关于双曲拱坝优化设计的论文
第一篇：双曲拱坝优化设计论文
一、双曲拱坝体形设计条件的特点
每个工程的先前设计和施工，都要先考虑到建设环境，如施工区的地形、气温、运行等，以下将对这些环境因素进行分析：
（1）地形：双曲拱坝的建设地形为V字形，两岸地基基本对称，而地形的坡度均为50°左右。
（2）气温：经过多年的观察发现，拱坝建设区域位置的常年气温均在18℃左右，当然，不包括特殊情况，在每年的8月份气温达到最高，在28℃左右；每年1月份气温达到最低，在0℃左右；年度温差较大。
二、双曲拱坝体形优化设计
1．体形优化程序在对双曲拱坝的设计时，为了确保拱坝优化设计的正确合理，对优化设计方案进行比较，并采用中国水利水电科学研究院材料所编制的ADASO拱坝体形优化程序和浙江大学水工结构研究所编制的ADAO拱坝体形设计程序进行优化计算。
2．拱冠梁前倾度分析
针对拱坝体形的优化设计，首先得对拱冠梁前倾度进行分析，对拱冠梁前倾度的分析就必须了解拱坝各方面的数据和构造，然而，我们研究的拱坝的河谷比较宽，梁向作用就比较明显；使得前倾的体形对上游坝踵有压紧的趋势，有利于减小对上游坝踵的作用力。当水库的水位最大落差超过坝高的百分之七十，水库供水的死水位就非常低，拱坝向上游侧位移的倾向就比较明显，则在下游低高程处就会存在较大的压力。在对双曲拱坝体形设计时，拱坝体形不能过于前倾，否则会造成应力过大，导致拱坝的稳定性减弱；所以，该工程双曲拱坝的拱梁前倾度要适中，不易过大或过小，这样会增强拱坝的稳定性。
3．拱圈中心角的优化在双曲拱坝的建设中，拱圈的中部拱受到的作用力最大，拱圈中心角在该处也是最大的，而拱坝的上部拱圈的拱作用力比较小，拱圈中心角也就比较小。然而，本文研究的拱坝坝址比较宽，所以，对于拱坝中上部拱圈的作用力需要增强，这就说明中上部拱圈的中心角需要增大。研究表明，坝址的岩性主要是熔结凝灰岩，它的抗风化能力较强，岩体比较坚硬，风化浅薄，坝址断层中等发育，但是其规模较小，坝肩的稳定性较好，设计人员可以利用这一特点，来增大中上部拱圈的中心角。
4．拱坝的优化设计参数
（1）体形参数：对于拱梁中心线曲线、拱冠梁厚度、拱段厚度和拱冠梁中轴线的曲率半径等的计算均用三次多项式方程拟合。抛物线形拱圈任一点i处的拱圈厚度计算表达式：()(/)niCaCiaTTTTSS式中：Ti为任一点处的拱厚；Tc为拱冠梁处拱厚；Ta为拱端处的拱厚；Si为水平拱圈中心线上i点处沿中心线到拱冠梁的弧长；Sa为水平拱圈中心线上拱端沿中心线到拱冠梁的弧长；n指数在拱圈参数描述行中提供。
（2）工程中的计算工况：在工程中采用四种工况进行计算，这四种工况计算分别是：自重+泥沙压力+正常蓄水位+设计正常温降，自重+泥沙压力+正常蓄水位+设计正常温升，自重+泥沙压力+死水位+设计正常温降，自重+泥沙压力+校核洪水位+设计正常温升。
（3）坝体及基岩力学参数：坝体混泥土的容量24KN/m3，泊松比为0.167、弹性模量为1.8万MPa，温度线胀系数0.000008，基岩变形模量为1.5万PMa，泊松比为0.15。
（4）参数的约束条件：在拱坝的建设中，基本组合时，所能承受的最大压应力为5.25PMa，承受最大主拉应力为1.18MPa。
（5）经过计算结果分析，对比两种优化计算程序的技术结果，发现两者相差并不多大，然而，本文的计算结果是根据ADAO程序得出的，根据ADAO程序优化设计结果绘制出拱冠梁剖面图
三、线弹性有限元拱坝应力分析
对于水利水电枢纽工程双曲拱坝体形优化设计之后，需要针对工程实际施工的可行性进行分析和探究，对于拱坝的变形和应力分析一般都采用三维线弹性有限元法，这种分析方法对拱坝变形和应力分析有着重要的作用，拱坝体形的施工是分期封拱的，然而，对拱坝的应力和应变分析就显得十分重要。在对拱坝进行分析计算时，需要根据拱坝所处的位置和该处的地质环境，计算分析时，用理想的弹性材料模型对坝体材料和基岩进行模拟，然而，模拟基岩和坝体时可以采用六结点五面体或八结点六面体等单元，用夹层单元模拟断层。通过对有限元分析，得出应变和应力都基本符合拱坝的受力分析，在坝基附近二十分之一坝高的范围内易出现应力集中的现象，也就是俗称的高应力区，该范围内的应力分布连续，坝体表现为弹性工作状态；从以上分析可以得出，最大主拉应力都表现在拱冠梁底上游面，也就是俗称的坝踵处，高水位的工况控制坝体的主应力；而最大主压应力都出现在拱冠梁底下游面，也就是俗称的坝址处，拱坝底高程坝基局部有应力集中的现象，有限元主应力量值比较大。
