拱坝优化新方法

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇拱坝优化新方法范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

[摘要] 拱坝是一种应力分布复杂、受地形地质、施工等条件制约较大的空间壳体结构，拱坝优化设计是拱坝设计的关键技术和重要内容。该文以永泰县青龙溪大洋水电站工程拱坝的体形设计优化为例，利用EXCEL工具软件、AutoCAD绘图软件和GADAP28应力计算等软件的联合运算，集复杂的拱坝体形优化、工程量计算、应力计算于一体，可快速实现多方案的体形优化，为设计人员提供了一种便捷、实用的拱坝优化方法，可提高拱坝的设计效率和成果质量。

[关键词] 拱坝 体形优化 EXECEL工具软件

1 工程概况

青龙溪大洋水电站工程位于永泰县梧桐镇境内，是闽江水系大樟溪南岸的一条主要支流。坝址以上流域面积197.44 km2。总库容2183万m3，调节库容1339万m3，具有不完全年调节水库。电站装机10MW，年发电量3468万kWh。

坝址区河谷呈狭窄对称的“V”型。开挖后河谷形态：坝顶弦长158m，起拱高程164.0m，河谷宽高比2.17，河谷平均底宽54m。两岸岸坡陡峻，左岸坡度约为62°，局部出现直立边坡，右岸坡度40°～60°。坝基岩层为燕山晚期次花岗斑岩，两岸山体雄厚。多为出露基岩，经开挖后，建基面大部分达到弱风化下部微风化，断裂不发育，岩质坚硬，属于Ⅰ～Ⅱ 级工程岩体，力学指标优良。

拦河坝采用实体砌石五心变厚的双曲拱坝，坝顶弧长178.28m，坝顶高程为236.0m，坝顶宽3.5～4.0m，最大坝高87.0m，起拱高程164m，以上相应坝高为72m，拱冠梁底厚13.5m，厚高比0.1875。坝体上、下游坝面采用水泥砂浆砌厚600mm条石并深勾缝，坝体采用C10～C15细骨料砼砌块石。溢流段布置在拱坝中部，溢流段宽60m，溢流面采用WES曲线，堰顶高程230m。

本工程属于高坝，地质条件优良，为了充分发挥坝体材料潜能及有利的地形、地质条件，应进行坝体优化，在满足稳定、应力和施工条件的基础上，尽量节省坝体工程量，减少施工工期。

2 拱坝优化方法

2.1 两种拱坝优化方法概述

拱坝的体形设计比较复杂，且难度较大。过去主要依靠设计人员的经验和手工反复试算，通常是根据已建拱坝工程设计经验，先假定一个坝体的拱冠剖面，然后进行平面布置，再进行应力和稳定计算，以检查所设计的方案是否满足设计规范的要求。如果满足，即加以采用。如果设计工作做得更细致一些，可进行多个方案比较，从中选择一个比较优化的方案。一个拱坝体形的优化设计，往往需要一个月甚至几个月以上时间，效率低，又不经济。还可能使真正的优化方案被漏掉，无法适应现代设计要求。

目前拱坝的体形优化设计用两种方法：一种是利用数学规划方法，将拱坝体形优化设计问题转变为数学模型，对优化追求的目标和设计应受到的约束条件作出数学描述，最后利用数学规划方法求解。该方法国内外各设计部门开发拱坝的优化程序较多，但实用的、简单可行的优化程序不多。特别对于缺乏实践经验的拱坝设计人员，由于选用的拱坝体形参数不当，往往会出现优化后体形不切合实际，使设计人员感到无所适从。另一种方法是基于工程经验的基础上，建立拱坝体形参数的数学模型，结合计算机运算功能，不断调整体形设计参数的特征值，达到优化的目的。本文主要介绍后一种方法，并在我省多座中高拱坝工程设计中得到广泛应用，取得良好的社会效益和经济效益。

