本發(fā)明涉及水利水電工程施工建設(shè)、地質(zhì)工程、數(shù)值模擬計(jì)算中的控制斷層確定方法，尤其涉及一種基于數(shù)值模擬確定拱壩壩址區(qū)控制斷層及加固區(qū)域的方法。

背景技術(shù)：

1、水電作為一種清潔的可再生能源，有助于調(diào)整和優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰具有重要意義。拱壩為水電工程建設(shè)中不可或缺的一部分，其通過獨(dú)特的弧形設(shè)計(jì)高效傳遞水壓至巖基及兩岸山體，從而減少所需材料，降低成本。這種結(jié)構(gòu)提供了極高的穩(wěn)定性，使拱壩抵抗強(qiáng)烈的水壓和地震。同時(shí)，它們?cè)诃h(huán)境影響、維護(hù)需求和壽命方面也表現(xiàn)出色，適用于狹窄峽谷水電工程建設(shè)，優(yōu)化了空間利用，是水力發(fā)電和水資源管理的理想選擇。然而，盡管拱壩具有諸多優(yōu)勢(shì)，在建設(shè)過程中仍面臨一系列復(fù)雜的地質(zhì)問題，這些問題常常是影響工程進(jìn)度和安全的重要因素。

2、在拱壩的建設(shè)過程中，地質(zhì)問題常常是影響工程進(jìn)度和安全的重要因素。地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性對(duì)工程設(shè)計(jì)提出了高標(biāo)準(zhǔn)的要求。不同地區(qū)的地質(zhì)條件差異顯著，如巖石類型、地層傾斜度、斷層分布，這些因素都需在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行細(xì)致考量。其中，斷層問題成為拱壩施工建設(shè)過程中的關(guān)鍵問題。不同的水電工程中，壩址區(qū)的斷層規(guī)模、大小、走向、傾角、傾向不盡相同。每個(gè)斷層對(duì)拱壩安全性的影響不一，如果僅根據(jù)人為經(jīng)驗(yàn)判斷，并不能十分準(zhǔn)確判斷出拱壩施工建設(shè)以及運(yùn)行維護(hù)過程中的控制斷層，這對(duì)拱壩的安全問題起到重要影響。

3、同樣，為了確保拱壩的安全性和穩(wěn)定性，對(duì)控制斷層的加固處理是至關(guān)重要的。目前，傳統(tǒng)的控制斷層確定方法主要依賴地質(zhì)勘探和人工分析，這不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且易受人為因素影響，導(dǎo)致結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性難以保證。由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性和多變性，傳統(tǒng)的勘探方法在面對(duì)復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)往往無法全面準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況。此外，現(xiàn)有的加固技術(shù)通常以經(jīng)驗(yàn)為主，缺乏系統(tǒng)的數(shù)值模擬和科學(xué)依據(jù)，難以有效地指導(dǎo)實(shí)際工程中的加固措施。這樣的加固措施因過度治理，不僅增加了工程建設(shè)成本，還降低了施工效率。上述問題普遍存在于當(dāng)前水利水電工程設(shè)計(jì)建設(shè)與數(shù)值分析當(dāng)中。因此，亟需一種基于數(shù)值模擬的科學(xué)方法，以準(zhǔn)確確定拱壩壩址區(qū)的控制斷層及其加固區(qū)域，從而提高拱壩的安全性和穩(wěn)定性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：為解決水電工程施工中，控制性斷層以及斷層加固區(qū)域通過人為判斷而無法定量解決的問題，本發(fā)明提出一種基于數(shù)值模擬確定拱壩壩址區(qū)控制斷層及加固區(qū)域的方法。

2、技術(shù)方案：本發(fā)明基于數(shù)值模擬確定拱壩壩址區(qū)控制斷層及加固區(qū)域的方法，包括以下步驟：

3、步驟(1)，根據(jù)工程地質(zhì)圖，結(jié)合rhino三維建模平臺(tái)建立含有地質(zhì)斷層的拱壩計(jì)算模型，過程為：

4、步驟(1.1)，根據(jù)壩址區(qū)的dem數(shù)字高程圖，建立拱壩計(jì)算模型地表面即兩岸山體，通過向下放樣地表面與指定高程平面切割形成實(shí)體；

