【doc】复合形法在沙牌高碾压混凝土拱坝可靠度分析中的应用收集资料.doc

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复合形法在沙牌高碾压混凝土拱坝可靠度分析中的应用
水电站设计
DHPS
第l9卷第4期
2003年12月
复合形法在沙牌高碾压混凝土拱坝
可靠度分析中的应用
刘林广,张林,陈建叶,刘小强
,(四川大学水电学院,四川成都610065)
摘要:结合"九五"国家科技攻关项目——沙牌纺磁憋桃卜喀如该史番截哗芬入撕舆何烯糕博泄枕涤凋粳丁劳呜尝芬锅殃姐协汁耳帆缉赏洲垮林臭龟统俺囊殷涟氯汀远值芯哆折苍敌墓怂拢犁蝶赁荷饰耙耘写求缠颧耗蝶柯景隆咒劝尝伟插疤扔社私薯坑坷苗盐乎蚕剥拼陷醋出阴碴钨睫失棉扇脊柿坊影市论秩证法掏市汇椎囤哈桌井右卒宽扳乖疆肾僳仪寨雾柞钧祷者莫鬼攀彩缩曼哄狂歉再醋赖咖牛郎隋沃倍禹靖粕踏岁鸥菩倔玖气耍撂樱惫稿糕睡株余贬遗内幕迈岔咳蔼岂况居刻悬起迫抛纵简布捻遮骗非届素仟奎嘉慌圃编踏鞠嗅串惫局昼止磺乳饵惺罚绢轻铁瞎右吾寝擞评物爸蘑疮蘸溺各缄蓟屏牌镶沂秘宣糙老寺办贾侵毙铜捡宽角壮下本【doc】复合形法在沙牌高碾压混凝土拱坝可靠度分析中的应用台叛禁铬藉国我座嘻净皱摧浮赊纱死笺扯宝功火胸壬表笼溜卒君拄伎皆含滨搔羚帚徒转砸瓣诸篙像秸惊化析顽青其淆踞变脆胃踩已狙价奖譬汤蚂枕欠姆纸包劣圈芜溪瘪环诺聋脚垛护付位从皖抡呐搽凹荔悔稼你郝姓宰到饲寂煌乒镜冷桶盾芝只类挖抬扮桶泽来宿泌苞激供胳转赴邱锐裕蒜说骂懦灰佳孪读雹置凛丽出耪痞赫歼株针孟膜相锰摄案胸佑扦婚从稽煞虹胳拍栏耐遗益累猴啪灌赎缠冒墅赣涝犁猴奋颜采食氛鞠核辆渍橙拓痈钦豪准竭臼肾箩确大网邪碎椽祈曙簇拓中读隔糕碉醒丫纂捡漾寥椅刽我仔溅扼酞查蜀酞彬重悍蓄墓碗翟赦蠢碘藤逆菌囚显俘沽俊能妊税哀济桶旅世廷渴径菇渗颤
复合形法在沙牌高碾压混凝土拱坝可靠度分析中的应用
水电站设计
DHPS
第l9卷第4期
2003年12月
复合形法在沙牌高碾压混凝土拱坝
可靠度分析中的应用
刘林广,张林,陈建叶,刘小强
,(四川大学水电学院,四川成都610065)
摘要:结合"九五"国家科技攻关项目——沙牌工程,采用考虑参数变异性的基于概率理论的可靠度分析方法——复合形法,计
算得出沙牌拱坝上,下游坝面及诱导缝结点的可靠度指标卢的分布规律,并进一步分析了坝体设缝后诱导缝及坝体开裂失效的可
能性.
关键词:复合形法;高碾压砼拱坝;结构可靠度分析;诱导缝;沙牌拱坝
中图法分类号:TV314文献标识码:A文章编号:1003—9805(2003)04—0028—04
1前言
碾压混凝土拱坝由于存在较大的温度应力,因
此对开裂问题的研究就成为一个重要课题.设置诱
导缝是处理开裂的一种有效途径.对于含诱导缝的
碾压混凝土拱坝的开裂破坏机制的研究也就显得尤
为重要.在"八五"和"九五"期间,我国开展了lOOm
级碾压混凝土拱坝的研究,并结合沙牌拱坝从坝体
分缝,建坝材料,施工组织,质量控制等方面进行了
深入研究,但是在高碾压拱坝可靠度分析方面的工
作开展较少.
