淺談數值計算在水利工程中的應用

■陳 聰 ■重慶交通大學河海學院，重慶 400074

1 引言

我國是水資源非常豐富的國家，也是世界上文明古國之一。早期的大禹治水;芍陂、都江堰、鄭國渠等灌溉工程的興建;以及大運河的挖掘，都是古代人民新修水利的輝煌成就。新中國成立之后更是注重水利的發展［1］。修建了那么多水利工程，事故在所難免。如水溝口二庫事故檢修閘門［2］;柘溪水電廠8 號機組事故［3］;旁多水利樞紐泄洪兼導流洞事故門［4］等，這些事故的發生，嚴重威脅到工作人員的生命安全，也威脅到下游居民的生命財產安全。因此工程修建前的設計中對個各個部分的安全穩定計算，以及工程修建后的安全加固至關重要。

2 水利工程中存在的問題

很多研究人員都對水利工程中存在的問題進行了分析，對問題產生的原因，包括容易出現問題的地點，哪種季節段容易出現這樣的問題，還有出現該種問題現象的過程以及會造成怎樣的災害進行了研究，這對問題的預防還有該問題出現時的應對措施以及指導性的建議的提出具有很大的幫助。例如就有研究人員對小型水庫的潰壩風險［5］;水利工程土石壩邊坡穩定［6］水工鋼閘門的震動失效處理［7］等進行了研究。這對預防水利災害的產生，以及盡可能降低災害對工作人員以及保護下游居民的財產安全都具有極其關鍵的作用。

2.1 重力壩

重力壩的根本特點是，在巨大的水壓力(靜水壓力、揚壓力為主)作用下，主要依靠壩體自重產生的抗剪(滑)力來維持穩定(不移動、不傾倒、不浮起)。

重力壩出現的主要問題主要是由于對壩基問題認識重要性不夠而導致的失穩現象，據不完全統計，失事的重力壩中，有40%是由于地基缺陷引起的。由于重力壩的跨度通常很大，壩基所處地基不盡相同，因此，前期對于地基的處理相當的重要。

2.2 土石壩

土石壩是一種極為古老的壩型，主要是指由散狀土、石等當地材料填筑而成的壩，其自然的剖面形狀為梯形。因為可以就地取材、就近取材、且能節省大量水泥、木材和鋼材，能適應不同的地形地質和氣候條件，結構簡單，運用管理方便，以及現代先進技術的發展等原因，土石壩得到了廣泛的應用。

滲流是土石壩需要防范的一個主要問題，因為壩體壩基都是比較透水的，由于上下游的水位差，水庫里的水將通過壩體、壩基及兩岸向下游滲透，而壩體壩基的結合面又是滲流的集中區域。滲流過于明顯會使蓄水量明顯減少、降低壩的穩定性以及產生可能的滲透變形，因此，防滲設施在土石壩的設計中是必須要考慮的。根據我國早期的土石壩工程的資料統計，由滲流而引起的破壞事故約占31.7%。其中大型水庫占11 座，而對于中小型水庫而言，漫壩沖垮者最多，占51.5%。其次就是滲漏導致垮壩，占29.1%，由此可見滲漏造成的潰壩問題是相當嚴重的［8］。

2.3 拱壩

拱壩是一個空間的殼體擋水結構，平面上呈拱形拱向上游。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基巖上，少部分荷載將通過垂直梁的作用傳給壩底巖基。

溫度荷載是拱壩設計中的一項重要荷載，在靠近壩頂部分，溫度變化影響更為顯著。經長期運用，壩體溫度不再隨時間改變時，相應的壩體溫度場稱為穩定溫度場。但即使壩內已無熱源，邊界溫度仍是時間的周期函數。

3 數值計算方法的應用

數值計算主要研究如何利用計算機更好的解決各種數學問題，包括連續系統離散化和離散形方程的求解，并考慮誤差、穩定性和收斂性等問題。從數學類型分，數值運算的研究領域包括數值逼近、數值微分和數值積分、數值代數、最優化方法、數值逼近、常微分方程數值解法、數值微分和數值積分、積分方程數值解法、偏微分方程數值解法、計算幾何、偏微分方程數值解法、計算概率統計等。

