一种高寒地区坝体变形控制方法、装置及控制器与流程

本发明属于水利水电工程技术领域，具体涉及一种高寒地区坝体变形控制方法、装置及控制器。

背景技术：

混凝土面板堆石坝的坝体变形量受多种因素影响，如坝体填料的密实度、河谷形状、坝基的地质条件、填筑方式及程序等。混凝土面板堆石坝过量变形所造成的后果是：面板和周边缝变形过大导致防渗系统破坏而严重渗漏，危及大坝正常运行与安全。国内外多座已建堆石坝的实际监测结果表明，堆石体具有流变性质。面板堆石坝的流变变形恶化了面板防渗体的受力性状，可导致面板发生脱空、挤压破碎以及拉伸裂缝等，严重影响面板坝的后期运行效益。

在严寒地区修建混凝土面板堆石坝，由于自然环境恶劣，施工窗口期较短，如采用分期浇筑面板混凝土，有可能在一年内完不成面板混凝土浇筑，影响工程进度，不利于资源的综合配置和施工配置，从而增加了工程投资。因此，在高寒地区通常采用混凝土面板一次浇筑，此时如果堆石坝变形控制不利，有可能使得混凝土面板产生裂缝、脱空等破坏，势必会影响混凝土面板堆石坝防渗结构的安全性。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种高寒地区坝体变形控制方法、装置及控制器，以解决针对高寒地区混凝土面板一次性浇筑时，由于堆石坝运行期沉降变形过大而使混凝土面板和防渗结构产生破坏的问题。

根据第一方面，本发明实施例提供了一种高寒地区坝体变形控制方法，坝体包括混凝土面板和堆石坝，包括：

获取坝体材料的邓肯－张e－b模型参数和堆石坝的流变模型参数；

根据邓肯－张e－b模型参数和流变模型参数对坝体的安全性进行评价；

根据评价结果确定坝体材料分区、填筑程序和混凝土面板浇筑时机中的至少之一。

可选地，获取坝体材料的邓肯－张e－b模型参数和堆石坝流变模型参数，包括：获取坝体材料的三轴压缩试验数据；根据三轴压缩试验数据基于第一预设函数得到坝体材料的邓肯－张e－b模型参数，坝体材料的邓肯－张e－b模型参数包括切线弹性模量et和切线体积模量bt；根据三轴压缩试验数据基于第二预设函数得到堆石坝流变模型参数。

可选地，第一预设函数包括：(σ1-σ3)～ε1曲线，εv～ε1曲线，τf～σn曲线，其中，σ1为大主应力；σ3为小主应力；ε1为大主应变、εv为体应变、τf为土的抗剪强度；σn为剪切面上的正应力；第二预设函数包括：竖向荷载与变形的关系曲线。

可选地，根据邓肯－张e－b模型参数和流变模型参数对坝体的安全性进行评价，包括：采用有限元方法模拟坝体实际填筑过程及蓄水过程；评估坝体的应力及变形状况。

可选地，坝体还包括防渗结构；评估坝体的应力及变形状况，包括：计算混凝土面板、堆石坝和防渗结构中的至少之一的变形和应力的分布规律以及变形和应力随时间的变化规律。

可选地，根据评价结果确定坝体材料分区、填筑程序和面板浇筑时机中的至少之一，包括：根据混凝土面板、堆石坝和防渗结构中的至少之一的变形和应力的分布规律以及变形和应力随时间的变化规律确定坝体材料分区、填筑程序和面板浇筑时机中的至少之一。

根据混凝土面板、堆石坝和防渗结构中的至少之一的变形和应力的分布规律可以确定坝体材料分区，根据混凝土面板、堆石坝和防渗结构中的至少之一的变形和应力随时间的变化规律可以确定填筑程序和面板浇筑时机。

根据第二方面，本发明实施例提供了一种高寒地区坝体变形控制装置，坝体包括混凝土面板和堆石坝，包括：

获取模块，用于获取坝体材料的邓肯－张e－b模型参数和堆石坝的流变模型参数；

评价模块，用于根据邓肯－张e－b模型参数和流变模型参数对坝体的安全性进行评价；

确定模块，用于根据评价结果确定坝体材料分区、填筑程序和混凝土面板浇筑时机中的至少之一。

可选地，获取模块包括：

获取单元，用于获取坝体材料的三轴压缩试验数据；

第一计算单元，用于根据三轴压缩试验数据基于第一预设函数得到坝体材料的邓肯－张e－b模型参数，坝体材料的邓肯－张e－b模型参数包括切线弹性模量et和切线体积模量bt；

