基于三維模型和CAE的壩體穩(wěn)定性和應(yīng)力分析探討

廖冬芽

摘? 要：BIM技術(shù)的出現(xiàn)，標(biāo)志著水利水電行業(yè)進(jìn)入一個(gè)新的階段，BIM技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)是水利行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。該文基于BIM技術(shù)，選用CATIA軟件作為三維設(shè)計(jì)平臺(tái)以及ANSYS軟件作為結(jié)構(gòu)分析平臺(tái)，利用兩者之間數(shù)據(jù)文件接口，在CATIA平臺(tái)創(chuàng)建重力壩擋水壩段三維參數(shù)化模型后導(dǎo)入ANSYS平臺(tái)進(jìn)行抗滑穩(wěn)定和應(yīng)力分析，并根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)方案調(diào)整直至滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定要求，實(shí)現(xiàn)開發(fā)出一套基于BIM技術(shù)的集CAD/CAE一體化的重力壩參數(shù)化設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：BIM? 三維? CAE? 重力壩? 壩體

中圖分類號(hào)：TV642.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）04（b）-0108-04

Discussion on Dam Stability and Stress Analysis Based on 3D Model and CAE

LIAO Dongya

（China Railway Water conservancy and Hydropower Planning and Design Group Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi Province， 330029? China）

Abstract： The emergence of BIM technology marks that the water conservancy and hydropower industry has entered a new stage， and the application of BIM technology has been the inevitable trend of the development of water conservancy industry. In this paper， based on BIM technology， CATIA software is selected as the three-dimensional design platform and ANSYS software as the structural analysis platform. By using the data file interface between them， the three-dimensional parametric model of gravity dam retaining section is created on CATIA platform and then imported into ANSYS， the anti-sliding stability and stress of the platform are analyzed， and the design scheme is adjusted according to the simulation results until the strength and stability requirements are met. A set of parameterized design method of gravity dam based on BIM technology and CAD / CAE integration is developed.

Key Words： BIM; 3D; CAE; Gravity dam; Dam body

當(dāng)代水電和水利工業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)業(yè)務(wù)在不斷擴(kuò)大。傳統(tǒng)的規(guī)劃、演示、設(shè)計(jì)和構(gòu)造方法顯然無(wú)法滿足當(dāng)今大批量、短周期的水利設(shè)計(jì)需求。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，新技術(shù)能夠解決當(dāng)前的效率和質(zhì)量問(wèn)題，并促進(jìn)建筑中的水電工程的發(fā)展，在各個(gè)方面都具有更大的優(yōu)勢(shì)。

通過(guò)BIM技術(shù)獲得的模型具有很高的可視化程度，并且在紋理、性能、位置和復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)關(guān)系方面使人們更易于理解和接受。其可以將設(shè)計(jì)者的意圖和想法充分傳達(dá)給用戶，也更有利于更好的外觀和合適的設(shè)計(jì)方案的出現(xiàn)，BIM模型可以由參數(shù)驅(qū)動(dòng)，并且易于修改。設(shè)計(jì)人員可以修改設(shè)計(jì)方案中的某些約束參數(shù)以執(zhí)行模型修改;通過(guò)這種方式設(shè)計(jì)的BIM模型也可以與結(jié)構(gòu)分析軟件CAE分析、信息傳遞和交換相結(jié)合，從而使原始設(shè)計(jì)計(jì)劃的修改更加準(zhǔn)確和可靠。因此，將BIM技術(shù)應(yīng)用到水利工程設(shè)計(jì)中，與以往的二維設(shè)計(jì)相比，不僅提高了工程設(shè)計(jì)的質(zhì)量、效率和水平，而且節(jié)省了人工和資源、材料，縮短了工期等。

重力壩是重要的、代表性的和廣泛使用的類型。由于其自身的建筑特性，它被廣泛用于水力發(fā)電和水利建設(shè)項(xiàng)目，并已成為當(dāng)今大壩工程設(shè)計(jì)中最重要的大壩類型之一。重力壩在我國(guó)被廣泛使用，這種水壩被用于許多大型水利工程，例如新安河、劉家峽、三門峽、黃龍?zhí)丁踅珊腿龒{等。使用BIM技術(shù)進(jìn)行CAD/CAE環(huán)路的設(shè)計(jì)和開發(fā)，以及在設(shè)計(jì)和分析之間實(shí)現(xiàn)雙向信息傳輸?shù)那闆r非常少見(jiàn)。因此，該文將具有代表性的重力壩作為對(duì)象進(jìn)行研究。

