水利工程中MIDAS计算软件的应用

摘 要：在智能水利快速发展的背景下，在水利工程中合理运用计算机分析软件则成为提升项目管理能力的重要组成部分。在本次研究中，本文将立足于MIDAS计算软件，从多个维度入手阐述了MIDAS计算软件的应用方案。从案例项目的应用结果发现，在水利工程中运用MIDAS计算软件可以更深入地了解水利工程项目信息，帮助相关部门进行质量管理，这对于保障水利工程安全的意义重大。

关键词：水利工程；AIDAS计算软件；泄流孔；拱槽

水利工程项目普遍具有工程量大、施工周期长的特征，导致工程项目在施工建设中可能面临更多的质量、安全风险，这对于水利工程项目的长期运行是不利的。因此在信息技术快速发展的背景下，相关学者提出了运用计算机分析软件来评估水利工程项目性能的方法，通过建立仿真模型进行数据处理，可以更直观地评价水利工程现状并分析其中存在的质量问题，具有可行性。其中MIDAS计算软件因为具有很强的适应性与数据处理能力成为当前水利工程质量评估的关键技术，值得关注。

1 MIDAS计算软件分析

MIDAS计算软件又被称为迈达斯软件，是基于结构设计有限元分析的数据处理软件，在桥梁领域具有广阔的应用前景。作为一种功能齐全的处理软件，在水利工程项目中可以完成非线性边界分析、水化热分析、材料非线性分析、静力弹塑性分析、动力弹塑性分析，可以完成高端非线性分析与细部分析，并且该软件的操作难度低、上手速度快，这也为该软件的进一步推广奠定了基础［1］。

在水利工程项目中，MIDAS软件的优势主要集中在以下內容：（1）MIDAS软件可以通过构建三维模型的方法仿真水利工程项目的结构信息，根据软件仿真结果可以发现水利工程结构中的缺陷，帮助相关人员改进水利工程不足［2］。（2）MIDAS软件可以提供多个应用场景，因此该软件可以用于不同水利工程处理，模拟水利工程不同工况下的状态，充分满足工作人员操作的要求［3］。

2 MIDAS计算软件在泄漏孔加固结构设计中的应用

2.1 项目背景

近几年某地区的防洪形势严峻，现有水闸的最大工作流量达到了260m3/s，并且水闸前存在严重的泥沙淤积问题，严重影响了水工建筑物的性能。根据对该水闸的相关调查结果发现，因为该水闸的建成时间长，再加之上游地区存在大量泥沙淤积问题，导致河口水闸水流紊动，具有泄漏孔存在险情，严重影响了该水闸的功能，所以需要对泄流闸孔做加固改造。并且设计人员通过研究发现，水闸泄流孔与闸门在静载作用下可能会出现明显的变形，这对于保证结构稳定性是不利的，需要对结构进行优化。

而相关部门在对现场进行调查后，发现闸孔中渗流场活跃，设计水位工况下浸润线高度处于孔侧壁位置，在静载作用下会导致水闸泄流孔出现严重的拉应力特征，这一情况会直接影响结构稳定性。所以为了解决该问题，相关部门决定利用MIDAS计算软件做进一步处理。

2.2 软件模型仿真

为了更直观显示水利工程项目的相关信息，在MIDAS计算软件上建立了泄流孔加固后的有限元模型［4］。该模型中包括约12.6万个微单元，模型底部采用了多向约束的方法，顶部为单向约束方法，模型中各个部分的物理力学均根据现场实测值计算。在该模型中，X轴为顺水流量，Y轴为闸室垂直向上；Z轴为水流横向右岸。在该模型的基础上，可以完成钢结构横截面的结构设计与参数优化。

2.3 设计参数优化方案

在该项目中为了更深入地判断钢结构横梁结构设计对水利工程性能的影响，工作人员在MIDAS计算软件中进行仿真，在确保横梁高度小于等于跨距1/4的参数标准下，分别设置了不同横梁高度设计方案（在软件模拟中，分别设置横梁高度为1.0m、1.1m、1.2m、1.3m、1.4m、1.5m），在其他数据保持不变的情况下，在软件中开始模拟下泄流闸中多个关键部位所产生的应力变化情况。

