基于拱坝工作状态评价的库水位变化速率的确定方法与流程

1.本发明涉及水电工程技术领域，具体涉及一种基于拱坝工作状态评价的库水位变化速率的确定方法。


背景技术：

2.水库调度是水库工程管理的主要环节之一，库水位变化的允许速率越大，越容易控制坝前水位，可以提高水位控制的灵敏性，有利于防洪和兴利调度，特别是具有发电任务的水电工程，是水库发电优化调度理所当然的追求。
3.高坝库水位的日变化速率受限因素较多，与水电站发电运行密切相关，受工程边坡、库区滑坡、大坝结构安全、水库调度等多因素安全控制。目前针对库水位变化速率对工程边坡和库区滑坡的稳定影响分析较为成熟，还未见库水位变化速率对拱坝工作性态影响研究的技术文献。对于拱坝工程，在首次蓄水期及蓄水初期，拱坝坝体与坝基在水荷载、温度荷载的改变下存在应力应变的调整阶段，相同水位加卸载区间变形量比运行期大且存在较大的不可逆变形，拱坝呈准弹性工作状态，为了给坝体坝基充足的适应性调整时间，保证工程安全，运行中一般都严格控制水位的升降速率，水位日变化速率需保持在较小的范围内，以避免出现不可预见的异常现象。
4.有鉴于此，提出一种基于拱坝工作状态评价的库水位变化速率的确定方法，从而拟定合理的库水位变化速率，成为目前水电工程技术领域亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.为弥补现有技术从拱坝工作状态确定库水位变化速率的研究空白，本发明所要解决的技术问题是：提供一种考虑拱坝在库水位变化过程中的工作状态，从而科学拟定库水位变化速率的方法。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
7.基于拱坝工作状态评价的库水位变化速率的确定方法，包括以下步骤：
8.步骤一、收集监测资料：根据库水位运行情况将监测数据整理成大坝位移和荷载样本，收集拱坝工程蓄水以来所有时间τ的大坝库水位h、温度t、变形δ的监测资料，并对数据进行可靠性分析，仅计入可靠的数据，随后根据库水位运行情况，分离出每次库水位由低水位升至高水位，即加载过程，以及由高水位降至低水位，即卸载过程，提取出每次加卸载过程中起始时间和终止时间的大坝位移和荷载监测数据作为研究样本；
9.步骤二、计算每次加卸载过程中的大坝变形综合模量e：
10.假定每次加卸载过程，拱坝处在线弹性变形范围内，则拱坝结构三维有限元模型的整体平衡方程为：
11.[k0]{δ0}＝{r}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式1)
[0012]
式中，[k0]为整体劲度矩阵，{δ0}为结点位移列阵；{r}为结点荷载列阵；
[0013]
每次加卸载过程中，结点位移列阵{δ0}由步骤一整理的拱坝变形监测数据δ表征，
结点荷载列阵{r}由步骤一整理的库水位h和温度t表征，固定基岩变形模量参数，引入大坝变形综合模量e表达宏观变形和荷载之间的关系，则(式1)可以表示为：
[0014]
e[l]{δ0}＝{r}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式2)
[0015]
式中，[l]为表示拱坝和基础几何形态、坝体坝基弹性模量比的相关量，其他因子含义同上；
[0016]
在固定的荷载作用下，坝体位移与大坝变形综合模量e为一一对应关系，并且成反比例关系，针对在某一加卸载过程，通过拱坝变形δ差值，结合水位h、温度t变化，可以反演得到唯一的大坝变形综合模量e。形成大坝变形综合模量序列e(k)＝[e1，e2，...，e
k
]，其中k为库水位加卸载过程的研究样本数；
[0017]
步骤三、制定大坝变形综合模量的趋势性评价因子：
[0018]
按照公式f
i
＝abs((e
i 1
‑
e
i
)/e
i
)将大坝变形综合模量序列转化为趋势性评价因子序列f(k
‑
1)＝[f1；f2，...，f
k
‑1]，其中abs(
·
)为绝对值函数；
[0019]
步骤四、根据大坝变形综合模量趋势性评价因子的稳定和收敛特性，判定拱坝工作状态，从而拟定库水位变化速率：
[0020]
制定大坝变形综合模量趋势性评价因子收敛评价标准s为1％，如果反演得到的加卸载过程大坝变形综合模量离散型较大，趋势性评价因子f
i
值普遍大于1％，则说明拱坝仍处于应力应变调整阶段，仍需严格控制库水位变化速率，仅考虑拱坝结构安全的情况下，库水位速率控制在1～3m/d；如果经过历次库水位加卸载过程，大坝变形综合模量趋于收敛，趋势性评价因子f