四、双曲拱坝优化设计的建议
在对水利水电枢纽工程双曲拱坝优化设计时，应当注意以下几个方面：
（1）在对双曲拱坝优化设计时，要参考历年双曲拱坝优化设计保留的数据，对以往的数据进行分析，得出有利于当前双曲拱坝优化设计的数据，掌握当前优化设计的方向。
（2）对双曲拱坝工程建设进行实地考察，并根据以往的数据资料进行实地测量，对不同数据进行核算，对不正确的数据加以改正，为双曲拱坝优化设计提供可靠的参数，保证数据的准确性。
（3）在建设过程中缺少不了先进的测量和施工设备，由于该工程建设面积相对较大，可以运用GPS定位技术对工程建设进行全方位定位，得出精准的位置数据，为工程建设提供保障；在有限元时必须充分认证，科学合理准确的模型对于优化设计的准确性有着重要的意义。
五、结语
通过上文我们大概可以得出，拱坝从设计到施工建筑再到维护，难度都非常之大。拱坝是一种应力复杂、受地形条件制约较大的空间壳体结构，然而，拱坝设计的关键，是对拱坝的优化设计；拱坝的优化设计难度相当大，受多方面条件的制约，要想得出完善的拱坝优化设计，不仅需要高技术的专业人才，而且还得有高新的技术设备，更需要优质的建筑环境。
第二篇：双曲拱坝优化设计论文
一、拱坝体形设计条件的特点
拱坝体形设计条件的特点包括气温、地形条件、水库运行条件等方面，以下做简要的分析：
（1）气温：据往年数据统计，水库所处位置的常年平均气温为16.7℃，每年的7月平均气温最高，达到了27.8℃，每年1月的月平均气温最低，为3.9℃。气温的年变幅较大，而水温年变幅稍小于气温年变幅。
（2）地形条件：河谷为V字形，两岸地形基本对称，地形的坡度为40度左右，为典型的宽河谷地形。
（3）水库运行条件：正常蓄水位234m时河谷的宽度为345m，设计的'洪水位239.58m，坝顶高程为240m，水库可以起到发电、供水、泄洪等作用，正常消落深度为87m，供水死水位为148m。
二、混凝土双曲拱坝体形优化设计
1．拱冠梁前倾度分析
要对混凝土双曲拱坝体形进行优化设计，首先分析拱冠梁前倾度，本文研究的坝址河谷较宽，梁向作用明显，采用前倾的体形对上游坝踵有压紧的趋势，可以减小上游坝踵的拉力。但水库的水位最大消落深度超过了坝高的70%，水库供水死水位非常低，拱坝向上游侧位移的倾向比较明显，在下游低高程处存在较大的拉力。在水库双曲拱坝体形的设计时，拱坝体形不宜过于前倾，否则拉应力过大，对拱坝的稳定性有削弱，本水库的拱坝采用适度前倾的拱冠梁剖面。
2．拱冠梁剖面厚度优化
分析了拱冠梁的前倾度之后，要对其剖面的厚度进行优化，本文的措施是减小底部厚度，增加中上部的厚度。水库坝址的河谷较宽，如果按照常规的设计，中上部的厚度不足，刚度小，所承担的水推力很小，较多的水推力集中在中小部位，难以充分发挥拱圈的效用。在进行拱冠梁剖面厚度进行优化时，还要兼顾到经济性，结合节省混凝土用量的要求，提出了四个方案。四个方案都是减小底部厚度，增加中上部的厚度，通过对四个方案进行不同拱冠梁剖面拱坝体形的应力分析发现，随着剖面变薄，混凝土的用量也随之减少，坝体的整体应力水平不断提高，接近规范允许值。剖面中上部的厚度加大可以增加刚度，使拱圈承担了更多的水推力。方案4的承受的拱坝体形应力值最大，但没有超过规范应力值，并且混凝土的用量也最小，应力分布更均匀，本文的工程优化选择了方案4。
3．拱圈中心角的优化
