波浪作用下堆石結構穩(wěn)定性的離散元分析和斷面優(yōu)化

堆石體結構在波流力作用下易出現(xiàn)大變位和局部失穩(wěn)。重點研究堆石防波提和拋石基床在波浪花作用下局部失穩(wěn)和整體失穩(wěn)機理、長期荷載作用的累積效應等總是基于非線性滲透流理論計算石體上的波浪滲流力；采用二維離散無和有限元耦合方法分析堆石體的時程響應和穩(wěn)定性，進而優(yōu)化斷面。研究可望為工程中散體介質(zhì)的移民定性和斷面優(yōu)化提供分析理論和方法。 2100433B

根據(jù)重力壩基本斷面的幾何特性，利用 ANSYS 的參數(shù)化設計語言 APDL 編制程序，先擬定一組初始條件對重力壩進行整體模擬、細化單元，得到各階段的力學指標。然后使用 ANSYS 優(yōu)化技術中的零階優(yōu)化方法進行重力壩斷面優(yōu)化設計，使重力壩在滿足應力約束條件和抗滑穩(wěn)定約束條件的前提下，其斷面面積最小，實現(xiàn)設計的經(jīng)濟性和可行性。

溢流斷面ANSYS 優(yōu)化方法簡介

ANSYS 中提供了兩種優(yōu)化方法： 第一種方法采用函數(shù)逼近的方法，稱為零階優(yōu)化，本質(zhì)是采用最小二乘法進行逼近，求取一個函數(shù)面來擬和求解，然后再對函數(shù)面求極值，這是一種普遍適用的優(yōu)化方法，不易陷入局部極值點，但優(yōu)化精度不是很高； 第二種方法是針對第一種優(yōu)化方法缺點改進的方法，叫做一階優(yōu)化，是一種局部尋優(yōu)的精確優(yōu)化方法，它基于目標函數(shù)對設計變量的敏感程度，使用因變量對設計變量的偏導數(shù)，更加適合于精確的優(yōu)化分析。

溢流斷面重力壩優(yōu)化過程

本例是以上游水位 自重 下游水位為設計工況進行設計，計算過程中這幾項荷載同時作用在重力壩模型上，這樣能模擬壩體實際受力狀況，求得的結果能較好地反映實際情況，而不是幾項荷載的疊加。選取 ANSYS 中 2 － D 實體結構單元 PLANE82 劃分網(wǎng)格，實際的混凝土重力壩壩軸線往往較長，對于離開壩肩較遠的壩段，按平面應變問題進行分析計算，得出的結果與實際情況很接近。壩體上下游地基剖分寬度為2 倍壩高，壩基剖分深度也是 2 倍的壩高。

1 前處理

模型建立為由下向上，先建立關鍵點，再由關鍵點直接生成面 。定義壩體和壩基的材料屬性壩基，對壩基各條邊分段，然后進行映射網(wǎng)格劃分。

2 求解

施加邊界約束條件和荷載，施加的荷載為自重 上游水壓力 泥沙壓力 下游水壓力。

3 后處理

各單元體積，求和算出總體積，對各節(jié)點應力值進行排序，取出最大應力值。

4 進行優(yōu)化設計

定義 7 個設計變量，一個狀態(tài)變量和一個目標函數(shù)，用一階優(yōu)化法進行優(yōu)化分析，可得到滿足要求的最優(yōu)化方案。

溢流斷面優(yōu)化分析

經(jīng)過 ANSYS 零階優(yōu)化后，從設計變量隨迭代次數(shù)變化的曲線可以看出，x₁ ，x₃ 和 x₄ 的變化較明顯，x₂ 和 x₅ 的變化幅度不大，但斷面面積顯著下降。初始設計方案斷面面積為105 278 m² ，利用ANSYS 優(yōu)化技術進行多次迭代后，最小目標函數(shù)值即為 98 000 m² ，且 Mises 應力滿足要求，節(jié)省了大約 20% 的用料，達到經(jīng)濟效益。 2100433B

