基于數(shù)值計(jì)算在水利工程中的應(yīng)用分析

唐煒

摘 要：水利工程的修建，不僅解決了人們生活上的問題，同時(shí)對于提高國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展也起到了重要作用。水利工程建設(shè)龐大，如若不能及時(shí)妥善解決修建過程中出現(xiàn)的問題，將會發(fā)生難以挽回的后果。隨著水利工程和計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展發(fā)展，數(shù)值計(jì)算在水利工程的各個(gè)方面都有應(yīng)用，這一應(yīng)用對提高水利工程的安全穩(wěn)定性起到了很大的作用，并且可以節(jié)省大量的人工計(jì)算時(shí)間，在人力、物力上都有顯著的提高。

關(guān)鍵詞：數(shù)值計(jì)算 水利工程 應(yīng)用分析

中圖分類號：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）11（a）-0062-02

水利工程的修建歷史悠久，最早可追溯到大禹時(shí)期較為著名的大禹治水。古人重視水利工程的建設(shè)，原因在于它不僅促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的發(fā)展，同時(shí)也促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。新中國成立后更是重視水利工程的建設(shè)，由于水利工程項(xiàng)目建設(shè)龐大，修建過程中難免不會出現(xiàn)小失誤，而往往是小失誤才可能導(dǎo)致大事故的發(fā)生。一旦發(fā)生水利事故，將會嚴(yán)重威脅生活在下游的百姓的生命和財(cái)產(chǎn)安全。所以，在工程建設(shè)的整個(gè)階段都需要投入細(xì)心和耐心，在前期的計(jì)算階段就要嚴(yán)格核查，不放過每一處小錯(cuò)誤。

1 水利工程中存在的問題

水利工程是民生問題的關(guān)鍵所在，工程質(zhì)量是大家關(guān)注的焦點(diǎn)問題。工程的整個(gè)設(shè)計(jì)階段和施工階段都會受到某些客觀因素和意料不到的環(huán)境因素影響，給水利工程設(shè)計(jì)增加難題。所以，水利工程中存在的問題不容忽視，而對每個(gè)問題都必須仔細(xì)周全的分析。在設(shè)計(jì)階段就要對施工地點(diǎn)的水文地質(zhì)情況以及對實(shí)際地形地貌進(jìn)行勘察，近些年來的降雨情況等問題都要仔細(xì)調(diào)查，將環(huán)境影響盡可能降至最低。同時(shí)要對可能出現(xiàn)問題的地點(diǎn)、產(chǎn)生原因、問題出現(xiàn)是否有規(guī)律性以及相應(yīng)問題的緊急應(yīng)對措施都要進(jìn)行分析研究。如對小型水庫引起潰壩風(fēng)險(xiǎn)的可能因素，潰壩后的緊急搶救措施，水工銅閘門的震動失效處理方法等問題進(jìn)行研究。這些研究結(jié)果都能在很大程度上降低潰壩對工作人員和下游百姓的人身和財(cái)產(chǎn)安全，預(yù)防并減少災(zāi)害帶來的經(jīng)濟(jì)損失。

1.1 重力壩

重力壩的根本特點(diǎn)是，在巨大的水壓力及其他荷載的作用下，主要依靠壩體自重產(chǎn)生的抗滑力來維持穩(wěn)定，同時(shí)依靠壩體自重產(chǎn)生的壓力以及水壓力所引起的拉應(yīng)力以滿足強(qiáng)度要求。其壩體應(yīng)力較低，且對溫度的控制要求較高。壩基是最容易出現(xiàn)問題的地方，壩基穩(wěn)定是整個(gè)重力壩成敗的關(guān)鍵，所以，壩基需滿足承受重力壩壓力的要求，防止?jié)B漏也要控制在相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。地基是重力壩的基礎(chǔ)，為避免重力壩發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對鞏固地基的重視。一般來說，重力壩的跨度相對較長，壩基所處位置的地質(zhì)不同可能會導(dǎo)致地基對于穩(wěn)定性的要求不同，所以，加強(qiáng)對地基穩(wěn)定性調(diào)查時(shí)必要的。調(diào)查內(nèi)容如基巖的滲透性、基體內(nèi)是否存在軟性夾層等。

1.2 土石壩

土石壩是歷史最為悠久的一種壩型，主要是指由當(dāng)?shù)赝亮稀⑹系冉?jīng)一系列方法填筑而成的擋水壩，正是由于土石壩特殊的結(jié)構(gòu)，使得其適應(yīng)變形的能力較強(qiáng)。大多數(shù)土石壩的剖面形狀為梯形。土石壩結(jié)構(gòu)簡單，施工簡單，可就地取材，節(jié)省了大量水泥、木材和銅材，降低了工程造價(jià)，且便于維修。

1.3 拱壩

拱壩是一個(gè)空間的殼體擋水結(jié)構(gòu)，平面上向上游彎曲，呈曲線形，在水和淤積泥沙等水平為主的荷載作用下，大部分荷載將通過拱的作用傳遞到兩岸的基巖上，少部分荷載將通過垂直梁的作用傳給壩底基巖。

拱壩上的載荷主要有水壓力、溫度載荷等，由于拱壩受到溫度影響較大，所以，在拱壩的設(shè)計(jì)中溫度荷載是需要重點(diǎn)考慮。尤其是在壩頂部分，溫度變化相當(dāng)明顯。在長期的使用過程中壩體的溫度就會趨于穩(wěn)定，變化上下變化的幅度不會太大。

2 數(shù)值計(jì)算方法的應(yīng)用

數(shù)值計(jì)算方法是一種研究并解決數(shù)學(xué)問題的數(shù)值的近似解方法，利用計(jì)算街解決各種數(shù)學(xué)問題的方法。在水利工程中，主要應(yīng)用了數(shù)值計(jì)算方法中的有限元方法，利用ansys等有限元軟件，對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析。

