某混凝土重力坝温度线膨胀系数反演分析.pdf
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1、第 3 6 卷第 1 0 期 2 0 1 0 年 1 0 月 水 力 发 电 某混凝 土重力坝温度 线膨胀 系数反 演分析 徐 波 一夏 辉 ( 1 河海大学 水利水 电Z - 程学院 ,江苏南京2 1 0 0 9 8 ; 2 河海大 学 水文水资源与水利工程科学 国家重点实验 室,江苏南京 2 1 0 0 9 8 ) 摘要:利用混合模 型反演法和无应力计测值反 演法对某混凝土重力坝的温度线膨胀 系数进行 了反演分析 发现用 不同方法反演所得 到的结果非常接近 ,且均在合理范围内,为分析评价大坝的安全性 态提供 了依据 。反演分析的结 果同时表 明了混合模 型反演法和无应力计测值反演法的可行性
2、 。 关键 词:混凝土重 力坝 ;混合模 型;无应力计 ;线膨胀系数;反演分析 I nve r s e Ana l ys i s on Te mpe r a t ur e Co e ffi c i e n t of Li n ea r Expa ns i o n f o r Con c r e t e Gr a vi t y Dam Xu Bo 。 。 2 ,Xi a Hui ( 1 C o l l e g e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d H y d r o p o w e r E n g i n e e r i n g , H o h a
3、 i U n i v e r s i t y , N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 9 8 ; 2 S t a t e K e y L a b o r a t o ry o f H y d r o l o g y Wa t e r R e s o u r c e s a n d H y d r a u l i c E n g i n e e r i n g , H o h a i U n i v e r s i t y , N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 9 8 ) Ab s t r a c t :Th e t e
4、mp e r a t ur e c o e ffic i e n t o f l i ne ar e x p a ns i o n f o r a c o nc r e t e g r a vi t y d a m wa s i nv e r s e l y a n al y z e d by u s i n g t h e i n v e r s i o n me t ho d s o f _ mi xe d mo d e l a n d t h e me a s ur ed da t a o f n o n-s t r e s s me t e r r e s p e c t i v e
5、l y Th e r e s u l t s o f t wo me t h o d s a r e v e r y c l o s e a n d a r e i n r e a s o n a b l e l i mi t s T h e r e s u l t s a l s o s h o w t h a t t h e t w o i n v e r s i o n me t h o d s a r e p r a c t i c a 1 Ke y W o r ds :c o nc r e t e g r a v i t y da m;mi x e d mo de l ;n o n-
6、 s t r e s s me t e r ;l i n e a r e x pa ns i on c o e ffi c i e n t ;i nv e r s e a n a l y s i s 中 图分 类 号 : T V6 9 8 1 文 献标 识 码 : A 文 章 编 号 : 0 5 5 9 9 3 4 2 ( 2 0 1 0) 1 0 0 0 3 4 0 4 0 引言 温 度 是 影 响 大 体 积 混 凝 土 结 构 应 力 的 重 要 因 素 , 多 年 来 ,混 凝 土 温 度 场 和 温 度 应 力 一 直 是 国 内 外 坝 工 专 家 研 究 和 分 析 的 重 要
