陳為雄,周旭云,何帥磊
(1.中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,云南 昆明 650000;2.中國(guó)水利電力對(duì)外有限公司,北京 100120)
黃登水電站工程建設(shè)在地質(zhì)條件復(fù)雜和地震頻繁發(fā)生的區(qū)域。該區(qū)域除了覆蓋層、巖層、斷層等不同尺度地質(zhì)構(gòu)造,還分布有數(shù)量巨大的巖體裂隙,直接影響水電工程的基礎(chǔ)安全與抵抗地震災(zāi)害的能力,因此在水電工程地質(zhì)分析中,必須同時(shí)考慮全尺度三維地質(zhì)構(gòu)造和不同水工建筑物的分布情況。由于地質(zhì)構(gòu)造在形成與發(fā)展過(guò)程中受到多種地質(zhì)作用的影響,其位置與幾何形態(tài)、屬性、空間關(guān)系十分復(fù)雜,而且由于現(xiàn)階段地質(zhì)勘測(cè)技術(shù)的限制和水工建筑物空間布置的離散化,給水電工程大規(guī)模精細(xì)化全尺度建模帶來(lái)了挑戰(zhàn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和工程設(shè)計(jì)水平的提高,三維大規(guī)模精細(xì)化全尺度建模技術(shù)已成為水電工程數(shù)值仿真中迫切需要攻破的難題。
黃登水電工程建設(shè)在地質(zhì)條件復(fù)雜和地震頻繁發(fā)生的區(qū)域,若僅僅采用CAE技術(shù)無(wú)法合理的分析登水電站工程建設(shè)中所面臨問(wèn)題,因此有必要采用逆向工程技術(shù)實(shí)現(xiàn)基于BIM/CAE集成分析?;谀嫦蚬こ碳夹g(shù),實(shí)現(xiàn)GIS三維精細(xì)化地質(zhì)模型的實(shí)體化,在此基礎(chǔ)上應(yīng)用專(zhuān)業(yè)參數(shù)化精細(xì)建模軟件進(jìn)行三維設(shè)計(jì),再通過(guò)BIM/CAE平臺(tái)進(jìn)行直觀的分析評(píng)價(jià)。
(1)充分利用已有地質(zhì)勘探和試驗(yàn)分析資料,應(yīng)用GIS技術(shù)初步建立黃登水電站建設(shè)區(qū)域三維地質(zhì)模型和水工建筑物模型,如圖1所示。同時(shí),研發(fā)地質(zhì)信息三維可視化建模與分析系統(tǒng),根據(jù)BIM平臺(tái)實(shí)時(shí)獲取地質(zhì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù),快速修正地質(zhì)三維統(tǒng)一模型。
圖1 黃登水電站建設(shè)區(qū)域三維地質(zhì)模型和水工建筑物模型
(2)BIM/CAE集成“橋”技術(shù)。BIM/CAE “橋”技術(shù)是指依托BIM平臺(tái)實(shí)時(shí)信息高效準(zhǔn)確的導(dǎo)入CAD平臺(tái)完成幾何參數(shù)化建模,將連續(xù)、復(fù)雜、非規(guī)則的三維統(tǒng)一模型通過(guò)NURBS理論方法轉(zhuǎn)換為離散、規(guī)則的數(shù)值模型,最后輸出指定CAE求解器的標(biāo)準(zhǔn)文件格式。在BIM/CAE集成分析技術(shù)中增加一個(gè)“橋”平臺(tái),專(zhuān)職數(shù)據(jù)的傳遞和轉(zhuǎn)換,在解放BIM/CAE的同時(shí),改以往混亂局面為分工明確的模塊集成系統(tǒng)?!皹颉逼脚_(tái)選擇Altair公司的Hypermesh軟件,采用Macros及TCL/TK開(kāi)發(fā)語(yǔ)言,實(shí)現(xiàn)了與BIM/CAE平臺(tái)間的數(shù)據(jù)通信及全尺度精細(xì)化模型的幾何重構(gòu)和網(wǎng)格生成。
(3)基于“橋”技術(shù)的網(wǎng)格模型,對(duì)黃登水電站大規(guī)模全尺度精細(xì)化模型進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的數(shù)值分析,依托BIM/CAE集成分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)值結(jié)果的快速比選評(píng)價(jià),結(jié)合黃登水電站建設(shè)中的實(shí)際情況給出優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果,極大簡(jiǎn)化了數(shù)值分析的復(fù)雜性。
多要素耦合的數(shù)值分析技術(shù)不僅需要考慮三維大規(guī)模全尺度精細(xì)化模型的建立,而且也要考慮復(fù)雜模型中材料參數(shù)的離散化。三維大規(guī)模全尺度精細(xì)化模型中地形范圍為上游范圍截取為5倍壩高;下游范圍截取為3倍壩高;左岸范圍截取為2倍壩高;右岸范圍截取為3倍壩高,所截取范圍既能夠精確地建立全尺度模型,又能夠準(zhǔn)確地模擬黃登水電工程中材料參數(shù)的復(fù)雜性。
黃登重力壩壩基部位巖性為變質(zhì)火山角礫巖、變質(zhì)火山細(xì)礫巖夾變質(zhì)凝灰?guī)r,變質(zhì)火山角礫巖、變質(zhì)火山細(xì)礫巖為堅(jiān)硬巖,變質(zhì)凝灰?guī)r為中等堅(jiān)硬-堅(jiān)硬巖。影響壩基抗滑穩(wěn)定和變形穩(wěn)定的主要因素為壩基部位巖性、風(fēng)化和卸荷程度、巖體結(jié)構(gòu)類(lèi)型、結(jié)構(gòu)面特性、地下水活動(dòng)性及變質(zhì)凝灰?guī)r夾層的性狀等。