第二计算单元，用于根据三轴压缩试验数据基于第二预设函数得到堆石坝流变模型参数。

根据第三方面，本发明实施例提供了一种控制器，包括：至少一个处理器；以及与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有可被一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器执行高寒地区坝体变形控制方法。

根据第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机指令，计算机指令用于使计算机执行高寒地区坝体变形控制方法。

本发明实施例提供了一种高寒地区坝体变形控制方法、装置及控制器，通过筑坝材料的工程特性例如邓肯－张e－b模型参数，以及堆石料的流变特性，采用数值分析对混凝土面板堆石坝的安全性进行评估，可合理选择坝体材料分区，并对填筑程序、面板浇筑时机提出科学依据，解决了由于堆石坝变形过大而导致混凝土面板发生脱空和开裂等破坏问题，为混凝土面板堆石坝的安全运行提供了保障。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。

图1示出了本发明实施例中高寒地区坝体变形控制方法示意图；

图2示出了本发明实施例中高寒地区坝体变形控制装置示意图；

图3示出了本发明实施例中控制器示意图。

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。基于本发明中的实施例，本领域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。

如图1所示，一种高寒地区坝体变形控制方法，坝体包括混凝土面板和堆石坝，坝体变形控制方法包括：

s10.获取坝体材料的邓肯－张e－b模型参数和堆石坝的流变模型参数。在本实施例中，可以对坝体材料进行大型三轴压缩试验，获得坝体材料的三轴压缩试验数据，然后根据三轴压缩试验数据，根据第一预设函数：(σ1-σ3)～ε1曲线，εv～ε1曲线，τf～σn曲线，其中，σ1为大主应力；σ3为小主应力；ε1为大主应变、εv为体应变、τf为土的抗剪强度；σn为剪切面上的正应力，推求坝体材料的邓肯－张e－b模型参数，为有限元计算分析提供基础。

邓肯－张e－b模型参数包括切线弹性模量et和切线体积模量bt，分别由下列两式计算：

et＝ei(1-rf·sl)²(1)

bt＝kb·pa(σ3/pa)^m(2)

式中的et为初始切线模量，sl为应力水平，其计算表达式分别为

ei＝k·pa(σ3/pa)ⁿ(3)

式中，k、n、kb、m、rf、c、为材料参数。其中，c、为材料抗剪指标；k、n分别为弹性模量系数及其随围压而增长的幂次；kb、m为分别为体积弹性模量系数及其随围压而增长的幂次；rf为破坏比，定义为侧限破坏时主应力差与极限值之比，即

对于粗粒料，摩尔库伦强度包线稍有弯曲，在一定程度上呈现非线性，故取c＝0，按照下式进行计算：

为试验确定的材料参数。

对于卸载情况，用下列回弹模量代替切线弹性模量

再通过侧限流变试验，绘制第二预设函数竖向荷载与变形的关系曲线，推求长科院九参数流变变形参数，即c、d、η、m、ca、da、cβ、dβ、λv，为计算分析提供参数依据。

长江科学院根据大量堆石料的试验成果基础上，提出了堆石料的九参数流变模型。堆石体轴向流变和体积流变均可用幂函数表达：

式中，εaf和εvf分别为某个应力状态下最终轴向流变量和最终体积流变量，εa(t)和εv(t)分别为0～t时段内累计的轴向和体积流变量，λa和λv分别为累计轴向和体积流变的时间幂指数。

最终轴向流变量εaf和应力水平sl与围压的关系如下：

λa与应力水平sl关系不明显。λa与围压σ3关系可以用幂函数表达：

εvf与围压σ3和应力水平sl可用线性函数拟合：

λv与应力状态关系不明显，可以假定为常数：

λv＝const(13)

因此，参数c、d、η、m、ca、da、cβ、dβ、λv完整表达了堆石体的流变特性。

s20.根据所述邓肯－张e－b模型参数和所述流变模型参数对坝体的安全性进行评价。在本实施例中，根据坝体材料的邓肯－张e－b模型参数和堆石坝的流变模型参数参数，对混凝土面板堆石坝进行有限元网格剖分，根据表1混凝土面板堆石坝实际填筑和蓄水过程进行有限元数值模拟，计算混凝土面板、堆石坝和防渗结构的变形和应力的分布规律以及变形和应力随时间的变化规律。

