魏明星

摘要：力學(xué)源自物理學(xué)中的經(jīng)典力學(xué)，力學(xué)在不斷發(fā)展中不僅服務(wù)于自然科學(xué)，同時(shí)也服務(wù)于工程技術(shù)，在不斷服務(wù)的過程中，使得自身理論不斷發(fā)展完善，從而出現(xiàn)了較多的新力學(xué)分支，這標(biāo)志著力學(xué)發(fā)展到另一個(gè)新的高度。文章探討了力學(xué)在大型水利工程發(fā)展中所起到的作用，進(jìn)一步推動(dòng)水利工程的建設(shè)質(zhì)量和建設(shè)效率。

關(guān)鍵詞：力學(xué)；大型水利工程；水壩；邊坡穩(wěn)定；應(yīng)力變形；滲流穩(wěn)定 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TV131 文章編號：1009-2374（2016）36-0153-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.36.076

在物理學(xué)科中，力學(xué)一直都占據(jù)著極為重要的地位。在力學(xué)的不斷發(fā)展中，從其基礎(chǔ)研究到實(shí)踐應(yīng)用已經(jīng)自成體系，同時(shí)也成為了一個(gè)獨(dú)立的學(xué)科。在自然學(xué)科中，力學(xué)是其重要基礎(chǔ)所在，它一直服務(wù)于自然學(xué)科，其中最為主要的是服務(wù)于工程技術(shù)，同時(shí)在服務(wù)期間自己的理論以及應(yīng)用研究也得到了一定程度的發(fā)展。當(dāng)前現(xiàn)代力學(xué)已經(jīng)被稱為一門技術(shù)學(xué)科，由于其研究與服務(wù)對象是各門技術(shù)發(fā)展以及工程建設(shè)中的科學(xué)問題，科學(xué)地將力學(xué)應(yīng)用到水利工程中，可以有效地推動(dòng)水利工程的建設(shè)效率與建設(shè)質(zhì)量，發(fā)揮水利工程的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)價(jià)值。

1 力學(xué)發(fā)展趨勢

1.1 力學(xué)發(fā)展階段

力學(xué)發(fā)展主要經(jīng)歷了以下階段，即：

第一階段為固體力學(xué)階段。固體力學(xué)主要研究的是固態(tài)物質(zhì)以及結(jié)構(gòu)受力所發(fā)生的變形、流動(dòng)、破壞的重要學(xué)科，不僅為我國近代水利工業(yè)的發(fā)展創(chuàng)建了條件，還深入偏微分方程以及非現(xiàn)象學(xué)科。通過近代計(jì)算力學(xué)可以對水利工程中所應(yīng)用的材料實(shí)際強(qiáng)度和當(dāng)前的理論強(qiáng)度之間存在著一定差異進(jìn)行控制，并完成計(jì)算微小應(yīng)變與應(yīng)力方面，變形局部化、損傷以及壽命等方面的判斷，推動(dòng)不同性能和功能材料合理配置在一起，從而使其能夠形成某種特定的復(fù)合型材料，滿足水利工程的需求。

第二階段為流體力學(xué)，主要是研究的流體不同狀態(tài)下的相互作用和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并不斷得到完善和進(jìn)步。

第三階段為一般力學(xué)。一般力學(xué)的對象主要為有限自由度系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)和對其進(jìn)行嚴(yán)格的控制，其中包含一個(gè)或者多個(gè)無線自由度子系統(tǒng)?，F(xiàn)階段一般力學(xué)已經(jīng)逐漸進(jìn)入到生物體運(yùn)動(dòng)問題研究方面，可以為較多的力學(xué)工作人員提供了一定的資料參考，這在推動(dòng)非線性科學(xué)發(fā)展方面有著積極的意義，提高大型水利工程的建設(shè)質(zhì)量與效率。

第四階段為力學(xué)和其他學(xué)科的交叉，由力學(xué)學(xué)科內(nèi)部不同的分支學(xué)科、力學(xué)和其他學(xué)科交叉等組成，該階段的力學(xué)和源學(xué)科之間存在著一定的差異，對推動(dòng)新力學(xué)發(fā)展方面有著積極的意義。

