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水电站重力坝结构优化设计
摘要:重力坝凭借着诸多优势而被广泛应用,特别是在我国水利建设中具有重要地位。但重力坝坝体体积大,耗用水泥多,为了获得最优的投资效果,就必须进行重力坝结构的优化设计。本文主要介绍了某水电站重力坝优化设计过程。
关键词:重力坝;造价;剖面;优化设计;目标函数
1 前言
重力坝是一种大体积挡水建筑物,其基本剖面是直角三角形,整体是由若干坝段组成。主要依靠坝体自重来维持稳定的坝。重力坝按筑坝材料的不同分为:混凝土重力坝和浆砌石重力坝。重力坝具有耐久性好、抵抗渗漏强、设计及施工技术简单、对地基条件要求相对来说不太高等优势,但重力坝坝体体积大,耗用水泥多,为了获得最优的投资效果,在工程实际应用中,往往要对重力坝结构进行优化设计。
2 重力坝优化设计模型
优化结构设计有三大要素,即设计变量、目标函数和约束条件。
设计变量
设计变量是设计方案的数量描述。重力坝断面形状由坝高、坝顶宽度、上下游折坡点位置、上下游坝坡决定。对于一个给定的工程,一般来说坝高是已知的,坝顶宽度由交通或构造要求确定,下游折坡点位置由施工及构造要求确定。设上游坝坡由x1控制,下游坝坡由x2控制,上游折坡点由x3控制,故本文取重力坝断面形状x1、x2、x3为设计变量
本优化设计取重力坝单宽坝段,考虑的主要荷载为:自重、扬压力、水压力、泥沙压力。
目标函数
重力坝的造价主要取决于坝体混凝上的工程量,取单位坝段(以下计算同)研究,目标函数为断面面积,即
(2)
式中:A(x)为非溢流重力坝断面面积;H为重力坝坝高;B0为坝顶宽度;x1、x2、x3分别为上游坝坡、下游坝坡、上游折坡点控制参数。
约束条件
几何约束
(1)上游坝坡。按重力坝设计规范,本优化取上游坝坡范围0~,即0≤x1≤(H-x3)
(2)下游坝坡。按重力坝设计规范,~,≤x2≤
(3)上游折坡点位置。按重力坝设计规范,上游可以是直立面,也可以是倾斜面,故0≤x3≤H
性态约束
(1)应力约束条件。在重力坝设计中,一般来说,坝趾压应力小于允许值是很容易满足的,即使高坝也可通过加大混凝上标号来解决,而坝踵的应力要满足规范,按重力坝设计规范,考
虑扬压力后的坝踵正应力σ坝踵(以产生压应力为正),折点C处正应力σC应满足:
(2)抗滑稳定约束条件。按重力坝设计规范,取抗剪断强度公式计算:
重力坝断面优化设计的数学模型
综上所述,重力坝断面优化设计的数学模型为:
求解方法
3 本优化设计与其他优