一种基于实测数据的重力坝扬压力分级预警方法与流程
本发明涉及到大坝安全分级预警方法技术领域，具体涉及到一种基于实测数据的重力坝扬压力分级预警方法。
背景技术：
重力坝是一种常见的挡水建筑物，如我国的三峡工程等都是重力坝。大坝的安全状态不仅影响到工程投资和效益是否能正常发挥，而且还直接影响下游人民的生命财产、社会稳定和国民经济及生态环境安全，有效实现重力坝的安全预警，可以有效规避工程安全风险，充分发挥工程效益。
扬压力是重力坝重要荷载，是影响重力坝安全的重要因素，对大坝稳定和关键部位的应力分布具有十分重要的影响。目前基于实测的预警指标还是基于典型监测量的小概率法、极值统计法和基于多元逐步回归的置信区间法。前两种统计方法没有考虑扬压力变化的物理背景，也没有充分考虑影响扬压力的上下游水位和地质条件，仅仅基于某一概率假设，缺乏物理和工程基础。后者尽管考虑了自变量因子的影响，但由于线性逐步回归模型容易受测值误差和多重共线性影响，模型的泛化能力不能保证。
由于实际坝基地质条件的复杂性和非均匀性，实测扬压力与规范假设的线性分布差别明显，如按规范规定的分布对每个测压管扬压力进行报警，很可能出现虚警。
技术实现要素：
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于实测数据的重力坝扬压力分级预警方法，克服依据单个扬压力测点个别值进行预警的弊端，计算简单实用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
步骤一：获取并确定重力坝类型；如实体重力坝、宽缝及大头重力坝、空腹重力坝等；
步骤二：判断坝段位置；如岸坡坝段、河床坝段；
步骤三：读取重力坝上下游水位；
步骤四：获取坝段设置的多个横向测压管的桩号，从而获得各扬压力测点的横向坐标；读取各个测压管的水头值；根据重力坝类型和坝段位置，由设计规范确定扬压力折减系数α；
步骤五：按照各个测压管的实测数据计算实际扬压力面积mt；根据设计规范确定的参数由实际上下游水位计算规范扬压力面积st；比较所述实际扬压力面积mt与所述规范扬压力面积st的数值大小，若mt大于或等于st，则启动蓝色报警并进行下一步骤；若mt小于st，则返回所述步骤三继续监测；
步骤六：根据实测扬压力结合其他同步荷载分别计算坝踵和坝趾两个关键部位的垂直正应力和主应力，并判断上述应力任意一项是否超出所述设计规范要求或对应混凝土强度允许值，如有一项超过则启动黄色报警并进行下一步骤，否则返回所述步骤四继续监测；
步骤七：根据实测数据计算抗滑稳定及抗倾覆稳定安全系数，并判断重力坝抗滑稳定及抗倾覆稳定性是否超出所述设计规范要求，若任一项超出，则启动红色报警；若两者均没有超出，则返回所述步骤四继续监测。
本分级预警方法基于局部扬压力分布不均匀的实际，考虑到扬压力是通过总体分布影响坝体稳定和应力分布的，为此基于实测数据，通过相邻两点连线逼近实际扬压力分布，再根据总扬压力荷载是否超过规范条件进行总体扬压力预警，充分考虑重力坝结构、坝段位置、地质条件非均匀性以及扬压力监测的目的及真实非线性分布，具有简单直观和物理意义明确、计算简单等优点。
也就是说，一级预警是将实测扬压力荷载(通过面积计算)与规范规定的扬压力荷载(通过面积计算)进行对比，当实测计算的面积大于规范规定的面积时,说明实测扬压力值大于原设计规范值,启动蓝色报警；
二级预警是指当实测数据计算坝踵和坝趾两处的垂直正应力和主应力，其中任意一项应力值超出所述设计规范要求，则启动黄色报警。
三级预警是指当根据实测扬压力计算得到到的抗滑稳定或抗倾覆稳定安全系数超过规范要求时启动红色报警。
所述重力坝类型及坝段位置的判断，有利于确定参考和对比的设计规范，进行更准确的对比，确保预警的准确性。
所述测压管的设置能够直接获取水头值，根据坝体结构类型及坝段位置，扬压力有不同的折减系数。
进一步的，所述实际扬压力面积mt为多根测压管在建基面上作用的压力水头在基岩中形成的不规则多边形的面积。