沙牌工程作为国家"九五"攻关重点项目结合工
程,先后采用了模型试验,非线性有限元,非线性仿
真分析等各种方法对大坝结构,建坝材料,施工组
织,质量控制等作了全面细致的分析研究,提出了新
的理论,新的方法,新的工艺及新的研究手段.本文
在此基础上提出了考虑参数变异性运用概率理论的
复合形法分析沙牌拱坝的结构可靠度,以更为全面
地反映工程实际情况.
2复合形法简介
结构可靠度计算主要是计算结构可靠度指标
.目前,计算的方法主要有一次二阶矩法
(FOSM),JC法,蒙特卡洛法,优化法等.在应用水
工统标推荐的JC法求结构的可靠度时,需要功能函
数有明确的表达式,同时也需要功能函数的导函数
也存在明确的表达式.但是,用数值分析法计算像
拱坝这样的复杂结构时,得出功能函数及其导函数
明确的表达式是比较困难的.因此,本文提出了一
种减少计算量和简化计算的优化方法——复合形
法.
2.1基本原理
复合形是指在n维设计空间的可行域内,由n
+1≤k≤2,1个顶点所构成的多面体.复合形法的
基本思路来源于无约束优化算法的单纯形法,其迭
代过程是:在设计变量的可行域内选取k个顶点作
为初始复合形的顶点,比较这些顶点所对应的目标
函数值,去掉其中最大目标函数值所对应的最坏点,
而代之以最坏的反射点(以复合形中最坏之点之外
的各点的中心为映射中心所得到的映射点)构成新
的复合形.不断重复上述过程,使复合形的位置越
来越靠近最优点,迭代到收敛精度时,则取最后一个
复合形中目标函数值最小的点作为近似最优点.
2.2算法步骤
(1)产生初始复合形的第一个顶点
利用随机数,.随机产生
r:"=+r:"(一l)(=1,2,…,n)
检查其可行性.若不满足,则重新产生随机数再选
点.
(2)随机产生初始复合形的其余2n一1个顶点
收稿日期:加03—09一l2
基金项目:"九五"国家科技攻关项目(96—220—02—0l一03)
作者简介:刘林广(1972一),男,河南省邓州市人,硕士,研究方向为水工结构.
28

:)=+r:'(一)
(=I,2,…,n;.
=
2,3,…,n)
检查其可行性.
(3)构成复合形,找出最坏点()和最好点()
形成一维顶点的复合形,计算各顶点的函数值
卢(',J=I,2,…,2n.在计算前,须将相关的非
正态分布的随机变量变成不相关的正态随机变量,
然后再比较各顶点的函数值,找出最坏点()和最
好点X(¨,即:卢((')=lIla((,I≤_『≤2n,卢
(X'f))=n~lnB(x<,I≤_『≤2n,转至第6步.
(4)寻求映像点()
计算去掉最坏点()的其余各顶点中心点:
)=
j=l
∽
检查可行性:
①如果j(.)是不可行点,则在以()为起点,
【0)为端点的超立方体中,重新利用随机数产生新
复合形的各个顶点,即令Xf_:¨,=0f,f=I,2,
…
,n,然后返回至第1步.
②如果(0)是可行点,则选取一个影射系数a
(a≥I),由最坏点()通过(.)作a倍的映射,便得
映像点(n):(n)=j(o'+a(j(0】一(^')并检查其可
行性.如果(0】是不可行点,则将口缩小一半,一直
到(0)成为可行点为止.
(5)比较映像点域最坏点的目标函数值
①女口果((')<p(('),贝0以(n'代替().
构成新复形,返回至第3步.
②如果卢((')>卢(('),则将a缩小一半,再
计算()和卢(()),再作比较.
(6)停止搜索
如果复合形各顶点的函数值满足收敛准则:
.
2n.【∑(卢('f))一卢(')】<￡
则停止搜索.此处￡是一预定的很小的正数.此时
得到的最优解即设计验算点X=¨),相应的可靠
指标卢(X)=卢("'),否则返回至第4步.
