力学在大型水坝发展中的作用探讨

魏明星

摘要：力学源自物理学中的经典力学，力学在不断发展中不仅服务于自然科学，同时也服务于工程技术，在不断服务的过程中，使得自身理论不断发展完善，从而出现了较多的新力学分支，这标志着力学发展到另一个新的高度。文章探讨了力学在大型水利工程发展中所起到的作用，进一步推动水利工程的建设质量和建设效率。

关键词：力学；大型水利工程；水坝；边坡稳定；应力变形；渗流稳定 文献标识码：A

中图分类号：TV131 文章编号：1009-2374（2016）36-0153-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.36.076

在物理学科中，力学一直都占据着极为重要的地位。在力学的不断发展中，从其基础研究到实践应用已经自成体系，同时也成为了一个独立的学科。在自然學科中，力学是其重要基础所在，它一直服务于自然学科，其中最为主要的是服务于工程技术，同时在服务期间自己的理论以及应用研究也得到了一定程度的发展。当前现代力学已经被称为一门技术学科，由于其研究与服务对象是各门技术发展以及工程建设中的科学问题，科学地将力学应用到水利工程中，可以有效地推动水利工程的建设效率与建设质量，发挥水利工程的经济效益与社会价值。

1 力学发展趋势

1.1 力学发展阶段

力学发展主要经历了以下阶段，即：

第一阶段为固体力学阶段。固体力学主要研究的是固态物质以及结构受力所发生的变形、流动、破坏的重要学科，不仅为我国近代水利工业的发展创建了条件，还深入偏微分方程以及非现象学科。通过近代计算力学可以对水利工程中所应用的材料实际强度和当前的理论强度之间存在着一定差异进行控制，并完成计算微小应变与应力方面，变形局部化、损伤以及寿命等方面的判断，推动不同性能和功能材料合理配置在一起，从而使其能够形成某种特定的复合型材料，满足水利工程的需求。

第二阶段为流体力学，主要是研究的流体不同状态下的相互作用和运动规律，并不断得到完善和进步。

第三阶段为一般力学。一般力学的对象主要为有限自由度系统运动和对其进行严格的控制，其中包含一个或者多个无线自由度子系统。现阶段一般力学已经逐渐进入到生物体运动问题研究方面，可以为较多的力学工作人员提供了一定的资料参考，这在推动非线性科学发展方面有着积极的意义，提高大型水利工程的建设质量与效率。

第四阶段为力学和其他学科的交叉，由力学学科内部不同的分支学科、力学和其他学科交叉等组成，该阶段的力学和源学科之间存在着一定的差异，对推动新力学发展方面有着积极的意义。

1.2 计算力学发展

实验力学是力学的新分支。随着现代电子计算机、图像处理以及激光等高新技术快速发展，使得力学学科出现了两个新的专业，即实验力学与计算力学。其中计算力学主要是结合的传统力学理论，运用计算机和各种数值的方式，完成对工程中问题的解决和控制。在实际的大型水利工程设计和建设过程中，可以科学地对有限差分方法和有限元法等方法进行应用，提高水利工程的建设质量。

2 力学在大型水坝发展中所起的作用

2.1 大坝在边坡稳定分析

大坝在实际的建设过程中，需要重视对边坡稳定的控制和分析，如果不能有效地控制边坡的稳定，必然会导致安全隐患和质量隐患的发生，制约大坝的功能性和服务性。大坝边坡稳定性分析与力学是相互联系的，针对大坝边坡稳定的分析和控制，进而保障大坝边坡安全性和稳定性提升。通常情况下，针对大坝边坡的稳定性分析，可以采用瑞典法、滑楔法和简化法等方法进行应用，其中通过各种方法的简化处理，可以有效地对计算精度进行控制，并获得最小安全系数，进一步保障大坝边坡的稳定性和安全性，减少边坡滑坡的现象发生，全面发挥大坝的功能。

针对大坝的边坡稳定性分析中，极限单元法的有效应用，可以为边坡的应力和变形的基本信息进行提供，采用离散化、形状函数表达单元内的物理量、结合里兹法等方式，完成极限单元的解，并完成对泛函的极小值，进而得到的固结问题，另外可以结合三角（四边形）形单元、单元矩阵积分完成对结构的分析和解读，并用极限单元法分析本构的关系、建立滑裂面应力的边坡稳定性分析，从而有效地推动边坡的稳定性分析质量，制定完善的边坡的施工方式，保障大坝的安全性。

2.2 大坝的应力变形分析方法

应力变化是影响大坝质量和安全的重要因素，在实际的大坝建设过程中，需要重视对大坝的应力变化分析和解读，并采取适宜的分析方法，实现对大坝的应力变化的控制，进一步保障大坝的安全。

大坝受到应力变化会导致大坝出现变形的情况，针对这类情况，需要科学地对大坝的水压位移分量、温度位移分量和时效位移分量等内容进行分析和解读，并建立有效的大坝变形监测与预报模型，其具体的模型可以设为：

此外，极限单元法可以有效地应用到大坝的应力变形分析中，针对大坝应力变形的有限元分析：

第一，采用ANSYS建模的方式，创建各个单元，结合间接建模的方式，实现实体建模。ANSYS可以实现自顶向下的实体建模和自底向上的实体建模，建模过程中可以结合相关绘图软件得到参数化建模的方式，进一步提高效率和准确性。

第二，网格划分，应力变形分析中必须展开网格的分化，结合映射网格划分的方式，实现对温度应力、形变应力等的计算。

第三，施加边界的约束荷载，有限元计算需要已知边界，为此需要适宜的边界添加约束荷载，如图1所示为典型的大坝边界约束荷载图。

第四，边界添加完成后，需要完成对有限元模型的求解和处理，按照处理结果得到变形应力的具体结果，并采取有效的抑制措施，保障大坝施工的安全性和稳定性。

2.3 大坝的渗流稳定分析

大坝渗流稳定性对大坝施工和后续使用具有十分直接的影响，如果大坝渗流稳定性分析不够全面，就可能会导致安全隐患的发生。针对大坝的渗流稳定性进行分析，力学的作用就显得十分重要。需要根据大坝上、下游的蓄水位和最低水位等信息进行考虑，结合渗流计算分析软件和有限元法，展开对渗流稳定的计算。计算过程中，需要对大坝坝体的渗流量进行计算，并根据计算断面等内容，结合边坡的基本情况，对坝坡稳定性和最小安全系数进行分析，明确大坝的饱和度、渗透率等计算结果，进而完成对大坝的设计工作，在保障上、下游的设计标准和设计规范的基础上，进一步推动大坝渗透的稳定性，减少大坝的安全隐患和质量隐患，实现大坝的功能性和安全性。

3 结语

本文主要着手于两个重要方面：一方面分析了力学发展趋势；另一方面分析了计算力学。通过分析明确了力学拥有极为重要的作用，它被应用在水坝工程中，同时也被作为学科，让更多的学生学习与了解。而力学的作用在于其服务于经济建设和科技的发展，可是在力学发展中，需要明确力学与水坝发展之间的关系。水坝发展无法脱离力学，力学在大型水坝发展中具有十分积极的作用，通过对力学的有效应用，可以对水坝的边坡、应力变形和渗流稳定等内容进行计算和分析，进一步推动大型水坝的功能性全面发挥。本文对力学在水坝工程中的作用给予了简述，明确了力学和水坝发展之间的联系，积极推动水坝发展和应用，保障大型水坝功能性和安全性的全面发挥，实现大型水坝的发展和进步，推动社会经济的可持续发展。

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（责任编辑：小 燕）