基于三维模型和CAE的坝体稳定性和应力分析探讨

廖冬芽

摘  要：BIM技术的出现，标志着水利水电行业进入一个新的阶段，BIM技术的应用已经是水利行业发展的必然趋势。该文基于BIM技术，选用CATIA软件作为三维设计平台以及ANSYS软件作为结构分析平台，利用两者之间数据文件接口，在CATIA平台创建重力坝挡水坝段三维参数化模型后导入ANSYS平台进行抗滑稳定和应力分析，并根据模拟计算结果进行设计方案调整直至满足强度和稳定要求，实现开发出一套基于BIM技术的集CAD/CAE一体化的重力坝参数化设计方法。

关键词：BIM  三维  CAE  重力坝  坝体

中图分类号：TV642.3                      文献标识码：A文章编号：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

當代水电和水利工业的基础设施建设业务在不断扩大。传统的规划、演示、设计和构造方法显然无法满足当今大批量、短周期的水利设计需求。与传统技术相比，新技术能够解决当前的效率和质量问题，并促进建筑中的水电工程的发展，在各个方面都具有更大的优势。

通过BIM技术获得的模型具有很高的可视化程度，并且在纹理、性能、位置和复杂的运动关系方面使人们更易于理解和接受。其可以将设计者的意图和想法充分传达给用户，也更有利于更好的外观和合适的设计方案的出现，BIM模型可以由参数驱动，并且易于修改。设计人员可以修改设计方案中的某些约束参数以执行模型修改;通过这种方式设计的BIM模型也可以与结构分析软件CAE分析、信息传递和交换相结合，从而使原始设计计划的修改更加准确和可靠。因此，将BIM技术应用到水利工程设计中，与以往的二维设计相比，不仅提高了工程设计的质量、效率和水平，而且节省了人工和资源、材料，缩短了工期等。

重力坝是重要的、代表性的和广泛使用的类型。由于其自身的建筑特性，它被广泛用于水力发电和水利建设项目，并已成为当今大坝工程设计中最重要的大坝类型之一。重力坝在我国被广泛使用，这种水坝被用于许多大型水利工程，例如新安河、刘家峡、三门峡、黄龙潭、乌江渡和三峡等。使用BIM技术进行CAD/CAE环路的设计和开发，以及在设计和分析之间实现双向信息传输的情况非常少见。因此，该文将具有代表性的重力坝作为对象进行研究。

1  工程概况

某水库是一座多功能的综合性水利枢纽。其挡水坝为重力坝，坝高56 m，建基面高程为48 m，坝顶高程为104 m，其坝段坝顶长为20 m，坝顶宽度为7 m。校核洪水位为102.38 m，对应的下游水位为67 m;正常蓄水位为101.3 m，对应的下游水位为58 m。坝体混凝土的弹性模量E=30 GPa，泊松比μ=0.167，容重γ=24 kN/m3;基岩的弹性模量E=20 GPa，泊松比μ=0.28，容重γ=26 kN/m3。根据工程地质资料参考规范，抗剪断摩擦系数fR，抗剪断凝聚力CR=1.3×103 N/m。坝体混凝土采用的是C20混凝土，其抗压强度设计值为9.60 MPa，抗拉强度设计值为1.10 MPa 。

根据上述工程资料，初步拟定坝体挡水坝段各参数数值并在CATIA平台下创建参数化模型，确定计算工况（正常蓄水位、校核洪水位两种工况），利用 ANSYS进行稳定和应力分析，并根据计算结果进行安全性评价。计算工况与荷载组合如表1所示。

2  参数化建模

为了便于计算并减轻计算机的运行负荷，在建立重力坝止水坝断面模型时，忽略了波浪墙因素。在建模过程中，以X轴为下游方向，正方向为上游到下游方向。垂直方向为Y轴，垂直方向向上为正。Z轴是坝轴的方向，正方向是从左岸到右岸方向。为了反映简化重力坝设计方案的设计过程的简单性，重力坝挡水坝截面的初始模型绘制为：坝体部分高56 m，坝顶的宽度为7 m，上游坡度为垂直方向，下游坡度比为1∶0.35，下游断裂点与坝顶之间的高度差为13 m，沿轴线的厚度为20 m。坝基的基础深度从坝基表面垂直向下延伸112 m，是坝高的两倍;从坝踵到上游的距离为112 m，是大坝高度的两倍;从坝趾到下游河的距离为112 m，是大坝高度的两倍。由CATIA參数建模技术生成的挡水坝截面的三维立体计算模型见图1。

3  参数化分析

利用挡水坝段参数化分析程序，根据材料定义坝体和基岩的材料参数，结构系数γd取抗滑稳定计算的1.5，结构重要性系数γ0取II级建筑物的1.0，设计状况系数φ根据工况进行选择，校核洪水位选择0.85，正常蓄水位选择1.0，最后不同工况选择不同的上下游水位即可读取APDL文件进行重力坝挡水坝段的有限元分析。