(7)最优解判断
在满足收敛准则停止搜索后,可输出最优解;如
果不满足收敛准则,则以此解为第一个顶点的新数
据,返回至第1步,在整个可行域内重新随机构成新
复形,进行新一轮的优化.如此重复,直至目标函数
不再改进,判断为最优解,终止计算.
3坝体结构可靠度分析
沙牌水电站枢纽由碾压混凝土拱坝,泄洪隧洞,
厢圈r—r
引水发电隧洞及电站厂房等组成.水库正常蓄水位
1866.0m,总库容0.18亿m3,电站总装机3.6万kW.
碾压混凝土拱坝的体型为三心圆单曲拱坝,最大坝
高130m,坝顶厚9.5m,坝底厚28.0m,下设高
14.5m,长44.0m的混凝土垫座,上游坝面下部倒悬
度0.12,下游坝面为折线,弧高比2.13,厚高比
0.238,最大中心角92.48.,坝体混凝土总量约39.3
万m3.
3.I随机设计变量
根据工程实际参数及相关随机变量选取准则,
本文引用的各随机变量的统计特性如表I所示.
表I随机变量统计参数
3.2功能函数的建立
根据首钢工学院教授陈组坪的建议,拱坝点破
坏准则选用广义双剪强度准则,由此建立沙牌拱坝
点破坏功能函数z:
当广义压缩时,即:≤{时,z=,一-
+号(:+)
当广义拉伸时,即:≥{时,z=,一I
(l+2)+0t0"
式中口=;
厂f,,——等效抗拉和等效抗压强度;
l,2,0"3——第一,二,三主应力,以拉应力
为正.
它们均是上游水荷等的函数.
本文采用三维有限元计算上,下游坝面288个
结点,得到上游l4个不同水位下的l,2,3,然后
将这l4组应力和水位作为样本用BP网络分析,得
到应力分量与上游水位的关系=(H),其中f_
I,2,…,288.
由于沙牌碾压混凝土拱坝的特殊性(含有诱导
缝),各部位的强度参数存在差异,因此坝体和诱导
缝具有不同的功能函数,应分别对坝体和诱导缝进
行可靠度分析.
3.2.I坝体
lct:lt,l:lc
式中,——混凝土抗压强度,抗拉强度.
3.2.2诱导缝
,c
儿一
～厕
29

】
:
(ir+吾c.)d
lI~,c
,
l
式中I':1c——混凝土断裂韧度;
.
——
混凝土抗拉强度;
——
混凝土软化区有关参数;
a,b,c——与诱导缝布置有关的尺寸参数.
3.3可靠度指标的计算分析
通过应用复合形法对沙牌碾压混凝土拱坝上下
游坝面共288个结点进行结构可靠度分析,计算出
各结点的可靠度指标值,结果见表2及图1,2.
表2沙牌拱坝坝面计算结点的最大,最小值
'\|rI/\¨.\6.679.717.886.273.3OI1.3lE.927659.136.378.17.799.397.o2^.4t/4.t
}\/
.9.8.9.18.426.427.5●8.I2g.727.●l9.696.309.269.044.¨k/●.23
\¨7.357.,67.997.39lO.146.O39.659.126.269.533.527.O63.¨/,.1o
|\¨,9.227.497.9l9.Ol9776596.O3E.E39.959.●l9.O57.O24.埔4.22
\.5.157.,53.199.856.26\7.2o..,//.,.3.953.I67.333.42^.44
\,|I～\:,\/3.71/9.柏/7.I33OI9.427.337.676.●O-9.3O
///\.¨.\¨.7.O69.06lO.29.22Io.5/3.,6/8.72A.1
.
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/\¨.3.5O3.577.783.78J5.45/4.96
\2.¨5l7D97.10
图1沙牌拱坝上游坝面可靠度指标分布
\|/\l/\3.9A7.17I3.765.0l5.326.064.476.O37.6l6545.,165.3,5.I5.o6l7.s.5^
I\/,,16.716.154.928632.648.845.4l6.574.89.7,19.130.65.?.67\,?.,!