1? 工程概況

某水庫(kù)是一座多功能的綜合性水利樞紐。其擋水壩為重力壩，壩高56 m，建基面高程為48 m，壩頂高程為104 m，其壩段壩頂長(zhǎng)為20 m，壩頂寬度為7 m。校核洪水位為102.38 m，對(duì)應(yīng)的下游水位為67 m;正常蓄水位為101.3 m，對(duì)應(yīng)的下游水位為58 m。壩體混凝土的彈性模量E=30 GPa，泊松比μ=0.167，容重γ=24 kN/m3;基巖的彈性模量E=20 GPa，泊松比μ=0.28，容重γ=26 kN/m3。根據(jù)工程地質(zhì)資料參考規(guī)范，抗剪斷摩擦系數(shù)fR，抗剪斷凝聚力CR=1.3×103 N/m。壩體混凝土采用的是C20混凝土，其抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為9.60 MPa，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.10 MPa 。

根據(jù)上述工程資料，初步擬定壩體擋水壩段各參數(shù)數(shù)值并在CATIA平臺(tái)下創(chuàng)建參數(shù)化模型，確定計(jì)算工況（正常蓄水位、校核洪水位兩種工況），利用 ANSYS進(jìn)行穩(wěn)定和應(yīng)力分析，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)。計(jì)算工況與荷載組合如表1所示。

2? 參數(shù)化建模

為了便于計(jì)算并減輕計(jì)算機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷，在建立重力壩止水壩斷面模型時(shí)，忽略了波浪墻因素。在建模過(guò)程中，以X軸為下游方向，正方向?yàn)樯嫌蔚较掠畏较?。垂直方向?yàn)閅軸，垂直方向向上為正。Z軸是壩軸的方向，正方向是從左岸到右岸方向。為了反映簡(jiǎn)化重力壩設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)過(guò)程的簡(jiǎn)單性，重力壩擋水壩截面的初始模型繪制為：壩體部分高56 m，壩頂?shù)膶挾葹? m，上游坡度為垂直方向，下游坡度比為1∶0.35，下游斷裂點(diǎn)與壩頂之間的高度差為13 m，沿軸線的厚度為20 m。壩基的基礎(chǔ)深度從壩基表面垂直向下延伸112 m，是壩高的兩倍;從壩踵到上游的距離為112 m，是大壩高度的兩倍;從壩趾到下游河的距離為112 m，是大壩高度的兩倍。由CATIA參數(shù)建模技術(shù)生成的擋水壩截面的三維立體計(jì)算模型見(jiàn)圖1。

3? 參數(shù)化分析

利用擋水壩段參數(shù)化分析程序，根據(jù)材料定義壩體和基巖的材料參數(shù)，結(jié)構(gòu)系數(shù)γd取抗滑穩(wěn)定計(jì)算的1.5，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0取II級(jí)建筑物的1.0，設(shè)計(jì)狀況系數(shù)φ根據(jù)工況進(jìn)行選擇，校核洪水位選擇0.85，正常蓄水位選擇1.0，最后不同工況選擇不同的上下游水位即可讀取APDL文件進(jìn)行重力壩擋水壩段的有限元分析。

3.1 壩體穩(wěn)定分析

首先，在檢查洪水位的條件下，進(jìn)行計(jì)算，然后將由CATIA建立的三維模型導(dǎo)入ANSYS的計(jì)算模型中。

在完成諸如網(wǎng)格劃分和計(jì)算模型的載荷應(yīng)用之類的一系列任務(wù)之后，執(zhí)行靜力解決方案，并在解決方案完成之后對(duì)壩體進(jìn)行安全性分析。首先是分析壩基表面的防滑穩(wěn)定性，該文采用抗剪力公式的局部模量極限表達(dá)式。在ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言（APDL）的設(shè)置中，創(chuàng)建了一個(gè)名為khwd的文件，可以通過(guò)在垂直方向和壩基水平面上輸出合成的力和阻力比系數(shù)來(lái)進(jìn)行判斷。根據(jù)輸出結(jié)果是否滿足防滑穩(wěn)定性要求。

計(jì)算得出的抗力作用比系數(shù)為0.982，其小于1，表明未滿足防滑穩(wěn)定性的安全要求。如果要增加壩體的防滑穩(wěn)定性，則可以在設(shè)計(jì)階段增加壩體的輪廓并增加壩體的重量來(lái)實(shí)現(xiàn)此目的，為此，可以增加作用在壩體上的法向力以改善壩體的性能，使其防滑穩(wěn)定。輪廓放大可以在大壩的上游或大壩的下游進(jìn)行，在該文中，筆者將下游坡度比從1∶0.3更改為1∶0.75，并更改下游斷點(diǎn)之間的高度差。大壩的頂部從13減少到8，這具有增加大壩輪廓的效果。修改后的三維模型，導(dǎo)入ANSYS后的計(jì)算模型，網(wǎng)格和加載后的計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

求解之后校核洪水位情況下的抗滑穩(wěn)定分析結(jié)果為：抗力作用系數(shù)為1.710，其大于1，說(shuō)明此時(shí)的設(shè)計(jì)方案滿足抗滑穩(wěn)定要求。同理，正常蓄水位情況下求解后的抗滑穩(wěn)定結(jié)果為：抗力作用比系數(shù)分別為1.503，都大于1，滿足抗滑穩(wěn)定要求。

