一种坝体性能评估方法和装置与流程

本发明涉及水利水电工程的技术领域，具体而言，涉及一种坝体性能评估方法和装置。

背景技术：

大坝的抗滑安全稳定性影响着大坝结构的安全性能和人民的生命财产安全，一直是大坝工程建设者所关心的主要问题，也是大坝设计者优先考虑的问题。目前，联合筑坝是水电工程施工与设计的重大创新，即大坝在不同坝段、同坝段不同高程、同高程不同区域存在使用不同混凝土材料的情况，如混凝土常态混凝土与碾压混凝土共用使用，不仅缩短了工期而且实现了巨大的经济效益。

但是，经发明人研究发现，现有的大坝抗滑稳定评价方法中，将大坝作为一个整体结构，没有考虑大坝的分区分块、纵缝，以及纵缝两侧坝块联合受力或材料差异性问题和纵缝两侧坝体各自的安全稳定性问题，因此，现有的大坝抗滑稳定评价方法不能反映大坝的真实安全稳定性，具有一定的片面性和局限性。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种坝体性能评估方法和装置，能够有效提高坝体安全性能的评估精度，使得坝体建设更加合理。

本发明较佳实施例提供一种坝体性能评估方法，所述坝体由至少两个坝块构成，所述方法包括：

针对各所述坝块的材料特性和受力特点得出各所述坝块的抗滑稳定安全系数；

对各所述坝块的所述抗滑稳定安全系数进行分析，得到最小安全系数；

以所述最小安全系数为评估准则对所述坝体的安全性能进行评估。

进一步地，所述根据坝体上各坝块的材料特性和受力特点得出各坝块的抗滑稳定安全系数的步骤包括：

获取坝体上第i个坝块与坝基接触面的横截面积ai；

根据第i个坝块的材料特性和受力特点，得出该坝块与坝基接触面之间的抗剪断摩擦系数fi、抗剪断凝聚力ci，以及作用于第i个坝块上的全部荷载对滑动平面的法向分值σwi以及作用于第i个坝块上的全部荷载对滑动平面的切向分值σpi；

根据ai、fi、ci、σwi、∑pi计算第i个坝块的抗滑稳定安全系数k'i，其中，

进一步地，对各坝块的所述抗滑稳定安全系数进行分析，得到最小安全系数的步骤包括：

将各坝块分别对应的所述抗滑稳定安全系数依次进行比较，以得到多个所述抗滑稳定安全系数中的最小值；

将所述最小值对应的抗滑稳定安全系数标记为最小安全系数。

进一步地，所述方法还包括：

根据坝体上各坝块的材料特性和受力特点，计算所述各坝块的性能参数，并使得相邻坝块的性能参数小于预设值。

进一步地，所述坝块的性能参数包括坝块的弹性模值。

本发明较佳实施例还提供一种坝体性能评估装置，所述坝体由至少两个坝块构成，所述装置包括：

第一处理模块，用于针对各所述坝块的材料特性和受力特点得出各所述坝块的抗滑稳定安全系数；

分析模块，用于对各所述坝块的所述抗滑稳定安全系数进行分析，得到最小安全系数；

性能评估模块，用于以所述最小安全系数为评估准则对所述坝体的安全性能进行评估。

进一步地，所述处理模块包括：

第一获取子模块，用于获取坝体上第i个坝块与坝基接触面的横截面积ai；

第二获取子模块，用于根据第i个坝块的材料特性和受力特点，得出该坝块与坝基接触面之间的抗剪断摩擦系数fi、抗剪断凝聚力ci，以及作用于第i个坝块上的全部荷载对滑动平面的法向分值∑wi以及作用于第i个坝块上的全部荷载对滑动平面的切向分值∑pi；

系数计算子模块，用于根据ai、fi、ci、∑wi、∑pi计算第i个坝块的抗滑稳定安全系数k'i，其中，

进一步地，所述分析模块包括：

比较子模块，用于将各坝块分别对应的所述抗滑稳定安全系数依次进行比较，以得到多个所述抗滑稳定安全系数中的最小值；

标记子模块，用于将所述最小值对应的抗滑稳定安全系数标记为最小安全系数。

进一步地，所述装置还包括：

第二处理模块，用于根据坝体上各坝块的材料特性和受力特点，计算所述各坝块的性能参数，并使得相邻坝块的性能参数小于预设值。

进一步地，所述坝块的性能参数包括坝块的弹性模值。

与现有技术相比，本发明实施例提供的坝体性能评估方法和装置，通过综合考虑联合筑坝时坝体中各坝块的抗滑稳定安全系数，进而对坝体的安全性能进行评估，能够有效提高坝体安全性能的评估精度，并使得坝体的评估结果更加全面以及坝体建设更加合理。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的一种坝体性能评估装置的应用场景示意图。

