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。

　?。?）氣溫：經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)于前傾，否則會(huì)造成應(yīng)力過(guò)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(guò)大或過(guò)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(shuō)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(lái)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。

?。?）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(guò)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(guò)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：

?。?）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。

?。?）在建設(shè)過(guò)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(guò)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。