混凝土坝全坝全过程仿真系统SAPTIS自主研发软件发展历程及功能

发布时间： 2022-03-17 来源：水电中心【打印】【关闭】

SAPTIS（Structure Analysis Program for Temperature and Induced Stress）是中国水利水电科学研究院独立开发的大型结构多场仿真与非线性分析软件，最早开发始自张国新教高的硕士论文，至今已有30多年的开发应用历程，该软件发展的关键性节点简述如下：

1985年，稳定温度场、准稳定温度场及相应的温度应力计算功能。

2001年-2005年，前后处理模块，混凝土坝浇筑、洞室开挖、温度、变形、应力等多场仿真等功能。

2006年，结构非线性分析等功能，多线程并行，可求解500万自由度问题。

2008年，混凝土钢筋锚索锚杆耦合分析功能。

2011年，温度场、渗流场，应力场多场耦合分析功能。

2014年，实现GPU并行，计算效率大幅提升。

2015年，计算能力突破亿级自由度。

2016年，开发混凝土多尺度模拟功能。

2018年，计算能力突破十亿级自由度。

2021年，计算能力突破百亿级自由度。

目前该软件包括前处理、仿真分析、后处理三部分。在软件前处理部分，基于块体切割理论、块体搜索和块体识别算法以及Delaunay三角剖分算法，建立了复杂地质构造-混凝土结构系统的几何精细建模方法，可根据结构体型、施工信息、分仓分块信息、地形等高线、地质构造产状、剖分信息自动生成混凝土结构有限元计算模型。

在软件仿真分析部分，该软件基于温度场、渗流场、弹塑性力学、损伤力学、徐变、接触、多场耦合以及有限元仿真分析方法与理论，采用C++和FORTRAN语言混合编制，涵盖了施工过程仿真分析、温度场分析、渗流场分析、线弹性徐变应力分析、弹塑性分析、损伤分析，冻融损伤分析、混凝土劣化分析以及多场耦合分析等功能。

在软件后处理部分，根据仿真计算程序输出的计算结果，可自动画出温度、渗流、变形、应力等输出变量的等值线云图、包络图、矢量图、过程线。

一、软件特点

1、仿真计算功能强大。SAPTIS能够进行混凝土结构设计阶段、施工期以及运行期工作性态的全过程仿真计算，包括气象变化过程、基岩开挖过程、回填支护过程、混凝土浇筑过程、混凝土水化硬化过程、温度控制过程、封拱灌浆过程、分级蓄水过程以及长期运行过程；能够进行弹性、理想弹塑性、粘弹塑性、软化弹塑性、损伤以及时效非线性计算；集成了基于多维非线性规则的开闭迭代算法，可以正确模拟结构中各类缝的接触非线性；能够进行应力（变形）场、温度场、渗流场和徐变场耦合计算。

2、仿真计算精度高。仿真计算中能够考虑真实边界条件、真实材料参数、真实本构模型以及真实施工蓄水过程，仿真模拟结果与原型观测规律一致，位移计算偏差较实测偏差5%以内。

3、计算规模大，效率高。本软件系统基于JAUMIN高性能框架软件平台，可部署于具备高性能计算环境的国家超级计算机，通过大规模跨节点异构并行计算，可调用数十万核，可实现100亿自由度规模的仿真计算。

4、紧密结合工程实际，应用广泛。仿真分析软件SAPTIS历经30年的发展，已成功应用于国际、国内上百座工程，包括混凝土坝、水闸、渡槽、升船机、隧洞等。已建成的二滩、小湾、溪洛渡、丹江口、三峡、南水北调渡槽、隧洞、泵站等工程结构均应用SAPTIS进行了工作性态仿真分析。在建的乌东德、白鹤滩、大藤峡、三河口、引江济淮等已全面应用SAPTIS进行跟踪仿真分析与服务。据不完全统计，近20年建成的百米级混凝土坝工程中有80%以上应用了SAPTIS。服务合同额累计3.5亿元。