拱拱圈的中部拱作用力最强，拱圈中心角在此处的也最大，上部拱圈的拱作用力较小，拱圈中心角也相对小。本文研究的水库坝址很宽，中上部拱圈的作用力需要增强，也就是说中上部拱圈的中心角需要增加。坝址岩性主要为熔结凝灰岩，抗风化能力强，岩体致密坚硬，风化浅薄，坝址断层中等发育，但规模小，坝肩的稳定性好，可以利用此特点，增大中上部拱圈的中心角。
4．拱端加厚
混凝土双曲拱坝在基础部位受到的约束最为强烈，弯矩、扭矩、剪力的共同作用，受力条件十分复杂，拱坝基础对于整个拱坝的稳定性和安全性的重要程度不言而喻，因而需要改善靠近基础部位的坝体应力状态。一般拱坝中部拱圈的应力大，对此段进行针对性的加厚处理，加厚比达到了25%左右；上部拱圈受力较小，因而可以不加厚；下部拱圈受力较小，加厚10%左右。
5．设计体形优化
本文研究的水库混凝土双曲拱坝体形采用抛物线形状，属于变曲率拱坝，要解决稳定性与应力之间的矛盾，可以通过调整拱圈各部位的曲率来实现，在弯矩小处减小曲率，在弯矩大的拱冠处加大曲率，这样可使拱端推力偏向山体，又能改善坝体的应力状态，利于增强拱座的稳定性。根据体形优化的思路，经三维线弹性有限元法分析，可以确定其最终的优化体形，优化后的拱坝混凝土体积比初步设计少3.5万m3，开挖量减少2,600m3，节省资金1,250万元。
三、线弹性有限元拱坝应力分析
水库混凝土双曲拱坝体形优化设计之后，要对其实际施工的可行性进行分析研究，而三维线弹性有限元法在对拱坝的变形和应力分析时具有重要的左右，而且拱坝体形优化施工是分期封拱的，应力和应变分析十分必要。根据水库所处的位置，分析其地质环境，计算分析时用理想的弹性材料模型对坝体材料和基岩进行模拟，模拟基岩和坝体时可以用6结点五面体或8结点六面体等单元，夹层单元模拟断层。经过计算分析，在校核洪水位+温升、正常水位+温降工况时，拱冠梁底上游面出现最大主拉应力分别是3.60MPa和3.20MPa，拱冠梁下游最大主应力分别是-8.80MPa和-7.70MPa；在死水位+温升工况时，主拉应力最小，出现在中低拱圈下游面端，为1.00MPa左右。主压应力在双曲拱坝上较小，主要是在拱冠梁底上游面存在，量值大概为-6.50MPa。经过有限元分析，应力和应变基本符合拱坝的受力分析，在坝基附近1/20坝高的范围内出现应力集中的现象，也即是高应力区，此范围内的应力分布连续，坝体呈弹性工作状态。从上述的分析可以发现，最大主拉应力都出现在拱冠梁底上游面，也就是坝踵处，高水位的工况控制坝体的主应力；而最大主压应力都出现在拱冠梁底下游面，也就是坝趾处，拱坝低高程坝基局部有应力集中的情况，有限元主应力量值比较大。根据SL282—2003《混凝土拱坝设计规范》的规定，当采用有限元分析时，还要增加“有限元等效应力”。在校核洪水位+温升、正常蓄水位+温降工况时，坝踵的最大等效主拉应力分别是2.4MPa和1.80MPa，超过了规定的2.0MPa和1.50MPa，但超过的幅度并不大，与同类工程相比，处于同一应力水平；而坝趾最大等效主压应力分别为5.40MPa和4.20MPa，满足规范的7.14MPa和6.25MPa，符合设计的工况要求。六、水库混凝土双曲拱坝体形优化设计的注意事项在对水库混凝土双曲拱坝体形进行优化设计时，必须注意几个方面的内容：
（1）要统计历年的历史数据，从以往的数据中发现存在的不足，可以大略的掌握优化设计的方向；
（2）实地测量校核，根据已有的资料数据进行实地测量，进行印证，有不同的地方需要修正，以便为优化设计提供可靠的参数；
（3）结合先进的分析设备，水库的面积大，影响的范围远，可以结合GPS定位技术等来进行分析，以便得出科学的资料；
（4）有限元建模时必须充分论证，科学合理的模型对于分析的准确性影响很大，因而从节点、网格、弹性模量设置、材料等方面进行细致的分析，确保有限元分析的科学性。
四、结束语
我国水资源丰富，水库混凝土双曲拱坝的建设数量比较大，但存在着一定的不足，因而研究其体形优化设计的方案，具有积极的意义，对于提升水库的稳定性、可靠性具有重要的作用，相关研究值得深入。
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