5、步驟(1.2)，根據(jù)不同位置的平切圖與剖面圖中斷層分布定位得到斷層的位置與規(guī)模，在rhino軟件中通過嵌面形成斷層面，通過對(duì)斷層面進(jìn)行法向兩側(cè)拉伸指定厚度，形成斷層實(shí)體；

6、步驟(1.3)，根據(jù)施工圖建立拱壩實(shí)體與開挖面，過程為：根據(jù)施工圖中的壩體平切面沿著壩端邊界線進(jìn)行放樣及由面至體的操作，在開挖面對(duì)開挖線進(jìn)行嵌面操作，進(jìn)行由線至面的操作；

7、步驟(1.4)，通過將山體、開挖面、壩體組合，采用griddle插件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，導(dǎo)出為含有地質(zhì)斷層的拱壩計(jì)算模型；

8、步驟(2)，對(duì)拱壩計(jì)算模型進(jìn)行不同水壓力超載系數(shù)λ下的數(shù)值計(jì)算；過程為：

9、步驟(2.1)，采用flac3d軟件對(duì)拱壩計(jì)算模型的底面和四周進(jìn)行位移邊界約束，過程為，對(duì)拱壩計(jì)算模型底面施加全約束，對(duì)拱壩計(jì)算模型四周施加法向約束；

10、步驟(2.2)，采用彈性本構(gòu)模型進(jìn)行初始地應(yīng)力反演，對(duì)彈性本構(gòu)模型各部分賦予變形模量和泊松比，采用flac3d軟件進(jìn)行彈性本構(gòu)平衡計(jì)算至平衡，保留計(jì)算得到的應(yīng)力場(chǎng)為初始地應(yīng)力場(chǎng)；

11、步驟(2.3)，采用彈塑性本構(gòu)模型，對(duì)上壩面施加水壓力，對(duì)彈塑性本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算至平衡，得到整個(gè)拱壩計(jì)算模型的位移場(chǎng)；過程為：

12、步驟(2.3.1)，在彈塑性本構(gòu)模型中賦予變形模量e、泊松比、內(nèi)摩擦角和粘聚力四項(xiàng)參數(shù)；

13、步驟(2.3.2)，計(jì)算不同水壓力超載系數(shù)下的壩底高程水壓力對(duì)拱壩的作用力：

14、p＝λ×h×1000???????????(1)

15、其中，p為壩底高程水壓力大小，單位pa；λ為水壓力超載系數(shù)；h為上游水頭，即水深，單位m；

16、步驟(2.4)，增加水壓力超載系數(shù)λ，在上一個(gè)超載系數(shù)計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)上壩面重新施加新水壓力系數(shù)下的水壓力，采用flac3d軟件計(jì)算得出新超載系數(shù)下的拱壩計(jì)算模型的位移場(chǎng)，由拱壩計(jì)算模型的位移場(chǎng)得出新超載系數(shù)下的斷層延伸平面的壩體變形位移值、壩體與斷層連接處變形位移值及壩體與山體連接處變形位移值；

17、步驟(3)，按照步驟(2.4)，通過逐漸增加超載系數(shù)至拱壩計(jì)算模型計(jì)算不收斂，即不平衡率無法降至10-5，得到最終超載系數(shù)λt以及最終超載系數(shù)λt計(jì)算結(jié)果下拱壩變形位移值；

18、步驟(4)，根據(jù)步驟(3)的拱壩與山體變形位移值，由最終超載系數(shù)λt計(jì)算結(jié)果下的位移值最大的斷層確定拱壩壩址區(qū)控制斷層；

19、步驟(5)，確定控制斷層的加固區(qū)域，過程為：

20、步驟(5.1)，定義位移閾值d為正常蓄水位下，即水壓力超載系數(shù)λ＝1.0時(shí)，拱壩最大位移；

21、步驟(5.2)，將最終超載系數(shù)λt下，采用flac3d將控制斷層位移大于位移閾值d的區(qū)域作為加固區(qū)域；過程為：

22、步驟(5.2.1)，遍歷拱壩計(jì)算模型，判斷拱壩計(jì)算模型中的網(wǎng)格單元是否在控制斷層內(nèi)，提取滿足條件的網(wǎng)格單元坐標(biāo)(x,y,z)；

