)二者進(jìn)行耦合，獲得管涌侵蝕對(duì) 大壩應(yīng)力變形影響的結(jié)果。
[0015] 本發(fā)明通過仿真計(jì)算壩體填筑和蓄水過程中壩體的應(yīng)力變形，進(jìn)行管涌侵蝕計(jì)算 和大壩應(yīng)力變形計(jì)算，并對(duì)二者進(jìn)行耦合，獲得管涌侵蝕對(duì)大壩應(yīng)力變形影響的結(jié)果，所以 能夠定量描述砂礫石壩基管涌侵蝕對(duì)大壩應(yīng)力變形造成的影響，用于分析和控制管涌型管 涌對(duì)大壩應(yīng)力變形造成的影響，從而保證整個(gè)堤壩安全運(yùn)行。
[0016] 另外，所述步驟（2)在每一個(gè)計(jì)算時(shí)步中耦合管涌侵蝕計(jì)算和大壩應(yīng)力變形計(jì) 算。
[0017] 或者，所述步驟（2)包括以下分步驟：
[0018] (2. 1)以較小的時(shí)步進(jìn)行管涌侵蝕計(jì)算，以較大的時(shí)步進(jìn)行應(yīng)力變形計(jì)算，管涌侵 蝕計(jì)算不耦合應(yīng)力變形計(jì)算結(jié)果，而應(yīng)力變形計(jì)算耦合管涌侵蝕計(jì)算結(jié)果；
[0019] (2. 2)以較大的時(shí)步時(shí)的滲流場(chǎng)、管涌侵蝕計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，引入描述土體管涌侵 蝕過程中應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的本構(gòu)模型，分兩部分計(jì)算壩體的應(yīng)力變形增量：(a)采用未侵蝕 時(shí)土體的變形參數(shù)計(jì)算滲流場(chǎng)變化引起的應(yīng)力和位移增量；(b)計(jì)算由于侵蝕引起變形參 數(shù)變化導(dǎo)致的應(yīng)力調(diào)整和迀移產(chǎn)生的應(yīng)力和位移增量。
[0020] 另外，所述部分（a)中滲流場(chǎng)變化引起的應(yīng)力和位移增量，基于管涌后的滲流場(chǎng) 結(jié)果，采用滲流應(yīng)力耦合算法。
[0021] 另外，所述部分（b)中計(jì)算侵蝕引起變形參數(shù)變化導(dǎo)致的應(yīng)力調(diào)整和迀移產(chǎn)生的 應(yīng)力和位移增量，采用初應(yīng)變?cè)隽糠ㄓ?jì)算。
[0022] 下面更詳細(xì)地說明本發(fā)明。
[0023] 管涌侵蝕發(fā)生對(duì)應(yīng)力變形有兩個(gè)方面的影響：（1)侵蝕改變土體的滲透性，從而 改變壩基的滲流場(chǎng)而導(dǎo)致壩基及其上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力變形；（2)侵蝕改變土體的強(qiáng)度和變 形模量，土體在應(yīng)力狀態(tài)不變時(shí)將產(chǎn)生應(yīng)變，從而引起壩基的應(yīng)力動(dòng)態(tài)調(diào)整和迀移。
[0024] 本發(fā)明采用滲流和變形耦合計(jì)算的方法，首先仿真計(jì)算壩體填筑和蓄水過程中壩 體的應(yīng)力變形，當(dāng)壩基中砂礫石土中的滲透坡降超過臨界管涌坡降時(shí)，管涌侵蝕開始發(fā)生。 可以每一個(gè)計(jì)算時(shí)步中耦合管涌侵蝕計(jì)算和大壩應(yīng)力變形計(jì)算。也可以較小的時(shí)步進(jìn)行 管涌侵蝕計(jì)算，較大的時(shí)步進(jìn)行應(yīng)力變形計(jì)算，管涌侵蝕計(jì)算不耦合應(yīng)力變形結(jié)果，而應(yīng)力 變形計(jì)算耦合管涌侵蝕計(jì)算結(jié)果，然后以大時(shí)步時(shí)的滲流場(chǎng)、管涌侵蝕結(jié)果為基礎(chǔ)，引入描 述土體管涌侵蝕過程中應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的本構(gòu)模型，分兩部分計(jì)算壩體的應(yīng)力變形增量：（1) 采用未侵蝕時(shí)土體的變形參數(shù)計(jì)算滲流場(chǎng)變化引起的應(yīng)力和位移增量；(2)由于侵蝕引起 變形參數(shù)變化導(dǎo)致的應(yīng)力調(diào)整和迀移產(chǎn)生的應(yīng)力和位移增量。
