01 案例背景

研究的闸坝始建于1935年，为砖石混凝土结构，高24m，宽17m，有3个闸门。20世纪70年代开始，大坝出现坝体开裂和闸门卡住的现象，初步判断闸门卡住现象由地质运动引起。1990年起，运维单位对坝址处的地质运动进行监测，显示地质运动导致的位移量约为每年3mm。2010年后闸门卡住现象出现频次显著增加。因此，目前考虑通过完全重建或者部分改造，将大坝寿命延长几年或几十年。考虑到经济因素，优先选择论证部分改造这一解决方案的可行性，再对坝进行部分改造。

图1：工作视图

图2：监测结构位移图

02 解决方案

根据大坝和闸门尺寸,在固体力学仿真软件上建立物理模型，研究不同力学行为对坝体及闸门的位移应力影响。图3是大坝的有限元模型和计算施加的边界条件。

图3：使用的网格和施加的边界条件

在固体力学仿真软件计算中，施加荷载与边界条件时除了要考虑力载荷(重力、静水压力)外，还通过模型边界的强制位移来模拟地质运动现象。结果显示仅用材料的线弹性行为无法准确描述大坝的位移情况，这是由于边界上存在非线性接触问题，因此需要在模型建立时用到单元JOINT_MECA_FROT，来模拟支座底部发生的剪切触变形(如图4所示)。

图4：桩底的剪切面

JOINT-MECA-FROT是固体力学仿真软件中的一种基于摩尔-库伦准则专门模拟大坝-基础接触面的单元类型。在这个模型中，混凝土的损伤机制可以通过弹性模量变化来体现。但应力分析表明，在混凝土的强度之外，仍有很大的受应力辐射区域。考虑到该区域的损伤可能会改变闸门的计算结果，CIH(法国水力大坝工程中心)和图卢兹材料和建筑耐久性实验室(LMDC)联合开发了新的损伤模型ENDO_PORO_BETON，以精确描述混凝土的非线性弹性-塑性损伤行为。该模型实现了各向异性拉伸损伤(Rankine准则)的评估，并考虑了多轴约束的压缩剪切损伤(Drucker-Prager准则)。因此，在这个模型中，连接在桩底座上的损伤可以被更好地定位。

计算网格由105,000个线性单元组成，以年为时间步长进行，每一步计算约15分钟。在施加位移约束的情况下，这种类型计算的主要困难在于确定地质运动现象开始的日期。对于这项研究，我们通过以下三个方法做出估计:

1)通过比较模型在不同日期的可见损伤和预测损伤；

2)通过比较模型位移和监测数据的非线性关系；

3)通过在底板上进行取芯试验评估应力水平。

03 结论

1)数值仿真能够真实复现现实状况；

2)闸坝改造方案的非线性有限元仿真验证了方案的可行性，同时降低了方案风险；

3)为大坝延寿提供了科学的论据，带来了巨大的经济效益。

格物云CAE

一款国产可控云端仿真平台，结构、流体、水动力仿真软件场景化模块化，支持多格式网格导入(.med、.inp、.cdb、.cgns等)和高性能并行计算，降低CAE使用门槛，拓展CAE应用范围，加速工业企业研发制造数字化转型。平台支持云端CAE仿真生成工业APP，构建完全交互式仿真社区，快速实现行业通用经验软件化。

一键登录，开启仿真！

https://cae365.yuansuan.com

---

更多资讯可登录格物CAE官方网站

https://cae.yuansuan.cn/

远算在bilibili、头条、知乎、技术邻定期发布课程视频等内容

敬请关注