膠凝面板堆石壩斷面優化設計

內耗層壓壩是國內外一些水庫專家在總結混凝土板堆垛板和混凝土拱結構的基礎上，根據這兩種水庫的優點，提出了新水庫。用膠凝堆石來反映筑壩材料的特點,用混凝土面板及趾板來體現其防滲結構的特點。這種新壩型在國外已得到應用,據統計,目前世界上已有10多座膠凝面板堆石壩建成或完成設計,如法國的StMartindeLonderss壩、日本的Nagashima大壩圍堰和水庫攔沙壩。國內對此壩型研究甚少,且尚未付諸于實踐。膠凝面板堆石壩較普通面板壩的優點在于有較強的抗沖、抗剪、抗壓強度,有更高的變形模量,壩體變形小,可確保面板縫和周邊縫的防滲體系工作更安全可靠;與碾壓混凝土壩相比,膠凝面板堆石壩對壩體無防滲要求,溫度效應小,適應較軟的地基,有較高的穩定性和抗震性,還可簡化施工。因而該新壩型有較強的競爭力和發展應用前景。本文采用非線性數學規劃方法優化膠凝面板堆石壩斷面,計算壩體和面板的應力變形,并進行壩坡穩定分析,為該壩型的設計提供了較為可靠的理論依據,從而為該壩型的推廣應用做一些前期的準備工作。1設計變量選取及約束條件結構優化設計數學模型的一般形式為X=[x1x2?xn]Τ極小化目標函數minF(X)X=[x1x2?xn]T極小化目標函數minF(X)滿足約束條件{ai≤xi≤bi(i=1,2,?,n)hj(X)=0(j=1,2,?,p)gk(X)≥0(k=1,2,?,m)?????ai≤xi≤bihj(X)=0gk(X)≥0(i=1,2,?,n)(j=1,2,?,p)(k=1,2,?,m)式中:bi,ai分別為設計變量xi的上、下限;n為設計變量的個數;p為等式約束個數;m為不等式約束個數。膠凝面板堆石壩基本斷面主要由膠凝堆石、混凝土面板組成。在斷面設計中,其壩高、壩頂寬度及上下游水位都是根據工程規劃要求而確定的不變參數;混凝土面板的厚度也已有一定的經驗數據供選擇,可不作為設計變量。這樣描述膠凝面板堆石壩斷面的設計變量可取為斷面的其他幾何特征量,如上下游壩坡的傾角等。膠凝面板堆石壩在國內還沒有付諸于實踐,研究時的一些參數和條件參考了國內一些已建混凝土面板堆石壩的資料。某膠凝面板堆石壩擬建于基巖上,設計壩高35.0m,上游正常高水位32.8m。擬定上下游坡為1∶1.4,壩頂寬度7m,混凝土面板厚度0.35m。斷面如圖1所示。按大壩工程等級,其壩坡穩定安全系數為1.15,面板順坡向允許拉應力為1000kPa。普通堆石料的綜合比價,分別取為1.55,考慮膠凝堆石料中摻入了膠凝材料,比價略增大,膠凝堆石料一和膠凝堆石料二(后面文中兩組材料)的綜合比價分別取1.6和1.58,混凝土面板材料綜合比價為19.3。本算例的壩體考慮同一級配和膠凝含量的膠凝堆石,設計變量選上下游壩坡傾角,設計變量的數量為2個,參見圖1,X=[x1x2]T。如考慮膠凝堆石料的分區,則設計變量可作相應調整。工程結構優化設計中一般均以工程造價最低為目標。膠凝面板堆石壩由膠凝堆石填筑而成,故壩斷面的總造價可表示為F(X)=∑材料數CiSiF(X)=∑材料數CiSi式中:Ci為某類材料的單位比價;Si為斷面上該種材料的面積。根據膠凝面板堆石壩的結構特點和工作性態,庫水壓力作用于上游壩坡,由壩體自重和面板上的水重所產生的抗滑力遠大于水平推力,一般不存在整體滑動問題。因而優化設計時的約束條件一般取下列形式:a.幾何約束。根據國內外工程經驗,建造在基巖上的面板壩,上下游可采用1∶1.3～1∶1.5的壩坡。碾壓混凝土壩的下游壩坡一般為1∶0.6～1∶0.8。