[0025] 滲流場(chǎng)變化引起的應(yīng)力變形，基于管涌后的滲流場(chǎng)結(jié)果，采用一般的滲流應(yīng)力耦 合算法即可。侵蝕引起的砂礫石土強(qiáng)度和變形模量變化引起的附加應(yīng)力和變形的計(jì)算，可 采用初應(yīng)變?cè)隽糠ㄓ?jì)算。
[0026] 假定侵蝕單元土體的應(yīng)力為〇 u，用增量法計(jì)算此應(yīng)力狀態(tài)下按照侵蝕前土體的 總的應(yīng)變與當(dāng)前侵蝕土體參數(shù)計(jì)算的總的應(yīng)變之差Λ ε m如采用鄧肯E-B或解耦K-G等 本構(gòu)模型，由于本構(gòu)模型是增量型，所計(jì)算的模量為切線模量，因此應(yīng)變的計(jì)算應(yīng)采用增量 法?？蓪?yīng)力分成η等分，每一等分看做一個(gè)應(yīng)力增量d 〇 y分別按照未侵蝕土體和侵蝕土 體的模型參數(shù)，計(jì)算相應(yīng)的應(yīng)變，然后累計(jì)成總的應(yīng)變，后者與前者總的應(yīng)變之差，就是土 體在相同應(yīng)力狀態(tài)下侵蝕衰化引起的應(yīng)變?cè)隽俊Ｒ粋€(gè)應(yīng)力增量中的應(yīng)變?cè)隽堪聪率接?jì)算， 其中的模量應(yīng)采用切線模量。
[0027]
(0.1)
[0028] 將此初應(yīng)變轉(zhuǎn)換為節(jié)點(diǎn)荷載，用矩陣表示：
[0029]
(0.2)
[0030] 指標(biāo)符號(hào)形式的節(jié)點(diǎn)荷載
[0032] 進(jìn)行有限元計(jì)算獲得節(jié)點(diǎn)的位移后，求應(yīng)力增量中，在應(yīng)變中要扣除初應(yīng)變
[0033] Δ σ iJ= D iJkl( ε kl-Δ ε kl) (0. 4)
[0034] 為了考慮模量隨著應(yīng)力狀態(tài)的變化而變化，初應(yīng)變應(yīng)分成η(如10)等分，逐步計(jì) 算由此初應(yīng)變帶來的附加位移和附加應(yīng)力。
[0035] 某工程中某設(shè)計(jì)方案典型剖面在正常高水位管涌侵蝕100小時(shí)后由于滲流場(chǎng)改 變導(dǎo)致的壩基和壩體位移如圖la、lb所示，壩體和壩基土體中的應(yīng)力變化如圖2a、2b所示， 模量衰化引起的附加變形如圖3a、3b所示。
[0036] 以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依 據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬本發(fā)明 技術(shù)方案的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種模擬砂礫石壩基管涌侵蝕對(duì)大壩應(yīng)力變形影響的方法，其特征在于：該方法包 括以下步驟： (1) 仿真計(jì)算壩體填筑和蓄水過程中壩體的應(yīng)力變形，當(dāng)壩基中砂礫石土中的滲透坡 降超過臨界管涌坡降時(shí)，判斷管涌侵蝕開始發(fā)生； (2) 進(jìn)行管涌侵蝕計(jì)算和大壩應(yīng)力變形計(jì)算，并對(duì)二者進(jìn)行耦合，獲得管涌侵蝕對(duì)大壩 應(yīng)力變形影響的結(jié)果。