关于双曲拱坝优化设计的论文(2)
时间：2021-08-31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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