图2为本发明实施例提供的一种坝体性能评估方法的流程示意图。

图3为本发明实施例提供的坝体的结构示意图。

图4为图2中所示的步骤s102的子流程示意图。

图5为图2中所示的步骤s104的子流程示意图。

图6为本发明实施例提供的坝体的另一结构示意图。

图7为本发明实施例提供的一种坝体性能评估装置的方框结构示意图。

图8为图7中所示的第一处理模块的方框结构示意图。

图9为图7中所示的分析模块的方框结构示意图。

图标：10-终端；100-坝体性能评估装置；102-第一处理模块；1020-第一获取子模块；1022-第二获取子模块；1024-系数计算子模块；104-分析模块；1040-比较子模块；1042-标记子模块；106-性能评估模块；108-第二处理模块；200-存储器；300-存储控制器；400-处理器；500-坝体；502-甲块；504-乙块；506-纵缝；508-滑动面；510-地基。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

如图1所示，为本发明实施例提供的坝体性能评估装置100的应用场景示意图。所述终端10包括坝体性能评估装置100、存储器200、存储控制器300以及处理器400。其中，所述终端10可以是，但不限于，电脑、移动上网设备(mobileinternetdevice，mid)等具有处理功能的电子设备，还可以是服务器等。

可选地，所述存储器200、存储控制器300、处理器400各元件相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件之间通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。所述坝体性能评估装置100包括至少一个可以软件或固件的形式存储于所述存储器200中或固化在所述终端10的操作系统中的软件功能模块。所述处理器400在所述存储控制器300的控制下访问所述存储器200，以用于执行所述存储器200中存储的可执行模块，例如所述坝体性能评估装置100所包括的软件功能模块及计算机程序等。

可以理解，图1所示的结构仅为示意，所述终端10还可包括比图1中所示更多或者更少的组件，或者具有与图1所示不同的配置。图1中所示的各组件可以采用硬件、软件或其组合实现。

进一步地，请结合参阅图2，本发明实施例还提供一种可应用于所述坝体性能评估装置100的坝体性能评估方法，其中，下面将以坝体500的建筑材料为混凝土为例，对图2所示的具体流程进行详细阐述。所应说明的是，本发明所述的坝体性能评估方法并不以图2以及以下所述的具体顺序为限制。应当理解，本发明所述的页面交互方法其中部分步骤的顺序可以根据实际需要相互交换，或者其中的部分步骤也可以省略或删除。

步骤s102，针对各所述坝块的材料特性和受力特点得出各所述坝块的抗滑稳定安全系数。

本实施例中，在进行大坝建设规划中，如图3所示，所述大坝的坝体500由至少两个坝块构成(甲块502和乙块504)，至少两个所述坝块之间存在纵缝506，且每个坝块与地基510之间的接触面称为滑动面508，再根据各所述坝块的材料特性和受力特点得出各所述坝块的抗滑稳定安全系数。应注意，所述坝块的划分以纵缝506为界，一般沿上下游分为2～3个坝块，本实施例中，所述坝块的具体划分方式、坝块大小、数量等在此不做限制。

具体地，请结合参阅图4，图4为步骤s102的子流程示意图，下面结合图3对图4中的步骤进行详细说明。

步骤s1020，获取坝体500上第i个坝块与坝基接触面的横截面积。

步骤s1022，根据第i个坝块的材料特性和受力特点，得出该坝块与坝基接触面之间的抗剪断摩擦系数、抗剪断凝聚力，以及作用于第i个坝块上的全部荷载对滑动平面的法向分值作用于第i个坝块上的全部荷载对滑动平面的切向分值。

步骤s1024，计算第i个坝块的抗滑稳定安全系数。

本实施例中，以第i个坝块为例计算所述抗滑稳定安全系数，且该第i个坝块的建筑材料为混凝土。具体地，根据第i个坝块的混凝土的特性和受力特点，得出该坝块与坝基接触面之间的抗剪断摩擦系数fi、抗剪断凝聚力ci，以及作用于第i个坝块上的全部荷载对滑动平面的法向分值∑wi以及作用于第i个坝块上的全部荷载对滑动平面的切向分值∑pi。其中，所述全部载荷可包括扬压力等。

接着，根据得到的ai、fi、ci、∑wi、σpi计算第i个坝块的抗滑稳定安全系数k'i，其中，

步骤s104，对各所述坝块的所述抗滑稳定安全系数进行分析，得到最小安全系数。

本实施例中，出于安全考虑，对计算得到的多个各所述坝块的抗滑稳定安全系数k'i进行综合分析，选择出最小安全系数作为对整个大坝的坝体500进行安全性能评估的准则。可选地，如图5所示，为本实施例中步骤s104的子步骤流程示意图。下面对图5中的步骤进行详细说明。