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬砂礫石壩基管涌侵蝕對(duì)大壩應(yīng)力變形影響的方法，其特 征在于：所述步驟（2)在每一個(gè)計(jì)算時(shí)步中耦合管涌侵蝕計(jì)算和大壩應(yīng)力變形計(jì)算。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬砂礫石壩基管涌侵蝕對(duì)大壩應(yīng)力變形影響的方法，其特 征在于：所述步驟（2)包括以下分步驟： (2. 1)以較小的時(shí)步進(jìn)行管涌侵蝕計(jì)算，以較大的時(shí)步進(jìn)行應(yīng)力變形計(jì)算，管涌侵蝕計(jì) 算不耦合應(yīng)力變形計(jì)算結(jié)果，而應(yīng)力變形計(jì)算耦合管涌侵蝕計(jì)算結(jié)果； (2. 2)以較大的時(shí)步時(shí)的滲流場(chǎng)、管涌侵蝕計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，引入描述土體管涌侵蝕過 程中應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的本構(gòu)模型，分兩部分計(jì)算壩體的應(yīng)力變形增量：(a)采用未侵蝕時(shí)土 體的變形參數(shù)計(jì)算滲流場(chǎng)變化引起的應(yīng)力和位移增量；(b)計(jì)算由于侵蝕引起變形參數(shù)變 化導(dǎo)致的應(yīng)力調(diào)整和迀移產(chǎn)生的應(yīng)力和位移增量。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的模擬砂礫石壩基管涌侵蝕對(duì)大壩應(yīng)力變形影響的方法，其特 征在于：所述部分（a)中滲流場(chǎng)變化引起的應(yīng)力和位移增量，基于管涌后的滲流場(chǎng)結(jié)果，采 用滲流應(yīng)力耦合算法。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的模擬砂礫石壩基管涌侵蝕對(duì)大壩應(yīng)力變形影響的方法，其特 征在于：所述部分（b)中計(jì)算侵蝕引起變形參數(shù)變化導(dǎo)致的應(yīng)力調(diào)整和迀移產(chǎn)生的應(yīng)力和 位移增量，采用初應(yīng)變?cè)隽糠ㄓ?jì)算。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種模擬砂礫石壩基管涌侵蝕對(duì)大壩應(yīng)力變形影響的方法，其能夠定量描述砂礫石壩基管涌侵蝕對(duì)大壩應(yīng)力變形造成的影響，用于分析和控制管涌型管涌對(duì)大壩應(yīng)力變形造成的影響，從而保證整個(gè)堤壩安全運(yùn)行。該方法包括步驟：(1)仿真計(jì)算壩體填筑和蓄水過程中壩體的應(yīng)力變形，當(dāng)壩基中砂礫石土中的滲透坡降超過臨界管涌坡降時(shí)，判斷管涌侵蝕開始發(fā)生；(2)進(jìn)行管涌侵蝕計(jì)算和大壩應(yīng)力變形計(jì)算，并對(duì)二者進(jìn)行耦合，獲得管涌侵蝕對(duì)大壩應(yīng)力變形影響的結(jié)果。
【IPC分類】E02B1/02, E02B7/02
【公開號(hào)】CN104963319
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510332623
【發(fā)明人】吳夢(mèng)喜, 姜媛媛, 余挺, 葉發(fā)明, 張琦, 楊懷德, 王黨在
【申請(qǐng)人】中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 中國科學(xué)院力學(xué)研究所
【公開日】2015年10月7日
【申請(qǐng)日】2015年6月16日