表1大坝分级施工及蓄水时间进度表

下面示例性地对有限元计算结果进行说明：堆石坝竣工期沉降变形最大值为0.944m，运行期沉降变形最大值为1.048m，堆石坝后期流变变形最大值为10.4cm，后期变形较小，这是由于本实施例中堆石坝填筑历时较长，堆石坝沉降变形在竣工期大部分已经完成，这对混凝土面板浇筑质量的控制是有利的。从混凝土面板应力情况看，混凝土面板大部分承受压应力，拉应力仅分布在其边缘位置且数值较小，在混凝土抗拉强度允许值范围之内，各止水缝位移均在其允许的范围内，说明混凝土面板堆石坝防渗结构处于安全状态。以上数值只是对有限元计算结果进行示例性地说明，根据不同施工情况，还可以有其他的结果。

s30.根据评价结果确定坝体材料分区、填筑程序和混凝土面板浇筑时机中的至少之一。在本实施例中，如混凝土面板堆石坝防渗结构在运行期发生破坏，影响混凝土面板堆石坝的安全性，则说明坝体运行期变形过大，混凝土面板浇筑时机过早，应对坝体材料分区、填筑程序和混凝土面板浇筑时机进行调整，根据混凝土面板、堆石坝和防渗结构中的至少之一的变形和应力的分布规律可以确定坝体材料分区，根据混凝土面板、堆石坝和防渗结构中的至少之一的变形和应力随时间的变化规律可以确定填筑程序和面板浇筑时机，尽可能使坝体变形在施工期内完成，待坝体变形基本稳定之后再进行混凝土面板的一次性浇筑，将坝体流变变形控制在混凝土面板堆石坝防渗结构所能承受的范围之内，避免防渗结构因坝体变形过大而产生裂缝等破坏。

通过筑坝材料的工程特性例如邓肯－张e－b模型参数，以及堆石料的流变特性，采用数值分析对混凝土面板堆石坝的安全性进行评估，可合理选择坝体材料分区，并对填筑程序、面板浇筑时机提出科学依据，解决了由于堆石坝变形过大而导致混凝土面板发生脱空和开裂等破坏问题，为混凝土面板堆石坝的安全运行提供了保障。

本发明实施例提供了一种高寒地区坝体变形控制装置，坝体包括混凝土面板和堆石坝，如图2所示，可以包括：获取模块10，用于获取坝体材料的邓肯－张e－b模型参数和堆石坝的流变模型参数；评价模块20，用于根据邓肯－张e－b模型参数和流变模型参数对坝体的安全性进行评价；确定模块30，用于根据评价结果确定坝体材料分区、填筑程序和混凝土面板浇筑时机中的至少之一。

作为可选的实施例，获取模块10包括：获取单元，用于获取坝体材料的三轴压缩试验数据；第一计算单元，用于根据所述三轴压缩试验数据基于第一预设函数得到坝体材料的邓肯－张e－b模型参数，坝体材料的邓肯－张e－b模型参数包括切线弹性模量et和切线体积模量bt；第二计算单元，用于根据三轴压缩试验数据基于第二预设函数得到堆石坝流变模型参数。

本发明实施例还提供了一种控制器，如图3所示，该控制器包括一个或多个处理器31以及存储器32，图3中以一个处理器31为例。

控制器还可以包括：输入装置33和输出装置34。

处理器31、存储器32、输入装置33和输出装置34可以通过总线或者其他方式连接，图3中以通过总线连接为例。

处理器31可以为中央处理器(centralprocessingunit，cpu)。处理器31还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现场可编程门阵列(field－programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器32作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本申请实施例中的高寒地区坝体变形控制方法对应的程序指令/模块。处理器31通过运行存储在存储器32中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行服务器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例高寒地区坝体变形控制方法。

存储器32可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据用户终端操作的处理装置的使用所创建的数据等。此外，存储器32可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器32可选包括相对于处理器31远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至图像检测、处理装置。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

输入装置33可接收输入的数字或字符信息，以及产生与用户终端的处理装置的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置34可包括显示屏等显示设备。

一个或者多个模块存储在存储器32中，当被一个或者多个处理器31执行时，执行如图1所示的方法。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储计算机指令，计算机指令用于使计算机执行如上述实施例中任意一项描述的高寒地区坝体变形控制方法。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read－onlymemory，rom)、随机存储记忆体(randomaccessmemory，ram)、快闪存储器(flashmemory)、硬盘(harddiskdrive，缩写：hdd)或固态硬盘(solid－statedrive，ssd)等；存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。