雙曲拱壩優(yōu)化設(shè)計論文2篇
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第一篇
每個工程的先前設(shè)計和施工，都要先考慮到建設(shè)環(huán)境，如施工區(qū)的地形、氣溫、運行等，以下將對這些環(huán)境因素進行分析：
（1）地形：雙曲拱壩的建設(shè)地形為V字形，兩岸地基基本對稱，而地形的坡度均為50°左右。
（2）氣溫：經(jīng)過多年的觀察發(fā)現(xiàn)，拱壩建設(shè)區(qū)域位置的常年氣溫均在18℃左右，當(dāng)然，不包括特殊情況，在每年的8月份氣溫達到最高，在28℃左右；每年1月份氣溫達到最低，在0℃左右；年度溫差較大。
二、雙曲拱壩體形優(yōu)化設(shè)計
1．體形優(yōu)化程序在對雙曲拱壩的設(shè)計時，為了確保拱壩優(yōu)化設(shè)計的正確合理，對優(yōu)化設(shè)計方案進行比較，并采用中國水利水電科學(xué)研究院材料所編制的ADASO拱壩體形優(yōu)化程序和浙江大學(xué)水工結(jié)構(gòu)研究所編制的ADAO拱壩體形設(shè)計程序進行優(yōu)化計算。
2．拱冠梁前傾度分析
針對拱壩體形的優(yōu)化設(shè)計，首先得對拱冠梁前傾度進行分析，對拱冠梁前傾度的分析就必須了解拱壩各方面的數(shù)據(jù)和構(gòu)造，然而，我們研究的拱壩的河谷比較寬，梁向作用就比較明顯；使得前傾的體形對上游壩踵有壓緊的趨勢，有利于減小對上游壩踵的作用力。當(dāng)水庫的水位最大落差超過壩高的百分之七十，水庫供水的死水位就非常低，拱壩向上游側(cè)位移的傾向就比較明顯，則在下游低高程處就會存在較大的壓力。在對雙曲拱壩體形設(shè)計時，拱壩體形不能過于前傾，否則會造成應(yīng)力過大，導(dǎo)致拱壩的穩(wěn)定性減弱；所以，該工程雙曲拱壩的拱梁前傾度要適中，不易過大或過小，這樣會增強拱壩的穩(wěn)定性。
3．拱圈中心角的優(yōu)化在雙曲拱壩的建設(shè)中，拱圈的中部拱受到的作用力最大，拱圈中心角在該處也是最大的，而拱壩的上部拱圈的拱作用力比較小，拱圈中心角也就比較小。然而，本文研究的拱壩壩址比較寬，所以，對于拱壩中上部拱圈的作用力需要增強，這就說明中上部拱圈的中心角需要增大。研究表明，壩址的巖性主要是熔結(jié)凝灰?guī)r，它的抗風(fēng)化能力較強，巖體比較堅硬，風(fēng)化淺薄，壩址斷層中等發(fā)育，但是其規(guī)模較小，壩肩的穩(wěn)定性較好，設(shè)計人員可以利用這一特點，來增大中上部拱圈的中心角。
4．拱壩的優(yōu)化設(shè)計參數(shù)
（1）體形參數(shù)：對于拱梁中心線曲線、拱冠梁厚度、拱段厚度和拱冠梁中軸線的曲率半徑等的計算均用三次多項式方程擬合。拋物線形拱圈任一點i處的拱圈厚度計算表達式：()(/)niCaCiaTTTTSS式中：Ti為任一點處的拱厚；Tc為拱冠梁處拱厚；Ta為拱端處的拱厚；Si為水平拱圈中心線上i點處沿中心線到拱冠梁的弧長；Sa為水平拱圈中心線上拱端沿中心線到拱冠梁的弧長；n指數(shù)在拱圈參數(shù)描述行中提供。
（2）工程中的計算工況：在工程中采用四種工況進行計算，這四種工況計算分別是：自重+泥沙壓力+正常蓄水位+設(shè)計正常溫降，自重+泥沙壓力+正常蓄水位+設(shè)計正常溫升，自重+泥沙壓力+死水位+設(shè)計正常溫降，自重+泥沙壓力+校核洪水位+設(shè)計正常溫升。
（3）壩體及基巖力學(xué)參數(shù)：壩體混泥土的容量24KN/m3，泊松比為0.167、彈性模量為1.8萬MPa，溫度線脹系數(shù)0.000008，基巖變形模量為1.5萬PMa，泊松比為0.15。
（4）參數(shù)的約束條件：在拱壩的建設(shè)中，基本組合時，所能承受的最大壓應(yīng)力為5.25PMa，承受最大主拉應(yīng)力為1.18MPa。
