高心墙堆石坝施工期水平变形的预测方法与流程

本发明涉及大坝安全监测技术领域，具体涉及一种高心墙堆石坝施工期水平变形的预测方法。

背景技术：

高心墙堆石坝由于具有对地基条件适应性好、能就地取材和充分利用建筑物开挖料、投资省、施工方法简单以及抗震性能好等优点，在坝工建设中被广泛采用。目前，在我国西部水电开发中，将有一批高心墙堆石坝工程投入建设和运行，如长河坝(坝高240m)、两河口(坝高295m)、古水(坝高305m)、双江口(坝高314m)等，这些高心墙堆石坝变形机理复杂，变形预测难度大，因不协调变形产生的变形破坏风险高，因此，有必要从水平变形机理与物理成因入手，研究水平变形的高精度预测方法，为高堆石坝变形调控和安全管控提供技术支撑。

目前心墙堆石坝变形预测一般采用传统的数学模型法，这种方法是通过建立描述效应量与因变量之间的统计学模型，确定它们之间的定量关系。传统的统计回归模型进行测点变形预测，仅仅是采用多元线性回归模型进行系数拟合，未考虑测点变形的物理成因，极易出现拟合精度低、鲁棒性差、适用性低等情况，而且对于时效分量的求解，按照上述形式构建回归方程很有可能造成回归模型起始点偏差较大的现象。

技术实现要素：

针对现有技术中的不足，本发明提供的高心墙堆石坝施工期水平变形的预测方法解决了现有技术未考虑变形监测点变形的物理成因致使预测精度差的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种高心墙堆石坝施工期水平变形的预测方法，其包括：

s1、在高心墙堆石坝上选取参考面(一般为建基面)，在参考面上建立空间坐标系，定义x方向为顺河向(指向下游为正)，y方向为横河向(指向左岸为正)，z方向为铅直向(向上为正)；坐标原点选在坝轴线在建基面的水平投影中点处；

s2、分别测量得到变形监测点到参考面和坝体表面的垂直距离，以及变形监测点在空间坐标系中的位置；

s3、根据变形监测点到参考面和坝体表面的垂直距离及变形监测点在x方向到坝中心轴线的距离，计算变形监测点在顺河向的受力变形和蠕变变形

其中，g为坝体应力相关系数；hi为第i个变形监测点到坝体表面的垂直距离，单位为m；zi为第i个变形监测点到参考面的距离，单位为m；n为坝体材料的邓肯-张模型参数；xi为第i个变形监测点在x方向到坝中心轴线的距离，单位为m；k为大坝的层数变量，j为大坝分层碾压的总层数；t为时间变量，单位为天；为第k层大坝对应的水平蠕变比值系数；e为自然数；α为大坝材料的蠕变参数；tk、tj、tc分别为第k、j、c层大坝的时间节点，单位为天；

s4、根据变形监测点的y方向、z方向空间坐标，计算变形监测点横河向的受力变形和蠕变变形

其中，ky为y向侧压力系数；γ为填筑料的容重；为第i个变形监测点的z方向坐标值，单位为m；yi为第i个变形监测点的y方向空间坐标值，单位为m；es为填筑料的压缩模量；为第k层大坝对应的竖直蠕变比值系数；

s5、根据变形监测点顺河向的受力变形和蠕变变形及横河向的受力变形和蠕变变形分别计算变形监测点顺河向的水平变形和横河向水平变形：

其中，和分别为变形监测点顺河向的水平变形和横河向水平变形；sx0和sy0均为常数。

本发明的有益效果为：本方案在进行水平变形预测时，首先获取变形监测点的相对位置关系，并基于相对位置关系可以得到测点所在位置的应力应变关系，最终通过应力应变关系得到每个变形监测点的水平变形；由于本方案在预测时充分考虑高心墙堆石坝上述的物理成因和变形机理，相对现有技术中纯数学模拟模型而言，综合考虑了变形监测点的位置关系和应力应变关系，使得本方案的水平变形预测模型能较好地模拟和反映测点变形趋势，变形预测精度较高。

附图说明

图1为高心墙堆石坝施工期水平变形的预测方法的流程图。

图2为坝内任意点与坝高、覆盖层深度的位置关系图。

图3为坝体基于x轴和y轴的简化示意图。

图4为坝轴向变形示意图。

图5为ch12测点水平变形测值和计算值。

图6为ch13测点水平变形测值和计算值。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

参考图1，图1示出了高心墙堆石坝施工期水平变形的预测方法；该方法s包括步骤s1至步骤s6。

在步骤s1中，在高心墙堆石坝上选取参考面，根据坝体内已布设的水平变形监测点及其位置确定各监测点到参考面的距离；在参考面上建立空间坐标系，以获取各监测点的空间位置。

