力學在大型水壩發展中的作用探討

魏明星

摘要：力學源自物理學中的經典力學，力學在不斷發展中不僅服務于自然科學，同時也服務于工程技術，在不斷服務的過程中，使得自身理論不斷發展完善，從而出現了較多的新力學分支，這標志著力學發展到另一個新的高度。文章探討了力學在大型水利工程發展中所起到的作用，進一步推動水利工程的建設質量和建設效率。

關鍵詞：力學；大型水利工程；水壩；邊坡穩定；應力變形；滲流穩定 文獻標識碼：A

中圖分類號：TV131 文章編號：1009-2374（2016）36-0153-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.36.076

在物理學科中，力學一直都占據著極為重要的地位。在力學的不斷發展中，從其基礎研究到實踐應用已經自成體系，同時也成為了一個獨立的學科。在自然學科中，力學是其重要基礎所在，它一直服務于自然學科，其中最為主要的是服務于工程技術，同時在服務期間自己的理論以及應用研究也得到了一定程度的發展。當前現代力學已經被稱為一門技術學科，由于其研究與服務對象是各門技術發展以及工程建設中的科學問題，科學地將力學應用到水利工程中，可以有效地推動水利工程的建設效率與建設質量，發揮水利工程的經濟效益與社會價值。

1 力學發展趨勢

1.1 力學發展階段

力學發展主要經歷了以下階段，即：

第一階段為固體力學階段。固體力學主要研究的是固態物質以及結構受力所發生的變形、流動、破壞的重要學科，不僅為我國近代水利工業的發展創建了條件，還深入偏微分方程以及非現象學科。通過近代計算力學可以對水利工程中所應用的材料實際強度和當前的理論強度之間存在著一定差異進行控制，并完成計算微小應變與應力方面，變形局部化、損傷以及壽命等方面的判斷，推動不同性能和功能材料合理配置在一起，從而使其能夠形成某種特定的復合型材料，滿足水利工程的需求。

第二階段為流體力學，主要是研究的流體不同狀態下的相互作用和運動規律，并不斷得到完善和進步。

第三階段為一般力學。一般力學的對象主要為有限自由度系統運動和對其進行嚴格的控制，其中包含一個或者多個無線自由度子系統?，F階段一般力學已經逐漸進入到生物體運動問題研究方面，可以為較多的力學工作人員提供了一定的資料參考，這在推動非線性科學發展方面有著積極的意義，提高大型水利工程的建設質量與效率。

第四階段為力學和其他學科的交叉，由力學學科內部不同的分支學科、力學和其他學科交叉等組成，該階段的力學和源學科之間存在著一定的差異，對推動新力學發展方面有著積極的意義。

1.2 計算力學發展

實驗力學是力學的新分支。隨著現代電子計算機、圖像處理以及激光等高新技術快速發展，使得力學學科出現了兩個新的專業，即實驗力學與計算力學。其中計算力學主要是結合的傳統力學理論，運用計算機和各種數值的方式，完成對工程中問題的解決和控制。在實際的大型水利工程設計和建設過程中，可以科學地對有限差分方法和有限元法等方法進行應用，提高水利工程的建設質量。

2 力學在大型水壩發展中所起的作用

2.1 大壩在邊坡穩定分析

大壩在實際的建設過程中，需要重視對邊坡穩定的控制和分析，如果不能有效地控制邊坡的穩定，必然會導致安全隱患和質量隱患的發生，制約大壩的功能性和服務性。大壩邊坡穩定性分析與力學是相互聯系的，針對大壩邊坡穩定的分析和控制，進而保障大壩邊坡安全性和穩定性提升。通常情況下，針對大壩邊坡的穩定性分析，可以采用瑞典法、滑楔法和簡化法等方法進行應用，其中通過各種方法的簡化處理，可以有效地對計算精度進行控制，并獲得最小安全系數，進一步保障大壩邊坡的穩定性和安全性，減少邊坡滑坡的現象發生，全面發揮大壩的功能。

