案例1-面板堆石坝静力/拟静力分析入门案例

1.案例简介

本案例使用大坝仿真设计一体化软件-面板堆石坝仿真设计软件，对某面板堆石坝进行三维静力/拟静力分析。通过这一案例，帮助用户熟悉并掌握面板堆石坝仿真设计软件的操作流程和使用方法，对面板堆石坝的有限元分析流程有初步认识。大坝形体、材料和计算参数均为虚构，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

我国中部某水库拦河坝为混凝土面板堆石坝。大坝按100年一遇洪水进行设计。坝底高程90m，坝顶高程为100.0m，坝顶长180m，上、下游坝坡均为1∶0.5。坝顶上游侧设有高1.2m防浪墙，下游侧设有栏杆，高1.0m。坝顶上游设有交通桥，交通桥桥面宽度为5.0m。地震烈度为Ⅶ级。

1.1.1 仿真建模

本案例所涉及的软件功能和步骤如下：

• 网格上传

  导入本地绘制的面板堆石坝网格到面板堆石坝仿真设计软件中，可视化显示四面体网格。

• 静力/拟静力分析

  对面板堆石坝承受静水压力、浪压力和地震载荷的结构状态进行计算，评估大坝的的位移和应力水平。

2. 软件操作流程

2.1 网格上传

• 步骤1：几何绘制

  点击展开“模型设置”。点击“网格设置”，在弹窗中点击“上传网格”，选择本地的网格文件并上传。

  

  面板堆石坝网格示意图

2.2 静力/拟静力分析

分析类型中选择静力/拟静力分析。此时下方菜单栏包含“材料”和“载荷”设置。

• 步骤1：材料 点击“力学材料参数”，右侧会弹出材料参数表格。在右侧表格中按下表修改材料参数。

• 步骤2：载荷

  分别点击各“载荷”右侧的编辑图表，输入数值，具体输入的参数为：

  • 1）静水压力
    • “上游水位”设置为$80m$

  • 2）浪压力
    • “波浪要素计算公式”选择“莆田试验站公式”
    • “风区长度”设置为$3km$
    • “糙率渗透性系数”设置为$1$
    • “计算风速”设置为$4.5m/s$
    • “平均水深”设置为$60m$

  • 3）地震
    • “水平地震峰值加速度”设置为$0.3m/s$

• 步骤3：计算结果

  点击“开始计算”，等待“计算成功”提示。展开页面右侧“计算结果”。

  在“物理场”中,可对“面板”和“坝体”的云图结果进行切换。

  如下图所示的“面板”部位“水平位移”云图,可以看出在大坝迎水面的“静水压力”和“浪压力”的作用下，大坝出现了沿着水流正方向的“位移”变化。其规律是“中间大，两侧小”，这是由于坝的两侧与山体相连，因此压力的作用效果小；“高处大，低处小”，这是由于高处一方面与低处力连接，另一方面受到比低处更多的水压和浪压作用。

  

  面板X向位移结果云图

  如下图所示的“坝体”部位“X法向应力”云图,可以看出在大坝迎水面中下部位的压应力水平最大，这是因为这个位置的“静水压力”和“浪压力”最大。

  

  面板堆石坝X法向应力结果云图

  表格结果中，包含“坝体沉降位移最大值”，“面板最大Von-Mises等效应力”以及对应的坐标位置。如“面板最大Von-Mises等效应力位置坐标”的高程约为92.6m，出现在靠近坝底的位置。