水利工程中，主要應用了有限元的方法，利用ansys 或者anaqus 等有限元軟件，對所需要的計算的部分進行分析。

3.1 數值計算在重力壩上的應用

重力壩的壩面由于分封，壩面的應力往往比較難計算，有人就通過對壩面的應力進行數值分析，得到較為精確的解，來保證設計的合理性?；炷林亓蔚膽τ嬎惴治鍪窃趬误w斷面初步擬定的情況下進行的，其目的時判斷壩體在運用期和施工期的強度和穩定是否滿足要求。目前計算的主要方法是理論計算法，分為材料力學法、彈性理論法和彈塑性理論法，但材料力學法至今被認為是計算重力壩應力和設計壩剖面的基本的常用方法。在此基礎上，還可以實現其數值計算的可視化。

3.2 數值計算在土石壩上的應用

數值計算的方法在土石壩中的應用相對而言是比較廣泛的，在地基處理、邊坡穩定以及壩體滲流等問題的分析中，都會采用此種方法進行計算。

邊坡失穩的原因往往是因為降雨，降雨入滲滑坡是一種典型的非飽和滲流耦合邊坡應力應變現象，需要研究瞬態和非飽和滲流場、土坡應力場以及各種邊界條件。考慮滲流作用下的邊坡分析，在常規方法中一般采用基于滲流力合力作用效果而引入的替代容重法，由于該法在復雜滲流條件下實用性會受影響，因此一些例如水流邊坡穩定法，圓弧有限元法等改進的方法不斷涌現出來。

土石壩底面積大，壩基應力較小，壩身具有一定的適應變形的能力，壩身斷面分區和材料的選擇也具有靈活性。所以，土石壩對天然地基的強度和變形要求，以及地基處理的標準等，都可以略低于重力壩，但是由于土石壩壩基本身的承載力、強度變形和抗滲能力等條件一般不如重力壩，一次壩基處理不能絲毫放松。張尚坤等［9］就研究了基于IGW 的各項異性地層滲流，實現對土石壩各向異性地層的二位滲流場真實區域的數值模擬;李永慶等［10］對新立城水庫壩基滲流進行了分析以及對防滲措施進行了選擇。土石壩的壩基處理對土石壩的安全有至關重要的影響。

3.3 數值計算在拱壩上的應用

溫度荷載是在設計拱壩中必須考慮的一項荷載，如果在施工期間不能很好的控制溫度，那么對大壩整體穩定會相當的不利，目前拱壩規范中溫度荷載不能較好地考慮重力拱壩內部溫度的非線性變化，因此黃耀英等對混凝土重力拱壩溫度荷載的分析方法進行了改進。

4 結語

隨著技術的不斷進步，數值計算的方法在水利工程中的應用將會越來越廣泛，更多的實用的方法也會不斷的出現，工程的安全性也會得到不斷的提高。

［1］顏宏亮，閆濱.水工建筑物［M］.北京:中國水利水電出版社，2012:1-157.

［2］姚福成.水溝口二庫事故檢修閘門的設計［J］.中國科技投資，2014(A13):251.

［3］唐凱，譚劍輝.柘溪水電廠8 號機組事故配壓閥和分段關閉閥的改造［J］.水電站機電技術，2014(3):105-107.

［4］袁偉，刁顏斌，陸陽，張春豐.旁多水利樞紐泄洪兼導流洞事故門6000KN 級定輪研究［J］.東北水利水電，2014(9):9-13.

［5］李超，呂巖，陳更新.小型水庫的潰壩風險分析及對策探討［J］.內蒙古科技與經濟，2014(13):65-66.

［6］楊慧玲.關于水利工程土石壩邊坡穩定設計的思考［J］.中國科技投資，2014(A15):418.

［7］郭利，姜勇.水工鋼閘門的震動時效處理［J］.廣西水利水電，2014(4):10-12.

［8］鄧現國.土石壩滲流分析與控制［J］.科技風，2011(7):122.

［9］張尚坤，陳秀.基于IGW 的各項異性地層滲流數值計算分析［J］.吉林水利，2014(5):9-13.

［10］李永慶，趙清.新立城水庫壩基滲流分析及防滲措施選擇［J］.吉林水利，2013(1):4-6.