进一步的，所述不规则多边形的面积分解为多个四边形和/或三角形面积进行求和计算。
进一步的，所述重力坝从左岸至右岸设有多个坝段，每个所述坝段中设置多个所述横向测压管并对每一个滑动面形成横向监测断面，所述横向测压管监测深度与滑动面深度对应。
进一步的，所述抗滑稳定的计算采用抗剪强度公式或抗剪断强度公式计算，若所述重力坝的坝基岩体条件良好时，采用抗剪断强度公式；若所述重力坝的坝基岩体差或存在软岩或存在软结构面时，采用抗剪强度公式。
进一步的，所述抗倾覆稳定性的判断方法为，计算所述重力坝的坝体自重产生的抗倾覆力矩m1和水平推力产生的倾覆力矩m2，并计算抗倾覆力矩m1和倾覆力矩m2的比值得到抗倾覆稳定安全系数；所述抗倾覆稳定安全系数的值大于设计规范给出的安全系数，则判断所述抗倾覆稳定性满足要求。
进一步的，所述抗滑稳定安全系数与抗倾覆稳定安全系数根据设计规范确定。
进一步的，所述分级预警方法还包括将获取和监测的数据存储在数据库中形成安全监测日志的步骤。
进一步的，所述分级预警从轻微到严重分成蓝色报警、黄色报警和红色报警，三种报警均包括现场高音喇叭警报及基于无线通信网络的远程手机警报。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本分级预警方法基于局部扬压力分布不均匀的实际，考虑到扬压力是通过总体分布影响坝体稳定和应力分布的，为此基于实测数据，通过相邻两点连线逼近实际扬压力分布，再根据总扬压力荷载是否超过规范条件进行总体扬压力预警，充分考虑地质条件以及扬压力监测的目的，具有简单直观和物理意义明确、计算简单等优点；2、通过面积计算进行对比，更加快速和简便，当实测计算的面积大于规范规定的面积时,说明实测扬压力值大于原设计规范值,启动蓝色报警；3、依据实测扬压力计算得到的抗滑稳定安全系数或坝踵应力值或抗倾覆安全系数与设计规范的要求进行比对，判断准确性更好，能够减少虚警的情况。
附图说明
图1为本发明一种基于实测数据的重力坝扬压力分级预警方法的判断流程示意图；
图2为本发明一种基于实测数据的重力坝扬压力分级预警方法的实际扬压力面积计算示意图；
图3为本发明一种基于实测数据的重力坝扬压力分级预警方法的规范扬压力面积计算示意图；
图中：1、坝体；2、基岩；3、排水孔中心线；4、测压管线。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
如图1所示，一种基于实测数据的重力坝扬压力分级预警方法，所述分级预警方法包括如下步骤：
步骤一：获取并确定重力坝结构类型；如重力坝为实体重力坝，参照的设计规范为“混凝土重力坝设计规范sl319-2018”或者施工方根据该规范优化的设计规范；
步骤二：判断坝段位置；
步骤三：获取坝段设置的多个横向测压管的桩号，从而获得各扬压力测点的横向坐标；
步骤四：读取重力坝上下游水位测值；读取各个测压管的水头值；根据重力坝类型和坝段位置，由设计规范确定扬压力折减系数α；
步骤五：按照各个测压管的实测数据计算实际扬压力面积mt；根据设计规范确定的参数由实际上下游水位计算规范扬压力面积st；比较所述实际扬压力面积mt与所述规范扬压力面积st的数值大小，若mt大于或等于st，则启动蓝色报警并进行下一步骤；若mt小于st，则返回所述步骤三继续监测；
步骤六：根据实测扬压力结合其他同步荷载分别计算坝踵和坝趾两个关键部位的垂直正应力和主应力，并判断上述应力任意一项是否超出所述设计规范要求或对应混凝土强度允许值，如有一项超过则启动黄色报警并进行下一步骤，否则返回所述步骤四继续监测；
步骤七：根据实测数据计算抗滑稳定及抗倾覆稳定安全系数，并判断重力坝抗滑稳定及抗倾覆稳定性是否超出所述设计规范要求，若超出，则启动红色报警；若均没有超出，则返回所述步骤四继续监测。