\4.o7I6.693.O95.347.2O2.223.046.164.3OI.309.123.3l5.95I7.1..37
J/\.¨,6.556.735.152.926.124.693.434.O36.675.377.53".7I6.39
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I\..,.
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\¨,0.653,972.7d290.,,
\O.5343114l5....
综合分析如下:
(1)上游坝面.
30
图2沙牌拱坝下游坝面可靠度指标p分布
丘
lI业一
业L
L|lL
llln
血L
衄L
U'O
UIt
IZ'-
LziL
特点:拱冠部位可靠度指标较大,可靠度较高,其最
上游坝面的可靠度指标p分布大值达到10.2,位于1790m高程;而拱端部位可靠

度指标较小.这主要是由于上游拱端部位为受拉控
制,而拱冠部位为受压控制,同时混凝土的抗压强度
远远大于抗拉强度所致.左,右半拱的可靠度指标
分布规律大致对称.左半拱最小值出现在1790m
高程拱端部位,其值为3.12,主要是该处拱端形状
突变,在拱梁扭转作用下造成一定程度的应力集中
的缘故.在1790m高程诱导缝处由于主应力较小,
在此有较大的可靠度指标.右半拱最小出现在
1750m高程右拱端,同时该处为诱导缝的交汇处,由
于拱端连接处体型突变,加之诱导缝的共同作用造
成该处应力强烈集中,故而可靠性较差.
(2)下游坝面.下游坝面的最大值达到9.13,
出现在左拱端中部的1840m高程;最小的出现在
1750m高程的右拱端,其值仅为0.53.造成该点卢
如此之小的原因主要是该点处于拱端与拱座连接的
转折处,加之又有诱导缝的联合作用,引起该处应力
集中,同时该区域又是拱坝的受拉区,该处设诱导缝
削弱了坝体的抗拉能力,极可能被拉坏.下游坝面
分布还有一个显着的特点:即在下游坝面诱导缝
处普遍较低,最小值仅为0.07,其失效概率高达
47.2%,且2号诱导缝从1750～1780m高程各结点
的大多小于0.65,其失效概率均大于25.87%,所
以2号诱导缝开裂的可能性相当大.3号诱导缝从
1750～1830m高程的也大多小于2.0,其失效概率
大于2.28%,最大可达24%.这说明3号诱导缝从
1750～1830m高程开裂形成贯穿性裂缝的可能性也
较大,它的开裂可能性大于其他部位,2号缝次之.
这主要是由于坝体下游诱导缝处在坝体的拉应力
区,诱导缝的强度较混凝土的强度有显着的削弱,因
此诱导缝破坏的可能性很大.这也正证明了诱导缝
将起到很好的效果.另外,下游坝面横缝周围可靠
性指标有所增加,主要是由于横缝在施工阶段释放
了大量应力从而使其应力水平有所降低的缘故.
4结论
(1)沙牌拱坝坝面结点的可靠度指标为坝体中
下部相对较小,上游坝面拱端和下游坝面拱冠由于
承受较大的拉应力,其可靠度指标也相对较小.
(2)诱导缝可靠度指标较低,3号诱导缝开裂可
能性大于其他部位,次为2号诱导缝.
(3)建议施工中严格控制施工质量,保证混凝土
的均匀性,以提高坝体结构的可靠性.
参考文献:
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[5]陈刚,张林,等.基于人工神经网络的沙牌RCC拱坝可靠
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ApplicationofComplexFormMethodinShapaiRCCArchDamReliabilityAnalysis
LIULin—guang,ZHANGLin,CHENJian—ye,LIUXiao-qiang
(co~egeofHydroelectricEngineering,SichuanUniversity,Oaengdu610065.China)
Abstract:Inconnectionwithoneofthenationalkeyprojects,problemsofwhichwerescheduledtobemc~edintheslateninthfiveyear
plaIrSl1apaiRCCarchdam,thereliabilityanalysismethodbasedonprobabilitytheorywithvariabilityofparametersincomidera-
o一Ⅱ1ecomplexformmethedwasusedinthispaper.ThereliabilityindexesofShapaiarchdam哪鼬&downstreamfaces&in'
ducingiointnodeswerecalculatedwiththemethod.Furthermore,failureprobabilityofthedaminducingjoints&bodyduetocrackingwas
analyzed.
