第四章 水工建筑物作用效应分析

第一节 概述

水工建筑物在受到自重、水压力等作用时，会产生变形，并在建筑物内部形成应力场。当变形和应力达到一定程度，建筑物便会破坏。随着工程技术的发展，对建筑物的作用效应分析手段越来越成熟，方法越来越多。总的来说，作用效应分析方法可以分为3类：物理模拟方法、数学模拟方法和安全监测分析方法。

水工建筑物的物理模拟试验在历史上发挥过非常重要的作用，尽管近年来由于计算机和数值分析方法的发展，数学模拟方法得到了广泛的应用，但对大型或超大型水工建筑物，往往还需要借助物理模型进行试验研究。水工建筑物的脆性材料结构模型试验是一种被广泛应用的实验力学方法，包括线弹性模型试验、结构模型破坏试验、抗滑稳定模型试验和地质力学模型试验等。随着计算机计算技术的发展，很多原本需要用物理模型试验才能模拟的问题逐渐为计算机模拟所取代，如线弹性模型试验现在已经很少做了，但对于开裂和滑动等破坏性问题，纯粹用数学方法模拟还不能满足实际的要求。地质力学模型试验是20世纪70年代发展起来的一种破坏试验方法，具有很强的生命力，国内外大量的水工建筑物进行了地质力学模型试验。

数学模拟是水工建筑物作用效应分析的又一个重要手段。水工建筑物数学模拟根据水工建筑物结构和受力特点，建立数学物理方程，构建数学模型，依照规定的初始条件和边界条件，求解作用效应。迄今为止，数学模型已经得到了很大的发展，常用的数学模拟方法有解析法、差分法、有限单元法、边界单元法、不连续变形分析法、离散单元法、块体单元法、数值流形法、无单元法，等等。借助计算机技术的发展，数学模拟方法正在快速发展，大型有限元计算商用软件如ANSYS、FLAC等已经在实际工程中得到大量应用。数学模拟方法已经成为水工建筑物作用效应最主要的分析手段之一。

对于已建或正在建设的水工建筑物，大量的先进仪器埋设其中，以监控水工建筑物的运行状态，从而帮助工程技术人员了解水工建筑物的实际效应，如温度、变位、渗流、应力以及裂缝等。水工建筑物安全监测分析以观测资料为基础，通过定性和定量分析，了解水工建筑物的工作性态，从而达到对其进行实时安全监控的目的。水工建筑物安全监测数学模型是对水工建筑物监测资料进行定量分析的主要手段。目前常用监测统计模型、监测确定性模型和监测混合模型这三大类传统监测数学模型。