摘要：通过对当前水工结构有限元次的计算和分析，明确了水工结构对边界条件所造成的影响，通过对建设在水工结构上覆盖层上的沥青混凝土的石坝的施工建设明确到，使用平面非线性有限单元的方式进行对相应的计算进行分析，最终明确了边界状况下防渗墙以及沥青混凝土心墙的应力特性，为相应的水工结构边界条件的计算设计提供了设计的经验和基础。
关键字：水工结构；有限元；计算；边界条件；影响
当前，在水土的覆盖层之上建设土心坝，一般都使用防渗透墙基于基岩中，同时使用接心墙共同构成了垂直的防渗体系，从而能有效截断覆盖面和坝体内部的渗漏的通道，从而有效减少了渗透的损失，在很大程度上保证了坝体在实际运行过程中的安全和稳定性。在土石坝体的修建过程中，若是在较为深厚的覆盖层上修建土石坝，其坝体将在很大程度上产生沉陷，同时也将出现不均匀的沉降等现象，由此对土石坝体修建过程中的有限元计算进行有效的分析，这个计算为问题实际上是属于无限域的问题，在结构离散化时常常碰到计算过程中的范围以及计算的条件难以准确的确定等问题，由此对水工结构的有限元计算有着十分重要的现实意义和研究价值。
一、有限元网格尺寸效应
有限元数值计算过程中，网格的划分是有限元素质模拟分析和计算过程中的重要环节和步骤，将对分析之后的计算过程以及最终的计算结果产生十分重要的影响。首先，有限元网格尺寸的确定对数值计算的分析结果准确性产生了极为重要的影响。网格的划分关系到单元大小状况以及拓扑、单元类型以及网格生成器的选择、网格密度和单元编码等几何要素。同时，平面应力以及平面的应变状况、设计单元求解过程中所使用的计算方程也并不相同。根据几何要素的表达上看，其具有相同的梁和杆。但在物理上以及数值求解上而言具有较为明显的区别。
水工结构的有限元计算以及求解过程中，辛普生积分是具有一定的间隔，同时按照厚度分成了奇数个积分点。使用数值积分可生成等效节点力、刚度矩阵以及质量矩阵，可使用高斯积分(Gauss)计算出连续体单元数值，水工结构中的壳、梁以及板等数值则可通过辛普生积分(Simpson)计算得出。同时在实际的计算过程中，要使用不同单位刚度矩阵，那么则需要建立与之匹配的数值积分方式，从而在实际的计算过程中，要使用合理的单位实现水工结构数值的合理计算和模拟的求解。
1、有限元网格划分方式
有限元网格划分有几种形式，较为简单的水工结构可使用在单元模型上直接构建单元模型的有限元网格。而当需要计算的对象结构较为复杂时，一般可使用几何自动生成的方法进一步完成。那么实际上也就是在相关结构的物理理论基础之上，以元素的描述为基本的单元，实现有限单元的自动离散。有限单元依据物理上的几何维度可划分为一维单元、二维单元以及三维单元。然而在具体的计算以及应用过程中，使用的是拓扑结构的单元，包括质量、弹簧、杆、梁、膜、壳平面三角形和四边形、三维实体等基本要素单元。
2、水工结构单元尺寸计算实例
选择大小为1×10×50米立方体薄板梁，材料模量设置为3×104MPa，泊松比μ的数值为0.18，通过在水工结构梁的底端施加了简要的支柱进行约束，同时在结构梁的顶部施加了0.1 MPa垂直方向的均匀荷载。在计算过程中不考虑重力对计算结果造成的影响，通过使用三种方案进行了水工结构的有限元单元的计算，三种方案的长宽高比值为20∶1∶20；10∶1∶10；2∶1∶2，根据实际的工程项目的计算可了解到，相应计算的数值具有很大的差异。第一种方案单元尺寸计算的结果为80；第二种方案单元尺寸计算的结果为320，是第一种方案的四倍；而第三种方案单元尺寸计算的结果为8000，差异十分明显。
3、有限元网格尺寸效应的计算结果分析
根据三种方案的数值以及根据数值画出的图表可了解到，网格的逐渐加密，也就是部分单元个数的持续增多，水工结构的应力以及挠度都在一定程度上有所增加，或者呈现了向上增长的发展趋势，就结构的应力和挠度相比，挠度的数值增加相对明显。不同的方案挠度增加的比例不同，根据比较，第二种方案的挠度相对于第一种方案的挠度增加了2.73%；第三种方案相对于第一种方案而言应力增加了3.28%。不同方案之间的应力计算落差都没有超过5%；第三种方案相比第一种方案增加了13.56%的变形。
随着单元周边的相对尺寸持续缩小，也就是有限元计算过程中的长宽高的比例增大，相应的应力以及挠度都呈现降低的发展状况，同时对水工结构的挠度造成了更加明显的影响。第二种方案相对与第三种方案减小了0.53%的应力作用；而第一种方案相对于第三种方案应力减少了3.17%。而挠度变形的数值相对应力数值要大，挠度减少了7.53%；第二种方案相对于第三种方案减少了11.94%的变形值。
二、有限元计算方法对边界条件的影响
两个计算程序，以反映在施工过程中的应力和应变的各个阶段，但也反映了结构本身的变化与施工过程中，更好地反映材料非线性有限元计算采用中点增量法步骤一步负荷蓄水后，计算考虑上游坝壳材料的湿化变形。
1、材料参数
准备的基础上覆盖层参数是根据地质报告提供的信息为基础进行确定的，并引用沥青混凝土心墙坝，使用的材料参数计算模型相同类型的土壤，以及土石料的参数，根据这些参数可画出相应的计算表格。
2、模拟计算结果分析
完成沥青混凝土心墙与混凝土防渗墙的应力和变形。计算在列出了沥青混凝土心墙和混凝土防渗墙的应力和变形的极端值后，明确了向下游位移，垂直位移，垂直向下的水平是正常应力的正应力是防渗墙大坝体重下沿基岩高度的垂直位移分布。根据相应的计算分析，其发生的变形较小，因此考虑的基石，无论完成或全面构建，防渗沉降是没有的基石，考虑基岩的边界，完成增加最大的垂直位移时建立4.7厘米和充分考虑基岩边界垂直位移计算值增加4.0厘米。防渗墙完成覆盖的地形，由于大坝下游坝重量功能和泊松效应有利于基础分析的基础上沿高程分布的水平位移，水平位移基本上是一个点的下游。当大坝建成，考虑基岩水平位移增加0.29厘米考虑基岩的边界情况时，全力打造水平位移计算值增加1.43厘米。防渗墙沿高程的垂直应力分布可以了解到。防渗墙插入基岩底部，而不考虑的基石，在底部的压力明显更大的简化了基岩防渗墙有限元计算。完成后，考虑基岩的边界效应的计算值减少16.2％；基岩的边界影响的计算值减少12.5％。深覆盖层，土石坝的施工，基岩的力学性能，直接影响大坝的变形和应力的特点。
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