波浪作用下堆石结构稳定性的离散元分析和断面优化

堆石体结构在波流力作用下易出现大变位和局部失稳。重点研究堆石防波提和抛石基床在波浪花作用下局部失稳和整体失稳机理、长期荷载作用的累积效应等总是基于非线性渗透流理论计算石体上的波浪渗流力；采用二维离散无和有限元耦合方法分析堆石体的时程响应和稳定性，进而优化断面。研究可望为工程中散体介质的移民定性和断面优化提供分析理论和方法。 2100433B

根据重力坝基本断面的几何特性，利用 ANSYS 的参数化设计语言 APDL 编制程序，先拟定一组初始条件对重力坝进行整体模拟、细化单元，得到各阶段的力学指标。然后使用 ANSYS 优化技术中的零阶优化方法进行重力坝断面优化设计，使重力坝在满足应力约束条件和抗滑稳定约束条件的前提下，其断面面积最小，实现设计的经济性和可行性。

溢流断面ANSYS 优化方法简介

ANSYS 中提供了两种优化方法： 第一种方法采用函数逼近的方法，称为零阶优化，本质是采用最小二乘法进行逼近，求取一个函数面来拟和求解，然后再对函数面求极值，这是一种普遍适用的优化方法，不易陷入局部极值点，但优化精度不是很高； 第二种方法是针对第一种优化方法缺点改进的方法，叫做一阶优化，是一种局部寻优的精确优化方法，它基于目标函数对设计变量的敏感程度，使用因变量对设计变量的偏导数，更加适合于精确的优化分析。

溢流断面重力坝优化过程

本例是以上游水位 自重 下游水位为设计工况进行设计，计算过程中这几项荷载同时作用在重力坝模型上，这样能模拟坝体实际受力状况，求得的结果能较好地反映实际情况，而不是几项荷载的叠加。选取 ANSYS 中 2 － D 实体结构单元 PLANE82 划分网格，实际的混凝土重力坝坝轴线往往较长，对于离开坝肩较远的坝段，按平面应变问题进行分析计算，得出的结果与实际情况很接近。坝体上下游地基剖分宽度为2 倍坝高，坝基剖分深度也是 2 倍的坝高。

1 前处理

模型建立为由下向上，先建立关键点，再由关键点直接生成面 。定义坝体和坝基的材料属性坝基，对坝基各条边分段，然后进行映射网格划分。

2 求解

施加边界约束条件和荷载，施加的荷载为自重 上游水压力 泥沙压力 下游水压力。

3 后处理

各单元体积，求和算出总体积，对各节点应力值进行排序，取出最大应力值。

4 进行优化设计

定义 7 个设计变量，一个状态变量和一个目标函数，用一阶优化法进行优化分析，可得到满足要求的最优化方案。

溢流断面优化分析

经过 ANSYS 零阶优化后，从设计变量随迭代次数变化的曲线可以看出，x₁ ，x₃ 和 x₄ 的变化较明显，x₂ 和 x₅ 的变化幅度不大，但断面面积显著下降。初始设计方案断面面积为105 278 m² ，利用ANSYS 优化技术进行多次迭代后，最小目标函数值即为 98 000 m² ，且 Mises 应力满足要求，节省了大约 20% 的用料，达到经济效益。 2100433B

在恶劣海况下，斜坡式防波堤的混凝土护面块体在波浪作用下会出现晃动和移位的水力失稳现象以及应力破坏的结构失稳现象。由于波浪与斜坡堤护面层的相互作用是一个涉及多种介质、多物理场和多尺度效应的复杂问题，目前国内外研究成果对复杂离散结构体系内的流场变化特性、波能衰减规律以及块体内应力分布和断裂机理等知之甚少。本课题旨在通过建立一个精细模拟波浪作用下斜坡堤护面块体失稳和破坏过程的三维流固耦合数值模型，开展斜坡堤离散护面块体周围的复杂三维流场变化特性、波能衰减规律以及块体失稳和断裂机理的基础研究，得到复杂形状护面块体空隙内的流速、压力以及块体内部应力随时间和空间的变化规律，研究成果将改变目前斜坡式防波堤主要设计参数的确定依赖物理模型试验的现状，解决无法定量评估斜坡式防波堤护面块体稳定性的难题，为斜坡式防波堤的设计、施工和修复提供一个新的技术手段。

空腹重力坝是较为经济的坝型，且常用在，溢流坝段部位.以往，比较系统地对空腹重力‘坝溢流断面进行优化设计的工作，在国内尚不多见.利用可行方向法，对其进行探讨，并给出一个计算实例。计算结果表明，优化后的溢流坝段断面可比常规采用的断面节省坝体工程量17.5%。

溢流断面基本假定

溢流断面的优化，采用以下一些基本假定：

1.溢流断面选用10个优化变量，即工x_1、x₂……x₁₀。

2.已知坝体与地基材料特性，并假定坝体和坝基的材料为均质、连续和各向同性的线弹性体，不考虑坝基中存在断层的情况。

3.坝踵控制应力采用坝基面以上3m处的坝踵应力，抗滑稳定采用抗剪断公式计算，但优化程序中亦有使用摩擦公式的功能。

4.不考虑温度荷载的作用，其作用由工程措施解决。

5.鉴于坝体主要计算荷载为水压力和坝体自重，扬压力对空腹坝体应力的影响随坝水体型变化并不明显，故优化过程中进行应力分沂时，暂不考虑扬压力(即在应力约束中，按重力坝规范中的无扬压力情况考虑)。

溢流断面优化数学模型

采用单位坝长的体积作为目标函数，应力计算采用8结点等参单元，坝基应力计算的边界范围可以变动.约束情况包括应力约束、稳定约束、水力学约束以及几何约束，并同时考虑在以下三种荷载组合情况下，得出最优解。

(一)荷载组合

1.正常水位水压力 坝体自重 闸墩重量 坝上设备荷载；

2.校核洪水位水压力 坝体自重 闸墩重量 坝上设备荷载十泄洪动水压力；

3.空库情况：坝体自重十闸墩重量十坝上设备荷载。

（二）应力约束

1.坝基面以上3m处坝踵不得出现主拉应力(在三种工况下)；

2.在第一种工况下，坝体上游面最小主压应力不得小于0.25rH(r为容重，H为计算应刀处的作用水头)；

3.在三种工况下，离坝基面3m以上的坝体主压应力值不得超过容许压应力值；

4.在三种工况下，空腹边缘最大主拉应力值不得超过坝体容许拉应力值；

5.在三种工况下，下游面最大主拉应力值不得超过容许拉应力值。

(三)稳定约束

1.在第一种工况下，抗滑稳定安全系数大于相应容许值；

2.在第二种工况下，抗滑稳定安全系数大于相应容许值。

(四)水力学约束

由于泄流挑距及下游冲坑深度等涉及水力学的问题多靠经验公式进行估算，巨又通过模型试验进行验证，故暂不加以考虑.所考虑的水力学约束，只是在校核洪水位闸门全开时，堰顶最大负压值不超过3~6m水头(按规范要求)的条件。

(五)几何约束

几何约束包括对变量的上、下界约束，以及变量间的相互几何关系。