实施时，本方案选取高心墙堆石坝的坝底作为参考面，坐标系被定义为：x方向为顺河向(指向下游为正)，y方向为横河向(指向左岸为正)，z方向为铅直向(向上为正)；坐标原点选在坝轴线在建基面的水平投影中点处。变形监测点在大坝中的相对位置关系可以参考图2。

在步骤s2中，分别测量得到变形监测点到参考面和坝体表面的垂直距离，以及变形监测点的空间位置坐标，具体可以参考图3。

在步骤s3中，根据变形监测点到参考面和坝体表面的垂直距离及变形监测点在x方向到坝中心轴线的距离，计算变形监测点在顺河向的受力变形和蠕变变形

其中，g为坝体应力相关系数；hi为第i个变形监测点到坝体表面的垂直距离,单位为m；zi为第i个变形监测点到参考面的距离，单位为m；n为坝体材料的邓肯-张模型参数；xi为第i个变形监测点在x方向到坝中心轴线的距离，单位为m；k为大坝的层数变量，j为大坝分层碾压的总层数；t为时间变量，单位为天；为第k层大坝对应的水平蠕变比值系数；e为自然数；α为大坝材料的蠕变参数；tk、tj、tc分别为第k、j、c层大坝的时间节点，单位为天；

堆石坝在施工过程中会被分成若干层进行分层摊铺碾压(每层厚度一般为80cm-100cm)，tc对应于大坝最顶一层碾压完成的时间节点。

在本发明的一个实施例中，所述坝体应力相关系数g的计算公式分别为：

其中，e、f均为中间系数；m、n、kb、ke、rf为坝体材料邓肯-张模型参数；β、η分别为大主应力及小主应力系数；为坝体材料内摩擦角；pa为大气压强。

下面进一步对变形监测点在顺河向的受力变形sxi的构建过程进行描述：

构建顺河向x方向的水平变形的初始模型：

其中，εy为水平向应变；

根据材料的泊松比v与压缩模量es和体积模量bt之间的关系为：

即

在邓肯-张模型中，体积模量bt可表示为：

令

那么，v＝0.5-e(3-5)

将式(3-5)带入式(3-1)中：

令

对式(3-6)可表示为：

进一步化简得：

在步骤s4中，根据变形监测点的y方向、z方向空间坐标，计算变形监测点横河向的受力变形和蠕变变形

其中，ky为y向侧压力系数；γ为填筑料的容重；为第i个变形监测点的z方向坐标值，单位为m；yi为第i个变形监测点的y方向空间坐标值，单位为m；es为填筑料的压缩模量；为第k层大坝对应的竖直蠕变比值系数；

实施时，本方案优选所述变形监测点横河向的受力变形的获取方法包括：

构建横河向水平变形的初始模型：

根据胡克定律，构建水平向应变εy的计算模型：

根据横河向水平变形的初始模型和水平向应变εy的计算模型，构建横河向水平变形的计算公式：

在步骤s5中，根据变形监测点顺河向的受力变形sxi和蠕变变形及横河向的受力变形和蠕变变形分别计算变形监测点顺河向的水平变形和横河向水平变形：

其中，hxi和hyi分别为变形监测点顺河向的水平变形和横河向水平变形；sx0和sy0均为常数。

在方案中，顺河向和横河向分别指代的是大坝的x轴和y轴方向。

下面结合结合瀑布沟高心墙堆石坝，对本方案的预测方法的效果进行说明：

选取瀑布沟高心墙堆石坝的坝底作为基准面，之后获取2009年1月27日至2009年10月4日之间内，瀑布沟高心墙堆石坝0+240m监测断面安装的变形监测点ch12和ch13的相对位置、大坝的材料参数及这两个变形监测点的实测数据参考表1至表3：

表1ch12、ch13参数表(固定参数)

表2ch12参数表(变化参数)

表3ch13参数表(变化参数)

基于变形监测点ch12和ch13的相对位置及大坝的材料参数，采用本方案的预测方法进行预测，变形监测点ch12和ch13的预测数据和实测数据分别参考图5和图6。

通过图5和图6可以得出，变形监测点计算值与实测值的平均相对误差均在10％以内，精度较高，可见采用本方案的方法得到的预测数据与实测值历时过程对比示例，本方案效果效果与实测趋势吻合程度较好。