考慮到膠凝面板堆石壩的壩坡一般介于普通面板堆石壩與碾壓混凝土壩之間,從而可取膠凝面板堆石壩上下游壩坡的上下限為1∶1.5≤|tanxi|≤1∶0.6(i=1,2)1∶1.5≤|tanxi|≤1∶0.6(i=1,2)b.性態約束。性態約束是規范等對各種工況下大壩應力、穩定等方面的限制。壩坡穩定條件:Fs≥[Fs]=1.15面板應力條件:σ≤[σ]=1000kPa壩體不發生塑性剪切破壞條件:最大應力水平SL<1.0則圖1所示基本結構的最優化設計數學模型為求X=[x1x2]Τ使minF(X)=∑材料數CiSis.t.{2.395≤x1≤2.4860.656≤x2≤0.747Fs≥1.15σ≤1?000SL＜1.0該優化設計問題的目標函數和約束條件都是設計變量的非線性函數,且性態約束都是設計變量的隱函數,因此需選用直接搜索法或將此約束優化問題轉化為一系列無約束優化問題的優化方法來求解。本文采用罰函數法求解此最優化模型。2模型參數選取為建立性態約束條件必須進行結構的應力應變分析和穩定分析。應力應變非線性有限元計算中膠凝堆石料的本構模型采用比較成熟的鄧肯E-μ模型。面板與墊層堆石間設置無厚度接觸面單元。膠凝堆石材料的性質介于混凝土與巖石之間,研究成果表明,膠凝材料用量增加引起的鄧肯模型參數的變化趨勢為c,φ,k,n,Rf增大,而γ,G,F,D減小。根據此變化趨勢,參考了國內外已建工程的經驗,查閱了有關材料手冊和巖石力學手冊,對比混凝土與巖石的參數,在變化范圍內選取兩種不同膠凝材料含量的膠凝堆石料的模型參數,兩種膠凝堆石料中膠凝材料的含量及用水量如表1所示。各參數選取如表2所示。面板混凝土采用線彈性模型,彈性模量E取24×106?kPa,泊松比μ取0.17,密度ρ取2.4×103?kg/m3。接觸面單元參數也參考了公伯峽面板堆石壩的計算資料取定,其中c,Kn,K1,n1,δ,Rf依次取為20.0kPa,1.0×108,4800,0.56,36.6°,0.74。壩坡穩定分析采用規范規定的瑞典條分法。3成果分析3.1膠凝面板堆石壩壩體斷面的變化根據3種不同壩料的壩截面,分別進行了優化設計研究,得到的成果見表3和表4。從表3、表4可以看出,膠凝面板堆石壩優化后的壩坡在1∶1.3與1∶0.8之間,驗證了膠凝面板堆石壩的壩坡在面板堆石壩與碾壓混凝土壩之間,并且壩坡隨著膠凝含量的不同可以比較接近碾壓混凝土壩。膠凝面板堆石壩與普通面板堆石壩相比,優化后的壩截面更小,壩坡更陡,所用筑壩材料比較少。膠凝面板堆石壩優化后的壩坡隨膠凝材料含量的增加逐漸變陡,上游壩坡從1∶0.989增大到1∶0.891,下游壩坡從1∶0.983增大到1∶0.905。優化前后的壩體斷面比較見圖2和圖3。從圖2、圖3、表3和表4中可以看出,由于膠凝面板堆石壩中摻入了膠凝材料,單位面積的比價略有增大,優化前的膠凝面板堆石壩造價略有增加。優化后,由于膠凝面板堆石壩上下游壩坡傾角的變化,壩體斷面的面積顯著減小,從而使造價明顯減少。膠凝面板堆石壩節省造價百分比比普通堆石壩的大很多。而且,隨著膠凝材料含量的增加,節省造價的百分比更可觀。3.2堆石壩壩穩定驗算壩坡穩定安全系數計算結果見表5,壩體和面板的應力位移最大值見表6。壩坡穩定安全系數隨著膠凝材料含量的增加增大明顯。由于壩坡變陡,優化后的安全系數減小了。各類堆石料的壩坡穩定安全系數均將達到臨界值1.15。膠凝面板堆石壩優化后的壩體和面板的應力、位移均不大,且有較好的分布規律。綜合應力、變形、穩定的計算結果看,優化方案是安全可靠的,且有一定的安全儲備。4優化方案比較a.采用