基于BIM技术的水利工程坝体稳定性和应力分析探讨

袁东

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）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

大多數水利水电工程都是在复杂的水文地质条件下设计和建造的，过程漫长、复杂、效率低下。水利工程规模大、投资大、与国民经济密切相关，在建设过程中需要进行多方分析论证，选择最经济合理的方案。大量的计算和重复的任务大大降低了工作效率，水利工程的建设过程非常复杂，涉及的部门和项目参与者众多，各个部分是相互关联的，双方计划的变化会影响其他相关领域，基于文件格式的沟通协调方式可能会导致信息错误、遗漏或未能及时更新，从而会影响进度和整个项目的质量。由于各项目在施工过程中面临复杂的工况，必须通过水利模型试验验证，因此加大了投资，造价越高，建设周期越长[1]。此外，水利工程的独特性和不可重复性也是制约其快速发展的重要因素，现代水利水电行业基础设施建设业务不断扩大，传统的规划、论证、设计、施工方式显然无法满足当前高工作量和缩短水利设计周期的需要。水资源管理从业者希望能找到一种新技术，与传统技术相比，新技术在各方面都有很大的优势，可以解决当前的效率和质量问题，促进水利工程建设的发展。

通过BIM技术获得的模型具有更高的可视化水平，在纹理、性能、位置、复杂的运动关系等方面更容易理解和容纳，设计师的意图和想法可以充分传达给用户，有助于制订好的和合适的设计计划。 BIM 模型可以由参数驱动，并且易于修改。设计人员可以通过修改设计方案中的一些约束参数来实现模型修改。该方法还可以结合结构分析软件进行CAE分析、信息传递和交流，使原设计方案的修改更加准确可靠[2]。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，不仅可以提高工程设计的质量、效率和水平，而且可以大大节省时间和人力物力。工期等工程费用。

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 101.68 m，对应的下游水位为 60 m;正常蓄水位为 100.2 m，对应的下游水位为 60 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f′R=1.3，抗剪断凝聚力c′R=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[3] 。

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下表1所示。

2 参数化建模

为便于计算和减轻计算机计算的负担，在设置重力坝挡土墙截面模型时忽略了破壁系数。在建模过程中，X轴为下游，正为上游到下游，垂直为Y，垂直为正，Z为方向坝轴，正方向为从左岸到右岸[4]。为体现该次设计过程的简单性，修改重力坝设计方法，重力坝挡土墙截面初始模型为坝体局部高度56 m，坝脊宽度7 m，上游坡度为竖向，下游坡度比为1：0.35，坝脊高差13 m，轴厚20 m。坝基基础深度为112 m，从坝基平面垂直向下为坝高的2倍，从坝基上游后端为112 m，為坝高的2倍，从坝脚到下游112 m，是坝高的两倍。通过CATIA 参数化建模技术生成的挡土墙截面的三维实体计算模型如图1 所示。

3 参数化分析

利用第五章已经完成的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，设计状况系数是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[5]。

3.1 坝体稳定分析

首先在检查洪水量的条件下进行计算，将CATIA中建立的3D模型导入到ANSYS的计算模型中。

完成计算模型的系统划分、施加荷载等一系列任务后，进行静力分析，求解完成后，进行坝体安全分析。首先是坝基的抗滑稳定性分析，该文采用抗剪力方程的偏系数极限方程。在ANSYS APDL（参数化设计语言）设置中，创建了一个名为khwd的文件，其中可以输出坝基水平和垂直方向的合力和阻力比系数，根据输出结果判断是否满足防滑稳定性要求[6]。

计算得出的阻力比系数为0.982，小于1，说明不满足防滑稳定性的安全要求。如果要提高坝体的防滑稳定性，可以在设计阶段增加坝体剖面，增加坝体自重来实现，增加防滑稳定性。剖面的放大既可以在大坝上游侧也可以在大坝下游侧进行，该文将下游坡度比从1：0.3改为1：0.75，改变大坝之间的高差。下游断点和大坝坝顶的高差由13减少到8，具有增加坝体断面的效果。修改后的3D模型、导入ANSYS后的计算模型以及加载后的网格和计算模型（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，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

接下来进行应力分析，重新确认此时的设计方案。检查水位情况根据大坝位移云图，可以清楚地看到坝体在静力作用下的位移和应力变化。可以得出以下结论。

（1） 大坝X方向的位移分布从坝底到坝顶逐渐增大，在坝顶达到最大值，并呈现出在坝顶处出现最小位移的趋势。坝趾处则较小。其中，检查洪水位条件下的最大位移为1.899 mm，正常低水位条件下的最大位移为1.436 mm，但两种情况下的最大位移都较小，均在正常范围内。未产生大变形，坝体总体上安全可靠。

（2）坝体总位移向下游倾斜，最大位移在坝顶，位移分布从坝顶向坝底逐渐减小。校核水位工况为3.124 mm，正常低水位工况下最大排量2.947 mm。

（3）根据检查洪水位和正常蓄水情况下的位移云图，施加在大坝上的静荷载是相同的，可见这两种情况下坝体有不同的分布虽然排量相似，但上下游水位不同，所以排量分布的具体数值不同，但数值差别不大。由于洪水位检查中上下游水位情况较高，大坝各位移量的分布值也比较大。

4 结语

该文提出的基于BIM技术的集CAD/CAE一体化的重力坝参数化设计方法应用至某重力坝挡水坝段，对其进行了校核洪水位和正常蓄水位工况下的抗滑稳定分析和应力分析，然后根据得到的位移和应力云图进行分析判断设计方案是否符合安全要求。在该设计方法的应用过程中，出现了初始设计方案不满足抗滑稳定安全的情况，由于参数化设计理念贯穿设计始终，所以只需修改相应的参数就能完成新的三维实体模型的创建并得到新的计算结果，从而对新的设计方案进行安全性分析。以上说明该设计方法实现了重力坝参数化设计的要求，提高了工作效率，达到了预期的效果。

参考文献

[1] 曲芳美.混凝土重力坝裂缝静动力稳定性分析[D].大连：大连理工大学，2020.

[2] 张宗亮，杨宜文，张社荣，等.黄登水电站特高碾压混凝土重力坝BIM技术应用[J].中国水利，2020（13）：66.

[3] 董建.混凝土重力坝设计计算及稳定性分析[D].郑州：郑州大学，2018.

[4] 张文胜，何涛洪，张全意，等. 堆石混凝土重力坝设计创新与应用实践[J].红水河，2020，39（2）：10-14.

[5] 周天鸿，秦根泉，曾一夫，等.混凝土重力坝功能叠合区坝体应力计算方法探析[J].中国水利水电科学研究院学报，2019，17（5）：379-385.

[6] 冯晓臣，沙育林.重力坝应力分析数值模拟[J].科学技术创新，2019（35）：104-105.