一种基于ADINA平台的土石坝水力耦合计算方法

技术领域

本发明属于土石坝有限元计算技术领域，涉及一种基于ADINA平台的土石坝水力耦合计算方法。

背景技术

土石坝是历史上最为悠久的一种坝型，也是世界坝工建设中应用最为广泛与发展最快的一种坝型。土石坝具有如下优点：适用条件广、地质条件要求不高、设计成熟、施工简便、造价便宜、施工导流容易解决、抗震性能强、经济效应明显。故土石坝所建数量所占比率较大，是水利工程中较为重要的一种坝型在大坝选型中也往往优先考虑。

土石坝的渗流与变形之间是互相影响的。渗流的变化将引起渗流体积力和渗透压力的变化使作用于坝体上的外荷载发生变化也将会对坝体变形产生影响。渗流分析的目的在于为坝体内各部分土的饱水状态的划分提供依据、确定对坝坡稳定有重要影响的渗流作用力、进行坝体防渗布置与土料布置检验土体渗流稳定性，防止发生管涌以及流土、确定坝和河岸的渗水量损失等等；其次坝体的变形会导致坝体各部位的孔隙率发生改变，渗透系数随之改变，从而也改变了坝体渗流场的分布，会使渗流场也会产生重分布。土石坝的渗流与变形之间相互作用、相互影响使土石坝达到某一个平衡。对土石坝进行水力耦合(渗流-应力耦合)计算具有重要的理沦和实际意义，使土石坝的渗流和变形计算结果更加符合工程实际为设计和施工提供重要的参考依据。

土石坝渗流场与应力场之间会产生相互作用、相互耦合，相互耦合的作用使得坝体的渗流场及应力场发生重新分布，从而对大坝的稳定性产生影响。现有技术基于通用有限元软件ADINA仿真平台，通过结构分析、耦合场分析计算大坝的渗流场分布，通过查看计算结果，存在土石坝分析计算时，计算结果与实际结果产生较大偏差的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于ADINA平台的土石坝水力耦合计算方法，解决了现有技术使用ADINA进行土石坝分析计算时，计算结果与实际结果产生较大偏差的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于ADINA平台的土石坝水力耦合计算方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、建立土石坝渗流计算模型，进行土石坝渗流计算；

步骤2、建立土石坝变形计算模型，进行土石坝变形计算；

步骤3、对步骤1得到的计算结果数据进行处理；

步骤4、进行土石坝水力耦合计算。

本发明的特征还在于，

步骤1具体步骤为：首先，根据工程资料进行建模，定义物理条件，施加荷载与定义边界条件；定义材料属性，划分有限元网格；定义单元类型并划分单元属性；设置求解步，设置求解时间步长、步数和收敛条件，设置完成后，保存为命令流文件，将命令流文件导入ADINA-Thermal模块中，生成土石坝渗流计算模型，在ADINA－Thermal模块中土石坝渗流计算，得出只考虑渗流作用下的土石坝的渗流计算结果。

步骤2具体步骤为：将步骤1中渗流模型中的几何模型和有限元网格复制到ADINA-structure模块中，根据工程资料定义变形计算所需的物理条件，施加荷载、定义边界条件、定义材料属性、定义单元类型并划分单元属性、设置求解步，生成土石坝变形计算模型，在ADINA-structure模块中进行变形计算，获得不考虑渗流作用的变形计算结果。

步骤3.1、根据步骤1渗流计算中得到的坝体上各节点总水头计算各节点的孔隙水压力，计算公式为：

其中H代表总水头，z代表位置水头，

在ADINA中使用DefineResultant设定孔压水头参数，ResultantName选项选择PORE-HEAD，Expression中输入-，其中代表总水头，代表位置水头，定义完成后进行计算，计算得到孔压水头云图与孔压云图，即得到坝体上各节点的孔隙水压力。

步骤3.2、在ADINA中绘制带状图，将变量选为步骤3.1得到的坝体内各节点孔隙水压力，再通过判定孔压是否大于0，将坝体内所有节点分为两区，一区内所有节点孔隙水压力大于零，另一区则小于零，得到一个带状图，带状图中两区交界处即为浸润面。

步骤3.3、使用ADINA对坝体的节点进行过滤，过滤区域选为整个坝体，判断节点孔隙水压力是否小于零作为过滤条件，将孔压小于零节点排除，剩下的节点孔隙水压力均大于零，将孔压大于零的节点及孔隙水压力提取为孔压结果文本文件；