2.3.1 不同钢结构横梁高度的拉、压应力特征模拟

2.3.1.1 拉应力结果

在MIDAS计算软件的支持下，该项目在软件上模拟不同方案的应力变化，最终获得了不同横梁高度下的最大拉应力变化情况。根据MIDAS计算软件的模拟结果可知，当横梁高度为1.0m时，纵梁的最大拉应力达到了38MPa，孔壁的拉应力达到了3.3MPa；而随着横梁高度的增加，上述两个部位的拉应力不断下降，当横梁高度达到15m时，总量最大压应力下降至2.7MPa，孔壁的最大压应力下降至2.2MPa。相比之下，当横梁高度从1.0m演变至1.5m时，水闸所承受的最大拉应力无明显变化，相关资料如图1所示。

根据图1所介绍的信息可以发现，在三个关键部位中，纵梁所承受的压应力最大，闸门所承受的拉应力最小。根据MIDAS计算软件模拟的相关资料可知，通过改变横梁截面体形会改变水工建筑物的结构受力情况，其中结构张拉危险面主要集中在纵梁上。因此根据这一结果可以认为，在未来结构设计中应重点关注横纵梁体稳定性。

同时根据本次的相关结果可知，通过比较不同横梁高度参数设计方案中的最大应力变化，随着横梁高度减少会导致孔壁与横梁的最大压应力下降，其中随着高度的下降，压应力的降幅约为30%～38%，在进一步分析其中的数据变化趋势后可以发现，横梁高度在1.0～1.3的区间内具有更明显的张拉抑制效应，对于控制结构建造成本的意义重大。并且因为闸门所承受的最大压应力变化不明显，从方案性能的角度来看，当横梁高度为1.3m时，闸门、泄流孔壁与纵梁的最大压应力处在安全区间内，并且该结构对于抑制泄流闸张拉的作用满意。

2.3.1.2 应力特征研究

通过计算不同方案中关键部位的最大压应力变化，本文在MIDAS计算软件中进行模拟，此时根据计算结果可以发现，在该结构中压应力最大部位是孔壁，其中当横梁高度达到1.1m时，孔壁所承受的压应力值达到了12.5MPa，而在相同的高度下，闸门的压应力约下降62.0%，纵梁的压应力约下降21.8%。从整体数据来看，在不同设计方案中孔壁压应力与闸门、纵梁等部位存在较大的差值，其中最高值达到了41.5%。同时根据MIDAS计算软件的模拟结果也发现，随着横梁高度的增加会导致孔壁、纵梁的最大压应力变化，二者之间呈现出正相关关系。所以从结构优化的角度来看，在案例水利工程项目设计中，横梁高度为1.3m时结构的拉应力水平较为理想，是一种较为理想的设计方案。

2.3.2 钢结构横梁宽度对拉、压应力的影响

在该项目中在上文背景的基础上，工作人员通过MIDAS计算软件来判断不同横梁宽度对拉应力与压应力的影响。

2.3.2.1 拉应力变化

根据MIDAS计算软件的仿真结果，本文统计了相同工况下不同部位的拉应力变化情况，详细的数据资料如图2所示。

根据图2的统计结果可以发现，随着横梁宽度的变化，纵梁、孔壁与闸门的数据变化趋势基本相同，表现出“先减少后增加”的数据波动情况，这一结果提示随着横梁宽度的变化，会对水利工程项目性能产生直接影响，横梁宽度已经成为不容忽视的问题。以纵梁为例，当横梁的宽度达到1.0m时，纵梁的最大压应力数值达到了2.7MPa，但是当横梁的宽度提升至1.2m时，压应力的降幅约为43%；但是随着横梁宽度的增加，当其宽度值为1.3m、15m时，与1.2m相比数据相比增幅约为13%与52%。根据图2的数据可知，在MIDAS软件仿真中发现三个部位的最小拉应力值均为1.2m。所以根据这一结果可以认为，当横梁宽度在1.0～1.2m的区间时，应力降幅较为明显，对结构张拉的抑制作用更明显，因此最终结果显示当横梁宽度达到1.2m时，结构的抗拉效果最理想。

2.3.2.2 压应力变化情况

根据软件模拟结果可知，横梁宽度会直接影响不同部位的最大压应力数值，而根据其中的数据变化可以发现，横梁宽度与纵梁、孔壁以及闸门之间存在二次函数关系，其中当宽度达到1.2m时各个部位所产生的压应力达到最大值，其中闸门拉应力为8.3MPa，泄流孔的压应力为142MPa，纵梁为11.2MPa。并且在1.0～1.2m的区间中，随着宽度的增加压应力的增幅越大，与1.0m相比，三个指标的数据增幅均值超过20%。而当宽度大于1.2m之后，压应力明显下降，其中在1.2～1.5m的数据区间中，压应力的平均降幅约为15%。所以根据这一组数据变化情况可以发现，当横梁的宽度达到1.2m时，水利工程结构的抗拉性能最满意。

