基于BIM技術的水利工程壩體穩定性和應力分析探討

袁東

摘? 要：BIM 技術的出現，標志著水利水電行業進入一個新的階段，BIM 技術的應用已經是水利行業發展的必然趨勢。該文基于 BIM 技術，選用 CATIA 軟件作為三維設計平臺以及 ANSYS 軟件作為結構分析平臺，利用兩者之間數據文件接口，在 CATIA 平臺創建重力壩擋水壩段三維參數化模型后導入 ANSYS 平臺進行抗滑穩定和應力分析，并根據模擬計算結果進行設計方案調整直至滿足強度和穩定要求，實現開發出一套基于 BIM技術的集 CAD/CAE 一體化的重力壩參數化設計方法。

關鍵詞：BIM? ?三維? ?CAE? ?重力壩? ?壩體

中圖分類號：TV642.3? ?文獻標識碼：A? ?文章編號：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

大多數水利水電工程都是在復雜的水文地質條件下設計和建造的，過程漫長、復雜、效率低下。水利工程規模大、投資大、與國民經濟密切相關，在建設過程中需要進行多方分析論證，選擇最經濟合理的方案。大量的計算和重復的任務大大降低了工作效率，水利工程的建設過程非常復雜，涉及的部門和項目參與者眾多，各個部分是相互關聯的，雙方計劃的變化會影響其他相關領域，基于文件格式的溝通協調方式可能會導致信息錯誤、遺漏或未能及時更新，從而會影響進度和整個項目的質量。由于各項目在施工過程中面臨復雜的工況，必須通過水利模型試驗驗證，因此加大了投資，造價越高，建設周期越長[1]。此外，水利工程的獨特性和不可重復性也是制約其快速發展的重要因素，現代水利水電行業基礎設施建設業務不斷擴大，傳統的規劃、論證、設計、施工方式顯然無法滿足當前高工作量和縮短水利設計周期的需要。水資源管理從業者希望能找到一種新技術，與傳統技術相比，新技術在各方面都有很大的優勢，可以解決當前的效率和質量問題，促進水利工程建設的發展。

通過BIM技術獲得的模型具有更高的可視化水平，在紋理、性能、位置、復雜的運動關系等方面更容易理解和容納，設計師的意圖和想法可以充分傳達給用戶，有助于制訂好的和合適的設計計劃。 BIM 模型可以由參數驅動，并且易于修改。設計人員可以通過修改設計方案中的一些約束參數來實現模型修改。該方法還可以結合結構分析軟件進行CAE分析、信息傳遞和交流，使原設計方案的修改更加準確可靠[2]。因此，將BIM技術應用到水利工程設計中，與以往的二維設計相比，不僅可以提高工程設計的質量、效率和水平，而且可以大大節省時間和人力物力。工期等工程費用。

1 工程概況

某水庫是一座多功能的綜合性水利樞紐。其擋水壩為重力壩，壩高 56 m，建基面高程為 48 m，壩頂高程為104 m，其壩段壩頂長為20 m，壩頂寬度為7 m。校核洪水位為 101.68 m，對應的下游水位為 60 m;正常蓄水位為 100.2 m，對應的下游水位為 60 m。壩體混凝土的彈性模量E=30 GPa，泊松比μ=0.167，容重γ=24 KN/m3;基巖的彈性模量 E=20 GPa，泊松比μ=0.28，容重γ=26 KN/m3。根據工程地質資料參考規范，抗剪斷摩擦系數f′R=1.3，抗剪斷凝聚力c′R=1.3？103 N/m。壩體混凝土采用的是 C20 混凝土，其抗壓強度設計值為 9.60 MPa ，抗拉強度設計值為1.10 MPa[3] 。

根據上述工程資料，初步擬定壩體擋水壩段各參數數值并在 CATIA 平臺下創建參數化模型，確定計算工況（正常蓄水位、校核洪水位兩種工況），利用 ANSYS 進行穩定和應力分析，并根據計算結果進行安全性評價。計算工況與荷載組合如下表1所示。

2 參數化建模

為便于計算和減輕計算機計算的負擔，在設置重力壩擋土墻截面模型時忽略了破壁系數。在建模過程中，X軸為下游，正為上游到下游，垂直為Y，垂直為正，Z為方向壩軸，正方向為從左岸到右岸[4]。為體現該次設計過程的簡單性，修改重力壩設計方法，重力壩擋土墻截面初始模型為壩體局部高度56 m，壩脊寬度7 m，上游坡度為豎向，下游坡度比為1：0.35，壩脊高差13 m，軸厚20 m。壩基基礎深度為112 m，從壩基平面垂直向下為壩高的2倍，從壩基上游后端為112 m，為壩高的2倍，從壩腳到下游112 m，是壩高的兩倍。通過CATIA 參數化建模技術生成的擋土墻截面的三維實體計算模型如圖1 所示。