1.2 計(jì)算力學(xué)發(fā)展

實(shí)驗(yàn)力學(xué)是力學(xué)的新分支。隨著現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)、圖像處理以及激光等高新技術(shù)快速發(fā)展，使得力學(xué)學(xué)科出現(xiàn)了兩個(gè)新的專業(yè)，即實(shí)驗(yàn)力學(xué)與計(jì)算力學(xué)。其中計(jì)算力學(xué)主要是結(jié)合的傳統(tǒng)力學(xué)理論，運(yùn)用計(jì)算機(jī)和各種數(shù)值的方式，完成對工程中問題的解決和控制。在實(shí)際的大型水利工程設(shè)計(jì)和建設(shè)過程中，可以科學(xué)地對有限差分方法和有限元法等方法進(jìn)行應(yīng)用，提高水利工程的建設(shè)質(zhì)量。

2 力學(xué)在大型水壩發(fā)展中所起的作用

2.1 大壩在邊坡穩(wěn)定分析

大壩在實(shí)際的建設(shè)過程中，需要重視對邊坡穩(wěn)定的控制和分析，如果不能有效地控制邊坡的穩(wěn)定，必然會(huì)導(dǎo)致安全隱患和質(zhì)量隱患的發(fā)生，制約大壩的功能性和服務(wù)性。大壩邊坡穩(wěn)定性分析與力學(xué)是相互聯(lián)系的，針對大壩邊坡穩(wěn)定的分析和控制，進(jìn)而保障大壩邊坡安全性和穩(wěn)定性提升。通常情況下，針對大壩邊坡的穩(wěn)定性分析，可以采用瑞典法、滑楔法和簡化法等方法進(jìn)行應(yīng)用，其中通過各種方法的簡化處理，可以有效地對計(jì)算精度進(jìn)行控制，并獲得最小安全系數(shù)，進(jìn)一步保障大壩邊坡的穩(wěn)定性和安全性，減少邊坡滑坡的現(xiàn)象發(fā)生，全面發(fā)揮大壩的功能。

針對大壩的邊坡穩(wěn)定性分析中，極限單元法的有效應(yīng)用，可以為邊坡的應(yīng)力和變形的基本信息進(jìn)行提供，采用離散化、形狀函數(shù)表達(dá)單元內(nèi)的物理量、結(jié)合里茲法等方式，完成極限單元的解，并完成對泛函的極小值，進(jìn)而得到的固結(jié)問題，另外可以結(jié)合三角（四邊形）形單元、單元矩陣積分完成對結(jié)構(gòu)的分析和解讀，并用極限單元法分析本構(gòu)的關(guān)系、建立滑裂面應(yīng)力的邊坡穩(wěn)定性分析，從而有效地推動(dòng)邊坡的穩(wěn)定性分析質(zhì)量，制定完善的邊坡的施工方式，保障大壩的安全性。

2.2 大壩的應(yīng)力變形分析方法

應(yīng)力變化是影響大壩質(zhì)量和安全的重要因素，在實(shí)際的大壩建設(shè)過程中，需要重視對大壩的應(yīng)力變化分析和解讀，并采取適宜的分析方法，實(shí)現(xiàn)對大壩的應(yīng)力變化的控制，進(jìn)一步保障大壩的安全。

大壩受到應(yīng)力變化會(huì)導(dǎo)致大壩出現(xiàn)變形的情況，針對這類情況，需要科學(xué)地對大壩的水壓位移分量、溫度位移分量和時(shí)效位移分量等內(nèi)容進(jìn)行分析和解讀，并建立有效的大壩變形監(jiān)測與預(yù)報(bào)模型，其具體的模型可以設(shè)為：

此外，極限單元法可以有效地應(yīng)用到大壩的應(yīng)力變形分析中，針對大壩應(yīng)力變形的有限元分析：

第一，采用ANSYS建模的方式，創(chuàng)建各個(gè)單元，結(jié)合間接建模的方式，實(shí)現(xiàn)實(shí)體建模。ANSYS可以實(shí)現(xiàn)自頂向下的實(shí)體建模和自底向上的實(shí)體建模，建模過程中可以結(jié)合相關(guān)繪圖軟件得到參數(shù)化建模的方式，進(jìn)一步提高效率和準(zhǔn)確性。