7、对 象 ,而 混 凝 土 温 度 线 膨 胀 系 数 是 影 响 坝 体 温 度 效 应 场 的 主 要 冈素 。 通 常 情 况 下 。混 凝 土 的 温 度 线 膨 胀 系 数 是 根 据 经 验 或 者 试 验 来 确 定 的 并 不 能 真 实 地 反 映 坝 体 混 凝 土 受 热 膨 胀 的情 况 。为 了选 取合 理 的温 度 线膨 胀 系数 ,较 准 确 地 分析 评 价温 度 变化 引起 的坝 体 效应 场 ,许 多学 者提 出了利 用 大坝 的相 关 监测 资 料来 反 演分 析 温度 线膨 胀 系数 的方 法 。吴 中如l 2 l ,刘 观标 网 提 出 了常规 反 演
8、分 析 法 和 确 定 性 模 型 反 演 法 ;顾 冲 时I 提 出 利 用 无应力 计监 测资料 进行 反演 的方法 ;苏 怀智闭 进行 了 区 间 反演 方 法 计 算 混 凝 土 温 度线 膨 胀 系数 的研 究 ; 李 云I 1 J等 对 碾 压 混 凝 土 坝 的 坝 体 和 层 面 的 温 度 线 膨 胀 系 数 的 反 演 方 法 进 行 了 研 究 。本 文 结 合 某 混 凝 土 重 力 坝 的监测 资 料 ,利 用 混合 模 型反 演 法 和无 应力 计 测 值 反 演 法 对 该 坝 的 温 度 线 膨 胀 系 数 进 行 了反 演 分 析 各 种 方 法 反 演 所
9、得 结 果 接 近 ,且 在 合 理 的 范 围 内 ,表 明 混合 模 型反 演法 和无 应力 计测 值 反演 法 的 可 行 性 。 同 时 还 可 以 发 现 。 与 常 规 的 反 演 法 相 比 , 无 应 力 计 测 值 反 演 法 计 算 量 较 小 ,简 单 可 行 。 1 混合模型反演法 1 1 基本原 理 混合 模 型 反演 法 是利 用 大 坝变 形 的原 型观 测 资 料 反演 坝 体混 凝 土 的温 度线 膨 胀 系数 ,其 原理 与 常 收稿 日期 :2 0 1 0 0 1 1 4 基金项 目:国家 自然科学基金项 目 ( 5 0 9 0 9 0 4 1 ,5 0
10、8 0 9 0 2 5 ,5 0 8 7 9 0 2 4 ) ;国家科技支撑计划课题 ( 2 0 0 8 B A B 2 9 B 0 3 ,2 0 0 8 B A B 2 9 B 0 6 ) ; 江苏省 “ 3 3 3高层次人才培养工程”科研项 目 ( 2 0 1 7 一 B 0 8 0 3 7 ) ;高等 学校博士学科点专项科研基金( 2 0 0 7 0 2 9 4 0 2 3 ) 作者简介 :徐波( 1 9 8 4 一) 男 ,山东淄博人 ,硕士研究生 ,主要 从事水 工结构与大坝安全监测研究 弟 3 6卷 弟1 0剐 伢 j , 号手: 呆 匠崩 上 里 J 坷i J曼 残 胆; J 报
11、厅 烈 很 刃 规 反 演 法 和 确 定 性 模 型 反 演 法 相 同 。 对 某 一 混 凝 土 重 力 坝 在 变 温 作 用 下 ,并 且 坝 体 混 凝 土 的 弹 性 模 量 和 基 岩 变 形 模 量 之 比 为 一 定 值 时 ,温 度 产 生 的 坝 体 位 移 与线膨 胀系数 成 正 比【 2 l 4 】 。即 6 v = o ( 1 ) 式 中 , 为 温 度 位 移 分 量 ; 为 混 凝 土 温 度 线 膨 胀 系 数 ;6 T = K R ,K 为 劲 度 矩 阵 ,与 弹 性 参 数 和 几 何 尺 寸 有 关 , = , 为 坝 体 弹 性 模 量 ,尺 为
12、坝 c ( 体 的变 温荷 载 ,因此 嘶 仅取 决 于坝体 的变 温场 。 冈 此 , 利 用 混 合 模 型 反 演 的 基 本 原 理 是 :从 原 型 监 测 资 料 分 析 中 找 出 真 实 的 温 度 分 量 , 然 后 假设 棚,用结 构 分析 法 ( 如有 限 元法 )推 求 6 。 根 据 式 ( 1 ) , 坝 体 混 凝 土 的真 实 平 均 线 膨 胀 系 数 的计 算 公 式 为 : ( 2 ) O T 1 - 2 混合 模型 反演 法的 实现 混 凝 土 重 力 坝 的 水 平 位 移 6主 要 由 水 压 分 量 、 温 度 分 量 和 时 效 分 量 6 。
13、组 成 f 2 , 4 f 。 即 6 - 8 I J + 6 r 。 ( 3 ) 在 建 立 位 移 的 混 合 模 型 时 。水 压 分 量 用 有 限 元 计 算值 ,其 他 分 量仍 用 统计 模 式 ,然后 与 实测 值 进 行 优化 拟合 建 立模 型 。下 面重 点 介绍 水 压 分量 的选 取 ,温 度分 量 和 时效 分 量 可 以根 据监 测 资 料 的具 体 情 况 确 定 。 假 设 初 始计 算 时 的坝 体 弹性 模 量 和坝 基 的 变形 模 量 分 别 为 E 和 E ,用 有 限元 模 型计 算 不 同水 深 ,H: , , 一, 时( m 为 水 深 取 值
