混凝土面板堆石坝优化设计程序探讨.pdf

水利水 电施 工2 0 1 2 第 3期总第 1 3 2期 3 2 优化设计计算模块 优化部分是整个程序的核心部分，由于面板坝材料 分区比较多，计算时结构重分析计算 占了非常大的工作 量。因此，编写程序的时候，将坝坡稳定分析和坝体应 力变形计算作为子程序，以遗传算法作为主程序，将这 三大模块分别作为单独的文件进行编译 ，通过链接，成 为一个单独的程序进行计算。 3 2 1 坝坡稳定计算模块 坝坡稳定的计算程序是沿用前人编制的土石坝坝坡 稳定计算程序，该程序采用的坝坡稳定计算方法是毕肖 普法，所以在进行面板堆石坝的坝坡稳定计算中，用垫 层料来代替混凝土材料 ，将面板对稳定的影响作为一种 安全储备。 坝坡稳定分析计算程序具有以下功能： ( 1 )本程序进行圆弧滑动面的分析，适用于各运用期 ( 施工期、蓄水期)的坝坡稳定性分析。 ( 2 )除可对指定的任意滑出点及对指定的任意滑弧进 行稳定分析以外，还可对坝坡上任意两个滑出点之间按 照人为指定的内插密度，对所有可能的滑出点进行稳定 分 析。 ( 3 )可同时对多个荷载级下 的坝体进行坝坡稳定 分 析。 其计算流程图见图 1 ，主要子程序基本功能见表 2 。 图 1 坝坡稳定计算流程 图 3 2 2 应力变形计算模块 坝体应力变形计算程序中的一些问题说明如下： ( 1 )坐标系的建立 ： 规定用直角坐标系表达坝体横剖面图。其 中，横坐 标 X以指向下游为正，纵坐标 y以向上为正，横坐标的 原点必须在坝顶宽度范围内，一般可取在坝轴线上，纵 坐标原点宜取在硬岩面以下。 ( 2 ) 自重应力 的考虑 ： 刚填筑好 的土 层 作 为材 料 的 原 始 状 态 ，不应 有 位 移和应变 ，但填筑层较厚时，其 自重应力不可忽略不计。 8 6 表 2 子程序 的基本功 能 程序名称 程序功能 S C S A 主程序，分配内存单元 C C 处理坝体填筑材料的物理力学指标 I N 0U T 输入原始数据 S S M 确定滑弧计算的滑出点 D S C C 对某一给定的滑出点 ，确定圆心点的位置 C S 0C 给定滑弧计算时，输人滑弧信息并逐弧计算 J E C C 判定是否需要扩大圆心点范围 E C C 确定扩大范围后的圆心点 I C C 确定加密网格后的圆心点 C C C 挑选最小安全系数 C I AN 求始滑点，确定条块数 ，排除一些不必计算的滑弧 S L AL 确定条块几何参数 ，排除通过硬岩层的滑弧 P A K 判定滑弧是否满足稳定要求并输出计算结果 本程序 自重应力的算法是将填筑层和已填土层一样参加 有限元 计算 ，但 算 出来 的位移及 应 变充 零，只保 留 应力 。 ( 3 )水荷载的考虑： 本程序假定水压力以表面力形式作用在面板的临水 面上 ，且除材料 自重及水荷载外，本程序不考虑其他 荷载。 ( 4 )单元及节点的划分编号： 1 )坝体断面用两条直线或折线划分成上游、下游及 中部三个子结构，每个子结构再根据填筑料分区及施工 顺序划分为几大块，称之为单元块，并首先由人工把单 元网格大致划分好。一般要求为四边形单元，对于少量 的三角形单元可加虚单元补足。 2 )每个子结构的单元和节点均独立编号，单元编号 还需考虑施工顺序，先填筑的单元先编号。 ( 5 )计算模型和计算参数： 1 )计算范围：上、下游方向分别取至上、下游坝坡 坡脚，坝底取至河床基岩面。 2 )边界条件：上、下游边界常取水平铰支，底部边 界取 固定铰支 。 3 )坝体材料计算模型：采用非线性邓肯 E B本构 模型 。 4 )计算工况 ：大坝施工期和蓄水期两种。 3 2 3 遗传操作模块 遗传操作模块为改进遗传算法优化程序 的主程序， 其计算流程图见图 2 。 3 3 结果输出模块 本优化程序输出数据为： ( 1 )满足稳定、应力变形等约束条件的最优解及其 目 标函数值。 ( 2 )最优解对应的指定计算工况下，满足约束条件的 坝坡稳定安全系数。 