第二，網(wǎng)格劃分，應(yīng)力變形分析中必須展開網(wǎng)格的分化，結(jié)合映射網(wǎng)格劃分的方式，實(shí)現(xiàn)對溫度應(yīng)力、形變應(yīng)力等的計(jì)算。

第三，施加邊界的約束荷載，有限元計(jì)算需要已知邊界，為此需要適宜的邊界添加約束荷載，如圖1所示為典型的大壩邊界約束荷載圖。

第四，邊界添加完成后，需要完成對有限元模型的求解和處理，按照處理結(jié)果得到變形應(yīng)力的具體結(jié)果，并采取有效的抑制措施，保障大壩施工的安全性和穩(wěn)定性。

2.3 大壩的滲流穩(wěn)定分析

大壩滲流穩(wěn)定性對大壩施工和后續(xù)使用具有十分直接的影響，如果大壩滲流穩(wěn)定性分析不夠全面，就可能會(huì)導(dǎo)致安全隱患的發(fā)生。針對大壩的滲流穩(wěn)定性進(jìn)行分析，力學(xué)的作用就顯得十分重要。需要根據(jù)大壩上、下游的蓄水位和最低水位等信息進(jìn)行考慮，結(jié)合滲流計(jì)算分析軟件和有限元法，展開對滲流穩(wěn)定的計(jì)算。計(jì)算過程中，需要對大壩壩體的滲流量進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算斷面等內(nèi)容，結(jié)合邊坡的基本情況，對壩坡穩(wěn)定性和最小安全系數(shù)進(jìn)行分析，明確大壩的飽和度、滲透率等計(jì)算結(jié)果，進(jìn)而完成對大壩的設(shè)計(jì)工作，在保障上、下游的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步推動(dòng)大壩滲透的穩(wěn)定性，減少大壩的安全隱患和質(zhì)量隱患，實(shí)現(xiàn)大壩的功能性和安全性。

3 結(jié)語

本文主要著手于兩個(gè)重要方面：一方面分析了力學(xué)發(fā)展趨勢；另一方面分析了計(jì)算力學(xué)。通過分析明確了力學(xué)擁有極為重要的作用，它被應(yīng)用在水壩工程中，同時(shí)也被作為學(xué)科，讓更多的學(xué)生學(xué)習(xí)與了解。而力學(xué)的作用在于其服務(wù)于經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科技的發(fā)展，可是在力學(xué)發(fā)展中，需要明確力學(xué)與水壩發(fā)展之間的關(guān)系。水壩發(fā)展無法脫離力學(xué)，力學(xué)在大型水壩發(fā)展中具有十分積極的作用，通過對力學(xué)的有效應(yīng)用，可以對水壩的邊坡、應(yīng)力變形和滲流穩(wěn)定等內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算和分析，進(jìn)一步推動(dòng)大型水壩的功能性全面發(fā)揮。本文對力學(xué)在水壩工程中的作用給予了簡述，明確了力學(xué)和水壩發(fā)展之間的聯(lián)系，積極推動(dòng)水壩發(fā)展和應(yīng)用，保障大型水壩功能性和安全性的全面發(fā)揮，實(shí)現(xiàn)大型水壩的發(fā)展和進(jìn)步，推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳政清.橋梁風(fēng)工程[M].北京：人民交通出版社， 2005.

[2] 何晗欣，劉健新.抗風(fēng)纜對大跨懸索橋動(dòng)力特性的影 響[J].公路交通科技，2010，27（7）.

[3] 項(xiàng)海帆.我國大跨度纜索承重橋梁的空氣動(dòng)力性能研 究[J].力學(xué)季刊，2001，21（4）.

[4] 蒲琪.力學(xué)發(fā)展及與工程的關(guān)系[J].徐州建筑職業(yè)技 術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，4（1）.

[5] 鄧紹云.建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展與力學(xué)關(guān)系研究[J].黑龍江科 技信息，2014，（31）.

[6] 吳恒，歐孝奪，周東，等.從科學(xué)試驗(yàn)方法探討土 力學(xué)發(fā)展的新途徑[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004， 23（19）.

[7] 王友三.建筑結(jié)構(gòu)形式發(fā)展的力學(xué)原理[J].建筑工程 技術(shù)與設(shè)計(jì)，2015，（7）.

（責(zé)任編輯：小 燕）