水利工程中MIDAS計算軟件的應用

摘?要：在智能水利快速發展的背景下，在水利工程中合理運用計算機分析軟件則成為提升項目管理能力的重要組成部分。在本次研究中，本文將立足于MIDAS計算軟件，從多個維度入手闡述了MIDAS計算軟件的應用方案。從案例項目的應用結果發現，在水利工程中運用MIDAS計算軟件可以更深入地了解水利工程項目信息，幫助相關部門進行質量管理，這對于保障水利工程安全的意義重大。

關鍵詞：水利工程；AIDAS計算軟件；泄流孔；拱槽

水利工程項目普遍具有工程量大、施工周期長的特征，導致工程項目在施工建設中可能面臨更多的質量、安全風險，這對于水利工程項目的長期運行是不利的。因此在信息技術快速發展的背景下，相關學者提出了運用計算機分析軟件來評估水利工程項目性能的方法，通過建立仿真模型進行數據處理，可以更直觀地評價水利工程現狀并分析其中存在的質量問題，具有可行性。其中MIDAS計算軟件因為具有很強的適應性與數據處理能力成為當前水利工程質量評估的關鍵技術，值得關注。

1?MIDAS計算軟件分析

MIDAS計算軟件又被稱為邁達斯軟件，是基于結構設計有限元分析的數據處理軟件，在橋梁領域具有廣闊的應用前景。作為一種功能齊全的處理軟件，在水利工程項目中可以完成非線性邊界分析、水化熱分析、材料非線性分析、靜力彈塑性分析、動力彈塑性分析，可以完成高端非線性分析與細部分析，并且該軟件的操作難度低、上手速度快，這也為該軟件的進一步推廣奠定了基礎［1］。

在水利工程項目中，MIDAS軟件的優勢主要集中在以下內容：（1）MIDAS軟件可以通過構建三維模型的方法仿真水利工程項目的結構信息，根據軟件仿真結果可以發現水利工程結構中的缺陷，幫助相關人員改進水利工程不足［2］。（2）MIDAS軟件可以提供多個應用場景，因此該軟件可以用于不同水利工程處理，模擬水利工程不同工況下的狀態，充分滿足工作人員操作的要求［3］。

2?MIDAS計算軟件在泄漏孔加固結構設計中的應用

2.1?項目背景

近幾年某地區的防洪形勢嚴峻，現有水閘的最大工作流量達到了260m3/s，并且水閘前存在嚴重的泥沙淤積問題，嚴重影響了水工建筑物的性能。根據對該水閘的相關調查結果發現，因為該水閘的建成時間長，再加之上游地區存在大量泥沙淤積問題，導致河口水閘水流紊動，具有泄漏孔存在險情，嚴重影響了該水閘的功能，所以需要對泄流閘孔做加固改造。并且設計人員通過研究發現，水閘泄流孔與閘門在靜載作用下可能會出現明顯的變形，這對于保證結構穩定性是不利的，需要對結構進行優化。

而相關部門在對現場進行調查后，發現閘孔中滲流場活躍，設計水位工況下浸潤線高度處于孔側壁位置，在靜載作用下會導致水閘泄流孔出現嚴重的拉應力特征，這一情況會直接影響結構穩定性。所以為了解決該問題，相關部門決定利用MIDAS計算軟件做進一步處理。

2.2?軟件模型仿真

為了更直觀顯示水利工程項目的相關信息，在MIDAS計算軟件上建立了泄流孔加固后的有限元模型［4］。該模型中包括約12.6萬個微單元，模型底部采用了多向約束的方法，頂部為單向約束方法，模型中各個部分的物理力學均根據現場實測值計算。在該模型中，X軸為順水流量，Y軸為閘室垂直向上；Z軸為水流橫向右岸。在該模型的基礎上，可以完成鋼結構橫截面的結構設計與參數優化。

2.3?設計參數優化方案

在該項目中為了更深入地判斷鋼結構橫梁結構設計對水利工程性能的影響，工作人員在MIDAS計算軟件中進行仿真，在確保橫梁高度小于等于跨距1/4的參數標準下，分別設置了不同橫梁高度設計方案（在軟件模擬中，分別設置橫梁高度為1.0m、1.1m、1.2m、1.3m、1.4m、1.5m），在其他數據保持不變的情況下，在軟件中開始模擬下泄流閘中多個關鍵部位所產生的應力變化情況。

