入门案例
1. 案例简介
本案例使用远算大坝仿真设计一体化软件-拱坝仿真设计软件V1.0版本分析某抛物线双曲拱坝位移和应力状态。
本案例旨在帮助用户理解软件参数设置和交互逻辑，大坝形体、材料和计算参数均在合理范围内虚构，因此计算结果不可与工程实际关联解读。
1.1 大坝基本信息
浙江省某水库拦河坝为抛物线型混凝土双曲薄拱坝，坝顶高程449.85m，最大坝高103.85m，坝顶厚5.8m，坝底厚17.49~18.88m，坝顶弧长227.9m，顶拱中心角82.9度，拱冠梁厚高比0.168。坝体共分13个坝段，中间河床为溢流坝段，两岸为非溢流坝段。主要工程特性表如表1所示。
表1 某水电站主要工程特性表
| 名称 | 单位 | 数值 |
|---|---|---|
| 一、水库 | $m$ | |
| 正常蓄水位 | $m$ | 444 |
| 大坝校核洪水位（P=0.2%） | $m$ | 449.78 |
| 大坝设计洪水位（P=2%） | $m$ | 447.29 |
| 发电死水位 | $m$ | 414 |
| 淤积高程 | $m$ | 389.4 |
| 二、拦河坝 | ||
| 型式 | 混凝土双曲拱坝 | |
| 地基特性 | 流纹质熔结凝灰岩 | |
| 坝顶高程 | $m$ | 449.85 |
| 最大坝高 | $m$ | 103.85 |
| 坝顶弧长 | $m$ | 227.9 |
| 拱冠梁厚高比 | 0.168 |
1.2 仿真建模
本案例所涉及的软件功能和步骤如下：
-
几何网格模型搭建
对大坝几何做简化处理，根据设计形体参数表使用三维参数化建模功能创建坝体、坝基和坝肩的几何模型，划分相应坝段和区域。通过控制坝体和坝基最大网格尺寸，利用自适应网格生成算法绘制一阶四面体网格。
-
热固耦合有限元分析
考虑自重、静水压力、泥沙压力、动水压力、地震作用和正常温升，采用热固耦合有限元仿真计算大坝在“地震情况+正常蓄水位”工况下的位移和应力状态，根据NB/T 10870-2021《混凝土拱坝设计规范》（下简称《设计规范》）完成应力分析和控制指标安全校核。
2. 软件操作流程
2.1 参数化建模和网格绘制
-
步骤1：几何绘制
在“几何设置”窗口中，输入如表2所示的各高程水平拱圈形体参数。坝段参数设置为：
- “拱冠梁左岸侧坝段数量”：8
- “拱冠梁右岸侧坝段数量”：5
- “坝段样条曲线插值点数量”：4
点击“生成几何”可查看三维几何模型。
表2 某抛物线双曲拱坝形体参数表
| 高程 ($m$) | $y_c$ ($m$) | $T_c$ ($m$) | $T_l$ ($m$) | $T_r$ ($m$) | $R_l$ ($m$) | $R_r$ ($m$) | $\phi_l$ ($\degree$) | $\phi_r$ ($\degree$) | $\gamma$ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 449.85 | 7.1085 | 5.8000 | 5.8000 | 5.8000 | 125.6975 | 100.8283 | 44.1534 | 38.7134 | 3.0092 |
| 440.00 | 4.1238 | 6.8199 | 7.5232 | 6.8334 | 115.1296 | 94.2228 | 42.6778 | 40.0120 | 3.0092 |
| 430.00 | 1.5800 | 7.8250 | 9.2689 | 8.0387 | 103.9411 | 86.9788 | 42.4725 | 41.1628 | 3.0092 |
| 420.00 | -0.4705 | 8.8174 | 10.9743 | 9.3613 | 92.6740 | 79.4939 | 41.7282 | 42.2269 | 3.0092 |
| 410.00 | -2.0245 | 9.8147 | 12.6024 | 10.7611 | 81.7148 | 72.0703 | 42.0243 | 43.0818 | 3.0092 |
| 400.00 | -3.0787 | 10.8348 | 14.1167 | 12.1979 | 71.4496 | 65.0103 | 41.7170 | 43.7971 | 3.0092 |
| 390.00 | -3.6301 | 11.8953 | 15.4802 | 13.6315 | 62.2651 | 58.6165 | 41.6871 | 43.8628 | 3.0092 |
| 380.00 | -3.6753 | 13.0141 | 16.6562 | 15.0218 | 54.5475 | 53.1910 | 41.5485 | 42.7150 | 3.0092 |
| 370.00 | -3.2111 | 14.2088 | 17.6079 | 16.3287 | 48.6833 | 49.0364 | 38.8583 | 41.0302 | 3.0092 |
| 360.00 | -2.2345 | 15.4973 | 18.2986 | 17.5120 | 45.0589 | 46.4548 | 33.3702 | 37.5852 | 3.0092 |
