關(guān)于雙曲拱壩優(yōu)化設(shè)計(jì)的論文
第一篇：雙曲拱壩優(yōu)化設(shè)計(jì)論文
一、雙曲拱壩體形設(shè)計(jì)條件的特點(diǎn)
每個(gè)工程的先前設(shè)計(jì)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(yùn)行等，以下將對(duì)這些環(huán)境因素進(jìn)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(duì)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(dá)到最高，在28℃左右；每年1月份氣溫達(dá)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(jì)
1．體形優(yōu)化程序在對(duì)雙曲拱壩的設(shè)計(jì)時(shí)，為了確保拱壩優(yōu)化設(shè)計(jì)的正確合理，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較，并采用中國(guó)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(jì)程序進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。
2．拱冠梁前傾度分析
針對(duì)拱壩體形的優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先得對(duì)拱冠梁前傾度進(jìn)行分析，對(duì)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(duì)上游壩踵有壓緊的趨勢(shì)，有利于減小對(duì)上游壩踵的作用力。當(dāng)水庫(kù)的水位最大落差超過壩高的百分之七十，水庫(kù)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(huì)存在較大的壓力。在對(duì)雙曲拱壩體形設(shè)計(jì)時(shí)，拱壩體形不能過于前傾，否則會(huì)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(huì)增強(qiáng)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(duì)于拱壩中上部拱圈的作用力需要增強(qiáng)，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(qiáng)，巖體比較堅(jiān)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(jì)人員可以利用這一特點(diǎn)，來增大中上部拱圈的中心角。
4．拱壩的優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)
（1）體形參數(shù)：對(duì)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(jì)算均用三次多項(xiàng)式方程擬合。拋物線形拱圈任一點(diǎn)i處的拱圈厚度計(jì)算表達(dá)式：()(/)niCaCiaTTTTSS式中：Ti為任一點(diǎn)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(diǎn)處沿中心線到拱冠梁的弧長(zhǎng)；Sa為水平拱圈中心線上拱端沿中心線到拱冠梁的弧長(zhǎng)；n指數(shù)在拱圈參數(shù)描述行中提供。
（2）工程中的計(jì)算工況：在工程中采用四種工況進(jìn)行計(jì)算，這四種工況計(jì)算分別是：自重+泥沙壓力+正常蓄水位+設(shè)計(jì)正常溫降，自重+泥沙壓力+正常蓄水位+設(shè)計(jì)正常溫升，自重+泥沙壓力+死水位+設(shè)計(jì)正常溫降，自重+泥沙壓力+校核洪水位+設(shè)計(jì)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(wàn)MPa，溫度線脹系數(shù)0.000008，基巖變形模量為1.5萬(wàn)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(shí)，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(jì)算結(jié)果分析，對(duì)比兩種優(yōu)化計(jì)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(jì)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(jì)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(duì)于水利水電樞紐工程雙曲拱壩體形優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，需要針對(duì)工程實(shí)際施工的可行性進(jìn)行分析和探究，對(duì)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(duì)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(duì)拱壩的應(yīng)力和應(yīng)變分析就顯得十分重要。在對(duì)拱壩進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，需要根據(jù)拱壩所處的位置和該處的地質(zhì)環(huán)境，計(jì)算分析時(shí)，用理想的彈性材料模型對(duì)壩體材料和基巖進(jìn)行模擬，然而，模擬基巖和壩體時(shí)可以采用六結(jié)點(diǎn)五面體或八結(jié)點(diǎn)六面體等單元，用夾層單元模擬斷層。通過對(duì)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(jì)的建議
在對(duì)水利水電樞紐工程雙曲拱壩優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意以下幾個(gè)方面：
（1）在對(duì)雙曲拱壩優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，要參考?xì)v年雙曲拱壩優(yōu)化設(shè)計(jì)保留的數(shù)據(jù)，對(duì)以往的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出有利于當(dāng)前雙曲拱壩優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)，掌握當(dāng)前優(yōu)化設(shè)計(jì)的方向。
（2）對(duì)雙曲拱壩工程建設(shè)進(jìn)行實(shí)地考察，并根據(jù)以往的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，對(duì)不同數(shù)據(jù)進(jìn)行核算，對(duì)不正確的數(shù)據(jù)加以改正，為雙曲拱壩優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠的參數(shù)，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
（3）在建設(shè)過程中缺少不了先進(jìn)的測(cè)量和施工設(shè)備，由于該工程建設(shè)面積相對(duì)較大，可以運(yùn)用GPS定位技術(shù)對(duì)工程建設(shè)進(jìn)行全方位定位，得出精準(zhǔn)的位置數(shù)據(jù)，為工程建設(shè)提供保障；在有限元時(shí)必須充分認(rèn)證，科學(xué)合理準(zhǔn)確的模型對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性有著重要的意義。
五、結(jié)語(yǔ)
