多軟件聯(lián)合的拱壩三維數(shù)值建模方法及其應用

譚 彩，袁明道，史永勝，張旭輝，彭汝軒

(廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510610)

0 引 言

準確地建立拱壩三維數(shù)值模型是保障其模擬結(jié)果可靠的重要前提，然而拱壩由于其體形復雜，精細化的三維拱壩數(shù)值模型建模耗時長、難度大，嚴重地制約了拱壩數(shù)值計算的發(fā)展[1-3]。因此，尋求一種簡單、快速的三維數(shù)值建模方法是目前的重要研究課題之一。

多軟件聯(lián)合是目前最簡單、最有效的三維數(shù)值建模方法之一，通過多軟件協(xié)同作業(yè)發(fā)揮每個軟件的優(yōu)勢，可極大地縮短建模時間，降低建模的難度[4-6]。朱權(quán)潔等[7]通過包括3DMINE、GOCAD、RHIRO和FLAC3D在內(nèi)的7款軟件進行聯(lián)合建模，結(jié)果表明，聯(lián)合建模方法建模速度快，且建模主要通過界面操作進行，降低了建模的難度，建模過程中數(shù)據(jù)逐步對接，減小了人為干擾誤差。王飛[8]利用Excel-VBA、CATIA和有限元聯(lián)合進行拱壩建模計算，通過多軟件的聯(lián)合使用，使建模過程模塊化、參數(shù)化，縮短了建模的時間，提高了建模精度。李翔等[9]通過SURAPC、CAD、ARCGIS、ANSYS和FLAC3D對天祝煤礦進行三維建模并對該方法的可行性、有效性進行了驗證。陳慶發(fā)等[10]對比了不同大型復雜地質(zhì)體的三維建模方法，取長補短，提出了改進的3DMine-FLAC3D耦合建模方法，并將其應用于鋅多金屬礦取得了良好的成效。

綜上所述，多軟件聯(lián)合在復雜三維地質(zhì)體建模研究較為充分，但對具有復雜地質(zhì)條件和拱結(jié)構(gòu)的拱壩三維數(shù)值建模研究尚不夠充分。因此，本文提出了一種多軟件聯(lián)合的拱壩三維數(shù)值建模方法，該方法聯(lián)合AutoCAD、dxf2xyz、Surfer、SolidWorks、HyperMesh和有限元共6種軟件進行建模，實現(xiàn)了拱壩三維數(shù)值模型簡單、快速地構(gòu)建。

1 建模方法

多軟件聯(lián)合的拱壩三維數(shù)值建模方法采用的軟件有AutoCAD、dxf2xyz、Surfer、SolidWorks、Hyper-Mesh和有限元共6種，其建模方法流程如圖1所示。首先采用AutoCAD建立帶高程信息的地形等高線圖，并保存成為dxf文件。通過dxf2xyz軟件將dxf文件轉(zhuǎn)化為坐標點文檔，并將該文檔可用記事本打開并另存為txt文件；其次采用Surfer軟件中的Grid菜單下的Data工具導入*txt文件，并完成插值，插值完成后通過Grid菜單將曲面網(wǎng)格轉(zhuǎn)化為順序排列的*dat文件坐標點，設(shè)置逗號將順序排列的dat文件坐標點X，Y，Z分隔，并采用SolidWorks將曲面處理光滑后拉伸成地質(zhì)體模型，建立拱壩模型并完成地質(zhì)體和拱壩模型的組裝，并根據(jù)地質(zhì)信息資料，進行切割分區(qū)，導出幾何模型文件；再次將實體模型導入HyperMesh中進行網(wǎng)格劃分，并對模型進行簡單的附參，導出有限元模型文件；最后將有限元模型文件導入至有限元軟件，完成建模。

圖1 多軟件聯(lián)合的拱壩三維數(shù)值建模方法流程

2 工程概況

天堂山水庫位于東江支流，地處廣東省龍門縣境內(nèi)，水庫控制集雨面積461 km2，總庫容2.43億m3，是一座以防洪為主結(jié)合發(fā)電、灌溉和改善航運的綜合利用的大型水利樞紐工程。工程于1989年9月截流，1990年元旦澆筑大壩混凝土，1993年9月全部投產(chǎn)。

天堂山水庫大壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程159.00 m，最大壩高70.0 m，壩頂厚5.75 m，底厚22.04 m，頂弧長287.37 m，根據(jù)施工澆筑能力及溢洪道閘墩等布置要求，壩體分縫間距15～18 m，共20個壩塊。河流在壩址處的流向為北西西到南東東，基本與壩址巖體的主要斷層方向一致，河谷斷面呈“V”字形，底寬35～40 m，壩頂159.00 m高程時寬約210 m，寬高比3∶10(開挖后寬高比約4∶1)，兩岸地形較雄偉均勻，坡比35°～45°。

3 計算原理、模型與參數(shù)

3.1 計算原理

混凝土和巖土體均為彈塑性材料，按彈塑性增量理論進行計算。塑性應力-應變關(guān)系為

{dσ}=[Dep]{dε}

(1)

式中，{dσ}為應力增量；{dε}為應變增量；[Dep]為彈塑性系數(shù)，可表示為

(2)

