雙曲拱壩優化設計論文2篇

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第一篇

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境，如施工區的地形、氣溫、運行等，以下將對這些環境因素進行分析：

（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：經過多年的觀察發現，拱壩建設區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、雙曲拱壩體形優化設計

1．體形優化程序在對雙曲拱壩的設計時，為了確保拱壩優化設計的正確合理，對優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化計算。

2．拱冠梁前傾度分析

針對拱壩體形的優化設計，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據和構造，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定性。

3．拱圈中心角的優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巖，它的抗風化能力較強，巖體比較堅硬，風化淺薄，壩址斷層中等發育，但是其規模較小，壩肩的穩定性較好，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．拱壩的優化設計參數

（1）體形參數：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指數在拱圈參數描述行中提供。

（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：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0.000008，基巖變形模量為1.5萬PMa，泊松比為0.15。

（4）參數的約束條件：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）經過計算結果分析，對比兩種優化計算程序的技術結果，發現兩者相差并不多大，然而，本文的計算結果是根據ADAO程序得出的，根據ADAO程序優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，需要根據拱壩所處的位置和該處的地質環境，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易出現應力集中的現象，也就是俗稱的高應力區，該范圍內的應力分布連續，壩體表現為彈性工作狀態；從以上分析可以得出，最大主拉應力都表現在拱冠梁底上游面，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象，有限元主應力量值比較大。

四、雙曲拱壩優化設計的建議

在對水利水電樞紐工程雙曲拱壩優化設計時，應當注意以下幾個方面：

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

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

（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，得出精準的位置數據，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，是對拱壩的優化設計；拱壩的優化設計難度相當大，受多方面條件的制約，要想得出完善的拱壩優化設計，不僅需要高技術的專業人才，而且還得有高新的技術設備，更需要優質的建筑環境。

作者：葉小萍 王朝進 單位：鹽城市鹽都區水利規劃設計院 連云港市水利規劃設計院有限公司

第二篇

一、拱壩體形設計條件的特點

拱壩體形設計條件的特點包括氣溫、地形條件、水庫運行條件等方面，以下做簡要的分析：

（1）氣溫：據往年數據統計，水庫所處位置的常年平均氣溫為16.7℃，每年的7月平均氣溫最高，達到了27.8℃，每年1月的月平均氣溫最低，為3.9℃。氣溫的年變幅較大，而水溫年變幅稍小于氣溫年變幅。

（2）地形條件：河谷為V字形，兩岸地形基本對稱，地形的坡度為40度左右，為典型的寬河谷地形。

（3）水庫運行條件：正常蓄水位234m時河谷的寬度為345m，設計的洪水位239.58m，壩頂高程為240m，水庫可以起到發電、供水、泄洪等作用，正常消落深度為87m，供水死水位為148m。

二、混凝土雙曲拱壩體形優化設計

1．拱冠梁前傾度分析

要對混凝土雙曲拱壩體形進行優化設計，首先分析拱冠梁前傾度，本文研究的壩址河谷較寬，梁向作用明顯，采用前傾的體形對上游壩踵有壓緊的趨勢，可以減小上游壩踵的拉力。但水庫的水位最大消落深度超過了壩高的70%，水庫供水死水位非常低，拱壩向上游側位移的傾向比較明顯，在下游低高程處存在較大的拉力。在水庫雙曲拱壩體形的設計時，拱壩體形不宜過于前傾，否則拉應力過大，對拱壩的穩定性有削弱，本水庫的拱壩采用適度前傾的拱冠梁剖面。

2．拱冠梁剖面厚度優化

分析了拱冠梁的前傾度之后，要對其剖面的厚度進行優化，本文的措施是減小底部厚度，增加中上部的厚度。水庫壩址的河谷較寬，如果按照常規的設計，中上部的厚度不足，剛度小，所承擔的水推力很小，較多的水推力集中在中小部位，難以充分發揮拱圈的效用。在進行拱冠梁剖面厚度進行優化時，還要兼顧到經濟性，結合節省混凝土用量的要求，提出了四個方案。四個方案都是減小底部厚度，增加中上部的厚度，通過對四個方案進行不同拱冠梁剖面拱壩體形的應力分析發現，隨著剖面變薄，混凝土的用量也隨之減少，壩體的整體應力水平不斷提高，接近規范允許值。剖面中上部的厚度加大可以增加剛度，使拱圈承擔了更多的水推力。方案4的承受的拱壩體形應力值最大，但沒有超過規范應力值，并且混凝土的用量也最小，應力分布更均勻，本文的工程優化選擇了方案4。

