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。