（5）經(jīng)過計算結(jié)果分析，對比兩種優(yōu)化計算程序的技術(shù)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者相差并不多大，然而，本文的計算結(jié)果是根據(jù)ADAO程序得出的，根據(jù)ADAO程序優(yōu)化設(shè)計結(jié)果繪制出拱冠梁剖面圖
三、線彈性有限元拱壩應(yīng)力分析
對于水利水電樞紐工程雙曲拱壩體形優(yōu)化設(shè)計之后，需要針對工程實際施工的可行性進行分析和探究，對于拱壩的變形和應(yīng)力分析一般都采用三維線彈性有限元法，這種分析方法對拱壩變形和應(yīng)力分析有著重要的作用，拱壩體形的施工是分期封拱的，然而，對拱壩的應(yīng)力和應(yīng)變分析就顯得十分重要。在對拱壩進行分析計算時，需要根據(jù)拱壩所處的位置和該處的地質(zhì)環(huán)境，計算分析時，用理想的彈性材料模型對壩體材料和基巖進行模擬，然而，模擬基巖和壩體時可以采用六結(jié)點五面體或八結(jié)點六面體等單元，用夾層單元模擬斷層。通過對有限元分析，得出應(yīng)變和應(yīng)力都基本符合拱壩的受力分析，在壩基附近二十分之一壩高的范圍內(nèi)易出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，也就是俗稱的高應(yīng)力區(qū)，該范圍內(nèi)的應(yīng)力分布連續(xù)，壩體表現(xiàn)為彈性工作狀態(tài)；從以上分析可以得出，最大主拉應(yīng)力都表現(xiàn)在拱冠梁底上游面，也就是俗稱的壩踵處，高水位的工況控制壩體的主應(yīng)力；而最大主壓應(yīng)力都出現(xiàn)在拱冠梁底下游面，也就是俗稱的壩址處，拱壩底高程壩基局部有應(yīng)力集中的現(xiàn)象，有限元主應(yīng)力量值比較大。
四、雙曲拱壩優(yōu)化設(shè)計的建議
在對水利水電樞紐工程雙曲拱壩優(yōu)化設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)注意以下幾個方面：
（1）在對雙曲拱壩優(yōu)化設(shè)計時，要參考歷年雙曲拱壩優(yōu)化設(shè)計保留的數(shù)據(jù)，對以往的數(shù)據(jù)進行分析，得出有利于當(dāng)前雙曲拱壩優(yōu)化設(shè)計的數(shù)據(jù)，掌握當(dāng)前優(yōu)化設(shè)計的方向。
（2）對雙曲拱壩工程建設(shè)進行實地考察，并根據(jù)以往的數(shù)據(jù)資料進行實地測量，對不同數(shù)據(jù)進行核算，對不正確的數(shù)據(jù)加以改正，為雙曲拱壩優(yōu)化設(shè)計提供可靠的參數(shù)，保證數(shù)據(jù)的準確性。
（3）在建設(shè)過程中缺少不了先進的測量和施工設(shè)備，由于該工程建設(shè)面積相對較大，可以運用GPS定位技術(shù)對工程建設(shè)進行全方位定位，得出精準的位置數(shù)據(jù)，為工程建設(shè)提供保障；在有限元時必須充分認證，科學(xué)合理準確的模型對于優(yōu)化設(shè)計的準確性有著重要的意義。
五、結(jié)語
通過上文我們大概可以得出，拱壩從設(shè)計到施工建筑再到維護，難度都非常之大。拱壩是一種應(yīng)力復(fù)雜、受地形條件制約較大的空間殼體結(jié)構(gòu)，然而，拱壩設(shè)計的關(guān)鍵，是對拱壩的優(yōu)化設(shè)計；拱壩的優(yōu)化設(shè)計難度相當(dāng)大，受多方面條件的制約，要想得出完善的拱壩優(yōu)化設(shè)計，不僅需要高技術(shù)的專業(yè)人才，而且還得有高新的技術(shù)設(shè)備，更需要優(yōu)質(zhì)的建筑環(huán)境。
作者：葉小萍 王朝進 單位：鹽城市鹽都區(qū)水利規(guī)劃設(shè)計院 連云港市水利規(guī)劃設(shè)計院有限公司
第二篇
一、拱壩體形設(shè)計條件的特點
拱壩體形設(shè)計條件的特點包括氣溫、地形條件、水庫運行條件等方面，以下做簡要的分析：