k
‑2和f
k
‑1都小于1％，则说明拱坝坝体与坝基的应力应变调整已基本稳定，拱坝呈线弹性工作状态，日变化速率可以适当调大至4～6m/d。
[0021]
进一步的是，步骤二形成的大坝变形综合模量序列，先根据需求拆分为库水位加载过程序列[e
加载1
，e
加载2
，...，e
加载m
]和卸载过程[e
卸载1
，e
卸载2
，...，e
卸载n
]，然后应用步骤三和步骤四以区分明确库水位加载速率和卸载速率，其中m为加载过程的研究样本数，n为卸载过程的研究样本数。
[0022]
进一步的是，步骤四中整理的大坝荷载样本，包括影响大坝变形的所有荷载，包括库水位、温度和谷幅变形。
[0023]
进一步的是，步骤四制定的大坝变形综合模量趋势性评价因子收敛评价标准s根据监测数据误差工程实际工作特点进行调整，取值不大于5％。
[0024]
本发明的有益效果是：本发明所提出的基于拱坝工作状态评价的库水位变化速率的确定方法，采用大坝变形综合模量的趋势性描述拱坝应力应变的调整过程，可以方便有效的量化拱坝工作状态，根据拱坝是否处于线弹性工作状态来调整库水位变化速率，原理简单，易于理解，填补了从拱坝工作状态确定库水位变化速率的研究空白，从而可以更科学的进行水库调度。
具体实施方式
[0025]
下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。有必要指出的是，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域的技术人员根据上述发明内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，仍属于本发明的保护范围。
[0026]
本发明所提供的一种基于拱坝工作状态评价的库水位变化速率的确定方法，包括以下步骤：
[0027]
步骤一、收集监测资料：根据库水位运行情况将监测数据整理成大坝位移和荷载样本，收集拱坝工程蓄水以来所有时间τ的大坝库水位h、温度t、变形δ的监测资料，并对数据进行可靠性分析，仅计入可靠的数据，随后根据库水位运行情况，分离出每次库水位由低水位升至高水位，即加载过程，以及由高水位降至低水位，即卸载过程，提取出每次加卸载过程中起始时间和终止时间的大坝位移和荷载监测数据作为研究样本；
[0028]
步骤二、计算每次加卸载过程中的大坝变形综合模量e：
[0029]
假定每次加卸载过程，拱坝处在线弹性变形范围内，则拱坝结构三维有限元模型的整体平衡方程为：
[0030]
[k0]{δ0}＝{r}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式1)
[0031]
式中，[k0]为整体劲度矩阵，{δ0}为结点位移列阵；{r}为结点荷载列阵；
[0032]
每次加卸载过程中，结点位移列阵{δ0}由步骤一整理的拱坝变形监测数据δ表征，结点荷载列阵{r}由步骤一整理的库水位h和温度t表征，固定基岩变形模量参数，引入大坝变形综合模量e表达宏观变形和荷载之间的关系，则(式1)可以表示为：
[0033]
e[l]{δ0}＝{r}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式2)
[0034]
式中，[l]为表示拱坝和基础几何形态、坝体坝基弹性模量比的相关量，其他因子含义同上；
[0035]
在固定的荷载作用下，坝体位移与大坝变形综合模量e为一一对应关系，并且成反比例关系，针对在某一加卸载过程，通过拱坝变形δ差值，结合水位h、温度t变化，可以反演得到唯一的大坝变形综合模量e。形成大坝变形综合模量序列e(k)＝[e1，e2，...，e
k
]，其中k为库水位加卸载过程的研究样本数；
[0036]
步骤三、制定大坝变形综合模量的趋势性评价因子：
[0037]
按照公式f
i
＝abs((e
i 1
‑
e
i
)/e
i
)将大坝变形综合模量序列转化为趋势性评价因子序列f(k
‑
1)＝[f1；f2，...，f
k
‑1]，其中abs(
·
)为绝对值函数；
[0038]
步骤四、根据大坝变形综合模量趋势性评价因子的稳定和收敛特性，判定拱坝工作状态，从而拟定库水位变化速率：
[0039]
制定大坝变形综合模量趋势性评价因子收敛评价标准s为1％，如果反演得到的加卸载过程大坝变形综合模量离散型较大，趋势性评价因子f
i