針對大壩的邊坡穩定性分析中，極限單元法的有效應用，可以為邊坡的應力和變形的基本信息進行提供，采用離散化、形狀函數表達單元內的物理量、結合里茲法等方式，完成極限單元的解，并完成對泛函的極小值，進而得到的固結問題，另外可以結合三角（四邊形）形單元、單元矩陣積分完成對結構的分析和解讀，并用極限單元法分析本構的關系、建立滑裂面應力的邊坡穩定性分析，從而有效地推動邊坡的穩定性分析質量，制定完善的邊坡的施工方式，保障大壩的安全性。

2.2 大壩的應力變形分析方法

應力變化是影響大壩質量和安全的重要因素，在實際的大壩建設過程中，需要重視對大壩的應力變化分析和解讀，并采取適宜的分析方法，實現對大壩的應力變化的控制，進一步保障大壩的安全。

大壩受到應力變化會導致大壩出現變形的情況，針對這類情況，需要科學地對大壩的水壓位移分量、溫度位移分量和時效位移分量等內容進行分析和解讀，并建立有效的大壩變形監測與預報模型，其具體的模型可以設為：

此外，極限單元法可以有效地應用到大壩的應力變形分析中，針對大壩應力變形的有限元分析：

第一，采用ANSYS建模的方式，創建各個單元，結合間接建模的方式，實現實體建模。ANSYS可以實現自頂向下的實體建模和自底向上的實體建模，建模過程中可以結合相關繪圖軟件得到參數化建模的方式，進一步提高效率和準確性。

第二，網格劃分，應力變形分析中必須展開網格的分化，結合映射網格劃分的方式，實現對溫度應力、形變應力等的計算。

第三，施加邊界的約束荷載，有限元計算需要已知邊界，為此需要適宜的邊界添加約束荷載，如圖1所示為典型的大壩邊界約束荷載圖。

第四，邊界添加完成后，需要完成對有限元模型的求解和處理，按照處理結果得到變形應力的具體結果，并采取有效的抑制措施，保障大壩施工的安全性和穩定性。

2.3 大壩的滲流穩定分析

大壩滲流穩定性對大壩施工和后續使用具有十分直接的影響，如果大壩滲流穩定性分析不夠全面，就可能會導致安全隱患的發生。針對大壩的滲流穩定性進行分析，力學的作用就顯得十分重要。需要根據大壩上、下游的蓄水位和最低水位等信息進行考慮，結合滲流計算分析軟件和有限元法，展開對滲流穩定的計算。計算過程中，需要對大壩壩體的滲流量進行計算，并根據計算斷面等內容，結合邊坡的基本情況，對壩坡穩定性和最小安全系數進行分析，明確大壩的飽和度、滲透率等計算結果，進而完成對大壩的設計工作，在保障上、下游的設計標準和設計規范的基礎上，進一步推動大壩滲透的穩定性，減少大壩的安全隱患和質量隱患，實現大壩的功能性和安全性。

3 結語

本文主要著手于兩個重要方面：一方面分析了力學發展趨勢；另一方面分析了計算力學。通過分析明確了力學擁有極為重要的作用，它被應用在水壩工程中，同時也被作為學科，讓更多的學生學習與了解。而力學的作用在于其服務于經濟建設和科技的發展，可是在力學發展中，需要明確力學與水壩發展之間的關系。水壩發展無法脫離力學，力學在大型水壩發展中具有十分積極的作用，通過對力學的有效應用，可以對水壩的邊坡、應力變形和滲流穩定等內容進行計算和分析，進一步推動大型水壩的功能性全面發揮。本文對力學在水壩工程中的作用給予了簡述，明確了力學和水壩發展之間的聯系，積極推動水壩發展和應用，保障大型水壩功能性和安全性的全面發揮，實現大型水壩的發展和進步，推動社會經濟的可持續發展。

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（責任編輯：小 燕）