表1 SAPTIS应用工程概览

序号	工程名称	类型	坝高	序号	工程名称	类型	坝高
1	松塔（预可研）	拱坝	313	37	善泥坡	拱坝	129
2	锦屏一级	拱坝	305	38	杨房沟	拱坝	155
3	小湾	拱坝	294.5	39	周公宅	拱坝	125
4	马吉（可研）	拱坝	290	40	大古	重力坝	126
5	白鹤滩	拱坝	289	41	武都	重力坝	120.34
6	溪洛渡	拱坝	285.5	42	龙开口	重力坝	119
7	乌东德	拱坝	270	43	丹江口加高	重力坝	117
8	拉西瓦	拱坝	250	44	街需	重力坝	117
9	二滩	拱坝	240	45	藏木	重力坝	116
10	孟底沟	拱坝	240	46	棉花滩	重力坝	113
11	QBT	拱坝	240	47	索风营	重力坝	115.95
12	东庄（可研）	拱坝	230	48	藤子沟	拱坝	124
13	旭龙	拱坝	213	49	石门坎	拱坝	111
14	大岗山	拱坝	210	50	龙江	拱坝	110
15	叶巴滩	拱坝	210	51	黄花寨	拱坝	110
16	黄登	重力坝	203	52	马马崖一级	重力坝	109
17	光照	重力坝	200.5	53	景洪	重力坝	108
18	龙滩	重力坝	192	54	五噶冲	拱坝	108
19	三峡	重力坝	181	55	大华桥	重力坝	106
20	JH	拱坝	167.5	56	功果桥	重力坝	105
22	东风	拱坝	162	57	白莲崖	拱坝	104.6
23	向家坝	重力坝	162	58	下会坑	拱坝	100.5
25	观音岩	重力坝	159	59	山口岩	拱坝	99.1
26	托巴	拱坝	158	60	岩滩	重力坝	110
27	东江	拱坝	157	61	李家河	拱坝	98.5
28	天花板	拱坝	113	62	大丫口	拱坝	99
29	三河口	拱坝	145	63	布尔津山口	拱坝	94
30	象鼻岭	拱坝	141.5	64	伦潭	拱坝	90.4
31	江口	拱坝	140	65	务川沙坝	拱坝	87
32	丹达河	拱坝	137	66	五强溪	重力坝	85.83
33	大花水	拱坝	134.5	67	铜街子	重力坝	82
34	立洲	拱坝	132.5	68	大藤峡	重力坝	80
35	土溪口	拱坝	132	69	丰满重建	重力坝	94.5
36	江垭	重力坝	131

二、软件功能

1、仿真计算功能

结构多场仿真与非线性分析软件SAPTIS计算功能全面、强大，可以模拟“九个过程”、“四场耦合”、“三个非线性”和“一个迭代”。其中，“九个过程”包括气候变化过程、基岩开挖过程、回填支护过程、混凝土浇筑过程、混凝土硬化过程、温度控制过程、接缝灌浆过程、分期蓄水过程以及长期运行过程；“四场耦合”是应力（变形）场、温度场、渗流场和徐变（蠕变）场的耦合作用；“三个非线性”包括弹塑性非线性、损伤非线性以及时效非线性；“一个迭代”是指集成了基于多维非线性规则的开闭迭代算法，可以正确模拟坝体及地基中各类缝面的接触非线性。

（1）九个过程

结构的受力和变形对过程有很强的依赖，因此需要对各个过程进行仿真模拟。

①气候变化过程。SAPTIS可模拟温度、降雨、风等气候变化如对工程边界条件的影响，进而模拟由此带来的边界温度，表面散热系数、湿度等工程边界条件的变化对工程结构的影响。

②基岩开挖过程。作为筑坝基础的基岩由于受到长期的地质作用，往往存在较高的地应力，开挖过程中地应力随之变化，并影响到大坝后期的受力和变形。SAPTIS可考虑开挖过程中地应力的变化和岩体的松弛过程，进而模拟其对后期工程受力的影响。

图1 SAPTIS仿真平台“9-4-3-1”模式

③回填支护过程。混凝土回填等基础处理措施，及其他支护措施，不仅影响处理后的基础参数，也影响到基础的初始受力。SAPTIS可以模拟每一项处理措施对变形和受力的影响。

④混凝土浇筑过程。混凝土坝的应力，尤其是高坝的应力与浇筑过程密切相关。混凝土坝的浇筑过程要分缝分块，按仓逐步上升，每一仓混凝土的自重由其下部混凝土承担，因此会引起坝段的倒悬变形及相邻坝段接缝的张开和挤压变形。这些变化过程直接影响着坝体在施工期和运行期的受力。SAPTIS可以精细的模拟大坝每一仓混凝土的浇筑过程。

