一种基于数值模拟的重力坝体优化设计的方法技术

本发明专利技术涉及水利工程技术领域，公开了一种基于数值模拟的重力坝体优化设计的方法，通过优化设计将重力坝背水面的坝体表面设计成内缩台阶式，并通过数值模拟法和刚体极限平衡法对内缩台阶式重力坝体的安全性能进行校核，具体的校核过程包括以下步骤：S1：采用ABAQUS软件建立数值模拟有限元模型；S2：采用ABAQUS软件自动创建一个初始分析步：S3：分析数据模拟的结果；S4：通过刚体极限平衡法计算内缩台阶式重力坝的抗滑稳定安全系数。本发明专利技术的技术方案能够降低施工的安全隐患、施工难度以及施工成本，同时，缩短了施工周期，改善了坝体表面的浇筑质量。浇筑质量。浇筑质量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数值模拟的重力坝体优化设计的方法


[0001]本专利技术涉及水利工程
，具体涉及一种基于数值模拟的重力坝体优化设计的方法。

技术介绍

[0002]重力坝是一种常见的水利工程大坝类型，其主要由混凝土等材料构建而成。重力坝的构造原理是依靠坝体自身的重量来抵抗上游水压力及其它外荷载并保持稳定。由于重力坝具有结构强度高、安全可靠、密封性好、建造成本低、施工周期短、坝体寿命长、防洪和蓄水能力强、易于维护和管理等优点，而被广泛的应用于各类水利工程，比如三峡大坝、丹江口水库大坝、宜昌葛洲坝、巴西的伊泰普工程的大坝、瑞士的大迪克桑斯大坝等。
[0003]现有的重力坝背水面的坝体表面通常采用斜坡式，斜坡式重力坝存在以下缺点：1.斜坡面需采用背架式高强模板、预留上一仓模板作支撑母模板、模板加固作业人员身体处于倾斜状态作业，存在安全隐患；2.支模难度的增大，会大幅度增大施工成本，同时，会延长施工周期；3.斜坡面浇筑容易发生混凝土蜂窝麻面、脱空等外观质量病害；因此，为了克服斜坡式重力坝的缺陷，需要通过数值模拟对重力坝体的结构进行优化设计。