3．拱圈中心角的優化

拱拱圈的中部拱作用力最強，拱圈中心角在此處的也最大，上部拱圈的拱作用力較小，拱圈中心角也相對小。本文研究的水庫壩址很寬，中上部拱圈的作用力需要增強，也就是說中上部拱圈的中心角需要增加。壩址巖性主要為熔結凝灰巖，抗風化能力強，巖體致密堅硬，風化淺薄，壩址斷層中等發育，但規模小，壩肩的穩定性好，可以利用此特點，增大中上部拱圈的中心角。

4．拱端加厚

混凝土雙曲拱壩在基礎部位受到的約束最為強烈，彎矩、扭矩、剪力的共同作用，受力條件十分復雜，拱壩基礎對于整個拱壩的穩定性和安全性的重要程度不言而喻，因而需要改善靠近基礎部位的壩體應力狀態。一般拱壩中部拱圈的應力大，對此段進行針對性的加厚處理，加厚比達到了25%左右；上部拱圈受力較小，因而可以不加厚；下部拱圈受力較小，加厚10%左右。

5．設計體形優化

本文研究的水庫混凝土雙曲拱壩體形采用拋物線形狀，屬于變曲率拱壩，要解決穩定性與應力之間的矛盾，可以通過調整拱圈各部位的曲率來實現，在彎矩小處減小曲率，在彎矩大的拱冠處加大曲率，這樣可使拱端推力偏向山體，又能改善壩體的應力狀態，利于增強拱座的穩定性。根據體形優化的思路，經三維線彈性有限元法分析，可以確定其最終的優化體形，優化后的拱壩混凝土體積比初步設計少3.5萬m3，開挖量減少2,600m3，節省資金1,250萬元。

三、線彈性有限元拱壩應力分析

水庫混凝土雙曲拱壩體形優化設計之后，要對其實際施工的可行性進行分析研究，而三維線彈性有限元法在對拱壩的變形和應力分析時具有重要的左右，而且拱壩體形優化施工是分期封拱的，應力和應變分析十分必要。根據水庫所處的位置，分析其地質環境，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，模擬基巖和壩體時可以用6結點五面體或8結點六面體等單元，夾層單元模擬斷層。經過計算分析，在校核洪水位+溫升、正常水位+溫降工況時，拱冠梁底上游面出現最大主拉應力分別是3.60MPa和3.20MPa，拱冠梁下游最大主應力分別是-8.80MPa和-7.70MPa；在死水位+溫升工況時，主拉應力最小，出現在中低拱圈下游面端，為1.00MPa左右。主壓應力在雙曲拱壩上較小，主要是在拱冠梁底上游面存在，量值大概為-6.50MPa。經過有限元分析，應力和應變基本符合拱壩的受力分析，在壩基附近1/20壩高的范圍內出現應力集中的現象，也即是高應力區，此范圍內的應力分布連續，壩體呈彈性工作狀態。從上述的分析可以發現，最大主拉應力都出現在拱冠梁底上游面，也就是壩踵處，高水位的工況控制壩體的主應力；而最大主壓應力都出現在拱冠梁底下游面，也就是壩趾處，拱壩低高程壩基局部有應力集中的情況，有限元主應力量值比較大。根據SL282—2003《混凝土拱壩設計規范》的規定，當采用有限元分析時，還要增加“有限元等效應力”。在校核洪水位+溫升、正常蓄水位+溫降工況時，壩踵的最大等效主拉應力分別是2.4MPa和1.80MPa，超過了規定的2.0MPa和1.50MPa，但超過的幅度并不大，與同類工程相比，處于同一應力水平；而壩趾最大等效主壓應力分別為5.40MPa和4.20MPa，滿足規范的7.14MPa和6.25MPa，符合設計的工況要求。六、水庫混凝土雙曲拱壩體形優化設計的注意事項在對水庫混凝土雙曲拱壩體形進行優化設計時，必須注意幾個方面的內容：

（1）要統計歷年的歷史數據，從以往的數據中發現存在的不足，可以大略的掌握優化設計的方向；

（2）實地測量校核，根據已有的資料數據進行實地測量，進行印證，有不同的地方需要修正，以便為優化設計提供可靠的參數；

（3）結合先進的分析設備，水庫的面積大，影響的范圍遠，可以結合GPS定位技術等來進行分析，以便得出科學的資料；

（4）有限元建模時必須充分論證，科學合理的模型對于分析的準確性影響很大，因而從節點、網格、彈性模量設置、材料等方面進行細致的分析，確保有限元分析的科學性。

四、結束語

我國水資源豐富，水庫混凝土雙曲拱壩的建設數量比較大，但存在著一定的不足，因而研究其體形優化設計的方案，具有積極的意義，對于提升水庫的穩定性、可靠性具有重要的作用，相關研究值得深入。

作者：陸亞州 孫承坪 單位：鹽城市水利勘測設計研究院 連云港市水利規劃設計院有限公司