| 350.00 | -0.7421 | 16.8973 | 18.6914 | 18.5315 | 44.0605 | 45.7488 | 26.1520 | 31.3125 | 3.0092 |
| 346.00 | 0.0000 | 17.4925 | 18.7568 | 18.8844 | 44.4830 | 46.0593 | 16.9488 | 27.6491 | 3.0092 |
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步骤2：网格划分
在“网格设置”选项卡中，根据《设计规范》要求，设置“坝基参数”：
- “拱冠梁上游延拓系数”：1.0
- “两岸拱端下游延拓系数”：2.5
- “两岸建基面以里延拓系数”：1.5
- “河床建基面以下延拓系数”：2.0
同时设置“网格尺寸”为：
- “坝体最大网格尺寸”：10 $m$
- “坝基最大网格尺寸”：50 $m$
点击“生成网格”可查看网格模型。
拱坝网格生成界面及结果
2.2 热固耦合有限元仿真分析
在“分析类型”选项中选择“静力/拟静力分析”，进行热固耦合计算设置。
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步骤1：设置热学和力学材料参数
在“力学材料参数”设置窗口，输入表3所示参数。
在“热学材料参数”设置窗口，输入表4所示参数，并设置所有区域的参考温度为 $T_{ref} = 19.15 \degree C$。
表3 力学材料参数表
| 区域 | 密度($kg/m^3$) | 弹性模量 ($GPa$) | 泊松比 |
|---|---|---|---|
| 坝体 | 2450 | 30 | 0.25 |
| 左岸坝肩 | 2590 | 10 | 0.25 |
| 右岸坝肩 | 2590 | 30 | 0.25 |
表4 热学材料参数表
| 区域 | 导热系数 ($W/m.K$) | 热胀系数 ($K^{-1}$) |
|---|---|---|
| 坝体 | 2.94 | 8.26E-6 |
| 左岸坝肩 | 2.94 | 8.26E-6 |
| 右岸坝肩 | 2.94 | 8.26E-6 |
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步骤2：定义传热计算温度边界
假设拱坝在冬季1月封拱，考虑正常温升工况中年最高气温发生在6月，不考虑对流换热和坝体内部温度场与环境温度之间的延迟相位，在“边界”选项卡中设置：
- “封拱月份”：1月
- “计算月份”：6月
在“气温”选项卡中设置：
- “年平均气温”：20 $\degree C$
- “气温年变幅”：15 $\degree C$
假设大坝位于低纬度地区，则选取“初始相位”为6.5月。
根据水库工程特性表（表1）和大坝形体参数表（表2），计算相关水温参数，并在“水温”选项卡中设置：
- “上游水位”：444 $m$
- “坝前正常水深”：98 $m$
- “水库变化温度层深度”：50 $m$
假设水库为多年调节水库，由于坝前正常水深大于水库变化温度层深度（$H_n > y_0$），设置“太阳辐射温度增量” $\Delta = 1 \degree C$ 修正水温年变幅。
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步骤3：定义荷载
在“静水压力”选项卡中设置“上游水位”$H_{am} = 444m$，与传热计算中水温参数的上游水位保持一致。
在“淤沙压力”选项卡中，根据水库工程特性表（表1），设置：
- “淤沙浮容重”：16 $kN/m^3$
- “淤积厚度”：43 $m$
- “淤沙内摩擦角”：35 $\degree$
最后，“地震”选项卡中设置“水平峰值地震加速度” $a_h = 0.3 m/s^3$
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步骤4：电力规范评价指标设置
在“评价指标”选项卡中，设置“混凝土强度标准值” $f_k = 16.7MPa$，“结构重要性系数”和“设计状况系数”均取值为 $\gamma_0 = \psi = 1.0$。材料和载荷分项系数均保留软件默认值。
此时，软件计算所计算的大坝抗拉和抗压可靠度含义为混凝土强度关于使用各载荷代表值计算得到的最大坝体主拉和主压应力的比值，即结构应力安全裕度。
点击“开始计算”提交计算。
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步骤5：查看计算结果
展开右侧“计算结果”窗口，查看计算结果。“应力评价结果”表格显示抗压和抗拉可靠度系数均低于规范标准阈值1.45和0.55，不满足《设计规范》要求。然而需注意表格中计算值为有限元计算直接结果，未经应力线性化处理和网格无关性验证，计算结果偏保守。
在“物理场”选项切换云图，展示“第一主应力”和“第三主应力”云图，可见除数值原因导致的应力集中外，上游面最大主压拉应力约为$44MPa$，下游面最大主压应力约为$55MPa$。
由位移表格可见，坝体径向和切向位移最大值均发生在坝顶左岸侧坝段，而沉降位移最大值发生在坝体中部高程 $412.8m$处。
第一主应力（主拉应力）结果展示界面
第三主应力（主压应力）结果展示界面