基于BIM技術(shù)的水利工程壩體穩(wěn)定性和應(yīng)力分析探討

袁東

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(kāi)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）10（b）-0000-00

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

YUAN Dong

（Honghu water resources survey and Design Institute， Honghu， Hubei Province， 433200 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

大多數(shù)水利水電工程都是在復(fù)雜的水文地質(zhì)條件下設(shè)計(jì)和建造的，過(guò)程漫長(zhǎng)、復(fù)雜、效率低下。水利工程規(guī)模大、投資大、與國(guó)民經(jīng)濟(jì)密切相關(guān)，在建設(shè)過(guò)程中需要進(jìn)行多方分析論證，選擇最經(jīng)濟(jì)合理的方案。大量的計(jì)算和重復(fù)的任務(wù)大大降低了工作效率，水利工程的建設(shè)過(guò)程非常復(fù)雜，涉及的部門和項(xiàng)目參與者眾多，各個(gè)部分是相互關(guān)聯(lián)的，雙方計(jì)劃的變化會(huì)影響其他相關(guān)領(lǐng)域，基于文件格式的溝通協(xié)調(diào)方式可能會(huì)導(dǎo)致信息錯(cuò)誤、遺漏或未能及時(shí)更新，從而會(huì)影響進(jìn)度和整個(gè)項(xiàng)目的質(zhì)量。由于各項(xiàng)目在施工過(guò)程中面臨復(fù)雜的工況，必須通過(guò)水利模型試驗(yàn)驗(yàn)證，因此加大了投資，造價(jià)越高，建設(shè)周期越長(zhǎng)[1]。此外，水利工程的獨(dú)特性和不可重復(fù)性也是制約其快速發(fā)展的重要因素，現(xiàn)代水利水電行業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)業(yè)務(wù)不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)的規(guī)劃、論證、設(shè)計(jì)、施工方式顯然無(wú)法滿足當(dāng)前高工作量和縮短水利設(shè)計(jì)周期的需要。水資源管理從業(yè)者希望能找到一種新技術(shù)，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，新技術(shù)在各方面都有很大的優(yōu)勢(shì)，可以解決當(dāng)前的效率和質(zhì)量問(wèn)題，促進(jìn)水利工程建設(shè)的發(fā)展。

通過(guò)BIM技術(shù)獲得的模型具有更高的可視化水平，在紋理、性能、位置、復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)關(guān)系等方面更容易理解和容納，設(shè)計(jì)師的意圖和想法可以充分傳達(dá)給用戶，有助于制訂好的和合適的設(shè)計(jì)計(jì)劃。 BIM 模型可以由參數(shù)驅(qū)動(dòng)，并且易于修改。設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)修改設(shè)計(jì)方案中的一些約束參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)模型修改。該方法還可以結(jié)合結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行CAE分析、信息傳遞和交流，使原設(shè)計(jì)方案的修改更加準(zhǔn)確可靠[2]。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，不僅可以提高工程設(shè)計(jì)的質(zhì)量、效率和水平，而且可以大大節(jié)省時(shí)間和人力物力。工期等工程費(fèi)用。

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 101.68 m，對(duì)應(yīng)的下游水位為 60 m;正常蓄水位為 100.2 m，對(duì)應(yīng)的下游水位為 60 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)f′R=1.3，抗剪斷凝聚力c′R=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[3] 。

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下表1所示。

2 參數(shù)化建模

為便于計(jì)算和減輕計(jì)算機(jī)計(jì)算的負(fù)擔(dān)，在設(shè)置重力壩擋土墻截面模型時(shí)忽略了破壁系數(shù)。在建模過(guò)程中，X軸為下游，正為上游到下游，垂直為Y，垂直為正，Z為方向壩軸，正方向?yàn)閺淖蟀兜接野禰4]。為體現(xiàn)該次設(shè)計(jì)過(guò)程的簡(jiǎn)單性，修改重力壩設(shè)計(jì)方法，重力壩擋土墻截面初始模型為壩體局部高度56 m，壩脊寬度7 m，上游坡度為豎向，下游坡度比為1：0.35，壩脊高差13 m，軸厚20 m。壩基基礎(chǔ)深度為112 m，從壩基平面垂直向下為壩高的2倍，從壩基上游后端為112 m，為壩高的2倍，從壩腳到下游112 m，是壩高的兩倍。通過(guò)CATIA 參數(shù)化建模技術(shù)生成的擋土墻截面的三維實(shí)體計(jì)算模型如圖1 所示。