值普遍大于1％，则说明拱坝仍处于应力应变调整阶段，仍需严格控制库水位变化速率，仅考虑拱坝结构安全的情况下，库水位速率控制在1～3m/d；如果经过历次库水位加卸载过程，大坝变形综合模量趋于收敛，趋势性评价因子f
k
‑2和f
k
‑1都小于1％，则说明拱坝坝体与坝基的应力应变调整已基本稳定，拱坝呈线弹性工作状态，日变化速率可以适当调大至4～6m/d。
[0040]
其中，步骤二形成的大坝变形综合模量序列，可先根据需求拆分为库水位加载过程序列[e
加载1
，e
加载2
，...，e
加载m
]和卸载过程[e
卸载1
，e
卸载2
，...，e
卸载n
]，然后应用步骤三和步骤四以区分明确库水位加载速率和卸载速率，其中m为加载过程的研究样本数，n为卸载过程的研究样本数。
[0041]
在步骤四中整理的大坝荷载样本时，包括影响大坝变形的所有荷载，包括库水位、温度和谷幅变形等。同时在制定的大坝变形综合模量趋势性评价因子收敛评价标准s根据
监测数据误差工程实际工作特点进行调整，取值不大于5％。
[0042]
本发明采用大坝变形综合模量的趋势性描述拱坝应力应变的调整过程，可以方便有效的量化拱坝工作状态，根据拱坝是否处于线弹性工作状态来调整库水位变化速率，原理简单，易于理解，填补了从拱坝工作状态确定库水位变化速率的研究空白，从而可以更科学的进行水库调度。
[0043]
下面通过具体实施例对本发明进一步说明。
[0044]
实施例1：
[0045]
本实施例以某大型拱坝为例，具体说明基于拱坝工作状态评价的库水位变化速率的确定方法。本实施例的具体步骤如下：
[0046]
步骤一、收集监测资料，根据库水位运行情况将监测数据整理成大坝位移和荷载样本：
[0047]
收集拱坝工程的所有时间τ的大坝库水位h、温度t、谷幅vd和变形δ监测资料。并对数据进行可靠性分析，将可靠的数据整理成监测数据样本，根据库水位运行情况，将大坝蓄水以来所有的加卸载过程都作为研究样本。部分样本选取见表1。
[0048]
表1 大坝库水位各加卸载过程的水位和谷幅荷载
[0049][0050]
步骤二、计算每次加卸载过程中的大坝变形综合模量e：
[0051]
由于特高拱坝施工期的位移监测值影响因素多、关系复杂，导致反演存在多极值、非线性并带有噪声等特点，仅采用单一测点反演得到的材料弹性模量必定与真实值存在一定差距。针对该拱坝特点，并结合垂线人工观测精度和测值大小等影响因素，选取10
#
、15
#
和22
#
坝段的正垂线测点径向位移作为反演大坝变形综合模量e目标函数测点，将计算变形增量与监测变形增量的方差作为目标函数，把方差最小时的工况力学参数作为反演的最优力学参数。
[0052]
经过反演分析得到各加卸载过程的大坝变形综合模量，见表2。
[0053]
表2 各加卸载过程的大坝变形综合模量
[0054][0055]
由于本工程库水位加载过程仅有3～4个月，卸载过程则长达8～9个月。将大坝变形综合模量分为加载过程和卸载过程分析研究。
[0056]
大坝变形综合模量加载过程序列为e
加载
(5)＝[35.63，36.01，38.09，37.98，37.77]，卸载过程序列为e
卸载
(5)＝[37.58，38.34，38.00，37.43，37.63]。
[0057]
步骤三、制定大坝变形综合模量趋势性评价因子：
[0058]
根据按照公式f
i
＝abs((e
i 1
‑
e
i
)/e
i
)将大坝变形综合模量序列转化为趋势性评价因子序列。f
加载
(4)＝[1.1％，5.8％，0.3％，0.6％]，f
卸载
(4)＝[2.0％，0.9％，1.5％，0.5％]。
[0059]
步骤四、根据大坝变形综合模量趋势性评价因子的稳定和收敛特性，判定拱坝工作状态，从而拟定库水位变化速率：
[0060]
根据加载过程趋势性评价因子序列可以看出，该拱坝在前几次加载过程中，大坝变形综合模量波动较大，说明拱坝处于应力应变调整中，后几次加载过程大坝变形综合模量渐渐趋于稳定，趋势性评价因子连续两次小于1％，因此该拱坝加载过程的库水位变化速率可以提高至4～6m/d。
[0061]
根据卸载过程趋势性评价因子序列可以看出，该拱坝在前几次卸载过程中，大坝变形综合模量波动较大，说明拱坝处于应力应变调整中，后两次卸载过程的趋势性评价因子分别为1.5％和0.5％，说明拱坝在卸载过程中仍存在不可预见的变形，因此该拱坝卸载过程的库水位变化速率仍需要控制在1～3m/d。
[0062]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干简单推演或替换，都应当视为本发明的保护范围。