通過上文我們大概可以得出，拱壩從設(shè)計(jì)到施工建筑再到維護(hù)，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(jì)的關(guān)鍵，是對(duì)拱壩的優(yōu)化設(shè)計(jì)；拱壩的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)，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。
第二篇：雙曲拱壩優(yōu)化設(shè)計(jì)論文
一、拱壩體形設(shè)計(jì)條件的特點(diǎn)
拱壩體形設(shè)計(jì)條件的特點(diǎn)包括氣溫、地形條件、水庫(kù)運(yùn)行條件等方面，以下做簡(jiǎn)要的分析：
（1）氣溫：據(jù)往年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，水庫(kù)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(dá)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(duì)稱，地形的坡度為40度左右，為典型的寬河谷地形。
（3）水庫(kù)運(yùn)行條件：正常蓄水位234m時(shí)河谷的寬度為345m，設(shè)計(jì)的洪水位239.58m，壩頂高程為240m，水庫(kù)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(jì)
1．拱冠梁前傾度分析
要對(duì)混凝土雙曲拱壩體形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(duì)上游壩踵有壓緊的趨勢(shì)，可以減小上游壩踵的拉力。但水庫(kù)的水位最大消落深度超過了壩高的70%，水庫(kù)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(kù)雙曲拱壩體形的設(shè)計(jì)時(shí)，拱壩體形不宜過于前傾，否則拉應(yīng)力過大，對(duì)拱壩的.穩(wěn)定性有削弱，本水庫(kù)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(duì)其剖面的厚度進(jìn)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(kù)壩址的河谷較寬，如果按照常規(guī)的設(shè)計(jì)，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(jìn)行拱冠梁剖面厚度進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，還要兼顧到經(jīng)濟(jì)性，結(jié)合節(jié)省混凝土用量的要求，提出了四個(gè)方案。四個(gè)方案都是減小底部厚度，增加中上部的厚度，通過對(duì)四個(gè)方案進(jìn)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(qiáng)，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(duì)小。本文研究的水庫(kù)壩址很寬，中上部拱圈的作用力需要增強(qiáng)，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(qiáng)，巖體致密堅(jiān)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(diǎn)，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(qiáng)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(duì)于整個(gè)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(duì)此段進(jìn)行針對(duì)性的加厚處理，加厚比達(dá)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(jì)體形優(yōu)化
本文研究的水庫(kù)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(shí)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(qiáng)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(jì)少3.5萬(wàn)m3，開挖量減少2,600m3，節(jié)省資金1,250萬(wàn)元。
三、線彈性有限元拱壩應(yīng)力分析
水庫(kù)混凝土雙曲拱壩體形優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，要對(duì)其實(shí)際施工的可行性進(jìn)行分析研究，而三維線彈性有限元法在對(duì)拱壩的變形和應(yīng)力分析時(shí)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(kù)所處的位置，分析其地質(zhì)環(huán)境，計(jì)算分析時(shí)用理想的彈性材料模型對(duì)壩體材料和基巖進(jìn)行模擬，模擬基巖和壩體時(shí)可以用6結(jié)點(diǎn)五面體或8結(jié)點(diǎn)六面體等單元，夾層單元模擬斷層。經(jīng)過計(jì)算分析，在校核洪水位+溫升、正常水位+溫降工況時(shí)，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(shí)，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(jì)規(guī)范》的規(guī)定，當(dāng)采用有限元分析時(shí)，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(shí)，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(jì)的工況要求。六、水庫(kù)混凝土雙曲拱壩體形優(yōu)化設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)在對(duì)水庫(kù)混凝土雙曲拱壩體形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，必須注意幾個(gè)方面的內(nèi)容：
（1）要統(tǒng)計(jì)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(jì)的方向；
（2）實(shí)地測(cè)量校核，根據(jù)已有的資料數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，進(jìn)行印證，有不同的地方需要修正，以便為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠的參數(shù)；
（3）結(jié)合先進(jìn)的分析設(shè)備，水庫(kù)的面積大，影響的范圍遠(yuǎn)，可以結(jié)合GPS定位技術(shù)等來進(jìn)行分析，以便得出科學(xué)的資料；
（4）有限元建模時(shí)必須充分論證，科學(xué)合理的模型對(duì)于分析的準(zhǔn)確性影響很大，因而從節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)格、彈性模量設(shè)置、材料等方面進(jìn)行細(xì)致的分析，確保有限元分析的科學(xué)性。
四、結(jié)束語(yǔ)
我國(guó)水資源豐富，水庫(kù)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(jì)的方案，具有積極的意義，對(duì)于提升水庫(kù)的穩(wěn)定性、可靠性具有重要的作用，相關(guān)研究值得深入。
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