3 參數(shù)化分析

利用第五章已經(jīng)完成的擋水壩段參數(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)是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[5]。

3.1 壩體穩(wěn)定分析

首先在檢查洪水量的條件下進(jìn)行計(jì)算，將CATIA中建立的3D模型導(dǎo)入到ANSYS的計(jì)算模型中。

完成計(jì)算模型的系統(tǒng)劃分、施加荷載等一系列任務(wù)后，進(jìn)行靜力分析，求解完成后，進(jìn)行壩體安全分析。首先是壩基的抗滑穩(wěn)定性分析，該文采用抗剪力方程的偏系數(shù)極限方程。在ANSYS APDL（參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言）設(shè)置中，創(chuàng)建了一個(gè)名為khwd的文件，其中可以輸出壩基水平和垂直方向的合力和阻力比系數(shù)，根據(jù)輸出結(jié)果判斷是否滿足防滑穩(wěn)定性要求[6]。

計(jì)算得出的阻力比系數(shù)為0.982，小于1，說(shuō)明不滿足防滑穩(wěn)定性的安全要求。如果要提高壩體的防滑穩(wěn)定性，可以在設(shè)計(jì)階段增加壩體剖面，增加壩體自重來(lái)實(shí)現(xiàn)，增加防滑穩(wěn)定性。剖面的放大既可以在大壩上游側(cè)也可以在大壩下游側(cè)進(jìn)行，該文將下游坡度比從1：0.3改為1：0.75，改變大壩之間的高差。下游斷點(diǎn)和大壩壩頂?shù)母卟钣?3減少到8，具有增加壩體斷面的效果。修改后的3D模型、導(dǎo)入ANSYS后的計(jì)算模型以及加載后的網(wǎng)格和計(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，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

接下來(lái)進(jìn)行應(yīng)力分析，重新確認(rèn)此時(shí)的設(shè)計(jì)方案。檢查水位情況根據(jù)大壩位移云圖，可以清楚地看到壩體在靜力作用下的位移和應(yīng)力變化?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論。

（1） 大壩X方向的位移分布從壩底到壩頂逐漸增大，在壩頂達(dá)到最大值，并呈現(xiàn)出在壩頂處出現(xiàn)最小位移的趨勢(shì)。壩趾處則較小。其中，檢查洪水位條件下的最大位移為1.899 mm，正常低水位條件下的最大位移為1.436 mm，但兩種情況下的最大位移都較小，均在正常范圍內(nèi)。未產(chǎn)生大變形，壩體總體上安全可靠。

（2）壩體總位移向下游傾斜，最大位移在壩頂，位移分布從壩頂向壩底逐漸減小。校核水位工況為3.124 mm，正常低水位工況下最大排量2.947 mm。

（3）根據(jù)檢查洪水位和正常蓄水情況下的位移云圖，施加在大壩上的靜荷載是相同的，可見(jiàn)這兩種情況下壩體有不同的分布雖然排量相似，但上下游水位不同，所以排量分布的具體數(shù)值不同，但數(shù)值差別不大。由于洪水位檢查中上下游水位情況較高，大壩各位移量的分布值也比較大。

4 結(jié)語(yǔ)

該文提出的基于BIM技術(shù)的集CAD/CAE一體化的重力壩參數(shù)化設(shè)計(jì)方法應(yīng)用至某重力壩擋水壩段，對(duì)其進(jìn)行了校核洪水位和正常蓄水位工況下的抗滑穩(wěn)定分析和應(yīng)力分析，然后根據(jù)得到的位移和應(yīng)力云圖進(jìn)行分析判斷設(shè)計(jì)方案是否符合安全要求。在該設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用過(guò)程中，出現(xiàn)了初始設(shè)計(jì)方案不滿足抗滑穩(wěn)定安全的情況，由于參數(shù)化設(shè)計(jì)理念貫穿設(shè)計(jì)始終，所以只需修改相應(yīng)的參數(shù)就能完成新的三維實(shí)體模型的創(chuàng)建并得到新的計(jì)算結(jié)果，從而對(duì)新的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行安全性分析。以上說(shuō)明該設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了重力壩參數(shù)化設(shè)計(jì)的要求，提高了工作效率，達(dá)到了預(yù)期的效果。

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