（1）氣溫：據(jù)往年數(shù)據(jù)統(tǒng)計，水庫所處位置的常年平均氣溫為16.7℃，每年的7月平均氣溫最高，達到了27.8℃，每年1月的月平均氣溫最低，為3.9℃。氣溫的年變幅較大，而水溫年變幅稍小于氣溫年變幅。
（2）地形條件：河谷為V字形，兩岸地形基本對稱，地形的坡度為40度左右，為典型的寬河谷地形。
（3）水庫運行條件：正常蓄水位234m時河谷的寬度為345m，設(shè)計的洪水位239.58m，壩頂高程為240m，水庫可以起到發(fā)電、供水、泄洪等作用，正常消落深度為87m，供水死水位為148m。
二、混凝土雙曲拱壩體形優(yōu)化設(shè)計
1．拱冠梁前傾度分析
要對混凝土雙曲拱壩體形進行優(yōu)化設(shè)計，首先分析拱冠梁前傾度，本文研究的壩址河谷較寬，梁向作用明顯，采用前傾的體形對上游壩踵有壓緊的趨勢，可以減小上游壩踵的拉力。但水庫的水位最大消落深度超過了壩高的70%，水庫供水死水位非常低，拱壩向上游側(cè)位移的傾向比較明顯，在下游低高程處存在較大的拉力。在水庫雙曲拱壩體形的設(shè)計時，拱壩體形不宜過于前傾，否則拉應(yīng)力過大，對拱壩的穩(wěn)定性有削弱，本水庫的拱壩采用適度前傾的拱冠梁剖面。
2．拱冠梁剖面厚度優(yōu)化
分析了拱冠梁的前傾度之后，要對其剖面的厚度進行優(yōu)化，本文的措施是減小底部厚度，增加中上部的厚度。水庫壩址的河谷較寬，如果按照常規(guī)的設(shè)計，中上部的厚度不足，剛度小，所承擔(dān)的水推力很小，較多的水推力集中在中小部位，難以充分發(fā)揮拱圈的效用。在進行拱冠梁剖面厚度進行優(yōu)化時，還要兼顧到經(jīng)濟性，結(jié)合節(jié)省混凝土用量的要求，提出了四個方案。四個方案都是減小底部厚度，增加中上部的厚度，通過對四個方案進行不同拱冠梁剖面拱壩體形的應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn)，隨著剖面變薄，混凝土的用量也隨之減少，壩體的整體應(yīng)力水平不斷提高，接近規(guī)范允許值。剖面中上部的厚度加大可以增加剛度，使拱圈承擔(dān)了更多的水推力。方案4的承受的拱壩體形應(yīng)力值最大，但沒有超過規(guī)范應(yīng)力值，并且混凝土的用量也最小，應(yīng)力分布更均勻，本文的工程優(yōu)化選擇了方案4。
3．拱圈中心角的優(yōu)化
拱拱圈的中部拱作用力最強，拱圈中心角在此處的也最大，上部拱圈的拱作用力較小，拱圈中心角也相對小。本文研究的水庫壩址很寬，中上部拱圈的作用力需要增強，也就是說中上部拱圈的中心角需要增加。壩址巖性主要為熔結(jié)凝灰?guī)r，抗風(fēng)化能力強，巖體致密堅硬，風(fēng)化淺薄，壩址斷層中等發(fā)育，但規(guī)模小，壩肩的穩(wěn)定性好，可以利用此特點，增大中上部拱圈的中心角。
4．拱端加厚
混凝土雙曲拱壩在基礎(chǔ)部位受到的約束最為強烈，彎矩、扭矩、剪力的共同作用，受力條件十分復(fù)雜，拱壩基礎(chǔ)對于整個拱壩的穩(wěn)定性和安全性的重要程度不言而喻，因而需要改善靠近基礎(chǔ)部位的壩體應(yīng)力狀態(tài)。一般拱壩中部拱圈的應(yīng)力大，對此段進行針對性的加厚處理，加厚比達到了25%左右；上部拱圈受力較小，因而可以不加厚；下部拱圈受力較小，加厚10%左右。
5．設(shè)計體形優(yōu)化
本文研究的水庫混凝土雙曲拱壩體形采用拋物線形狀，屬于變曲率拱壩，要解決穩(wěn)定性與應(yīng)力之間的矛盾，可以通過調(diào)整拱圈各部位的曲率來實現(xiàn)，在彎矩小處減小曲率，在彎矩大的拱冠處加大曲率，這樣可使拱端推力偏向山體，又能改善壩體的應(yīng)力狀態(tài)，利于增強拱座的穩(wěn)定性。根據(jù)體形優(yōu)化的思路，經(jīng)三維線彈性有限元法分析，可以確定其最終的優(yōu)化體形，優(yōu)化后的拱壩混凝土體積比初步設(shè)計少3.5萬m3，開挖量減少2,600m3，節(jié)省資金1,250萬元。
