GTS在水利工程中的应用

MIDAS/GTS 在水利水电工程中的应用
MIDAS/GTS 不仅是通用的分析软件,而且是包含了岩土和水利工程领域最近发展技术的 专业程序, 其功能包括应力分析、施工阶段分析、渗流分析、固结分析以及其他功能，在水利 水电工程的设计和安全校和中得到了广泛的应用，取得了较好的效果。 MIDAS/GTS 为全面、深入分析水利水电工程中的问题提供了强有力的支持。如：提供了 极为常用的Duncan-Zhang岩土材料本构模拟堆石坝和多数中国地区地质；提供基于达西定律的 稳态流和非稳态流分析以及渗流/应力耦合分析； 提供丰富的岩土力学的模拟方法用于确定地质 地层中出现的断层、软硬夹层、节理裂隙等特殊的地质带特性；提供了随施工阶段变化的边界 应力释放系数；提供了各种动力时间积分技术和振型迭代技术，为不良地质带的动力抗震分析 提供了坚实的基础；提供了各种动力分析方式：自振周期、反应谱分析（频域分析）、时程分 析（时域分析），且程序内含地震波数据库、自动生成地震波、与静力分析结果的组合功能。 MIDAS/GTS 解决的水利水电工程问题包括： 水坝（包括堆石坝、重力坝、拱坝）的三维仿真模拟 水坝（拱坝、重力坝、堆石坝）的动力抗震分析； 大型渡槽结构 地下管道以及架空管道结构中存在的地震响应分析、管道与土的相互作用 堆石坝方面的应用（邓肯模型） 固结沉降、渗流等等 坝体徐变方面的分析 （2007年12月Ver 300版本） 水下结构抗震分析 水闸、底板等辅助结构的设计和分析 电力系统结构抗震分析 地下厂房开挖施工阶段分析 土石坝施工阶段的稳定分析 一、大坝应力-应变静力分析 MIDAS/GTS提供了直观的三维建模功能，对大坝地层面的模拟提供了多种方式，可以很 方便的对大坝进行三维实体模拟。 MIDAS/GTS提供了施工阶段分析，可以按照施工填筑和蓄水过程，模拟坝体分期加载的 条件，并反映坝体不连续界面的力学特性。
大坝实体示意图 MIDAS/GTS提供了丰富的土体材料本构模型，同时也可以根据用户的需要进行自定义。
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应力变形计算可采用非线性弹性应力应变关系分析，也可采用弹塑性应力应变关系分 析。 - Linear Elastic 线弹性 - Mohr-Coulomb 弹塑性, 软化 - Tresca 弹塑性 - von Mises 弹塑性 - Drucker-Prager 弹塑性 - Transversely Isotropic 各向异性弹性 - Duncan-Chang 双曲线，非线性弹性 - Hoek-Brown 弹塑性 - Jointed Rock 各向异性弹性-各向异性塑性 - Cam-Clay 弹塑性 - Modified Cam-Clay 弹塑性 - Strain Softening 应变软化 - 2D/3D Interface 弹塑性, 摩擦和粘结 - 用户自定义 二、渗流分析 渗流稳态/瞬态分析 从饱和区域到未饱和区域使用Darcy’s原理 在van Genuchten和Gardner’s公式中用户可自定义未饱和特性 计算输出结果及示意图： 确定坝体浸润线及其下游出逸点的位置， 绘制坝体及坝基内的等势线分布图或流网图； 确定坝体或坝基的渗流量； 确定坝坡出逸段与下游坝基表面的出逸比降，以及不同土层之间的渗透比降 确定库水位降落时上游坝坡内的浸润线位置；
坝基截流总水头图
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坝基截流流线图
不同库水位时浸润线图
心墙坝的渗流分析 三、稳定分析 MIDAS/GTS提供了基于强度折减法的边坡稳定分析，可以对土石坝施工、建设、蓄水和库水位降 落的各个时期不同荷载下分别进行稳定性分析计算。
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边坡稳定分析 四、应力-渗流耦合分析 考虑孔隙水压力-渗流分析应力耦合的有效应力分析
应力-渗流耦合分析对话框
基坑开挖应力渗流耦合分析总水头结果 五、动力抗震分析 各种动力分析(自振周期、反应谱、时程) 内含地震波数据库、自动生成地震波、与静力分析结果的组合功能。
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重力坝动力抗震分析 采用MIDAS-GTS对中等高度重力坝进行动力抗震分析， 研究各种参数对重力坝响应及其开 裂的影响。
坝体在地震过程中的运动
位移时程曲线
一点的高度位移时程曲线 六、特殊材料本构在水利工程中的应用 MIDAS-GTS提供了丰富的本构模型， 以下主要说明Duncan-Zhang模型在堆石坝等水利工程 上的应用。
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混凝土堆石坝示意图
邓肯－张模型
高度方向的沉降位移
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顺河道方向位移
七、水工地下厂房施工阶段的模拟 地下厂房洞室群设计施工方法特点是：完全根据地下厂房第一层开挖揭示的实际地质情况 修正三维弹塑性FEM计算模型，真实模拟施工单位现场赶工期的“平面多工序、立体多层次”施 工作业顺序，合理考虑洞室群开挖间的相互影响，在此基础上进行三维洞室群的预测解析，根 据计算结果进行下一层开挖前的支护设计；在进入下一层开挖时，对开挖面加强现场同步开挖 观测，及时分析观测资料，对观测分析中发现的一些重点施工支护部位适时加固，确保围岩支 护安全稳定。 地下厂房采用尾部布置方式，由主副厂房、主变洞、尾水事故闸门洞3个平行排列的主要洞 室，以及用于电缆、交通、通风、排水的洞室与竖井组成 。
地下洞室群的三维模拟
洞侧位移云图
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八、水工固结沉降模拟 在荷载作用下，土体内部含水缓慢渗出，体积逐渐减小，称为土体的固结，它使土体产生 压缩变形，同时也使土的强度逐步增大，因此，土体固结即使地基产生沉降，也控制着地基的 稳定，是土力学中的一个重要课题，也是基础施工、堤坝施工、地基加固、基础开挖、边坡稳 定分析等过程中至关重要的问题。
护岸结构-防浪堤的固结分析
固结分析孔隙水压力图
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MIDAS/GTS在水利水电工程运用中的主要特点： (1) 直观的三维建模 - 高级实体/面建模 - 自动划分网格 - 考虑岩层特性的三维地表、地层面生成功能 - TGM（地形生成器） - 复杂边界和荷载的设置 (2) 多种分析功能和材料模型 - 复杂施工阶段的模拟 - 三维接触单元 - 应力-渗流耦合分析 - 地下水渗流(稳定流/非稳定流)分析 - 固结分析功能 - 材料模型的多样性 - 各种动力分析(自振周期、反应谱、时程) (3) 卓越的分析规模和分析速度 - 分析规模 (单元200,000个) - 分析速度 (相对同类软件而言快3～5倍) (4) 直观亲和的图形后处理 - 等值线图，矢量图，等值面 - 曲线图显示 - 时间历程结果 - 任意结果标记功能 - 动画显示 - 三维空间切断功能 - 输出表格 - 输出文本 (5) 计算书自动生成 - 模型信息和分析结果计算书的自动输出功能(xml, xsl) - 模板功能
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