步骤s1040，将各坝块分别对应的所述抗滑稳定安全系数依次进行比较，以得到多个所述抗滑稳定安全系数中的最小值。

步骤s1042，将所述最小值标记为最小安全系数。

本实施例中，将多个所述抗滑稳定安全系数依次进行比较，进而求取多个所述抗滑稳定安全系数中的最小值，例如，可通过k'＝min(k'i),i＝1,2…n求取该多个坝块的抗滑稳定安全系数中的最小值，并将该最小值标记为最小安全系数。需要说明的是，在本实施例中，所述最小安全系数求取的具体方法在此不做限制。

步骤s106，以所述最小安全系数为评估准则对所述坝体500的安全性能进行评估。

本实施例中，根据上述得到所述各坝块中的抗滑稳定安全系数k'i和最小安全系数k'，再依据《混凝土重力坝设计规范》sl319-2005中的相关技术规范要求标准(如表1和表2所示)，评价各坝块的安全性能坝体500的整体安全性能，为工程设计、施工和建设提供重要的参考。其中，表1为坝基面最小安全系数k'，表2为坝基面抗滑稳定安全系数k，表2中坝的级别是指按照大坝的大小规模进行评定。

表1

表2

步骤s108，根据坝体500上各坝块的材料特性和受力特点，计算所述各坝块的性能参数，并使得相邻坝块的性能参数小于预设值。

本实施例中，在进行坝体500建设时，依据材料性能差异对抗滑稳定安全系数的影响，确定相邻坝块的性能或性能参数不能差距过大，以保证分区筑坝的大坝坝体500的安全稳定性能。其中，所述性能包括坝体500的弹性模量、刚性等。可选地，以坝体500中各坝块混凝土的弹性模量为例，一般情况下，相邻坝块混凝土的弹性模量基本在之间时，可保证大坝的安全稳定性能。

基于上述给出的坝体性能评估方法，下面给出2个对所述坝体性能评估方法应用。

应用实例1

某水电站工程枢纽主要由挡水建筑物、泄洪消能建筑物、冲排沙建筑物、左岸坝后引水发电系统、右岸地下引水发电系统、通航建筑物及灌溉取水口等组成。其中挡水大坝的坝体500为混凝土重力坝，拦河大坝最大坝高162m，电站装机容量6000mw，全厂最大容量6400mw。

从结构和安全角度出发，兼顾重力坝的结构形式，请再次参阅图3，坝体500设有纵缝506，纵缝506两侧的坝块混凝土的弹性模量，甲块502为40gpa，乙块504为50gpa，根据各自的受力边界特性和材料特性，参考混凝土重力坝设计规范，分别计算出甲块502和乙块504的抗滑稳定安全系数分别为9.31和3.34(如表3所示)，坝基面抗滑稳定安全系数k，根据本方法的判断标准和最小安全系数k'的求取标准，得出该坝体500的抗滑稳定安全系数为3.34，满足规范要求(如表1和表2所示)。

表3

其中，根据所述坝体安全评估方法中对抗滑稳定安全系数的计算，可以求出坝体500中的纵缝506两侧不同坝块的抗滑稳定系数k'i，依据最小原则，可得出该坝体500的最低抗滑稳定安全系数k'。因此，本实施例给出的坝体安全评估方法比传统的整体计算更能反映工程实际，使得工程更具安全可靠。

应用实例2

在正常蓄水位情况下，考虑自重、水压力、扬压力、淤沙压力等情况，分析联合筑坝中的坝体500的材料差异对坝踵、坝趾应力影响的一般规律，对于规范的改进具有指导意义。这里采用非线性有限元，以大幅变动弹模比值(弹性模量的比值)e1/e2，从而求得坝踵、坝趾处应力变化规律增大或缩小的百分比值，具体如图6中的(a)和(b)所示，图(a)中，h代表坝体500总高度，h1代表正常蓄水位，hs代表淤沙位，h2代表下游水位，l1代表前部底宽，l2代表后部底宽，e1代表前部的弹性模量，e2代表后部的弹性模量，图(b)中，g1代表前部自重，g2代表后部自重，fh1代表上游面水平荷载，包括上游水压荷载、沙压荷载和浪压荷载，fh2代表下游水压荷载，fv代表扬压力。表4中的计算结果为重力坝联合筑坝引起的坝踵、坝趾应力变化。

表4

注：1.应力符号以拉为“+”，压为“-”，应力单位mpa，下同。

2.表所取为坝踵坝趾处一点的应力，并不能完全代表区域整体应力情况，只有相对比较才有参考意义。

3.计算基于理想弹塑性模型，未考虑混凝土材料脆断，强度准则为dp外接mc。

对表4中的计算结果进行分析，可以得出：

(1)在水压力、扬压力、自重等荷载的作用下，坝体500不同坝块的弹模比值e1/e2的变动，会对坝踵、坝趾处的应力产生影响。

(2)随着坝体500前部混凝土材料刚度增加，e1/e2比值成倍增加，坝踵顺河向应力σx为压应力且逐步增加，垂直正应力σy为压应力且逐步增大；第一主应力σ1为压应力，且逐步增大，与第二主应力σ2变化相同；坝趾处顺河向应力σx为压应力且逐步减小，σy、σ1与σ2均呈现压应力减小的趋势。