2.1 數(shù)值計(jì)算在重力壩上的應(yīng)用

由于重力壩的壩面各個(gè)部分材質(zhì)不同且壩體應(yīng)力較低等原因，實(shí)際壩面應(yīng)力難以根據(jù)測定和計(jì)算得出，嘗試對重力壩壩面進(jìn)行數(shù)值分析，進(jìn)而得到較為合理和準(zhǔn)確的解是很有必要的。要想計(jì)算混凝土重力壩的應(yīng)用分析，首先需要初步擬定好壩體的斷面，然后才能進(jìn)行數(shù)值分析，數(shù)值分析的主要內(nèi)容是校核壩體在使用期間內(nèi)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性是否達(dá)到要求。目前計(jì)算的方法是理論計(jì)算法，其中較為常用的是材料力學(xué)法，這種方法得到廣泛的運(yùn)用，被認(rèn)為是在重力壩設(shè)計(jì)中最基本的計(jì)算方法。理論計(jì)算法有很多，較為常用的就是材料力學(xué)法。隨著對水利工程和計(jì)算機(jī)聯(lián)合作業(yè)的深入研究，數(shù)值計(jì)算可視化是非常值得期待的。使數(shù)字化在重力壩上的應(yīng)用，從而增加其壩體可靠性和穩(wěn)定性。

2.2 數(shù)值計(jì)算在土石壩上的應(yīng)用

由于多土石壩優(yōu)點(diǎn)和性能好，所以，應(yīng)用數(shù)值計(jì)算相對而言是比較容易的，并且在土石壩設(shè)計(jì)中，如地基的處理、邊坡穩(wěn)定性問題以及防止壩體滲流等問題較為常用的是數(shù)值計(jì)算方法。

引起邊坡失穩(wěn)問題的發(fā)生可能是多種因素導(dǎo)致的，較為主要的因素通常是降雨強(qiáng)度大，降雨量過多。解決降雨入滲導(dǎo)致滑坡失去穩(wěn)定性這一問題，首先就要研究降雨瞬間滲流場、非飽和滲流場、土坡應(yīng)力場以及各種邊界的條件和特點(diǎn)。在滲流作用下對邊坡進(jìn)行研究，可使用代替容重法，這種方法的使用已經(jīng)考慮到滲流作用的影響，但是在復(fù)雜的滲流條件下這種方法會受到影響。為了解決這種情況，不斷改進(jìn)方法以滿足復(fù)雜滲流條件下的計(jì)算。

土石壩由于本身所具有的特殊結(jié)構(gòu)，在建筑的時(shí)候用增加壩底的面積來減小壩體所承受的應(yīng)力，且具有較好的抵抗變形的能力。因此，土石壩可利用自身性能加強(qiáng)天然地基的強(qiáng)度，滿足其變形要求和地基處理的標(biāo)準(zhǔn)等。但是由于土石壩本身由土料和石料經(jīng)過拋填和碾壓等方法砌筑而成的，相對重力壩而言，壩基承載力、抵抗變形強(qiáng)度、抗?jié)B能力都較為一般。土石壩的壩基處理處于整個(gè)建筑設(shè)計(jì)的核心地位，壩基的穩(wěn)定性直接影響著整個(gè)土石壩的安全。所以對壩基問題的處理上要更加仔細(xì)謹(jǐn)慎，不論是計(jì)算還是修建過程中都不能有絲毫懈怠。張尚坤等就研究了基于IGW的各項(xiàng)異性地層滲流，實(shí)現(xiàn)對土石壩各項(xiàng)異性地層的二位滲流場真實(shí)區(qū)域的數(shù)值模擬；李永慶等對新立城水庫壩基滲流進(jìn)行了分析以及對防滲措施進(jìn)行了選擇。

2.3 數(shù)值計(jì)算在拱壩上的應(yīng)用

拱壩受溫度的影響很大，在拱壩的應(yīng)力和穩(wěn)定分析中，溫度載荷的影響是不可忽略的。溫度荷載是在設(shè)計(jì)拱壩中必須考慮的一項(xiàng)荷載，只有在施工期間內(nèi)較好地控制溫度在合理的變化范圍內(nèi)波動，整個(gè)大壩的穩(wěn)定性可保持穩(wěn)定。但是目前對于重力拱壩內(nèi)溫度不能控制在線性范圍內(nèi)，要解決這一問題就需要對拱壩的溫度荷載進(jìn)行分析和研究，從而找到合適的解決方案。

3 結(jié)語

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和研究的深入，數(shù)值計(jì)算的方法將會不斷應(yīng)用到水利工程中的各個(gè)方面。更多的計(jì)算方法方法也會不斷被研究出來，數(shù)值計(jì)算在水利工程中的應(yīng)用也會對提高工程的安全性起到一定的保障作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 王棟，毛擁政.對拱壩設(shè)計(jì)中一些問題的認(rèn)識[J].陜西水利，2015（2）：65-66.

[2] 朱伯芳.論混凝土拱壩有限元等效應(yīng)力[J].水利水電技術(shù)，2012（4）：30-32.

[3] 賈敬蓓，宗智，曾艷彬，等.三體船砰擊壓力數(shù)值計(jì)算方法研究[J].中國造船，2012（3）：110-120.

[4] 宋鵬，程琳，田振華.高拱壩安全度計(jì)算方法對比分析[J].水力發(fā)電，2012（10）：36-39.

[5] 唐廣慧，劉發(fā)祥，唐升貴，等.當(dāng)前巖石力學(xué)數(shù)值計(jì)算方法應(yīng)用探討[J].西部探礦工程，2007（12）：25-29.