3 參數化分析

利用第五章已經完成的擋水壩段參數化分析程序，根據材料定義壩體和基巖的材料參數，結構系數γd取抗滑穩定計算的1.5，結構重要性系數γ0取Ⅱ級建筑物的1.0，設計狀況系數是φ根據工況進行選擇，校核洪水位選擇0.85，正常蓄水位選擇1.0，最后不同工況選擇不同的上下游水位即可讀取APDL文件進行重力壩擋水壩段的有限元分析[5]。

3.1 壩體穩定分析

首先在檢查洪水量的條件下進行計算，將CATIA中建立的3D模型導入到ANSYS的計算模型中。

完成計算模型的系統劃分、施加荷載等一系列任務后，進行靜力分析，求解完成后，進行壩體安全分析。首先是壩基的抗滑穩定性分析，該文采用抗剪力方程的偏系數極限方程。在ANSYS APDL（參數化設計語言）設置中，創建了一個名為khwd的文件，其中可以輸出壩基水平和垂直方向的合力和阻力比系數，根據輸出結果判斷是否滿足防滑穩定性要求[6]。

計算得出的阻力比系數為0.982，小于1，說明不滿足防滑穩定性的安全要求。如果要提高壩體的防滑穩定性，可以在設計階段增加壩體剖面，增加壩體自重來實現，增加防滑穩定性。剖面的放大既可以在大壩上游側也可以在大壩下游側進行，該文將下游坡度比從1：0.3改為1：0.75，改變大壩之間的高差。下游斷點和大壩壩頂的高差由13減少到8，具有增加壩體斷面的效果。修改后的3D模型、導入ANSYS后的計算模型以及加載后的網格和計算模型（見圖2）。

求解之后校核洪水位情況下的抗滑穩定分析結果為：抗力作用系數為1.710，大于1，說明此時的設計方案滿足抗滑穩定要求。同理，正常蓄水位情況下求解后的抗滑穩定結果為：抗力作用比系數分別為1.503，都大于1，滿足抗滑穩定要求。

3.2 壩體應力分析

接下來進行應力分析，重新確認此時的設計方案。檢查水位情況根據大壩位移云圖，可以清楚地看到壩體在靜力作用下的位移和應力變化。可以得出以下結論。

（1） 大壩X方向的位移分布從壩底到壩頂逐漸增大，在壩頂達到最大值，并呈現出在壩頂處出現最小位移的趨勢。壩趾處則較小。其中，檢查洪水位條件下的最大位移為1.899 mm，正常低水位條件下的最大位移為1.436 mm，但兩種情況下的最大位移都較小，均在正常范圍內。未產生大變形，壩體總體上安全可靠。

（2）壩體總位移向下游傾斜，最大位移在壩頂，位移分布從壩頂向壩底逐漸減小。校核水位工況為3.124 mm，正常低水位工況下最大排量2.947 mm。

（3）根據檢查洪水位和正常蓄水情況下的位移云圖，施加在大壩上的靜荷載是相同的，可見這兩種情況下壩體有不同的分布雖然排量相似，但上下游水位不同，所以排量分布的具體數值不同，但數值差別不大。由于洪水位檢查中上下游水位情況較高，大壩各位移量的分布值也比較大。

4 結語

該文提出的基于BIM技術的集CAD/CAE一體化的重力壩參數化設計方法應用至某重力壩擋水壩段，對其進行了校核洪水位和正常蓄水位工況下的抗滑穩定分析和應力分析，然后根據得到的位移和應力云圖進行分析判斷設計方案是否符合安全要求。在該設計方法的應用過程中，出現了初始設計方案不滿足抗滑穩定安全的情況，由于參數化設計理念貫穿設計始終，所以只需修改相應的參數就能完成新的三維實體模型的創建并得到新的計算結果，從而對新的設計方案進行安全性分析。以上說明該設計方法實現了重力壩參數化設計的要求，提高了工作效率，達到了預期的效果。

參考文獻

[1] 曲芳美.混凝土重力壩裂縫靜動力穩定性分析[D].大連：大連理工大學，2020.

[2] 張宗亮，楊宜文，張社榮，等.黃登水電站特高碾壓混凝土重力壩BIM技術應用[J].中國水利，2020（13）：66.

[3] 董建.混凝土重力壩設計計算及穩定性分析[D].鄭州：鄭州大學，2018.

[4] 張文勝，何濤洪，張全意，等. 堆石混凝土重力壩設計創新與應用實踐[J].紅水河，2020，39（2）：10-14.

[5] 周天鴻，秦根泉，曾一夫，等.混凝土重力壩功能疊合區壩體應力計算方法探析[J].中國水利水電科學研究院學報，2019，17（5）：379-385.

[6] 馮曉臣，沙育林.重力壩應力分析數值模擬[J].科學技術創新，2019（35）：104-105.