技术实现思路

[0004]本专利技术意在提供一种基于数值模拟的重力坝体优化设计的方法，通过对重力坝的结构进行优化，达到了降低施工的安全隐患、施工难度以及施工成本的目的，同时，也能缩短施工周期，改善坝体表面的浇筑质量。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于数值模拟的重力坝体优化设计的方法,通过优化设计将重力坝背水面的坝体表面设计成内缩台阶式，且内缩台阶式重力坝的阳角连线与原有的斜坡式重力坝的斜坡面保持一致，并通过数值模拟法和刚体极限平衡法对内缩台阶式重力坝体的安全性能进行校核，具体的校核过程包括以下步骤：
[0006]S1：采用ABAQUS软件建立数值模拟有限元模型；
[0007]S2：采用ABAQUS软件自动创建一个初始分析步：
[0008]第一步，确定施加边界的条件；
[0009]第二步，创建荷载分析步，根据《混凝土重力坝设计规范》确定用于施加的荷载；
[0010]S3：分析数据模拟的结果；
[0011]S4：通过刚体极限平衡法计算内缩台阶式重力坝的抗滑稳定安全系数。
[0012]本方案的有益效果为：通过优化设计将重力坝背水面的坝体表面设计成内缩台阶式，内缩台阶式重力坝的优势有以下几个方面：
[0013]1.工期方面：内缩台阶式重力坝采用定型钢模板及支撑背架，省去了模板采用内拉钢筋加固的工序，降低了支模的难度，且无反斜角施工，模板的周转效率高，作业面大，加快了施工速度，从而达到缩短施工周期的目的。
[0014]2.质量方面：将斜坡式重力坝优化成内缩台阶式重力坝，内缩台阶式断面在模板
安装和拆除方面，易于加固，稳定性好，同时，方便堆石的摆放以及基面碎石的清理，易于控制下游面混凝土保护层的厚度，使得混凝土填充的更加密实，提高了坝体表面的浇筑质量，防止坝体表面的浇筑出现混凝土蜂窝麻面、脱空等外观质量病害。
[0015]3.安全方面：将斜坡式重力坝优化成内缩台阶式重力坝，内缩台阶式断面模板的安装和拆除以现浇台阶面为基准面，降低了作业高度，减少高处作业风险，从而达到降低安全隐患的目的。
[0016]4.造价方面：将斜坡式重力坝优化成内缩台阶式重力坝，模板在既有台阶上施工，节省了母模板的投入，模板采用背架支撑，可不再焊内侧拉地筋，提高了堆石率，节省了混泥土的使用，同时减少了钢筋浪费，减少了模板安装塔吊或汽车吊的投入成本，减少了反斜角施工混凝土外观质量修补费用，从而到达了降低施工成本的目的。
[0017]本技术方案通过数值模拟法和刚体极限平衡法对内缩台阶式重力坝体的安全性能和稳定性进行了校核，结果发现优化后的重力坝体安全系数较高，表明原有的斜坡式重力坝在设计上相对保守，有必要将坝体向内缩进，达到更好的优化效果。
[0018]本技术该方案采用的是ABAQUS软件，ABAQUS软件不仅能对静态和准静态下的变化进行仿真模拟分析，还能进行瞬态分析、弹塑性分析、接触分析、屈服分析、碰撞和冲击分析等。可以进行结构静力学分析、结构动力学分析、接触问题分析、材料非线性分析，不仅具有丰富的单元库，可以模拟各种复杂的几何形状；还拥有丰富的材料库，可以对常见的工程材料进行模拟，例如复合材料、各种地质材料等。岩土工程中存在的绝大部分的问题都可以被ABAQUS解决，因此，本技术方案选用ABAQUS进行模拟。
[0019]本技术该方案采用的是有限元模型，有限元模型分析不仅可以克服难以实施大型实验的弊端，还可以节约时间并相对精准的对大坝进行抗震分析，还可以为重力坝的设计和建造提供安全防范的经验；同时，重力坝因其剖面尺寸大，导致了材料的使用量过多，而且坝体内部应力低，并不能充分发挥材料强度，材料强度过剩意味着混凝土的浪费，增加投资重力坝的断面优化设计关系到减少混凝土材料使用的多少，进而对缩短工期和降低投资也有重要意义。
[0020]进一步，在S1中，采用ABAQUS软件建立数值模拟有限元模型包括以下步骤：
[0021]第一步，在ABAQUS软件的部件中建立相同尺寸的模型；
[0022]第二步，材料模型选用弹性模型；
[0023]第三步，参数选用C15混凝土的具体参数；
[0024]第四步，对重力坝数值模型进行网格划分。
[0025]本方案的有益效果为：与材料力学模型相比，弹性模型能够适用于坝高大于100m的坝体，使用范围更广。
[0026]进一步，在S1的第四步中，单元类型选用CPE4，单元形状采用四边形单元，共生成3024个单元。
[0027]本方案的有益效果为：本技术方案的网格划分采用CPE4类型，单元形状采用四边形单元，共生成3024个单元，使得划分的网格更加密集且规整，提高了应力应变计算结果的精确度。
[0028]进一步，在S2中的第一步中，数值模型的上侧和左右侧为自由边界，对数值模型的底部施加固定约束。
[0029]本方案的有益效果为：通过将数值模型的上侧和左右侧设为自由边界，对数值模型的底部施加固定约束，这种情况与重力坝的实际情况更为贴合，使得校核的结果更加准确。
[0030]进一步，在S2中的第二步中，施加的载荷包括自重荷载、上下游静水压力、扬压力和淤沙压力。
[0031]本方案的有益效果为：通过对数据模型施加自重荷载、上下游静水压力、扬压力和淤沙压力，使得对重力坝的校核的结果与现实情况更为接近，使得校核的结果更加可靠。
[0032]进一步，在S2中的第二步中，淤沙压力的计算公式为：
[0033][0034]式中：p
sk
—淤沙压力标准值(KN/m)；γ
sb
—泥沙的浮容量，取6KN/m；h
s
—泥沙淤积深度中，取1450.45m；φ
s
—淤沙内摩擦角，取12
°
；tg—正切函数。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数值模拟的重力坝体优化设计的方法，其特征在于：通过优化设计将重力坝背水面的坝体表面设计成内缩台阶式，且内缩台阶式重力坝的阳角连线与原有的斜坡式重力坝的斜坡面保持一致，并通过数值模拟法和刚体极限平衡法对内缩台阶式重力坝体的安全性能进行校核，具体的校核过程包括以下步骤：S1：采用ABAQUS软件建立数值模拟有限元模型；S2：采用ABAQUS软件自动创建一个初始分析步：第一步，确定施加边界的条件；第二步，创建荷载分析步，根据《混凝土重力坝设计规范》确定用于施加的荷载；S3：分析数据模拟的结果；S4：通过刚体极限平衡法计算内缩台阶式重力坝的抗滑稳定安全系数。2.根据权利要求1所述的一种基于数值模拟的重力坝体优化设计的方法，其特征在于：在S1中，采用ABAQUS软件建立数值模拟有限元模型包括以下步骤：第一步，在ABAQUS软件的部件中建立相同尺寸的模型；第二步，材料模型选用弹性模型；第三步，参数选用C15混凝土的具体参数；第四步，对重力坝数值模型进行网格划分。3.根据权利要求2所述的一种基于数值模拟的重力坝体优化设计的方法，其特征在于：在S1的第四步中，单元类型选用CPE4，单元形状采用四边形单元，共生成3024个单元。4.根据权利要求3所述的一种基于数值模拟的重力坝体优化设计的方法，其特征在于：在S2中的第一步中，数值模型的上侧和左右侧为自由边界，对数值模型的底部施加固定约束。5.根据权利要求4所...

【专利技术属性】
技术研发人员：李春早，张汉，柴少强，蔡东波，姜竣博，苏克静，刘小强，闫东杰，
申请(专利权)人：中交一公局第七工程有限公司，
类型：发明
国别省市：