本分级预警方法基于局部扬压力分布不均匀的实际，考虑到扬压力是通过总体分布影响坝体稳定和应力分布的，为此基于实测数据，通过相邻两点连线逼近实际扬压力分布，再根据总扬压力荷载是否超过规范条件进行总体扬压力预警，充分考虑重力坝结构、坝段位置、地质条件非均匀性以及扬压力监测的目的及真实非线性分布，具有简单直观和物理意义明确、计算简单等优点。
进一步的，所述实际扬压力面积mt为多根测压管在建基面上作用的压力水头在基岩中形成的不规则多边形的面积。
进一步的，所述不规则多边形的面积分解为多个四边形和/或三角形面积进行求和计算。
进一步的，所述重力坝从左岸至右岸设有多个坝段，每个所述坝段中设置多个所述横向测压管并对每一个滑动面形成横向监测断面，所述横向测压管监测深度与滑动面深度对应。
进一步的，所述抗滑稳定的计算采用抗剪强度公式或抗剪断强度公式计算，若所述重力坝的坝基岩体条件良好时，采用抗剪断强度公式；若所述重力坝的坝基岩体差或存在软岩或存在软结构面时，采用抗剪强度公式。
抗剪断强度的计算公式为：
式中，k′为按照抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数，f′为坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数；c′为坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力(kpa)，a坝基接触面截面积(m2)，∑w为作用于坝体上全部载荷(包括实测计算的扬压力)对滑动平面的法向分值(kn)，∑p为作用于坝体上全部载荷(包括实测计算的扬压力)对滑动平面的切向分值(kn)。
抗剪强度的计算公式为：
式中，k为按照抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数，f为坝体混凝土与坝基接触面的抗剪摩擦系数。
进一步的，所述抗倾覆稳定性的判断方法为，计算所述重力坝的坝体自重产生的抗倾覆力矩m1和水平推力产生的倾覆力矩m2，并计算抗倾覆力矩m1和倾覆力矩m2的比值得到抗倾覆稳定安全系数；所述抗倾覆稳定安全系数的值大于设计规范给出的安全系数，则判断所述抗倾覆稳定性满足要求。
进一步的，所述抗滑稳定安全系数与抗倾覆稳定安全系数根据设计规范确定。
进一步的，所述分级预警方法还包括将获取和监测的数据存储在数据库中形成安全监测日志的步骤。
进一步的，所述分级预警从轻微到严重分成蓝色报警、黄色报警和红色报警，三种报警均包括现场高音喇叭警报及基于无线通信网络的远程手机警报，报警范围随报警级别的提高而增大。
实施例二：
本实施例以一般四根坝基扬压力为例，分别计算扬压力的实际扬压力面积mt和规范扬压力面积st。
如图2所示，四个测压管u、t、s、r的分布如图2所示，实测其对应的测压管水头值分别为h1(t)、h2(t)、h3(t)和h4(t)；上游处的扬压力作用水头为h1(t)；下游处的扬压力作用水头为h2(t)。
实测扬压力荷载可以通过计算多变形ijklmnop的面积得到，该多边形状面积等于5个四变形面积的和，五个四边形分别是ijku、uklt、tlms、smnr、rnop，其对应的面积分别以m1、m2、m3、m4和m5表示，用公式表达为：
mt＝m1+m2+m3+m4+m5；
如图3所示，为设计规范中计算扬压力载荷的示意图，排水孔中心线处为h2(t)+αh(t),其中，α为扬压力折减系数，h(t)＝h1(t)-h2(t)。
由此计算规范扬压力面积st为多边形abcde的面积，为两个多边形abcf和cdef的面积之和，用公式表达为：
式中，laf为a点到f点的距离，lfe为f点到e点的距离。
将实测扬压力荷载与规范规定的扬压力荷载进行对比，也就是比较计算出来的实际扬压力面积mt和规范扬压力面积st；当mt值大于或等于st值时,说明实测扬压力值大于原设计规范值,启动蓝色报警。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
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