(3)随着坝体500后部混凝土材料刚度减小，e1/e2比值成倍减小，坝踵顺河向应力σx压应力逐渐减小，σy、σ1与σ2均呈现由压转拉的变化趋向，坝趾处顺河向应力σx呈现压应力增大的变化趋势，但变幅不大。

因此，可以看出坝体500中各坝块的弹模比值e1/e2的变化会对坝体500应力产生影响，在坝体500材料极限抗拉、抗压强度不变的情况下，弹模比值的变动可能会导致坝体500屈服破坏区变化，从而影响坝体500稳定。因此，应该控制坝体500中的纵缝506两侧坝块混凝土的弹性模量比值在一定范围，使得每个分区都满足坝体500的抗滑稳定，而不是总体满足。

进一步地，请结合参阅图7，本发明实施例提供的坝体性能评估装置100包括第一处理模块102、分析模块104、性能评估模块106和第二处理模块108。

所述第一处理模块102，用于针对各所述坝块的材料特性和受力特点得出各所述坝块的抗滑稳定安全系数。本实施例中，图2中的步骤s102由所述第一处理模块102执行，具体过程请参考步骤s102，在此不再赘述。可选地，如图8所示，所述第一处理模块102包括第一获取子模块1020、第二获取子模块1022和系数计算子模块1024。

所述第一获取子模块1020，用于获取坝体500上第i个坝块与坝基接触面的横截面积ai。

本实施例中，图4中的步骤s1020由所述第一获取子模块1020执行，具体过程请参考步骤s1020，在此不再赘述。

所述第二获取子模块1022，用于根据第i个坝块的材料特性和受力特点，得出该坝块与坝基接触面之间的抗剪断摩擦系数fi、抗剪断凝聚力ci，以及作用于第i个坝块上的全部荷载对滑动平面的法向分值∑wi以及作用于第i个坝块上的全部荷载对滑动平面的切向分值∑pi。

本实施例中，图4中的步骤s1022由所述第二获取子模块1022执行，具体过程请参考步骤s1022，在此不再赘述。

系数计算子模块1024，用于根据ai、fi、ci、∑wi、∑pi计算第i个坝块的抗滑稳定安全系数k'i，其中，

本实施例中，图4中的步骤s1024由所述系数计算子模块1024执行，具体过程请参考步骤s1024，在此不再赘述。

所述分析模块104，用于对各所述坝块的所述抗滑稳定安全系数进行分析，得到最小安全系数。本实施例中，图2中的步骤s104由所述分析模块104执行，具体过程请参考步骤s104，在此不再赘述。可选地，如图9所示，所述分析模块104包括比较子模块1040和标记子模块1042。

所述比较子模块1040，用于将各坝块分别对应的所述抗滑稳定安全系数依次进行比较，以得到多个所述抗滑稳定安全系数中的最小值。

本实施例中，图5中的步骤s1040由所述比较子模块1040执行，具体过程请参考步骤s1040，在此不再赘述。

所述标记子模块1042，用于将所述最小值对应的抗滑稳定安全系数标记为最小安全系数。

本实施例中，图5中的步骤s1040由所述标记子模块1042执行，具体过程请参考步骤s1040，在此不再赘述。

所述性能评估模块106，用于以所述最小安全系数为评估准则对所述坝体500的安全性能进行评估。

本实施例中，图5中的步骤s106由所述性能评估模块106执行，具体过程请参考步骤s106，在此不再赘述。

所述第二处理模块108，用于根据坝体500上各坝块的材料特性和受力特点，计算所述各坝块的性能参数，并使得相邻坝块的性能参数小于预设值。

本实施例中，图2中的步骤s108由所述第二处理模块108执行，具体过程请参考步骤s108，在此不再赘述。

综上所述，本发明提供的坝体性能评估方法和装置，与现有技术相比，能够针对坝体500中的每个坝块进行抗滑稳定安全系数的计算和分析，再根据各坝块的抗滑稳定安全系数中的最小安全系数对坝体500的安全性能进行评估，能够有效提高坝体500安全性能的评估精度，使得坝体500建设更加合理，为大坝的工程设计、施工和建设提供重要的参考。

在本发明的描述中，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明实施例所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其他方式实现。以上所描述的装置和方法实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的预设数量个实施例的装置、方法和计算机程序产品可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分。所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或预设数量个用于实现规定的逻辑功能。

也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。