23、步驟(5.2.2)，找到與所述網(wǎng)格單元坐標(biāo)接近的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，將所述節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)下的節(jié)點(diǎn)位移作為網(wǎng)格單元位移；

24、步驟(5.2.3)，在flac3d中提取節(jié)點(diǎn)的位移矢量(ux,uy,uz)，并計(jì)算合位移

25、步驟(5.2.4)，判斷網(wǎng)格單元位移是否大于位移閾值，若網(wǎng)格單元位移大于位移閾值則將網(wǎng)格單元作為加固單元。

26、步驟(6)中，在初始地應(yīng)力的基礎(chǔ)上，對(duì)控制斷層進(jìn)行加固，采用加固前得到的最終超載系數(shù)λt，對(duì)控制斷層加固后的拱壩計(jì)算模型進(jìn)行水壓力超載模擬。

27、步驟(1)中的工程地質(zhì)圖包括壩址區(qū)的含有巖層巖性分界線和斷層分布線的平切圖和剖面圖。

28、步驟(1)中，拱壩計(jì)算模型包括拱壩、壩基、兩岸山體和地質(zhì)斷層。

29、步驟(1.1)中的地表面為壩基開挖前的原始地形。

30、步驟(1.1)中的指定高程為壩基底部向下1～2倍壩高。

31、步驟(1.2)中的指定厚度為地質(zhì)勘探得到的斷層厚度。

32、步驟(1.4)中，通過將山體、開挖面、壩體組合，采用griddle插件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，導(dǎo)出為f3grid文件即含有地質(zhì)斷層的拱壩計(jì)算模型。

33、步驟(3)中，得出位于斷層延伸平面的壩體變形、壩體與斷層連接處的壩體變形，以及壩體與山體連接處的壩體變形。

34、步驟(5.2)中，將最終超載系數(shù)λt下，采用flac3d的ipython?console將控制斷層位移大于位移閾值d的區(qū)域作為加固區(qū)域。

35、步驟(6)中，對(duì)控制斷層加固后的拱壩計(jì)算模型，采用加固前得到的最終超載系數(shù)進(jìn)行水壓力超載計(jì)算，對(duì)比加固前后，相同超載系數(shù)下的拱壩變形情況。

36、步驟(2)中，水壓力超載系數(shù)λ為上游水頭對(duì)拱壩上游面作用壓力為三角分布，通過對(duì)上壩面水力梯度乘以一個(gè)水壓力超載系數(shù)λ，增大上游水壓對(duì)拱壩的作用，當(dāng)數(shù)值模擬計(jì)算不收斂時(shí)，超載系數(shù)λ的值不低于4.0，則判斷拱壩為安全。其中不同水壓力超載系數(shù)之間的增量為0.1，即λ＝1.0,1.1,1.2,…。

37、步驟(3)中，在水壓力超載系數(shù)下λ計(jì)算收斂，且下一個(gè)水壓力超載系數(shù)計(jì)算下不收斂，則此時(shí)的λ為最終超載系數(shù)λt。

38、步驟(4)中，控制斷層為所有斷層中對(duì)拱壩影響最大的一條斷層，控制斷層表現(xiàn)為拱壩與之相連部位產(chǎn)生的位移以及變形范圍。

39、有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

40、(1)本發(fā)明基于數(shù)值模擬確定拱壩壩址區(qū)控制斷層及加固區(qū)域的方法，當(dāng)壩址區(qū)具有多條斷層時(shí)，通過基于水壓力超載數(shù)值模擬計(jì)算分析，得到對(duì)拱壩整體安全影響最顯著的斷層作為壩址區(qū)控制斷層，即在最終超載系數(shù)下，位移最大的斷層，從定量角度確定拱壩安全的控制性斷層，減少人為定性判斷，結(jié)果更精確。

41、(2)本發(fā)明基于數(shù)值模擬確定拱壩壩址區(qū)控制斷層及加固區(qū)域的方法將正常蓄水位，即水壓力系數(shù)等于1時(shí)的拱壩最大位移作為位移閾值，將最終超載系數(shù)下控制斷層位移大于位移閾值的部分，作為控制斷層加固區(qū)域，定量確定控制斷層加固區(qū)域，對(duì)于斷層危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行精準(zhǔn)把控，提高了施工效率，降低了成本。

42、(3)本方法快速將大于位移閾值的單元的分組為加固單元，提高了效率。