在惡劣海況下，斜坡式防波堤的混凝土護面塊體在波浪作用下會出現(xiàn)晃動和移位的水力失穩(wěn)現(xiàn)象以及應力破壞的結構失穩(wěn)現(xiàn)象。由于波浪與斜坡堤護面層的相互作用是一個涉及多種介質(zhì)、多物理場和多尺度效應的復雜問題，目前國內(nèi)外研究成果對復雜離散結構體系內(nèi)的流場變化特性、波能衰減規(guī)律以及塊體內(nèi)應力分布和斷裂機理等知之甚少。本課題旨在通過建立一個精細模擬波浪作用下斜坡堤護面塊體失穩(wěn)和破壞過程的三維流固耦合數(shù)值模型，開展斜坡堤離散護面塊體周圍的復雜三維流場變化特性、波能衰減規(guī)律以及塊體失穩(wěn)和斷裂機理的基礎研究，得到復雜形狀護面塊體空隙內(nèi)的流速、壓力以及塊體內(nèi)部應力隨時間和空間的變化規(guī)律，研究成果將改變目前斜坡式防波堤主要設計參數(shù)的確定依賴物理模型試驗的現(xiàn)狀，解決無法定量評估斜坡式防波堤護面塊體穩(wěn)定性的難題，為斜坡式防波堤的設計、施工和修復提供一個新的技術手段。

空腹重力壩是較為經(jīng)濟的壩型，且常用在，溢流壩段部位.以往，比較系統(tǒng)地對空腹重力‘壩溢流斷面進行優(yōu)化設計的工作，在國內(nèi)尚不多見.利用可行方向法，對其進行探討，并給出一個計算實例。計算結果表明，優(yōu)化后的溢流壩段斷面可比常規(guī)采用的斷面節(jié)省壩體工程量17.5%。

溢流斷面基本假定

溢流斷面的優(yōu)化，采用以下一些基本假定：

1.溢流斷面選用10個優(yōu)化變量，即工x_1、x₂……x₁₀。

2.已知壩體與地基材料特性，并假定壩體和壩基的材料為均質(zhì)、連續(xù)和各向同性的線彈性體，不考慮壩基中存在斷層的情況。

3.壩踵控制應力采用壩基面以上3m處的壩踵應力，抗滑穩(wěn)定采用抗剪斷公式計算，但優(yōu)化程序中亦有使用摩擦公式的功能。

4.不考慮溫度荷載的作用，其作用由工程措施解決。

5.鑒于壩體主要計算荷載為水壓力和壩體自重，揚壓力對空腹壩體應力的影響隨壩水體型變化并不明顯，故優(yōu)化過程中進行應力分沂時，暫不考慮揚壓力(即在應力約束中，按重力壩規(guī)范中的無揚壓力情況考慮)。

溢流斷面優(yōu)化數(shù)學模型

采用單位壩長的體積作為目標函數(shù)，應力計算采用8結點等參單元，壩基應力計算的邊界范圍可以變動.約束情況包括應力約束、穩(wěn)定約束、水力學約束以及幾何約束，并同時考慮在以下三種荷載組合情況下，得出最優(yōu)解。

(一)荷載組合

1.正常水位水壓力 壩體自重 閘墩重量 壩上設備荷載；

2.校核洪水位水壓力 壩體自重 閘墩重量 壩上設備荷載十泄洪動水壓力；

3.空庫情況：壩體自重十閘墩重量十壩上設備荷載。

（二）應力約束

1.壩基面以上3m處壩踵不得出現(xiàn)主拉應力(在三種工況下)；

2.在第一種工況下，壩體上游面最小主壓應力不得小于0.25rH(r為容重，H為計算應刀處的作用水頭)；

3.在三種工況下，離壩基面3m以上的壩體主壓應力值不得超過容許壓應力值；

4.在三種工況下，空腹邊緣最大主拉應力值不得超過壩體容許拉應力值；

5.在三種工況下，下游面最大主拉應力值不得超過容許拉應力值。

(三)穩(wěn)定約束

1.在第一種工況下，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于相應容許值；

2.在第二種工況下，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于相應容許值。

(四)水力學約束

由于泄流挑距及下游沖坑深度等涉及水力學的問題多靠經(jīng)驗公式進行估算，巨又通過模型試驗進行驗證，故暫不加以考慮.所考慮的水力學約束，只是在校核洪水位閘門全開時，堰頂最大負壓值不超過3~6m水頭(按規(guī)范要求)的條件。

(五)幾何約束

幾何約束包括對變量的上、下界約束，以及變量間的相互幾何關系。