01 案例背景

研究的閘壩始建于1935年，為磚石混凝土結構，高24m，寬17m，有3個閘門。20世紀70年代開始，大壩出現壩體開裂和閘門卡住的現象，初步判斷閘門卡住現象由地質運動引起。1990年起，運維單位對壩址處的地質運動進行監測，顯示地質運動導致的位移量約為每年3mm。2010年后閘門卡住現象出現頻次顯著增加。因此，目前考慮通過完全重建或者部分改造，將大壩壽命延長幾年或幾十年。考慮到經濟因素，優先選擇論證部分改造這一解決方案的可行性，再對壩進行部分改造。

圖1：工作視圖

圖2：監測結構位移圖

02 解決方案

根據大壩和閘門尺寸,在固體力學仿真軟件上建立物理模型，研究不同力學行為對壩體及閘門的位移應力影響。圖3是大壩的有限元模型和計算施加的邊界條件。

圖3：使用的網格和施加的邊界條件

在固體力學仿真軟件計算中，施加荷載與邊界條件時除了要考慮力載荷(重力、靜水壓力)外，還通過模型邊界的強制位移來模擬地質運動現象。結果顯示僅用材料的線彈性行為無法準確描述大壩的位移情況，這是由于邊界上存在非線性接觸問題，因此需要在模型建立時用到單元JOINT_MECA_FROT，來模擬支座底部發生的剪切觸變形(如圖4所示)。

圖4：樁底的剪切面

JOINT-MECA-FROT是固體力學仿真軟件中的一種基于摩爾-庫倫準則專門模擬大壩-基礎接觸面的單元類型。在這個模型中，混凝土的損傷機制可以通過彈性模量變化來體現。但應力分析表明，在混凝土的強度之外，仍有很大的受應力輻射區域。考慮到該區域的損傷可能會改變閘門的計算結果，CIH(法國水力大壩工程中心)和圖盧茲材料和建筑耐久性實驗室(LMDC)聯合開發了新的損傷模型ENDO_PORO_BETON，以精確描述混凝土的非線性彈性-塑性損傷行為。該模型實現了各向異性拉伸損傷(Rankine準則)的評估，并考慮了多軸約束的壓縮剪切損傷(Drucker-Prager準則)。因此，在這個模型中，連接在樁底座上的損傷可以被更好地定位。

計算網格由105,000個線性單元組成，以年為時間步長進行，每一步計算約15分鐘。在施加位移約束的情況下，這種類型計算的主要困難在于確定地質運動現象開始的日期。對于這項研究，我們通過以下三個方法做出估計:

1)通過比較模型在不同日期的可見損傷和預測損傷；

2)通過比較模型位移和監測數據的非線性關系；

3)通過在底板上進行取芯試驗評估應力水平。

03 結論

1)數值仿真能夠真實復現現實狀況；

2)閘壩改造方案的非線性有限元仿真驗證了方案的可行性，同時降低了方案風險；

3)為大壩延壽提供了科學的論據，帶來了巨大的經濟效益。

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