2.4 效果评价

根据案例工程项目的经验，在该水利工程项目中通过MIDAS计算软件可以模拟不同横梁宽度与横梁高度对水工建筑物结构稳定性的影响，最终根据MIDAS计算软件的仿真可以发现，当横梁宽度为1.2m、横梁高度为1.3m时结构稳定性最好，因此根据这一组数据可以认为，通过MIDAS计算软件可以用于指导泄漏孔加固结构设计，就有可行性。

3 MIDAS计算软件在拱槽设计中的应用

3.1 项目背景

某水库是一座集农业灌溉、生活供水等于一体的综合性水利工程项目，工程项目多年的平均供水量达到了2200万立方米。为满足周边地区农业生产以及生活的要求，在该水利工程设计中决定新增一座拱槽，设计流量为25m3/s，加大流量约为3.1m3/s。而为了分析该拱槽结构的合理性，该项目中相关人员通过MIDAS计算软件来判断不同工况下水工建筑物的荷载变化情况。

在本次工程中分别设定了两个工况，其中工况一为：恒载＋水压力＋人群荷载＋风荷载＋温度升降＋土压力＋混凝土收缩。工况二为：恒载＋地震荷载。

在上述两种工况的基础上，确定案例工程项目的荷载工况，基本资料包括：（1）项目恒载设定中，拱肋、排架、系梁与基础钢筋混凝土的容重按照25kN/m3的标准值进行

计算。（2）渡槽槽身结构作用力计算中，可根据槽深计算

结果反力施加在排架盖梁支座位置。同时针对拱肋等结构，还需要考虑横向风荷载对结构稳定性的影响。（3）温度变化环境设定中，设定的温度变化为整体降温20℃与整体升温25℃。（4）计算拱座背土压力時需要记录水平压力强度。（5）地震荷载参数计算中，设定地震动峰值加速度为0.1g，通过反应谱法计算出代表值为2.25，地震作用效应折减系数为0.35。

3.2 模型的构建与计算

该项目中利用MIDAS计算软件构建了拱槽模型，之后分别针对两个工况展开验算，最终的验算结果如表1所示。

同时在两种工况下，力与弯矩平衡的数据存在一定的差异，其相关数据如表2所示。

3.3 效果评价

从表1、表2的相关数据进行分析后，判断拱槽结构的稳定性，根据其中的相关数据可以发现结构稳定性等关键指标符合稳定性要求，在荷载作用下可以避免水工建筑物出现严重的结构变形，提示结构的刚度良好，其性能满足设计要求［5］。

结语

在水利工程中运用MIDAS计算软件可以提升工程项目效果，根据本文对不同案例的研究发现，在MIDAS计算软件运用之后，该技术可以模拟不同工况的结构信息，并判断水工建筑物的受力情况，对于指导水利工程项目结构设计与施工的意义重大，因此相关人员应该深入了解MIDAS计算软件的技术优势与操作方法，通过该软件不断改进水利工程项目的管理办法，最终为切实保障水利工程施工顺利进行奠定基础。

参考文献：

［1］白崇宇.基于Midas的抽水蓄能电站水库边坡稳定性分析［J］.水利技术监督，2022（08）：7073+129.

［2］宁博，崔冬.基于MIDAS GTS NX的泵站站身结构仿真分析及应用［J］.水利规划与设计，2022（06）：112119.

［3］朱熙，陈虹旭，唐志波.MIDAS Civil在穆家沟水库鲫江河渡槽受力计算中的应用［J］.陕西水利，2021（12）：1012+18.

［4］施得兵，李宁，焦婷丽.碾盘山水利枢纽泄水闸泄流能力模型试验研究［J］.水电与新能源，2021，35（2）：1516，71.

［5］王登贇，孟凡淇.基于MIDAS GTS NX的钢坝闸埋件与土建结构连接应力分析［J］.水利技术监督，2021（09）：4648.

作者简介：谭政（1989— ），男，汉族，湖北荆州人，硕士，中级工程师，从事水工结构设计工作。