三、線彈性有限元拱壩應(yīng)力分析
水庫混凝土雙曲拱壩體形優(yōu)化設(shè)計之后，要對其實際施工的可行性進行分析研究，而三維線彈性有限元法在對拱壩的變形和應(yīng)力分析時具有重要的左右，而且拱壩體形優(yōu)化施工是分期封拱的，應(yīng)力和應(yīng)變分析十分必要。根據(jù)水庫所處的位置，分析其地質(zhì)環(huán)境，計算分析時用理想的彈性材料模型對壩體材料和基巖進行模擬，模擬基巖和壩體時可以用6結(jié)點五面體或8結(jié)點六面體等單元，夾層單元模擬斷層。經(jīng)過計算分析，在校核洪水位+溫升、正常水位+溫降工況時，拱冠梁底上游面出現(xiàn)最大主拉應(yīng)力分別是3.60MPa和3.20MPa，拱冠梁下游最大主應(yīng)力分別是-8.80MPa和-7.70MPa；在死水位+溫升工況時，主拉應(yīng)力最小，出現(xiàn)在中低拱圈下游面端，為1.00MPa左右。主壓應(yīng)力在雙曲拱壩上較小，主要是在拱冠梁底上游面存在，量值大概為-6.50MPa。經(jīng)過有限元分析，應(yīng)力和應(yīng)變基本符合拱壩的受力分析，在壩基附近1/20壩高的范圍內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，也即是高應(yīng)力區(qū)，此范圍內(nèi)的應(yīng)力分布連續(xù)，壩體呈彈性工作狀態(tài)。從上述的分析可以發(fā)現(xiàn)，最大主拉應(yīng)力都出現(xiàn)在拱冠梁底上游面，也就是壩踵處，高水位的工況控制壩體的主應(yīng)力；而最大主壓應(yīng)力都出現(xiàn)在拱冠梁底下游面，也就是壩趾處，拱壩低高程壩基局部有應(yīng)力集中的情況，有限元主應(yīng)力量值比較大。根據(jù)SL282—2003《混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，當(dāng)采用有限元分析時，還要增加“有限元等效應(yīng)力”。在校核洪水位+溫升、正常蓄水位+溫降工況時，壩踵的最大等效主拉應(yīng)力分別是2.4MPa和1.80MPa，超過了規(guī)定的2.0MPa和1.50MPa，但超過的幅度并不大，與同類工程相比，處于同一應(yīng)力水平；而壩趾最大等效主壓應(yīng)力分別為5.40MPa和4.20MPa，滿足規(guī)范的7.14MPa和6.25MPa，符合設(shè)計的工況要求。六、水庫混凝土雙曲拱壩體形優(yōu)化設(shè)計的注意事項在對水庫混凝土雙曲拱壩體形進行優(yōu)化設(shè)計時，必須注意幾個方面的內(nèi)容：
（1）要統(tǒng)計歷年的歷史數(shù)據(jù)，從以往的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)存在的不足，可以大略的掌握優(yōu)化設(shè)計的方向；
（2）實地測量校核，根據(jù)已有的資料數(shù)據(jù)進行實地測量，進行印證，有不同的地方需要修正，以便為優(yōu)化設(shè)計提供可靠的參數(shù)；
（3）結(jié)合先進的分析設(shè)備，水庫的面積大，影響的范圍遠，可以結(jié)合GPS定位技術(shù)等來進行分析，以便得出科學(xué)的資料；
（4）有限元建模時必須充分論證，科學(xué)合理的模型對于分析的準確性影響很大，因而從節(jié)點、網(wǎng)格、彈性模量設(shè)置、材料等方面進行細致的分析，確保有限元分析的科學(xué)性。
四、結(jié)束語
我國水資源豐富，水庫混凝土雙曲拱壩的建設(shè)數(shù)量比較大，但存在著一定的不足，因而研究其體形優(yōu)化設(shè)計的方案，具有積極的意義，對于提升水庫的穩(wěn)定性、可靠性具有重要的作用，相關(guān)研究值得深入。
作者：陸亞州 孫承坪 單位：鹽城市水利勘測設(shè)計研究院 連云港市水利規(guī)劃設(shè)計院有限公司