⑤混凝土硬化过程。大坝的分层分块浇筑直接影响着大坝的变形和应力分布。混凝土作为一种时效硬化材料，自拌合之时起开始水化反应，放出热量，并逐步硬化，温度的变化作为荷载作用于整个结构，硬化过程中混凝土参数不断变化。SAPTIS采用多种仿真模型模拟混凝土硬化过程，包括绝热温升模型、弹模硬化模型、自生体积变形模型、徐变模型、强度增长模型等。

⑥温度控制过程。温度控制可分为4个主要环节：拌合楼环节、运输环节、浇筑环节、通水冷却环节。任何一个环节的温控措施都会影响到后续坝体的温度、应力和变形。SAPTIS采用过程模拟和时效模型模拟各环节的作用，从而实现温控全过程的仿真模拟。

⑦接缝灌浆过程。混凝土坝采用分缝、分块浇筑，释放了温度变化引起的部分温度应力。接缝灌浆前，各坝段单独受力，灌浆后大坝作为整体承担后续荷载增量，灌浆过程中灌浆压力作用于缝面。接缝灌浆影响了大坝在灌浆过程中及其后续的受力状态，SAPTIS可以模拟这个过程。

⑧分期蓄水过程。高混凝土坝一般采用分期蓄水，各期蓄水的水荷载由蓄水当时的坝体承担，大坝封拱灌浆完成后的荷载增量（温度荷载、水压荷载）由大坝整体承担，分期蓄水过程很大程度上影响大坝受力，这个过程的仿真模拟对大坝真实工作性态有重要影响。

⑨长期运行过程。大坝建成后水位、温度呈周期性变化、基岩及混凝土参数同样随时间变化，这些变化过程都会影响到大坝不同时期的工作性态。SAPTIS可对长期运行过程的工作性态进行仿真模拟。

（2）四场耦合

四场耦合是指应力（变形）场、温度场、渗流场和徐变场的相互作用。混凝土结构的温度场变化会影响变形、渗流和徐变（蠕变）；变形场会影响渗流和徐变；渗流场会影响变形、温度，进而影响徐变；徐变场会影响到应力和变形，进而影响渗流。这四个场在仿真分析过程中互相影响，互相耦合。SAPTIS可以模拟这些相互作用。

（3）三个非线性

①弹塑性非线性。弹塑性模型是力学领域中结构非线性分析的最常用模型，SAPTIS考虑了弹性、理想弹塑性、粘弹塑性、软化弹塑性等多种弹塑性非线性模型。

②损伤非线性。损伤模型是非线性分析中的常用模型。SAPTIS中集成了多种损伤模型，可用于模拟大坝受力后局部的损伤和开裂。

③时效非线性。用于大坝工程建设的岩土、混凝土等材料的力学参数和长期变形都具有时间效应，即变形随时间不断增大，应力随时间不断重分布，并且这种时间效应具有显著的非线性特性。SAPTIS集成了多种时效非线性模型，可以很好的模拟各种材料的时效作用。

（4）一个迭代（开闭迭代）

结构中存在各种缝，如横缝、纵缝及裂缝，此外岩体中也存在多种节理和裂隙，这些缝的存在对结构的受力和变形具有重要影响。在实际工程中，缝处于开、闭、粘接、滑动等多种接触状态，具有较强的非线性性质，缝的接触状态的正确模拟是结构分析正确性和准确性的重要保证。SAPTIS集成了基于多维非线性规则的开闭迭代算法，可以正确模拟众多缝的工作性态。

三、应用范围

结构多场仿真与非线性分析软件SAPTIS广泛应用于混凝土坝、水闸、渡槽、升船机、隧洞等复杂水工结构的数值模拟，如水工结构的应力计算与安全评估、温度场分析、渗流场分析、工作性态跟踪反馈、变形与稳定分析、损伤开裂分析等。

1、进行可研阶段、设计阶段混凝土坝渗流、温控、应力以及极限承载能力和安全度的计算分析，为大坝设计提供技术支持。

（1）渗流场计算分析

可精细模拟拱坝防渗帷幕、排水孔幕等渗控措施，进行三维渗流场计算分析。研究不同渗控方案下的坝基及库区渗流场分布规律，为防渗帷幕设计提供依据。