3.2 壩體應(yīng)力分析

然后進(jìn)行應(yīng)力分析以重新檢查設(shè)計(jì)方案。檢查洪水水位條件基于壩云位移圖，在靜力作用下可以清楚地看到壩體位移和應(yīng)力的變化?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論。

（1）如圖3所示，大壩X方向上的位移分布呈現(xiàn)出從大壩底部到大壩頂部的總體增長(zhǎng)趨勢(shì)，在大壩頂部達(dá)到峰值，而在大壩頂部位移最小。其中，校核洪水位條件下的最大位移為1.899 mm，正常蓄水位條件下的最大位移為1.436 mm，但兩種條件下的最大位移值都相對(duì)較小，均在正常范圍內(nèi)，并且壩體不發(fā)生大變形，壩體一般是安全可靠的。

（2）壩體總體位移呈向下游傾斜趨勢(shì)，最大位移在壩頂處，位移分布從壩頂?shù)綁蔚字饾u減小。其中校核洪水位工況下最大位移為3.124 mm，正常蓄水位工況下最大位移為2.947 mm。

（3）根據(jù)以上校核洪水位工況和正常蓄水位工況下的位移云圖可以看出，由于大壩所受的靜力荷載相同，所以，在這兩種工況下，大壩壩體的各項(xiàng)位移分布規(guī)律類似，但是其上下游水位不同，導(dǎo)致位移分布的具體數(shù)值有所不同，不過(guò)其數(shù)值大小相差并不大，因?yàn)樾：撕樗还r下的上下游水位較高，所以其壩體各項(xiàng)位移分布值也較大。

根據(jù)大壩的應(yīng)力云圖可以得到如下結(jié)論。

（1）如圖4所示，大壩X方向所受的應(yīng)力主要為壓應(yīng)力。兩種工況下的應(yīng)力分布規(guī)律類似，其中在正常蓄水位工況下，大壩的X方向所受壓應(yīng)力在壩趾處達(dá)到最大，其值為1.08 MPa，在壩體混凝土抗壓強(qiáng)度值（9.60 MPa）范圍內(nèi)。

（2）大壩Y方向的應(yīng)力為壓應(yīng)力。在正常儲(chǔ)存條件下，大壩的Y方向壓應(yīng)力在大壩部位達(dá)到最大，其值為1.12 MPa，這在大壩混凝土的抗壓強(qiáng)度（9.60 MPa）的范圍內(nèi)。

（3）大壩Z方向的應(yīng)力基本處于壓縮狀態(tài)，應(yīng)力值處于相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)。在正常的蓄水條件下，大壩Z方向的最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在壩趾，其值為0.38 MPa，在混凝土的抗壓強(qiáng)度范圍內(nèi)（9.60 MPa）。

（4）大壩的第一主應(yīng)力由壓應(yīng)力控制，在大壩的壩踵只有一小部分拉應(yīng)力。在驗(yàn)證洪水位的條件下，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在壩踵處，其值為1.09 MPa，在混凝土抗拉強(qiáng)度（1.10 MPa）的范圍內(nèi)。

（5）大壩的第三個(gè)主要應(yīng)力是壓應(yīng)力。在正常蓄水條件下，壩趾的壓應(yīng)力最高，其值為1.91 MPa，在混凝土的抗壓強(qiáng)度范圍內(nèi)（9.60 MPa）。綜上所述，在大壩的靜力分析中，位移值均在正常范圍內(nèi)，沒(méi)有大的變形發(fā)生，最大應(yīng)力均小于大壩混凝土的最大強(qiáng)度值，因此大壩是安全可靠的。修改最新的設(shè)計(jì)方案可以滿足安全要求。

4? 結(jié)語(yǔ)

該文提出的基于CAD/CAE和BIM技術(shù)的重力壩參數(shù)化設(shè)計(jì)方法被應(yīng)用于重力壩擋水壩段，并確定了在洪水和正常存儲(chǔ)條件下的抗滑穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)分析，根據(jù)得到的位移云圖和應(yīng)力云圖，分析判斷設(shè)計(jì)方案是否符合安全要求。在應(yīng)用此設(shè)計(jì)方法時(shí)，初始設(shè)計(jì)方法不符合抗滑穩(wěn)定性和安全性。隨著參數(shù)設(shè)計(jì)概念貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)，可以修改該設(shè)計(jì)以完成新的三維實(shí)體模型的創(chuàng)建。獲得了新的計(jì)算結(jié)果，并對(duì)新的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了安全性分析。由上可知，該設(shè)計(jì)方法滿足了重力壩參數(shù)化設(shè)計(jì)要求，提高了工作效率，達(dá)到了預(yù)期效果。

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