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摘要：随着经济社会的发展，水利工程也得到了较快的推进， 极大程度丰富了人们的生活。但是大坝有可能还存在着变形问题，对于其质量造成严重的影响， 进而威胁到人们的正常生活。本文以具体工程为例进行分析，论述了利用有限元法来分析大坝变形。
关键词：有限元；大坝变形；分析
引言
我国是地震多发的国家，建设重力坝的地区一旦发生地震，将带来灾难性的后果。在修建大坝设计中将地震荷载纳入考虑范围，考察重力坝在地震荷载下的动力响应特性，研究重力坝在静力、动力荷载下的安全问题具有十分重要的意义。国内外诸多学者用各种非线性模型分析了混凝土重力坝在地震作用下的反应。然而，总体来看，大坝安全评价准则目前正处在发展阶段，如何有效合理地利用有限元计算结果受到广大研究者的普遍注。
1、工程概况
某水库是一座综合利用的大Ⅱ型水利枢纽工程，2015年12月通过了竣工验收。总库容10137万立方米，控制流域面积875平方千米，坝型为混凝土面板堆石坝，最大坝高88.3m，坝顶长310m，坝顶高程1138.3m。大坝变形观测分人工观测和自动化观测两大部分，建立了相对完善、全面的变形观测系统。大坝变形监测工作范围主要包括：1）坝体外部沉降观测；2）坝体内部沉降观测；3）坝体外部水平位移观测；4）坝体内部水平位移观测；5）溢洪道沉降观测。由于人工观测环境与测量仪器限制，大坝体外水平位移观测目前未能取得观测数据，本文对此项数据不做分析。
2、监测资料分析
变形监测在测量领域内占据着重要的位置，从一个工程的施工到完工，以及后续的运营都需要进行不断地监测，掌握变形的情况，及时解决潜在安全问题，保证工程的正常运营。在大坝变形监测中，传统的变形监测是采用高精度的监测网对大坝变形要素进行监测，但由于大坝所处地形条件的影响，导致监测网的网形差和监测点的位置精度不精确，影响测量的准确性。这种方法的劳动强度很大，观测时间较长，没有实现自动化监测。将大坝历年各期资料汇总成数据库，将地震期间监测数据与震前数据、历年同期数据进行比。通过观测资料分析，最大沉降发生在W12观测点，沉降量为141.12mm，坝顶最大沉降发生在W9观测点，沉降量为59.21mm，沉降遵循逐渐下沉规律，没有明显的突变点。
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3、有限元法静力分析坝顶水平位移
对于结构外形尺寸简单的计算模型，ANSYS可采用直接建模方法，即先确立节点，然后创建单元。若结构外形尺寸比较复杂，ANSYS则采用立体模型建立法，即间接建模法。ANSYS程序提供了两种实体建模的方法，即自顶向下和自底向上。自顶向下进行实体建模时，用户只要定义一个模型的最高级图元，较为常用的实体建模形状(如长方体，棱柱等)，称为几何体素，可以用单独的ANSYS命令来生成。自底向上进行实体建模时，用户从最低级图元向上构建模型，即用户首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。自顶向下与自底向上建模技术可在任何模型中自由组合使用。在大坝实体建模时，对于体型、坝基较复杂的坝体结构，可以采用AutoCAD建模导入ANSYS或采用ANSYS的参数化方法建模来提高工作效率。
划分网格是建立有限元模型的一个重要环节，ANSYS中的网格划分方法主要有自由网格划分，映射网格划分和体扫掠网格划分三种。自由网格划分是自动化程度最高的网格划分技术，省时省力，效率较高，但它只能将体划分成四面体网格，造成有限元模型网格数量过大，降低了计算的精度和速度。映射网格划分是对规整模型的一种网格划分技术，它在面上生成四边形网格，在体上生成六面体网格。使用这种方法生成的有限网格形状规则，数量要比相应的自由网格少很多，可以大大节省计算时间，提高计算精度。但是，这种网格划分技术对面和体的形状有一定的要求，对于复杂模型，必须使用ANSYS的布尔运算功能将其分割成许多规则形状的模型后才能使用映射网格划分技术。使用映射网格划分技术会花费较多的时间和精力，但可得到较高的计算精度。