3.1 坝体稳定分析

首先，在检查洪水位的条件下，进行计算，然后将由CATIA建立的三维模型导入ANSYS的计算模型中。

在完成诸如网格划分和计算模型的载荷应用之类的一系列任务之后，执行静力解决方案，并在解决方案完成之后对坝体进行安全性分析。首先是分析坝基表面的防滑稳定性，该文采用抗剪力公式的局部模量极限表达式。在ANSYS参数化设计语言（APDL）的设置中，创建了一个名为khwd的文件，可以通过在垂直方向和坝基水平面上输出合成的力和阻力比系数来进行判断。根据输出结果是否满足防滑稳定性要求。

计算得出的抗力作用比系数为0.982，其小于1，表明未满足防滑稳定性的安全要求。如果要增加坝体的防滑稳定性，则可以在设计阶段增加坝体的轮廓并增加坝体的重量来实现此目的，为此，可以增加作用在坝体上的法向力以改善坝体的性能，使其防滑稳定。轮廓放大可以在大坝的上游或大坝的下游进行，在该文中，笔者将下游坡度比从1∶0.3更改为1∶0.75，并更改下游断点之间的高度差。大坝的顶部从13减少到8，这具有增加大坝轮廓的效果。修改后的三维模型，导入ANSYS后的计算模型，网格和加载后的计算模型见图2。

求解之后校核洪水位情况下的抗滑稳定分析结果为：抗力作用系数为1.710，其大于1，说明此时的设计方案满足抗滑稳定要求。同理，正常蓄水位情况下求解后的抗滑稳定结果为：抗力作用比系数分别为1.503，都大于1，满足抗滑稳定要求。

3.2 坝体应力分析

然后进行应力分析以重新检查设计方案。检查洪水水位条件基于坝云位移图，在静力作用下可以清楚地看到坝体位移和应力的变化。可以得出以下结论。

（1）如图3所示，大坝X方向上的位移分布呈现出从大坝底部到大坝顶部的总体增长趋势，在大坝顶部达到峰值，而在大坝顶部位移最小。其中，校核洪水位条件下的最大位移为1.899 mm，正常蓄水位条件下的最大位移为1.436 mm，但两种条件下的最大位移值都相对较小，均在正常范围内，并且坝体不发生大变形，坝体一般是安全可靠的。

（2）坝体总体位移呈向下游倾斜趋势，最大位移在坝顶处，位移分布从坝顶到坝底逐渐减小。其中校核洪水位工况下最大位移为3.124 mm，正常蓄水位工况下最大位移为2.947 mm。

（3）根据以上校核洪水位工况和正常蓄水位工况下的位移云图可以看出，由于大坝所受的静力荷载相同，所以，在这两种工况下，大坝坝体的各项位移分布规律类似，但是其上下游水位不同，导致位移分布的具体数值有所不同，不过其数值大小相差并不大，因为校核洪水位工况下的上下游水位较高，所以其坝体各项位移分布值也较大。

根据大坝的应力云图可以得到如下结论。

（1）如图4所示，大坝X方向所受的应力主要为压应力。两种工况下的应力分布规律类似，其中在正常蓄水位工况下，大坝的X方向所受压应力在坝趾处达到最大，其值为1.08 MPa，在坝体混凝土抗压强度值（9.60 MPa）范围内。

（2）大坝Y方向的应力为压应力。在正常储存条件下，大坝的Y方向压应力在大坝部位达到最大，其值为1.12 MPa，这在大坝混凝土的抗压强度（9.60 MPa）的范围内。

（3）大坝Z方向的应力基本处于压缩状态，应力值处于相对稳定的范围内。在正常的蓄水条件下，大坝Z方向的最大压应力出现在坝趾，其值为0.38 MPa，在混凝土的抗压强度范围内（9.60 MPa）。

（4）大坝的第一主应力由压应力控制，在大坝的坝踵只有一小部分拉应力。在验证洪水位的条件下，最大拉应力出现在坝踵处，其值为1.09 MPa，在混凝土抗拉强度（1.10 MPa）的范围内。

（5）大坝的第三个主要应力是压应力。在正常蓄水条件下，坝趾的压应力最高，其值为1.91 MPa，在混凝土的抗压强度范围内（9.60 MPa）。综上所述，在大坝的静力分析中，位移值均在正常范围内，没有大的变形发生，最大应力均小于大坝混凝土的最大强度值，因此大坝是安全可靠的。修改最新的设计方案可以满足安全要求。

4  结语

该文提出的基于CAD/CAE和BIM技术的重力坝参数化设计方法被应用于重力坝挡水坝段，并确定了在洪水和正常存储条件下的抗滑稳定性。经过分析，根据得到的位移云图和应力云图，分析判断设计方案是否符合安全要求。在应用此设计方法时，初始设计方法不符合抗滑稳定性和安全性。随着参数设计概念贯穿整个设计，可以修改该设计以完成新的三维实体模型的创建。获得了新的计算结果，并对新的设计方案进行了安全性分析。由上可知，该设计方法满足了重力坝参数化设计要求，提高了工作效率，达到了预期效果。

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