2.3.1?不同鋼結構橫梁高度的拉、壓應力特征模擬

2.3.1.1?拉應力結果

在MIDAS計算軟件的支持下，該項目在軟件上模擬不同方案的應力變化，最終獲得了不同橫梁高度下的最大拉應力變化情況。根據MIDAS計算軟件的模擬結果可知，當橫梁高度為1.0m時，縱梁的最大拉應力達到了38MPa，孔壁的拉應力達到了3.3MPa；而隨著橫梁高度的增加，上述兩個部位的拉應力不斷下降，當橫梁高度達到15m時，總量最大壓應力下降至2.7MPa，孔壁的最大壓應力下降至2.2MPa。相比之下，當橫梁高度從1.0m演變至1.5m時，水閘所承受的最大拉應力無明顯變化，相關資料如圖1所示。

根據圖1所介紹的信息可以發現，在三個關鍵部位中，縱梁所承受的壓應力最大，閘門所承受的拉應力最小。根據MIDAS計算軟件模擬的相關資料可知，通過改變橫梁截面體形會改變水工建筑物的結構受力情況，其中結構張拉危險面主要集中在縱梁上。因此根據這一結果可以認為，在未來結構設計中應重點關注橫縱梁體穩定性。

同時根據本次的相關結果可知，通過比較不同橫梁高度參數設計方案中的最大應力變化，隨著橫梁高度減少會導致孔壁與橫梁的最大壓應力下降，其中隨著高度的下降，壓應力的降幅約為30%～38%，在進一步分析其中的數據變化趨勢后可以發現，橫梁高度在1.0～1.3的區間內具有更明顯的張拉抑制效應，對于控制結構建造成本的意義重大。并且因為閘門所承受的最大壓應力變化不明顯，從方案性能的角度來看，當橫梁高度為1.3m時，閘門、泄流孔壁與縱梁的最大壓應力處在安全區間內，并且該結構對于抑制泄流閘張拉的作用滿意。

2.3.1.2?應力特征研究

通過計算不同方案中關鍵部位的最大壓應力變化，本文在MIDAS計算軟件中進行模擬，此時根據計算結果可以發現，在該結構中壓應力最大部位是孔壁，其中當橫梁高度達到1.1m時，孔壁所承受的壓應力值達到了12.5MPa，而在相同的高度下，閘門的壓應力約下降62.0%，縱梁的壓應力約下降21.8%。從整體數據來看，在不同設計方案中孔壁壓應力與閘門、縱梁等部位存在較大的差值，其中最高值達到了41.5%。同時根據MIDAS計算軟件的模擬結果也發現，隨著橫梁高度的增加會導致孔壁、縱梁的最大壓應力變化，二者之間呈現出正相關關系。所以從結構優化的角度來看，在案例水利工程項目設計中，橫梁高度為1.3m時結構的拉應力水平較為理想，是一種較為理想的設計方案。

2.3.2?鋼結構橫梁寬度對拉、壓應力的影響

在該項目中在上文背景的基礎上，工作人員通過MIDAS計算軟件來判斷不同橫梁寬度對拉應力與壓應力的影響。

2.3.2.1?拉應力變化

根據MIDAS計算軟件的仿真結果，本文統計了相同工況下不同部位的拉應力變化情況，詳細的數據資料如圖2所示。

根據圖2的統計結果可以發現，隨著橫梁寬度的變化，縱梁、孔壁與閘門的數據變化趨勢基本相同，表現出“先減少后增加”的數據波動情況，這一結果提示隨著橫梁寬度的變化，會對水利工程項目性能產生直接影響，橫梁寬度已經成為不容忽視的問題。以縱梁為例，當橫梁的寬度達到1.0m時，縱梁的最大壓應力數值達到了2.7MPa，但是當橫梁的寬度提升至1.2m時，壓應力的降幅約為43%；但是隨著橫梁寬度的增加，當其寬度值為1.3m、15m時，與1.2m相比數據相比增幅約為13%與52%。根據圖2的數據可知，在MIDAS軟件仿真中發現三個部位的最小拉應力值均為1.2m。所以根據這一結果可以認為，當橫梁寬度在1.0～1.2m的區間時，應力降幅較為明顯，對結構張拉的抑制作用更明顯，因此最終結果顯示當橫梁寬度達到1.2m時，結構的抗拉效果最理想。

2.3.2.2?壓應力變化情況

根據軟件模擬結果可知，橫梁寬度會直接影響不同部位的最大壓應力數值，而根據其中的數據變化可以發現，橫梁寬度與縱梁、孔壁以及閘門之間存在二次函數關系，其中當寬度達到1.2m時各個部位所產生的壓應力達到最大值，其中閘門拉應力為8.3MPa，泄流孔的壓應力為142MPa，縱梁為11.2MPa。并且在1.0～1.2m的區間中，隨著寬度的增加壓應力的增幅越大，與1.0m相比，三個指標的數據增幅均值超過20%。而當寬度大于1.2m之后，壓應力明顯下降，其中在1.2～1.5m的數據區間中，壓應力的平均降幅約為15%。所以根據這一組數據變化情況可以發現，當橫梁的寬度達到1.2m時，水利工程結構的抗拉性能最滿意。