扫掠网格划分是由面网格经过拖拉、旋转、偏移等方式而生成网格的一种网格划分技术。在ANSYS中碰到柱状的模型一般可以考虑使用扫掠网格划分。大坝有限元模型网格划分多采用映射网格划分方法，划分网格时应注意单元的结点数应根据建筑物及其地基的复杂程度和变形、温度测点的位置来确定，把变形和温度测点作为有限元单元的结点，以减小内插计算所产生的误差。
考虑设计规范中动力分析的地震影响，对该坝的静力分析采用正常蓄水位。计算时，对AN-SYS14.0有限元软件进行相关设置。由于激光准直测量仪器是实时对坝顶水平位移进行监测并记录的，其数据量非常庞大，因此，对所有数据进行筛选分析。
大坝内部水平位移大致趋势为，靠近迎水面观测点向迎水面偏移，靠近背水面观测点向背水面偏移，越靠近迎水面或背水面位移越大，迎水面位移略大于背水面，最大位移部位发生在1098高程，1118高程位移量小于1098高程，另外，H9观测点，钢丝位移计钢丝发生过断裂情况，也反映了此高程上游面位移量大的特点。通过对两个断面水管沉降仪数据分析，大坝内部沉降规律大致为：坝体内部1078高程沉降线性稳定，沉降量均匀分布在40～50cm左右。1118高程沉降同样稳定线性，沉降量均匀分布在10～20cm左右。1098高程沉降量大，且不均匀，此高程水管沉降仪曾多次故障（V7、V8、V10、V22、V24），所测数值偏差过大，所测数值经分析不准确，不宜采用。
4、有限元法动力分析坝顶水平位移
有限元法动力分析是在静力分析的基础上，采用反应谱分析的方法进行，数值模拟出设计地震烈度对大坝坝顶水平位移的影响，同时也可模拟出各阶振动频率下的变形位移。有限元动力分析流程为：静力求解→模态分析→反应谱分析→模态扩展分析→合并模态求解。本文对该坝进行了18阶的振动变形分析。其中前4阶坝体对大坝的位移影响分别为1．694mm、0．864mm、1．364mm和0．985mm。可以看出，地震对该混凝土大坝水平位移的最大影响发生在第一阶，为1．694mm。在设计地震烈度情况下，地震对大坝坝顶水平位移影响为毫米级，影响不大，坝体结构相对稳定。
对于在施工期或蓄水期不长的坝，在实测资料较少的情况下，采用上述方法建立的位移确定性模型可以较好地描述混凝土大坝某测点在任意时刻的坝体位移。当大坝运行一段时间、积累了一定量的实测资料后，用观测值校准模型中的参数，对上述确定性模型进行修正，可进一步提高模型的精度，从而实现实时监控坝体安全运行的目的。
5、结语
本文就某大型水库大坝的变形分析采用了有限元数值模拟的方法，得出该坝的坝顶水平位移，并将其与实测数据进行对比分析，认为该坝目前及未来一段时间处于安全稳定状态。同时，对该坝进行了地震动力学分析，模拟了在设计地震烈度情况下坝体各阶模态的变形情况。分析认为，在设计地震烈度情况下，地震对该混凝土坝的影响很小，该坝具有一定的抗震性能。对该混凝土坝的静力、动力分析的结果充分表明，该坝在运营过程中一直保持着安全稳定状态。
参考文献:
[1]王小敏.基于有限元方法的大坝变形分析与仿真研究[D].武汉大学,2010.
[2]张伟,陆佳华,冯威,郑东健.基于ABAQUS有限元分析的大坝变形混合模型[J].水电能源科学,2011,29(06):80-82.
[3]张贵钢.三门峡大坝变形监测的有限元分析及预测[D].长安大学,2007.
[4]陈敏,包腾飞,黄佳乐.基于有限元与支持向量机的大坝变形组合预报模型[J].水电能源科学,2015,33(08):87-89+97.
[5]刘双华.新安江大坝变形性态研究[D].河海大学,2006.
论文作者:全红岩
论文发表刊物:《防护工程》2017年第20期
论文发表时间:2017/12/19
标签：大坝论文; 网格论文; 位移论文; 模型论文; 有限元论文; 高程论文; 建模论文; 《防护工程》2017年第20期论文;