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]。朱權潔等[7]通過包括3DMINE、GOCAD、RHIRO和FLAC3D在內的7款軟件進行聯(lián)合建模，結果表明，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)合在復雜三維地質體建模研究較為充分，但對具有復雜地質條件和拱結構的拱壩三維數(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菜單將曲面網格轉化為順序排列的*dat文件坐標點，設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體模型，建立拱壩模型并完成地質體和拱壩模型的組裝，并根據(jù)地質信息資料，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，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。

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，即八結點等參單元。壩體采用Solid65單元，即八結點混凝土單元。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)測資料以及原設計溫度取值，確定本次計算溫度取值如表2所示。計算假設作用于壩肩滑塊側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，淤沙內摩擦角φs=0°。

4 計算結果與分析

分別對正常蓄水位150.00 m、百年設計洪水位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力平衡分載法計算結果進行對比。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力平衡分載法計算結果可以看出，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果是可靠的。有限單元法計算拱壩所得的應力比內力平衡分載法計算結果大，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、復雜的地質構造及傳力墻分布情況，而內力平衡分載法無法考慮。

5 結 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、快速的構建，并通過構建的拱壩三維數(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)構建的三維有限元模型計算結果與內力平衡分載法變化規(guī)律基本一致，驗證了該模型計算結果的可靠性。