根據(jù)基本資料,各壩段壩基基本地質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。壩體材料的參數(shù)根據(jù)中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司所提供的文件《黃登(新體型)基本資料》中壩體混凝土材料力學(xué)參數(shù)選取,見(jiàn)表2。
表1 各壩段壩基基本地質(zhì)參數(shù)
表2 壩體分區(qū)混凝土力學(xué)參數(shù)指標(biāo)
三維大規(guī)模全尺度精細(xì)化模型在剖分網(wǎng)格后,由于單元尺寸的非一致效應(yīng),往往會(huì)影響數(shù)值分析結(jié)果的精確性,這就要求對(duì)模型進(jìn)行局部精細(xì)化網(wǎng)格加密。
采用Hypermesh中自帶的TCL/TK腳本語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)六面體網(wǎng)格過(guò)度加密技術(shù),依托該技術(shù)對(duì)黃登水電工程中關(guān)鍵部位進(jìn)行局部精細(xì)化網(wǎng)格加密,自由度達(dá)到億級(jí),使其結(jié)果逼近于真實(shí)。
基于BIM/CAE集成分析技術(shù)所建立的三維全尺度精細(xì)化模型由于單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大,自由度達(dá)到億級(jí),普通工作站上難以支撐其運(yùn)行,只能依托超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行全尺度數(shù)值分析。通過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)“并行”計(jì)算技術(shù)結(jié)合BIM/CAE集成分析平臺(tái),實(shí)現(xiàn)黃登水電工程三維全尺度精細(xì)化數(shù)值分析。本次采用的超級(jí)計(jì)算機(jī)為位于天津市國(guó)家計(jì)算機(jī)中心的“天河一號(hào)A”超級(jí)計(jì)算機(jī)。本次分析中為避免非人為因素的計(jì)算中斷,采用跳躍式保留關(guān)鍵文件,一旦中斷即可通過(guò)“restart”技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)間斷分析,本次分析共耗時(shí)720h。
圖2—5分別為重力壩整體大規(guī)模精細(xì)化全尺度CAD模型、重力壩整體大規(guī)模精細(xì)化全尺度CAE離散模型、重力壩壩基大規(guī)模精細(xì)化全尺度離散模型、重力壩壩體大規(guī)模精細(xì)化全尺度離散模型。有限元模型信息見(jiàn)表3。
圖2 重力壩整體三維CAD實(shí)體模型
圖3 重力壩精細(xì)化全尺度CAE離散模型
圖4 重力壩基巖局部放大精細(xì)離散模型
圖5 重力壩壩體放大精細(xì)離散模型
基于ABAQUS的重力壩整體三維有限元線彈性靜力分析結(jié)果如圖6—7所示。
圖6 整體壩段σ1云圖
圖7 整體壩段σ3云圖
以10號(hào)壩段動(dòng)力分析為例,應(yīng)用結(jié)果如圖8—10所示。
圖8 設(shè)計(jì)規(guī)范波作用下溢流壩段壩段破壞對(duì)比圖
圖9 麗江波作用下溢流壩段壩段破壞對(duì)比圖
圖10 遷安波作用下溢流壩段壩段破壞對(duì)比圖
以整體壩群為例,應(yīng)用的效果如圖11—14所示。
圖11 不同超載倍數(shù)時(shí)下游面損傷因子分布圖
圖12 不同超載倍數(shù)時(shí)上游面損傷因子分布圖
圖13 下游面損傷因子分布圖
圖14 上游面損傷因子分布圖
對(duì)比工況1和工況5、工況5和工況6。比較工況1和工況5可觀察到混凝土抗拉強(qiáng)度按照規(guī)范規(guī)定的1.2倍提高后,對(duì)大壩地震損傷的影響。對(duì)比工況5和工況6可分析大壩橫縫的存在對(duì)壩體地震損傷的影響?;炷量估瓘?qiáng)度按照動(dòng)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)提高以后,壩體抗裂能力得到提高,由各壩段的損傷情況對(duì)比可見(jiàn),損傷區(qū)域明顯減小,損傷程度得到顯著緩解。壩段間橫縫的存在一定程度上起到釋放約束的作用,強(qiáng)震作用下,各壩段的地震響應(yīng)可以不受相鄰壩段的牽制,因此能有效緩解壩體的應(yīng)力狀況。從損傷區(qū)分布對(duì)比可以明顯看到,如果不考慮橫縫的作用,壩體中上部損傷會(huì)比較嚴(yán)重。尤其是大壩下游面中上部區(qū)域,由于閘墩、導(dǎo)墻等結(jié)構(gòu)剛度較弱,發(fā)生震損的風(fēng)險(xiǎn)較大。必須采取相應(yīng)的抗震加固措施,提高抗震安全度。
三維精細(xì)化全尺度模型不僅能夠精細(xì)化的模擬三維黃登空間精細(xì)構(gòu)造,而且能夠精確的用于黃登水電站數(shù)值模擬。
基于BIM的大規(guī)模精細(xì)化全尺度數(shù)值模擬分析方法,分別針對(duì)不同壩段和三維實(shí)體工程進(jìn)行了大規(guī)模精細(xì)化全尺寸建模,該模型不僅能夠適用于傳統(tǒng)的有限元分析,而且能夠用于空間域中的壩體優(yōu)化和時(shí)域中的動(dòng)態(tài)參數(shù)安全評(píng)價(jià)?;贐IM的大規(guī)模精細(xì)化全尺度數(shù)值模擬分析方法,研究了黃登水電工程大范圍區(qū)域在一致動(dòng)力荷載作用下三維壩體損傷斷裂機(jī)理。同時(shí),結(jié)合大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)了壩體在極端動(dòng)力荷載作用下的安全性。