2.2 本文拱坝设计优化方法的总思路

浆砌石拱坝是一种各向异性的非均质体组成的超静定结构，影响拱坝优化设计的因素较多，除了坝址河谷地形、地质条件外，还要结合工程设计施工经验，建立起拱坝体形各参数的数学模型，通过比选和修正拱坝参数特征值，并利用EXCEL工具中计算的功能，自动产生拱端坐标、应力计算用表、拱坝体积、def文件数据表（供绘图用）以及溢流面曲线、拱肩稳定计算、挑流计算等参数。根据自动生成的应力计算用表，结合北京水科院拱坝应力计算软件GADAP28，能快速计算出坝体的应力。根据自动生成def文件数据表，利用AutoCAD自动生成拱坝尺寸图。由于充分利用了计算机计算功能，而且不需编制复杂计算程序，只要利用常用的EXCEL工具软件和AutoCAD的基本功能，根据已建工程的经验或常用数据，即可通过快速多次调试，能较快的实现拱坝优化。优化计算流程见图1。

3 拱坝体形优化步骤和工程实例

以下以永泰县青龙溪大洋水电站拱坝优化设计过程，具体介绍其操作步骤。

（1）首先建立一个EXCEL文件，如图2所示。在总表中“工程特性表”输入有关工程特性参数，例如：水位、流量等。

（2）建立拱坝各参数（Au、Tc、Ts、Rc、Φc、Rsu、Xr、XL等）的数学模型，即各体形参数与坝高（h）的三次幂指数多项式曲线方程。

主要设计参数意义：拱冠剖面的坝顶厚度Tc；中园拱上下游半径Rcu和Rcd；中园拱半中心角Φc；拱冠梁上游面与坝轴线水平距离Au；侧园拱上下游半径Rsu和Rsd；侧园拱上下游面夹角Φsu和Φsd；拱端厚度Ta；左右岸拱端上游面坐标Xal和Xar等。其它各参数的意义如图3、图4所示。

（3）利用总表中“三次多项式计算表”（见图5），在特征数据输入区，根据已建工程的经验值，输入有关特征数据，在计算区内得出体形参数（Au、Tc、Ts、Rc、Φc、Rsu、Xr、XL等）方程的解X1，X2，X3。即可求出拱坝各参数三次多项式方程。

现以青龙溪大洋水电站拱坝工程拱冠梁厚度Tc曲线拟合为例，说明其计算步骤。首先在特征数据输入区内输入坝体拱冠厚度特征值Tc0=3.5(h=0m)；Tc1=7.5(h=28m)；Tc2=10.5(h=50m)；Tc3= 13.5(h=72m), 在计算区内即可求得X1=0.149018759；X2= -0.0002706；X3=1.80375E-06。因此，拱冠梁厚度Tc的三次幂指数多项式方程为：

Tc=3.5+0.1490188*Z-0.0002706*Z2+0.00000180375*Z3

（4）同理利用上述“三次多项式计算表”步骤即可求出拱坝其它各参数与坝高关系的方程式，并链接至“拱坝体形参数表”中。在“拱坝体形参数表”及“工程特性表”的基础上，可自动生成“园心轨迹线坐标”、“拱端坐标”、“溢流面曲线计算表”、“应力计算用表”等。（见图2，由于篇幅所限，各种表格示意图不一一列出）。

（5）自动生成的“拱端坐标表”可供清基开挖放样之使用。

（6）自动生成的“溢流面曲线、挑流计算”等可供坝顶溢流面及挑流设计。

（7）自动生成的“def文件数据表”，通过一个简单的转换程序与AutoCAD软件接口，自动产生拱坝设计平面图，需要时也可绘制剖面图等。

（8）根据“应力计算表”，与常用的应力计算软件（GADAP28）结合，计算出坝体应力及拱肩单位推力值，以作为拱肩岩体稳定分析之用。

（9）多次调整拱坝体形参数，选择同时满足应力和坝肩稳定要求、且拱坝体积较小的体形参数表作为本工程最终的优化体形。

4 坝体优化结果及工程效益

在施工初期拱坝优化前，坝体基础开挖量：4.71万m3，坝体砌筑量：7.96万m3；经不断调整坝体的参数，多次优化后坝体基础开挖量：4.35万m3，坝体砌筑量：6.92万m3。节约工程投资约250万元。由于工程量优化，缩短了施工工期。发电时间提前了2个月，增加发电收益约115万元，社会及经济效益显著。本工程拱坝经过2005年汛期多次过洪的考验，特别是“龙王”台风期间最大洪水位达235m，大坝均安然无恙。