第一篇：雙曲拱壩優(yōu)化設計論文

　　一、雙曲拱壩體形設計條件的特點

　　每個工程的先前設計和施工，都要先考慮到建設環(huán)境，如施工區(qū)的地形、氣溫、運行等，以下將對這些環(huán)境因素進行分析：

　　（1）地形：雙曲拱壩的建設地形為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)，拱壩建設區(qū)域位置的常年氣溫均在18℃左右，當然，不包括特殊情況，在每年的8月份氣溫達到最高，在28℃左右；每年1月份氣溫達到最低，在0℃左右；年度溫差較大。

二、雙曲拱壩體形優(yōu)化設計

　1．體形優(yōu)化程序在對雙曲拱壩的設計時，為了確保拱壩優(yōu)化設計的正確合理，對優(yōu)化設計方案進行比較，并采用中國水利水電科學研究院材料所編制的ADASO拱壩體形優(yōu)化程序和浙江大學水工結構研究所編制的ADAO拱壩體形設計程序進行優(yōu)化計算。

　2．拱冠梁前傾度分析

　　針對拱壩體形的優(yōu)化設計，首先得對拱冠梁前傾度進行分析，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計時，拱壩體形不能過于前傾，否則會造成應力過大，導致拱壩的穩(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凝灰?guī)r，它的抗風化能力較強，巖體比較堅硬，風化淺薄，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+設計正常溫降，自重+泥沙壓力+正常蓄水位+設計正常溫升，自重+泥沙壓力+死水位+設計正常溫降，自重+泥沙壓力+校核洪水位+設計正常溫升。

（3）壩體及基巖力學參數(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：在拱壩的建設中，基本組合時，所能承受的最大壓應力為5.25PMa，承受最大主拉應力為1.18MPa。

（5）經(jīng)過計算結果分析，對比兩種優(yōu)化計算程序的技術結果，發(fā)現(xiàn)兩者相差并不多大，然而，本文的計算結果是根據(jù)ADAO程序得出的，根據(jù)ADAO程序優(yōu)化設計結果繪制出拱冠梁剖面圖

三、線彈性有限元拱壩應力分析

　　對于水利水電樞紐工程雙曲拱壩體形優(yōu)化設計之后，需要針對工程實際施工的可行性進行分析和探究，對于拱壩的變形和應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，對拱壩的應力和應變分析就顯得十分重要。在對拱壩進行分析計算時，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行模擬，然而，模擬基巖和壩體時可以采用六結點五面體或八結點六面體等單元，用夾層單元模擬斷層。通過對有限元分析，得出應變和應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)應力集中的現(xiàn)象，也就是俗稱的高應力區(qū)，該范圍內(nèi)的應力分布連續(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力；而最大主壓應力都出現(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力集中的現(xiàn)象，有限元主應力量值比較大。

四、雙曲拱壩優(yōu)化設計的建議

在對水利水電樞紐工程雙曲拱壩優(yōu)化設計時，應當注意以下幾個方面：

　（1）在對雙曲拱壩優(yōu)化設計時，要參考歷年雙曲拱壩優(yōu)化設計保留的數(shù)據(jù)，對以往的數(shù)據(jù)進行分析，得出有利于當前雙曲拱壩優(yōu)化設計的數(shù)據(jù)，掌握當前優(yōu)化設計的方向。

（2）對雙曲拱壩工程建設進行實地考察，并根據(jù)以往的數(shù)據(jù)資料進行實地測量，對不同數(shù)據(jù)進行核算，對不正確的數(shù)據(jù)加以改正，為雙曲拱壩優(yōu)化設計提供可靠的參數(shù)，保證數(shù)據(jù)的準確性。

　（3）在建設過程中缺少不了先進的測量和施工設備，由于該工程建設面積相對較大，可以運用GPS定位技術對工程建設進行全方位定位，得出精準的位置數(shù)據(jù)，為工程建設提供保障；在有限元時必須充分認證，科學合理準確的模型對于優(yōu)化設計的準確性有著重要的'意義。

五、結語

　　通過上文我們大概可以得出，拱壩從設計到施工建筑再到維護，難度都非常之大。拱壩是一種應力復雜、受地形條件制約較大的空間殼體結構，然而，拱壩設計的關鍵，是對拱壩的優(yōu)化設計；拱壩的優(yōu)化設計難度相當大，受多方面條件的制約，要想得出完善的拱壩優(yōu)化設計，不僅需要高技術的專業(yè)人才，而且還得有高新的技術設備，更需要優(yōu)質(zhì)的建筑環(huán)境。