否 进行个体评价 找出并保存 适应度最大的个体 输入基本数据及参数 产生初始群体 厂 个体评价 进行坝坡稳定和应力 变形验算， 根据满足 约束条件的程度， 对 个体处以罚函数 找出并保存 适应度最大的个体 g e n m( g e n ) 匿圃 I 医函 l 匡圈 I 进行坝坡稳定和应力 变形验算， 根据满足 约束条件 的程度， 对 个体处以罚函数 g e n= g e n +1 图 2 遗传算法模块流程图 工程设计、企业经 营与项 目管理 ( 3 )最优解对应的指定计算工况下，满足约束条件的 坝体及面板的应力变形计算结果，其中水平位移 以向坝 下游为正，竖向位移以向上为正；应力以压应力为正， 拉应力为负。 4 算例验证 4 1 工 程概 况 积石峡水电站位于青海省循化县境 内积石峡出口处 ， 是黄河上游干流 “ 龙青段梯级规划”的第五个大型梯级 电站。总库容 2 6 3 5亿 m3 ，为大 ( 2 )型水利枢纽工程。 电站主体建筑物大坝为 1 级建筑物，采用混凝土面板堆 石坝，坝顶高程为 1 8 6 1 m， ，坝顶宽度为 1 0 m，最大坝高 为 1 0 0 m，趾板开挖最低高程为 1 7 6 1 m，上游坝坡坡比为 1： 1 4 ，下游综合坡比为 1： 1 7 1 。大坝标准剖面见图 3 。 4 2 主要计算参数 ( 1 )水库特征水位： 正常高水位：1 8 5 6 O O m； 死水位 ：1 8 5 2 0 0 m； 下游水位 ：1 7 8 3 2 6 m。 ( 2 )混凝土面板按照线弹性材料计算，计算中取材料 密度p o 一2 4 5 0 k g ma ，泊松比 一0 1 6 7 ，弹性模量 E一 2 0 1 0 Pa。 ( 3 )邓肯 E -_B模型参数 ： 坝体各区材料的邓肯 E -_B模型参数采用该电站工程 相应的材料试验结果。参数选用见表 3 。 袁 3 71 7 7 3 0 0 图 3 大坝标准剖 面图 邓肯 E- _ B模型材料参数表 非常运用条件 I：上、下游坝坡静力稳定安全系数 密度 C P K R f Kb Ku r 】r 材料 ( k g m0 ) ( P a ) ( 。 ) 垫层 2 2 0 0 O 5 O 6 4 0 0 O 3 5 0 7 8 5 2 0 O 2 2 8 0 0 0 3 5 过渡层 2 1 8 O O 5 2 5 8 5 0 O 3 0 7 7 5 5 0 0 2 0 1 7 0 0 0 3 C 主 堆石 区 2 1 5 0 O 5 6 5 1 0 7 0 O 3 6 O 8 2 2 6 0 0 4 0 1 3 0 0 O 3 E 次 堆石 区 2 1 1 O O 5 6 5 3 1 0 0 3 9 O 5 9 1 1 O O 3 O 7 0 0 0 3 E ( 4 )性态约束参数 ： 1 ) 正常运用条件：上、下游坝坡静力稳定安全系数 1 3 5 ； Fs 1 2 5 ； 2 )坝体大主应力 d 一3 2 MP a ； 3 )坝体小主应力 =0 MP a ； 4 )坝体沉降量 一1 m； 5 )面板最大挠度 胡一O 5 m； 6 )应力水平 s 1 J S 一1 0 。 4 3 计算结果分析 通过实例验证本程序的计算结果见表 4 表 6 。 ( 下转 9 7页) 8 7 动的一个重要组成部分，也是项 目部开展各项索赔工作 的基础。在本案例中，项 目部的各项施工措施、安全技 术措施、应急演练、施工 日志等，均以文字形式提交 了 法院 ，成为我方胜诉 的 重要证 据 。同 时，一旦 发 生安 全 事故 ，各 项文字记 录也是 安全监 管部 门划定安 全 责任 事 故的基本依据。 4 3 6 评价和后续工作 针对制定的应急预案，要进行培训和必要的演练， 对演练的结果给予评价和总结。如果发生 了事故，在处 理完事故后也要及时总结应急预案的效果 ，使应急预案 及 时得到评价和改进 。 5 结束语 工程设计、企业经营与项 目管理 安全生产管理是项 目管理中的头等大事， “ 安全第 一 、预防为主”高度概括了职业健康安全管理工作的目 的和任务，成为安全生产工作的方向和指针。作为生产 单位各级管理人员，对安全生产工作方针必须清楚了解； 而作为生产单位的安全管理人员 ，更应对其有深刻 的理 解，以便在生产实际中贯彻执行。认真做好安全管理工 作，可以有效避免人为责任事故 ，减少人员伤亡和经济 损失，促进社会和谐发展。 ( 上接 第 8 7页) 表 4 优化方案成果比较表 设计变量 ( r a d ) 日标函数 方案 371 3 7 2 X3 ，( z) 初始设计 2 5 2 1 1 3 7 3 0 6 2 0 2 3 9 4 6 9 1 改进遗传算法 2 4 9 7 1 5 6 0 0 6 5 3 2 2 8 0 3 8 3 表 5 坝坡稳定最小安全 系数计算结果表 方案 工况 初始设计 遗传算法 上游 1 5 9 3 1 3 5 1 施工期 下游 1 8 4 2 1 6 2 1 稳定渗流期 下游 1 6 9 4 l _ 3 5 1 表 6 性态约束计算结果比较表 性态指标 方案 工况 1 d 3 W SL ( MPa ) ( M P a ) ( c r n ) ( c m) 初始设 竣工期 1 6 8 O 3 7 8 4 5 1 O 6 3 1 1 2 5 计断面 蓄水期 1 8 5 O 4 2 8 5 4 7 O 5 8 2 2 2 3 遗传算 竣工期 1 7 0 0 4 3 8 5 O 7 0 6 5 1 5 5 9 法断面 蓄水期 1 8 2 O 5 1 8 6 2 2 O 6 3 2 6 7 1 由以上计算结果可以看出： ( 1 )通过本程序进行优化计算后，坝体上下游边坡均 变陡了，上游坝坡坡角由 0 6 2 0 r a d增大到 0 6 4 5 r a d ，下 游坝坡坡角由 0 6 2 0 r a d增大到 0 6 5 3 r a d ，坝体断面的面 积显著减小，从而使得造价明显减小。主次堆石区分界 线与水平方向的夹角由 1 3 7 3 r a d增大到 1 5 6 0 r a d ，使得 下游堆石料含量增加。与初始设计方案相比，节省了坝 体填筑用料，工程造价降低 4 8 。 ( 2 )由于坝坡变 陡，各 工况下的稳定安全 系数 明 显减小了，但都在允许范 围内，起到 了临界值的控制 作 用 。 ( 3 )优化后 ，竣工期坝体大主应力最大值为 1 7 0 MP a ， 小主应力最 大值 为 0 4 3 MP a ，均 位 于 坝底 靠 坝轴 线 处 ， 且均为压应力。坝体大、小主应力的方向基本接近重力 方向，且垂直应力分量大体接近于上覆堆石体 的自重应 力。整个坝体应力水平小于 1 0 ，最大值为 0 6 5 。蓄水 期坝体大主应力的最大值为 1 8 2 MP a ，小主应力的最大 值为 0 5 1 MP a ，均位于坝底 靠坝轴线处 。与竣工期相 比，坝体应力增加不大，说明坝体应力主要由堆石体 自 重引起 ，由库水压力产生的坝体应力值相对较小。与初 始设计相 比，优化后竣工期坝体大、小 主应力变化不 大 ，大 主 应 力 增 大 了 0 0 2 MP a ，小 主 应 力 增 大 了 0 0 6 MP a 蓄水期坝体 大 主应力 减小 了 0 0 3 MP a ，小主 应力增大了 0 0 9 MP a 。竣工期应力水平增大了 0 0 2 ，蓄 水期应力水平增大 了 0 0 5 ，但坝体大部分应力水平较 低 ，说明改进遗传算法优化方案大坝处在 良好 的工作 状态 。 ( 4 )优化后 ，竣工期面板 的最大挠度为 1 5 5 9 c m， 位于面板的 中上部 ；蓄水期 ，在上游水压力作 用下 ， 面板 的最 大 挠度 增 大 为 2 6 7 1 c m，面板 整 体 向下 游 发 生变形，其中面板 中部变形最大，向面板上部及下部 则逐渐减 小。分析表 明，积石 峡面板挠度相对 较小， 预计 不会 引 起 周 边 缝 的 过 大 位 移 ，能 满 足 设 计 要 求 。 与初始设计相 比，优化后面板挠度有所增大。竣工期 面板 挠 度 增 大 了 4 3 4 c m， 蓄 水 期 面 板 挠 度 增 大 了 4 4 8 c m。 5 结束语 本文采用遗传算法原理，结合混凝土面板堆石坝优 化设计的数学模型，运用 F O R TR AN语言编制了适合于 面板堆石坝的优化设计程序。算例验证的计算结果表明， 本程序实现了快速、可靠、合理的进行面板坝设计的 目 标 ，在提高面板坝设计效率和设计质量方面具有一定的 参考应用价值 。 9 7