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具有数值模拟的大坝的地震安全评估

比萨大学的研究人员正在使用数值模拟来研究地震和其他地震事件期间大坝安全评估的准确性和健全性。

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由杰玛教堂（Gemma Church）
2019年7月

结构完整性和遵守代码要求对于所有类型的大型建筑和建筑物的开发至关重要。数值模拟可能有很大的帮助，但仅与进入数学模型的假设一样好，并且在对大坝的地震安全评估方面，人们对更严格的方法的需求越来越大。大型结构的故障引起了严重的安全问题，并经常造成严重损害，地震期间风险更高。

大坝是跨河流和溪流建造的巨大障碍，以限制水的流动，​​例如灌溉和水力发电的产生。由于与土壤和水之间的独特相互作用，用于常规建筑物的建模技术并不直接适用于大坝。评估这些大坝 - 储层 - 土壤系统的行为是复杂的，并且已经近似并简化了多年。但是，通过由意大利比萨大学的研究人员团队领导的新努力，已经开发了大坝模拟的重新准确性和健全性，并希望使这些巨大结构的未来变得更加安全。

在地震激发的影响下，混凝土重力大坝，水库和土壤粉底作为耦合系统。由于涉及的高复杂性，因此不容易获得所需的计算复杂性。因此，经常通过简化的假设忽略或大致估算土壤结构的相互作用。不考虑这些相互作用的风险是大坝体内意外应力扩增的可能性。

土壤结构相互作用

运动学和惯性作用都是土壤结构相互作用的一部分，但很少考虑惯性作用。尽管运动学受土壤柔韧性的控制，并受到结构刚度的影响，但惯性效应受结构和土壤密度的影响。在激发下，组成一个水坝在土壤中来回移动的混凝土楔形物，但土壤并非无质量，并且不仅仅与平板一起移动。土壤和结构都直接相互影响，这种相互作用会产生穿过土壤的弹性波，从而将能量从系统中移走（图1）。这被称为“辐射阻尼”。

当前，模拟土壤对地震行为的影响由几种方法组成，但它们都有必需的东西。通过使用基于土壤类型的代码提供的响应光谱，在常规建筑模型中考虑土壤效应。但是，常规建筑物和大坝之间的结构差异使这些方法不合适。此外，对于大坝而言，一种称为“无数基础”模型（图2）的技术已在大坝创建分析中广泛实现，仅根据其边界的灵活性和位移来对土壤进行建模。通过忽略惯性效应并假设土壤是“无质量的”，系统中的所有动能都转移到了大坝的底部，这是不现实的，导致地震反应的大量高估。

用数值模拟提高复杂性

数值模拟允许比萨大学土地和建筑系统能源工程系的Matteo Mori探索他的模拟中的完整土壤结构相互作用。莫里说：“Comsol®的灵活性使其成为使用最直接的软件，在我们的情况下，我们欣赏可用于研究弹性或声学的功能的广度。”“它本质上是全面的，也是我们研究的强大工具。”

需要在上下文中考虑任何新技术来建模混凝土重力大坝的生存能力，因此莫里决定在多种情况下运行三种不同的模型。他研究了地震激发下每个系统的动态响应，并比较了发现。图3显示了三个模型，即刚性基础，无质量的基础和（完整的）无限地形分析；每个人都有超越前者的额外精致程度。

蓝色矩形区域代表水库，三角形区域代表大坝，大矩形区域代表土壤。无质量模型中的土壤结构域仅仅是，无质量的土壤仅具有柔韧性和位移。

为了确保模型类型的一致性，建立了模拟地震激发的水平谐波加速度边界条件（绿色，红色和蓝线），以使大坝处的基部加速度相同对于所有三个型号。第三个模型中使用了Comsol中可用的全局方程功能，以确保边界允许波通过。

无限地形模型的一个关键方面是围绕土壤的完美匹配层（PML）。PML在ComsolMultiphysics®软件中的一个强大功能，无论角度和频率如何，PML都吸收了所有入射波，从而阻止它们在边界处发生在发病率后返回介质。此功能有助于融合辐射阻尼和能量耗散，将土壤结构域的无限性视为一种完美的吸收材料，并产生混凝土板的腐烂振荡，而不会反射能量波。

莫里说：“ Comsol提供了进行准确的多物理模拟的合适工具，包括完全耦合的流体结构相互作用（FSI）分析和无限域。”在小振动和被忽视的粘度的假设中，使用Helmholtz方程来解决流体子系统，用固体力学解决了土壤和大坝子系统，并以PML功能为模型。

在上下文中获得结果

通过将多种场景应用于65米高的混凝土整体，即空的和填充的储层，可以评估无限地形模型的健全性。此外，填充的盆地通过两种方式进行模拟：完整的弹性波耦合和简化的“添加质量”模型。增加的质量是模拟盆地的流体动力效应的一种方法，也称为“虚拟质量”。随着平板的加速，它也必须移动相邻的水，因为两者不能同时占据相同的物理空间。这增加了惯性，从本质上增加了平板的有效质量。

从这些模拟中获得的结果是用每种盆地场景（空储层，添加质量和完全相互作用）的每种技术（刚性基础，无限的地形和无限地形）计算的。与刚性基础和无质量基础模型相比，无限的地形技术（蓝色曲线，图4）显着降低并平滑所有三种情况下的峰值响应。正如预期的那样，由于新实施的辐射阻尼的考虑，这种平滑是预期的。由于这种现象将能量从系统中消散到无限的地形（用PML模拟）中，因此将较小且更现实的动能传递到板上。其他两种建模技术无法解决这一点。

如图5所示，机械位移，流体压力和机械能通量也存在明显差异。而无质量模型显示循环流线（代表声学通量），没有定义的传入波阵，而无限的地形地形，model’s energy flux is clearly directionally defined. This is both visually and qualitatively indicative of the radiation damping that transmits energy away from the system, and it confirms that lower amounts of energy are transferred to the dam.

最后一步和未来的工作

“模型的忠诚是我们工作中最大的挑战，因为这不是数学上完美的问题，准确的预测很困难。无限的地形模型是一种可以被视为一个很好的解决方案的方法，但是我们现在仍需要一些发展，我们现在正在努力。”莫里说。“混凝土是一种脆弱的材料，”莫里解释说。“我们希望能够识别大坝结构中的裂缝。”

他们计划从加速图中实施反价vol的实验数据，这些数据可以监视地震活动以在其模型中设置更准确的边界条件。这将为意大利以及世界各地的大坝建模带来巨大的力量和准确性。