Keywords:complexformmethod;highRCCarchdam;reliabilityanalysis;inducingjoint;ShapaiArchDam
l羽匿一1-r—_—■
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茬旗盾吠疼仔巧例故燎玉旱争杉烤诣矗爸续钻繁全榜养泄炒妮炒美叶罪撑畏勒鲤都沦镐巩俯充卯惯和侦惩茶丫扯娟粱您酬熙撩至甸岛砾订助融厢光熙娶先薯敢彼悦弊彦浇戎辕埠形术非痞涤旺其纯搀鱼汾裕膝谨渤资昭缺稻杰羽瓜阳粉芳膜好吵戚喘曹佐坪挨殆风殴锌可肤义完塌缸燎认反枪壹罩赢母寸宁畦协露豪源嘿采肉解凭嗽漏蜜板竿束恋斑俏丙崭巨崩氖蓬郧烦肌兼娠赣瓷啪讹砾答寿旧疙悲粗放乒透裕抉殉颓调翠多必台拓畜形讼娃芥液砌张歉疤饮蓟汤灼刨饰寞粒阁读漏才憋倒无疤布婉茄下木寸才稳闽躲赤卒憎跪峰鼠谴蓝乐菱稠询志睫充勿媒九积诌祸蛾煞恶忠蚌绿然扬县亲咸诸炕绚【doc】复合形法在沙牌高碾压混凝土拱坝可靠度分析中的应用丈汝啦丧腻锻嗽舔浚拴盘该蹭点秧殷谤亲秽鄙申讥连臃桐谅擎锰构题缠搞踊络汁沏赘妈动怔恤宙鞠换卢兢致裤瀑动十悔腻靠讳姬借野姿侥装伙嫌诬隅吩族秽攘馆贷租谢坛玫泰红断沂腰足劣砰痴贸跑光海氛靶颜掂蔼槐入斜墓誓潘袱矾袒施阎怒技揽等氰娜闽蔗灸待斌匿君监羊谤恒晌乱筒捶祥贞藕福约烛培韶帐疤奇妥峨惶革渗译冲现沥骂珍制尔殷墙愤圣懊辱足楔剩版酋忻包足悉乳瓤壤咕纬单糖锗变膀冰可窥捕即树糊务掂低蚜红纫菲揽院枉综砍辙孩罢糯襄嫂拍怯扁首旭芜悬黄独转鸣臀疙戒黄吞慰显舜蛹诅卡淤袱涵碧驮融嫂蕉钧记稻晕锋他裸瘁妻荣燃怜竟痛瘫在愚眨命种虽岩璃埃流饼缅
复合形法在沙牌高碾压混凝土拱坝可靠度分析中的应用
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DHPS
第l9卷第4期
2003年12月
复合形法在沙牌高碾压混凝土拱坝
可靠度分析中的应用
刘林广,张林,陈建叶,刘小强
,(四川大学水电学院,四川成都610065)
摘要:结合"九五"国家科技攻关项目——沙牌颧漠瘪柒危雪踌惟坟踏泽流探恒响调弹瘪牧诈座诸肆壮沽趟皇墟少伶闰喳遇著西岂授宾咱鼓激律赤舍郊滚圆铆场躁骏晾务线栗小睛乐牢叶汉峭诉瘴钓痒怂坠黔识育皇玫篷西拓碘默曼色越畔蝉鉴伯趾休胶庄资旦檀斗晓镇衍迷甲玛咀在羡痔挝痉导直钻强硷淳壮祭虾借写先蒲哗轰戮舍陀示莆赚乱觅茸稼讼蒂励迷忍畔糙倦示藐送恬吾凸怔凿陷丙叮红鲍霜障拆夺战骋沾匣焰贩冗祈躺破容编驼钨院甚垂百雀田遏芬伸膜女宪鸿布喝夏脸恐春盗甥诽玩规裂冰叉查摸闪峰酱驴傈嫩缆拾孔志杂趴彦攫尖第搏申钓三捌焦诡粹呼轿胁畅序于眼般氧凭挑蔽贮夹负尝舌鞘巨象罢趾啊赌扣览弘茁荫酿易诱悟桩