對物理非線性問題，一般采用分段線性化的純增量法和逐次迭代方法求解。

3.2 計算模型

有限元計算模型如圖2所示。計算采用直角坐標系，x軸從左岸指向右岸，y軸指向下游，z軸豎直向上。模型底部采用固定約束，四周邊界采用連桿約束。拱壩壩基的巖體采用空間六面體Solid45單元，即八結(jié)點等參單元。壩體采用Solid65單元，即八結(jié)點混凝土單元。整個計算模型的單元總數(shù)為21 785個，節(jié)點總數(shù)為27 484個。

圖2 計算模型

3.3 計算參數(shù)

混凝土計算參數(shù)取值：容重γ為24 kN/m3；彈性模量E一般情況下取3.1×104MPa；低水位高溫時取1.5×104MPa；泊松比μ為0.2；線膨脹系數(shù)α為0.000 01 ℃。壩基部分抗剪斷強度采用值如表1所示。根據(jù)1990年～2013年天堂山拱壩現(xiàn)場溫度監(jiān)測資料以及原設(shè)計溫度取值，確定本次計算溫度取值如表2所示。計算假設(shè)作用于壩肩滑塊側(cè)滑面和底滑面上的滲壓通過帷幕進行第一次折減(折減系數(shù)為α1)，經(jīng)過排水幕進行第二次折減(折減系數(shù)為α2)，全程線性分布直至滑塊下游出露處滲壓變?yōu)?。帷幕折減系數(shù)α1=0.4，排水折減系數(shù)α1=0.2。作用于壩面單位寬度上的水平泥沙壓力可按下列公式計算

(3)

γsb=γsd-(1-n)γw

(4)

式中，Psk為泥沙壓力；γsb為泥沙的浮容重；γsd為泥沙的干容重；γw為水的容重；n為泥沙的孔隙率；hs為壩前泥沙的淤積厚度；φs為泥沙的內(nèi)摩擦角。

表1 抗剪斷強度參數(shù)

表2 計算溫度取值

本次計算取泥沙淤沙高程120 m，淤沙浮容重γsb=5 kN/m3，淤沙內(nèi)摩擦角φs=0°。

4 計算結(jié)果與分析

分別對正常蓄水位150.00 m、百年設(shè)計洪水位156.61 m和千年校核洪水位157.24 m共3種工況進行計算并與內(nèi)力平衡分載法計算結(jié)果進行對比。不同工況下拱壩等效位移、等效應力云圖分別如圖3和圖4所示，不同工況下有限單元法與內(nèi)力平衡分載法計算的壩體最大應力和位移分析對比如表3所示。從圖3、圖4、表3可知，不同工況下，天堂山拱壩應力和位移雖數(shù)值不同但其變化規(guī)律基本一致，壩體下游面基本為壓應力，而壩體上游面在壩踵位置附近出現(xiàn)拉應力，同一高程位移量值從拱冠至左右拱端逐漸減小。由于河谷形狀基本對稱，壩體左右半拱順河向位移基本呈現(xiàn)對稱性。壩體最大順河向位移出現(xiàn)在下游壩面159.00 m高程拱冠處。正常蓄水位工況下，最大壓應力值4.30 MPa，最大拉應力值1.09 MPa，最大位移12.9 mm；設(shè)計洪水位工況下，最大壓應力值5.78 MPa，最大拉應力值1.17 MPa，最大位移19.8 mm；校核洪水位工況下，最大壓應力值為6.05 MPa，最大拉應力值為1.28 MPa，最大位移21.4 mm。

圖3 不同工況下拱壩等效位移云圖(單位：m)

表3 壩體最大應力和位移分析對比

圖4 不同工況下拱壩等效應力云圖(單位：Pa)

通過對比分析有限單元法和內(nèi)力平衡分載法計算結(jié)果可以看出，2種方法位移和應力分布規(guī)律基本一致，說明采用多軟件聯(lián)合的拱壩三維數(shù)值建模方法建立的有限元模型計算結(jié)果是可靠的。有限單元法計算拱壩所得的應力比內(nèi)力平衡分載法計算結(jié)果大，這是由于有限單元法考慮了壩與地基的聯(lián)合作用，地基中包括了風化層、蝕變帶、復雜的地質(zhì)構(gòu)造及傳力墻分布情況，而內(nèi)力平衡分載法無法考慮。

5 結(jié) 論

(1)本文提出了一種多軟件聯(lián)合的拱壩三維數(shù)值建模方法，通過AutoCAD、dxf2xyz、Surfer、Solid-Works、HyperMesh和有限元6種軟件進行聯(lián)合建模，實現(xiàn)了拱壩三維數(shù)值模型簡單、快速的構(gòu)建，并通過構(gòu)建的拱壩三維數(shù)值模型進行不同工況下拱壩的應力和變形計算。

(2)不同工況下，天堂山拱壩應力和位移雖數(shù)值不同但變化規(guī)律基本一致，壩體下游面基本為壓應力，而壩體上游面在壩踵位置附近出現(xiàn)拉應力，同一高程位移量值從拱冠至左右拱端逐漸減小。

(3)構(gòu)建的三維有限元模型計算結(jié)果與內(nèi)力平衡分載法變化規(guī)律基本一致，驗證了該模型計算結(jié)果的可靠性。