使用记事本调整该孔压结果文本文件，留下节点名称与对应的孔隙水压力，保存初步处理好的孔压结果文本文件，将初步处理好的孔压结果文本文件导入Excel中，在文本数据中建立分列线，对数据进行分列，分列时将文本文件分为三列，将节点名称分为两列，第一列全为Node，第二列为之前节点数；将孔压分为第三列；使用Excel调整结果孔压文本文件，将最左边全为Node的一列删除，此时只剩余两列，一列名为POINT，代表坝体中不同点位，另一列名为FE_PRESSURE，列数值为孔隙水压力，由于渗流模型中得出的孔压结果都为正数，但ADINA-structure结构模型所需要的孔压为负值，将孔压列乘-1，使孔压数值皆变为负数；在POINT与FE_PRESSURE之间加入一列，列中每一行都输入数据2，修改好后保存处理完成的孔压结果文本文件；

步骤3.4、将步骤3.3处理好的结果孔压文本文件导入土石坝变形计算模型中，导入位置选择节点，载入类型选择节点荷载，将步骤3.3中处理完成的孔压结果文本文件导入，变形计算模型读入处理好的孔压结果文本文件作为节点位移荷载，数值导入成功后通过软件观测到模型及荷载，保存成为DAT求解文件。

将步骤3.4中保存的DAT求解文件使用UltraEdit打开，在UltraEdit中选择列快模式，将列块模式中DISPLACEMENTS一列的数据置入Excel中，在Excel中这一列中的数字2改为8，再将数据放到UltraEdit的数据中，把节点位移荷载改为孔压荷载，保存文档，数据处理结束，提交计算，计算完成生成POR结果文件，即为土石坝水力耦合计算完成。

本发明的有益效果是：本发明一种基于ADINA平台的土石坝水力耦合计算方法，解决了在使用ADINA对土石坝有限元模型进行分析时，只进行渗流计算或者只进行变形计算而导致计算结果与实际结果产生较大偏差的问题，本发明在使用ADINA对土石坝有限元模型进行分析时使结果更加精准，与实际情况更加贴切，明显减少计算求解消耗，且制作简便，易于使用。

附图说明

图1为本发明水力耦合计算下得出的最大主压应力云图；

图2为本发明不考虑水力耦合情况下进行变形计算得出的最大主压应力云图；

图3为本发明变形计算模型读入处理好的孔压结果文本文件作为节点位移荷载后，模型及荷载如图所示；

图4为本发明节点位移荷载改为孔压荷载后模型及其荷载示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种基于ADINA平台的土石坝水力耦合计算方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、建立土石坝渗流计算模型，进行土石坝渗流计算；

步骤1具体步骤为：首先，根据工程资料进行建模，定义物理条件，施加荷载与定义边界条件；定义材料属性，划分有限元网格；定义单元类型并划分单元属性；设置求解步，设置求解时间步长、步数和收敛条件，设置完成后，保存为命令流文件，将命令流文件导入ADINA-Thermal模块中，生成土石坝渗流计算模型，在ADINA－Thermal模块中土石坝渗流计算，得出只考虑渗流作用下的土石坝的渗流计算结果。

步骤2、建立土石坝变形计算模型，进行土石坝变形计算；

步骤2具体步骤为：将步骤1中渗流模型中的几何模型和有限元网格复制到ADINA-structure模块中，根据工程资料定义变形计算所需的物理条件，施加荷载、定义边界条件、定义材料属性、定义单元类型并划分单元属性、设置求解步，生成土石坝变形计算模型，在ADINA-structure模块中进行变形计算，获得不考虑渗流作用的变形计算结果。

步骤3、对步骤1得到的计算结果数据进行处理；

步骤3.1、根据步骤1渗流计算中得到的坝体上各节点总水头计算各节点的孔隙水压力，计算公式为：

其中H代表总水头，z代表位置水头，

在ADINA中使用DefineResultant设定孔压水头参数，ResultantName选项选择PORE-HEAD，Expression中输入-，其中代表总水头，代表位置水头，定义完成后进行计算，计算得到孔压水头云图与孔压云图，即得到坝体上各节点的孔隙水压力。

步骤3.2、在ADINA中绘制带状图，将变量选为步骤3.1得到的坝体内各节点孔隙水压力，再通过判定孔压是否大于0，将坝体内所有节点分为两区，一区内所有节点孔隙水压力大于零，另一区则小于零，得到一个带状图，带状图中两区交界处即为浸润面。

