[发明专利]一种考虑水土耦合作用的土石坝受力计算方法

说明书

本发明公开了一种考虑水土耦合作用的土石坝受力计算方法，蓄水期，土石坝某一纵向位置处的水土耦合体水平推力的计算公式如下：其中：ρ_c＝ρ_f‑Δ·(ρ_f‑ρ_h)，式中，ρ_f为按照结构力学观点水土荷载分开计算即不考虑水土耦合作用关系的密度值，T/m³；ρ_h为充分考虑上游坝体与水体耦合作用的密度值，T/m³；Δ为水土耦合作用的耦合度，表示水土耦合作用影响程度，无量纲；蓄水期，水土耦合体形成的弯矩为：该计算方法简单且在难易程度和计算精度上也能满足要求，便于为广大设计计算人员提供简洁计算模式，从而避开并替代了有限元分析等繁复工作。

技术领域

本发明属于水利技术领域，具体涉及一种考虑水土耦合作用的土石坝受力计算方法。

背景技术

在岩土力学中，计算岩土体作用于结构上的土压力是一个古老且重要的课题。库仑和朗肯土压力理论是挡土结构土压力方面最早和最经典的理论计算方法。这两大土压力理论具有计算简单和力学概念明确的优势，因而在水利土木交通工程设计计算中得到广泛的应用，并成为挡土墙土压力的经典理论。

但是，在土压力计算中不可避免地涉及到如何同时考虑水压力和土压力的问题。工程领域常见的处理方法有水土分算和水土合算两种，并采用对应于分算和合算的土体剪切指标进行计算。实际上无论是分算还是合算都是近似处理，不能真正反映水土相互作用机理和真实的水土压力。

从机理上讲，水的参与使岩土体产生细观至微观上的侵蚀、软化、湿化、崩解等水理作用，即耦合作用，使水土宏观上构成一个整体，具体到增强体土石坝。

水首先对上游筑坝材料产生细观层面的侵蚀、软化、湿化、崩解等水理作用。这种作用在使水土构成一个整体，从而在宏观上形成整体荷载共同作用在增强体心墙上。如图1所示，蓄水情况下，增强体心墙前坝料处于饱和状态，增强体心墙受到坝料土压力和水压力共同作用。

现有采用水土分算方法计算时，作用在增强体心墙上的水、土压力分开计算，不考虑水和土之间的耦合作用，计算出的水土压力值偏大。而采用水土合算方法计算时，采用总应力强度指标和饱和重度，计算出的土压力值偏小。实际的水土压力值应该介于分算值和合算值之间。

尽管坝体内部挡土结构与坝体的相互作用可以采用有限元法等数值方法，然而有限元法等数值方法不利于普及推广从而不利于设计人员使用和掌握。

发明内容

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种考虑水土耦合作用的土石坝受力计算方法，蓄水期，土石坝某一纵向位置处的水土耦合体水平推力的计算公式如下：

蓄水期，

式中，P为水土耦合体水平推力，kN；ρ_c为耦合体的密度值，T/m³；g为重力加速度，m/s²；H₁为土石坝中增强体心墙高度；z为某一位置在竖直方向上离增强体心墙底部的高度；

其中：ρ_c＝ρ_f-Δ·(ρ_f-ρ_h)

式中，ρ_f为按照结构力学观点水土荷载分开计算即不考虑水土耦合作用关系的密度值，T/m³；ρ_h为充分考虑上游坝体与水体耦合作用的密度值，T/m³；Δ为水土耦合作用的耦合度，表示水土耦合作用影响程度，无量纲；

蓄水期，水土耦合体形成的弯矩为：

式中，M_h为水土耦合体作用下的总弯矩，kNm；ρ_c为耦合体的密度值，T/m³。