2.4?效果評價

根據案例工程項目的經驗，在該水利工程項目中通過MIDAS計算軟件可以模擬不同橫梁寬度與橫梁高度對水工建筑物結構穩定性的影響，最終根據MIDAS計算軟件的仿真可以發現，當橫梁寬度為1.2m、橫梁高度為1.3m時結構穩定性最好，因此根據這一組數據可以認為，通過MIDAS計算軟件可以用于指導泄漏孔加固結構設計，就有可行性。

3?MIDAS計算軟件在拱槽設計中的應用

3.1?項目背景

某水庫是一座集農業灌溉、生活供水等于一體的綜合性水利工程項目，工程項目多年的平均供水量達到了2200萬立方米。為滿足周邊地區農業生產以及生活的要求，在該水利工程設計中決定新增一座拱槽，設計流量為25m3/s，加大流量約為3.1m3/s。而為了分析該拱槽結構的合理性，該項目中相關人員通過MIDAS計算軟件來判斷不同工況下水工建筑物的荷載變化情況。

在本次工程中分別設定了兩個工況，其中工況一為：恒載＋水壓力＋人群荷載＋風荷載＋溫度升降＋土壓力＋混凝土收縮。工況二為：恒載＋地震荷載。

在上述兩種工況的基礎上，確定案例工程項目的荷載工況，基本資料包括：（1）項目恒載設定中，拱肋、排架、系梁與基礎鋼筋混凝土的容重按照25kN/m3的標準值進行

計算。（2）渡槽槽身結構作用力計算中，可根據槽深計算

結果反力施加在排架蓋梁支座位置。同時針對拱肋等結構，還需要考慮橫向風荷載對結構穩定性的影響。（3）溫度變化環境設定中，設定的溫度變化為整體降溫20℃與整體升溫25℃。（4）計算拱座背土壓力時需要記錄水平壓力強度。（5）地震荷載參數計算中，設定地震動峰值加速度為0.1g，通過反應譜法計算出代表值為2.25，地震作用效應折減系數為0.35。

3.2?模型的構建與計算

該項目中利用MIDAS計算軟件構建了拱槽模型，之后分別針對兩個工況展開驗算，最終的驗算結果如表1所示。

同時在兩種工況下，力與彎矩平衡的數據存在一定的差異，其相關數據如表2所示。

3.3?效果評價

從表1、表2的相關數據進行分析后，判斷拱槽結構的穩定性，根據其中的相關數據可以發現結構穩定性等關鍵指標符合穩定性要求，在荷載作用下可以避免水工建筑物出現嚴重的結構變形，提示結構的剛度良好，其性能滿足設計要求［5］。

結語

在水利工程中運用MIDAS計算軟件可以提升工程項目效果，根據本文對不同案例的研究發現，在MIDAS計算軟件運用之后，該技術可以模擬不同工況的結構信息，并判斷水工建筑物的受力情況，對于指導水利工程項目結構設計與施工的意義重大，因此相關人員應該深入了解MIDAS計算軟件的技術優勢與操作方法，通過該軟件不斷改進水利工程項目的管理辦法，最終為切實保障水利工程施工順利進行奠定基礎。

參考文獻：

［1］白崇宇.基于Midas的抽水蓄能電站水庫邊坡穩定性分析［J］.水利技術監督，2022（08）：7073+129.

［2］寧博，崔冬.基于MIDAS?GTS?NX的泵站站身結構仿真分析及應用［J］.水利規劃與設計，2022（06）：112119.

［3］朱熙，陳虹旭，唐志波.MIDAS?Civil在穆家溝水庫鯽江河渡槽受力計算中的應用［J］.陜西水利，2021（12）：1012+18.

［4］施得兵，李寧，焦婷麗.碾盤山水利樞紐泄水閘泄流能力模型試驗研究［J］.水電與新能源，2021，35（2）：1516，71.

［5］王登贇，孟凡淇.基于MIDAS?GTS?NX的鋼壩閘埋件與土建結構連接應力分析［J］.水利技術監督，2021（09）：4648.

作者簡介：譚政（1989—?），男，漢族，湖北荊州人，碩士，中級工程師，從事水工結構設計工作。