步骤3.3、使用ADINA对坝体的节点进行过滤，过滤区域选为整个坝体，判断节点孔隙水压力是否小于零作为过滤条件，将孔压小于零节点排除，剩下的节点孔隙水压力均大于零，将孔压大于零的节点及孔隙水压力提取为孔压结果文本文件；

使用记事本调整该孔压结果文本文件，留下节点名称与对应的孔隙水压力，保存初步处理好的孔压结果文本文件，将初步处理好的孔压结果文本文件导入Excel中，在文本数据中建立分列线，对数据进行分列，分列时将文本文件分为三列，将节点名称分为两列，第一列全为Node，第二列为之前节点数；将孔压分为第三列；使用Excel调整结果孔压文本文件，将最左边全为Node的一列删除，此时只剩余两列，一列名为POINT，代表坝体中不同点位，另一列名为FE_PRESSURE，列数值为孔隙水压力，由于渗流模型中得出的孔压结果都为正数，但ADINA-structure结构模型所需要的孔压为负值，将孔压列乘-1，使孔压数值皆变为负数；在POINT与FE_PRESSURE之间加入一列，列中每一行都输入数据2，修改好后保存处理完成的孔压结果文本文件；

步骤3.4、将步骤3.3处理好的结果孔压文本文件导入土石坝变形计算模型中，导入位置选择节点，载入类型选择节点荷载，将步骤3.3中处理完成的孔压结果文本文件导入，变形计算模型读入处理好的孔压结果文本文件作为节点位移荷载，数值导入成功后通过软件观测到模型及荷载，保存成为DAT求解文件。

步骤4、进行土石坝水力耦合计算

将步骤3.4中保存的DAT求解文件使用UltraEdit打开，在UltraEdit中选择列快模式，将列块模式中DISPLACEMENTS一列的数据置入Excel中，在Excel中这一列中的数字2改为8，再将数据放到UltraEdit的数据中，把节点位移荷载改为孔压荷载，保存文档，数据处理结束，提交计算，计算完成生成POR结果文件，*.por文件为计算结果文件，当求解计算完成时，ADINA会自动生成*por文件，用来记录指定时间步下的分析结果。读入POR结果文件即可观察到节点位移荷载已经转变为了节点孔压荷载，即为土石坝水力耦合计算完成。

本实施例进行验证计算结果，将不考虑渗流情况下的变形计算中最大主压应力点所对应的最大主压应力值，即总应力减去水力耦合计算结果中最大主压应力点所对应的最大主应力值即有效应力，若其值约等于渗流模型计算中所对应节点得出的孔隙水压力，则此次水力耦合计算较为精准。即其符合总应力-有效应力＝孔压的要求。

通过本发明计算已知土石坝渗流计算结果、不考虑渗流影响的变形计算结果与水力耦合计算结果，对以上计算结果进行对比来验证水力耦合计算结果是否精准。

如图1-图4所示，通过处理渗流计算结果得出孔压云图，通过不考虑渗流影响的变形计算结果得出在此情况下最大主压应力云图，从而得到此时土石坝最大主压应力点及其对应的最大主压应力值，此时应为主应力；通过水力耦合计算得出考虑水力耦合计算下的最大主压应力云图，在水力耦合计算下，模型中最大主压应力值，此时应为有效应力。

已知结构计算下土石坝最大主压应力节点，在渗流模型计算结果中找出同一点所对应的孔压。将不考虑渗流情况下的变形计算中所得出的主应力减去水力耦合计算中所得出的有效应力，通过符合总应力-有效应力＝孔压的要求，即可认为此次水力耦合计算较为精准。

本发明基于使用ADINA进行土石坝分析计算时，根据资料建立土石坝渗流计算几何模型命令流文件，将渗流模型命令流文件导入ADINA平台ADINA-Thermal模块之中，进行渗流计算，确定渗流模型渗流场的分布。在此基础上，将渗流模型的几何模型和有限元网格复制到ADINA-structure模块中，再使用ADINA-structure模块进行变形分析，获得未考虑渗流作用的变形计算结果，再提取渗流计算所得坝体部分节点孔隙水压力计算结果，处理后进而作为节点荷载导入变形计算模型，进行考虑渗流作用的坝体变形计算，最终实现土石坝水力耦合计算，解决了现有技术只进行渗流计算或者只进行变形计算而导致计算结果与实际结果产生较大偏差的问题。