1.7 水利水电工程仿真模型选择的建议

由于水利水电工程仿真对象繁多，涉及数学、力学和建筑结构等方面的基本理论学科，具体讲包括水工结构、地质工程、岩土边坡工程、河流水力学和流体力学工程、工程渗流、混凝土结构工程、钢结构工程、土石工程、水力旋转机械精细计算、河流和水库泥沙、水环境工程、温度控制及其建筑结构施工技术、各种物理场耦合作用等。模拟水利水电工程中任意一个实际项目都属于一个复杂的系统工程，涉及多项物理参数，参数间关系错综复杂，参数既是空间函数关系又是时间变量。水利水电工程模型属于三维大尺度工程与小尺寸融合的多尺度模型。基于上述诸多方面的原因，仿真计算水利水电工程模型时，应准确选用数学模型，合理定义模拟参数（网格尺度、迭代方法收敛条件）、初始条件和边界条件。因此，以下是模型选择的几点建议：

（1）有限元方法在大坝及坝基数值分析中被广泛运用，但对复杂的大坝及坝基进行有限元分析时，根据不同的研究目的选用不同的模型。以混凝土重力坝为例，由于坝体根据应力将材料分区，其破坏机理各异，如果简化坝体模型，将材料统一定义，使用一致的破坏模型，模拟结果很难符合实际；如果细化模型，破坏机理也得要求对应修改。虽然计算精度满足仿真可靠性要求，但是会造成模型过于复杂，占用大量计算资源和计算时间，造成资源浪费，所以在仿真计算之前必须制定选择适用性较强的模型，甚至要简化几何模型和边界条件。

1）有限单元分析提供了坝体及地基内各点的应力及变位值，通过有限元分析可以了解上游坝踵处的拉应力数值和范围，下游坝趾处的应力方向、应力大小、变位值以及坝顶、坝踵和坝趾处的水平变位值。

2）通过有限元分析可以了解进入破坏状态区的分布及其范围，以便找出最危险的部位，并分析严重程度。

3）通过超载法和强储法可以求出超载系数和强度储备系数。

4）在计算时间充足，计算机资源满足，可以将计算仿真模型从弹性扩展到非线性，甚至从静力分析扩展到动力响应分析。

（2）拱坝实际工程设计中常采用传统的刚体极限平衡法进行拱坝抗滑稳定计算，坝体传给拱座的作用力也采用拱梁分载法的相应计算结果。实际上岩体并非刚体和规则结构体，以及坝体材料（如混凝土）往往也不是弹性体，其应力——应变关系呈显著的非线性特性，并且拱坝在运行过程中存在着明显的应力重分布现象。在拱坝坝肩稳定分析方法的理论研究基础上，将混凝土多参数强度准则、非线性本构关系及坝体与基岩的仿真分析属于复杂的非线性稳定问题。采用ANSYS进行仿真模拟时，常采用该软件的参数化建模、分析及其后处理功能。

如今拱坝坝肩稳定分析方法可分为3大类，即数值计算法、地质力学模型试验法和可靠度分析方法。其中，被广泛采用的方法是数值计算法，它主要包括刚体极限平衡法和有限元分析方法。对于建造在复杂地基上的等级高的拱坝，必要时辅以地质力学模型试验或者可靠度分析法。

实际工程设计，判断坝肩岩体稳定性的常用方法是刚体极限平衡法，其概念清晰、理论成熟、计算简单，基本假定是：

1）将滑移体视为刚体，不考虑其中各部分间的相对位移。

2）只考虑滑移体上力的平衡，不考虑力矩的平衡，认为后者可由力的分布自行调整满足，因此，不考虑拱端部和梁基作用力系中弯矩的影响。

3）忽略拱坝的内力重分布作用，认为作用在岩体上的力系为定值。

4）达到极限平衡状态时，滑裂面上的剪力方向将与滑移的方向平行，指向相反，数值达到极限值。拱坝与坝肩问题实际属于接触问题，在ANSYS平台下支持3种接触方式：点—点、点—面、面—面，每种接触方式使用的接触单元适用于某类特定问题。在此平台下为了真实地反映大坝、基岩、断层等各种不同材料的特性，分析时分别采用不同形式的单元类型、破坏和屈服准则。坝基岩体材料以Solid45单元进行模拟，并运用Drucker-Prager屈服准则；混凝土材料用特有的Solid65单元进行模拟，并采用William-Warnke五参数准则进行破坏曲面描述。

（3）实际的土坝、基坑等工程中的渗流问题属于复杂的三维空间问题。但在一般的土坝、基坑等渗流场分析中通常都是将其简化为平面问题进行研究。尽管这种简化分析对工程实践具有相当的指导意义，但是由于渗流场各个区域的土质条件，各个方向的渗透系数以及排水、止水结构布置不同，渗流场不同区域的边界条件不同等因素，使得对渗流场的二维模拟较为粗略。只有通过三维有限元计算才可能达到对实际复杂情况的模拟。对于渗流问题的研究一般会涉及到大坝的稳定分析。水利水电工程中的渗流问题属于工程渗流，基本模型可以采用渗流的基本定律——Darcy定律来描述。因此，目前渗流分析的数学模型大都是以Darcy定律为基础建立起来的，基本符合水利工程的许多实际情况近似。对水利工程而言，不论是挡水建筑物的大坝、河堤，还是作为水工建筑物的地基，渗流分析模拟最终完成以下几个任务：

1）计算通过建筑物（如土坝、土石坝或堤坝）及其地基的渗流量，以确定建筑物上游水库的渗漏损失水量，分析其对水库蓄水的影响，以及是否需要采取其他防渗措施，以减少渗流损失。

2）计算土石堤坝坝体内的浸润面（线），以便分析土石（堤）坝坝坡的稳定性。

3）计算建筑物（如土质堤坝）及其地基内各点处的水头和压力，以确定其在建筑物及其地基内的分布和变化，用以预测产生渗透变形的可能性。

4）计算作用在建筑物上的扬压力，以便分析建筑物的稳定性及应采取的防渗、排渗措施。

5）计算建筑物（如土质堤坝）及其地基内各点处的渗透流速和水力坡降，特别是渗透处溢出的渗透流速和水力坡降，以便分析建筑物及其地基的渗透稳定性，所需采取的防渗、排渗措施。

6）计算建筑物基坑的渗水量，确定抽排水设备的功率、布置以及是否需要采取防渗措施，确保基坑及其施工安全。