14、 组 数 )大 坝 任 一 点 的 位 移 , 6 , , , , 占 , 在 综 合 考 虑 初 始 测 值对 应 的 上游 水 压作 用 后 ,得 到 水 压分 量 的 表达 式 为 n 、 3 H : a i ( 日i Hi o ) ( 4) i=】 式 中 ,a i 为 由 有 限 元 计 算 成 果 拟 合 求 得 的 水 压 分 量 表 达 式 系 数 ;H 为 上 游 水 深 ; 。 为 初 始 测 值 对 应 的 上 游 水 深 ;n对 于 混 凝 土 重 力 坝 取 3 由 于 是 在 假 设 已 知 坝 体 和 坝 基 力 学 参 数( 如 、Er o 以 及 对 应 的
15、泊 松 比 ) 条 件 下 由 有 限 元 模 型 计 算 求 得 的 位 移 ,该 计 算 结 果 与 实 际 情 况 有 一 定 差 异 。 为 此 ,对 式 ( 4) 用 系 数 进 行 调 整 , 即 3 5 H = X6 = ( H - Hio ) 】 ( 5 ) i= 1 式 中 , 为 调 整 参 数 。 在 确定水 压分 量后 ,混合模 型 的形式 为 3 占 : ( H ) 】 。 ( 6 ) i = l 因 温 度 分 量 和 时 效 分 量 6 。 的 表 达 式 可 以 根 据 监 测 资 料 的 情 况 选 取 ,所 以 结 合 位 移 实 测 资 料 , 由 回 归
16、 分 析 法 确 定 调 整 系 数 以 及 、6 。的 回 归 系 数 后 就 可 以求 得 具体 的位 移混 合 模 型 。在 由回归 分 析 法 确 定 系 数 时 , 为 保 证 水 分 量 必 须 进 人 回 归 方 程 水 压 分 量 的 偏 回归 平 方 和 以 及 显 著 性 检 验 的 统 计 量 赋 以极 大 值 。 回 归 分 析 法 有 许 多 途 径 ,在 此 借 助 MAT I J AB里的 s t e p w i s e fit 0 函数来实现回归分析同 。 在 求 得 位 移 的 混 合 模 型 后 ,从 中 分 离 出 由 起 始 监 测 日 t 到 某 监
17、测 日 t的 温 度 分 量 6 T 。 再 用 结 构 分 析 法 ( 如 有 限元法)计 算 上述 尺坝在 假定 坝体 混凝 土 线 膨 胀 系 数 为 时 , 由起 始 监 测 日 t 。 到 某 监 测 日 温 度 变 化 产 生 的 坝体 变 形 温 度 分 量 占 。从 而 由式 ( 2 ) 可 以求 得 坝 体 混 凝 土 的 温 度 线 膨 胀 系 数 需 要 指 出 的 是 。 在 用 结 构 分 析 法 计 算 大 坝 在 假 定 的 混 凝 土 线 膨 胀 系 数 O L 。下 的 坝 体 变 形 温 度 分 量 时 , 假 定 E E FEr 0 Er = X,E E
18、为 反 演 值 。 2 无应力计测值反演法 选 取 无 应 力 计 测 值 过 程 线 的 后 期 自生 体 积 变 形 较 稳 定 的 降 温 段 或 温 度 梯 度 较 大 的 时 段 则 可 以忽 略 自生 体 积 变 形 的 变 化 ,绘 制 温 度 和 应 变 的关 系 曲 线 , 它 近 似 于 直 线 ,用 最 小 二 乘 法 可 以 求 得 回 归 方 程 = r , ( 7) 式 中 , 、 T分 别 为 无 应 力 计 的应 变 测 值 和 伴 测 温 度 ;O L 为 混 凝 土 温 度 线 膨 胀 系数 。 将 上 述 方 法 作 适 当 改 变 可 得 到 散 点 图
19、 法 、 回 归 法 、公式 法 3种用 无 应 力 计测 值 计算 坝 体 混凝 土 温 度 线 膨 胀 系 数 的方 法 。 2 。 1 散 点 图法 选 取 无 应 力 计 测 值 过 程 线 的 后 期 自生 体 积 变 形 较 稳 定 的 降 温 段 或 温 度 梯 度 较 大 的 时 段 绘 制 元 应 力 计 测 值 和伴 测 温度 的散 点 图 ,然后 添加 趋 势线 所 得 趋 势 线 的斜 率 即 为 混 凝 土 温 度 线 膨 胀 系 数 。 2_ 2 回归 法 无 应 力 计 测 值 包 括 混 凝 土 白 生 体 积 变 形 、混 凝 土 温 度 变 形 及 混 凝
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