第一篇：雙曲拱壩優(yōu)化設(shè)計論文

　　一、雙曲拱壩體形設(shè)計條件的特點

　　每個工程的先前設(shè)計和施工，都要先考慮到建設(shè)環(huán)境，如施工區(qū)的地形、氣溫、運行等，以下將對這些環(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

　1．體形優(yōu)化程序在對雙曲拱壩的設(shè)計時，為了確保拱壩優(yōu)化設(shè)計的正確合理，對優(yōu)化設(shè)計方案進(jìn)行比較，并采用中國水利水電科學(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)計程序進(jìn)行優(yōu)化計算。

　2．拱冠梁前傾度分析

　　針對拱壩體形的優(yōu)化設(shè)計，首先得對拱冠梁前傾度進(jìn)行分析，對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；使得前傾的體形對上游壩踵有壓緊的趨勢，有利于減小對上游壩踵的作用力。當(dāng)水庫的水位最大落差超過壩高的百分之七十，水庫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存在較大的壓力。在對雙曲拱壩體形設(shè)計時，拱壩體形不能過于前傾，否則會造成應(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，這樣會增強拱壩的穩(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，對于拱壩中上部拱圈的作用力需要增強，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，巖體比較堅硬，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)計人員可以利用這一特點，來增大中上部拱圈的中心角。

　4．拱壩的優(yōu)化設(shè)計參數(shù)

（1）體形參數(shù)：對于拱梁中心線曲線、拱冠梁厚度、拱段厚度和拱冠梁中軸線的曲率半徑等的計算均用三次多項式方程擬合。拋物線形拱圈任一點i處的拱圈厚度計算表達(dá)式：()(/)niCaCiaTTTTSS式中：Ti為任一點處的拱厚；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點處沿中心線到拱冠梁的弧長；Sa為水平拱圈中心線上拱端沿中心線到拱冠梁的弧長；n指數(shù)在拱圈參數(shù)描述行中提供。

（2）工程中的計算工況：在工程中采用四種工況進(jìn)行計算，這四種工況計算分別是：自重+泥沙壓力+正常蓄水位+設(shè)計正常溫降，自重+泥沙壓力+正常蓄水位+設(shè)計正常溫升，自重+泥沙壓力+死水位+設(shè)計正常溫降，自重+泥沙壓力+校核洪水位+設(shè)計正常溫升。

（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MPa，溫度線脹系數(shù)0.000008，基巖變形模量為1.5萬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，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)過計算結(jié)果分析，對比兩種優(yōu)化計算程序的技術(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

　　對于水利水電樞紐工程雙曲拱壩體形優(yōu)化設(shè)計之后，需要針對工程實際施工的可行性進(jìn)行分析和探究，對于拱壩的變形和應(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，對拱壩的應(yīng)力和應(yīng)變分析就顯得十分重要。在對拱壩進(jìn)行分析計算時，需要根據(jù)拱壩所處的位置和該處的地質(zhì)環(huán)境，計算分析時，用理想的彈性材料模型對壩體材料和基巖進(jìn)行模擬，然而，模擬基巖和壩體時可以采用六結(jié)點五面體或八結(jié)點六面體等單元，用夾層單元模擬斷層。通過對有限元分析，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)計的建議

在對水利水電樞紐工程雙曲拱壩優(yōu)化設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)注意以下幾個方面：

　（1）在對雙曲拱壩優(yōu)化設(shè)計時，要參考?xì)v年雙曲拱壩優(yōu)化設(shè)計保留的數(shù)據(jù)，對以往的數(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)計的數(shù)據(jù)，掌握當(dāng)前優(yōu)化設(shè)計的方向。

（2）對雙曲拱壩工程建設(shè)進(jìn)行實地考察，并根據(jù)以往的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行實地測量，對不同數(shù)據(jù)進(jìn)行核算，對不正確的數(shù)據(jù)加以改正，為雙曲拱壩優(yōu)化設(shè)計提供可靠的參數(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)的測量和施工設(shè)備，由于該工程建設(shè)面積相對較大，可以運用GPS定位技術(shù)對工程建設(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；在有限元時必須充分認(rèn)證，科學(xué)合理準(zhǔn)確的模型對于優(yōu)化設(shè)計的準(zhǔn)確性有著重要的'意義。

五、結(jié)語

　　通過上文我們大概可以得出，拱壩從設(shè)計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)計的關(guān)鍵，是對拱壩的優(yōu)化設(shè)計；拱壩的優(yōu)化設(shè)計難度相當(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，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。