关于优化水利水电工程面板堆石坝设计的研究

【摘 要】随着我国水利水电工程业的发展，混凝土面板堆石坝作为水工结构中重要坝型之一，其设计仍然处理设计经验阶段，没有较成熟的设计理论，为了提高设计水平和设计质量及效率，并更好的节省工程材料，实现设计的自动化，本文分析了水工工程面板堆石坝设计的研究现状，并阐述了面板堆石坝的优化设计理论。 
【关键词】水利水电工程面板堆石坝；设计研究现状；优化设计 
　　1 引言 
　　随着水利水电工程面板堆石坝的发展和行业内对此方面认识的不断提高，其设计师们也在不断改进设计技术，并逐渐走向成熟。比如巴西的Foz do Areia 坝及澳大利亚的Cethana坝等世界上较高的几座面板堆石坝，并且运行良好，使坝工界的设计师对面板堆石坝的设计水平有着较高水平的提高，并积累了相关设计经验。但也有一些水利水电工程的坝型严重破坏和溃坝，迫使放空库水进行补修，增加了工程成本。因此在工程结构优化设计中，优化设计的研究也在不断发展、研究，并得到了广发的应用。 
　　2 水利水电工程面板堆石坝的设计研究现状 
　　2.1 堆石坝结构设计数值分析 
　　我国坝工界对堆石坝结构数值的分析主要是对大坝的应力应变性及稳定性进行分析，但是碾压式堆石坝一般情况下没有整体稳定问题，只有在覆盖层或坝体延基中存在层间错动带时才会出现稳定问题，在当前对面板堆石坝的坝坡设计时，一般都小于碾压堆石抗剪强度45°，这种方式对稳定问题不做考虑。目前已建造的混凝土面板坝大多数在设计时不进行坝坡稳定分析，而是按照已建工程类比选定坝坡。一般情况，根据坝高的增加，坝坡需要适度变缓才能保持一定的安全度。而边坡的指标与筑坝材料的物理特性、地质环境有关。目前尚缺乏通过提高筑坝材料的要求而获得更高抗剪强度的量化指标。 
　　2.2 试验研究 
　　现代水利水电工程面板堆石坝尽管其在变形模量和密实度比早期的面板坝设计有了很大的提高，但是变形方面仍然是设计中的主要问题，特别是针对一些高坝及直接建造在覆盖层地基上的坝。因此，对变形特性的研究成了当前的试验对象以满足坝体的安全前提下充分利用堆石坝料，并对坝体进行合理分区，降低造价成本。试验主要包括三轴试验和压缩试验等，并已取得了一些有利的试验结果。由于室内的试验受较多因素的影响，比如与现场情况不一致等，须进行场外试验。外场试验主要对变形模量、抗剪强度、坝料的密度、渗透性进行研究，弥补室内试验很难测试的现场碾压效果，研究了解了坝料的力学性能，最大限度的减小变形量，改善面板与周边缝的工作状态，确保大坝安全。 
　　2.3 反分析研究 
　　在面板堆石坝断面结构组成中，主堆石和次堆石约占99%。因此它的变形很容易引起大坝的变形，并以此影响面板的变形和应力，从而对面板缝的结构的设置和形式、周边接缝产生决定作用。由于堆石体材料本身的特性及试验限制，很难确定堆石体材料的应力应变关系。而设计中的力学参数是由试验获得，其参数不确定。选择合适的计算模型和计算参数是研究了解和准确把握面板坝的稳定及各部位的应力、位移工作形态的必要依据。因此对参数敏感性的研究并利用实测数据进行反分析实际工作状态下的材料参数值有着重要的现实意义，能准确反映和预报面板坝的真实工作状态，有助于工程的安全。 
　　2.4 不确定性分析研究 
　　在工程结构中，人们对随机性的可靠度分析和考虑模糊性的分析及设计已有不少实例，这些不确定性的对工程结构的影响也逐渐被坝工界认识并接受。而在水利水电工程结构领域中应用较少，尤其是在面板堆石坝设计中考虑其不确定因素的研究还尚未出现在宣传中，同其他行业的设计一样，堆石坝设计中也存在许多不确定的参数，如载荷、设计优劣标准及计算模型等因素，既有模糊性又有随机性。这种不确定性因素影响着面板坝工程的经济性和安全性。 
　　3 关于水利水电工程面板堆石坝优化设计研究 
　　优化设计与传统的设计存在相似的设计过程，最终目的达到最好方案，在设计和施工及构造都遵循相同的要求。两者之间的不同在于优化设计是对数学模式的重点分析，使设计问题转化数学规划问题求解，利用现代化计算机系统对方案进行比较，选择最优方案。 
　　3.1 结构优化设计数学模型 
　　对于结构优化设计的首要问题就是把问题转化为数学方式，也就是常说的建模，采用的优化数学表达方式为。 
　　求设计变量X=[X1X2X3。。。Xn]T 
　　使目标函数f（x）min 
　　Ai≤xi≤b i i=1，2，…n 
　　满足于 gj（x） ≤0 j=1，2，…n 
　　公式中：ai、bi-第i个设计变量的上下限；n-设计变量的个数； p-非上下限等式约束的个数；m-非上下限约束的不等式约束的个数。 
　　3.2 面板堆石坝断面优化设计数学模型 
　　对于面板堆石坝的相关指标如上下游水位、坝高、坝顶宽度都需要根据规划要求来确定，因此我们把面板堆石坝形状的相关几何变量作为设计变量，如下图的设计变量典型示意图 
　　对于岩基上面板堆石坝，如图 
　　（1）把X1X4作为上下游坝坡坡角的设计变量，反映整个面板堆石坝断面的大小。 
　　（2）把X2X3作为堆石料分解坡角的设计变量，充分利用石料。 
　　（3）把X5X6作为下游坝坡变坡坡角设计变量及高度X7X8，以反映设置马道的需要和下游坝坡变坡要求。 
　　设计变量表示为：X=[X1X2…X8]T。 
　　趾板、过渡层、面板、垫层的厚度在可以在小范围变动，目前的设计技术已较成熟，且趋向等宽布置，可不必取为变量。 
　　3.3 面板堆石坝区间优化设计 
　　在许多问题中，由于误差的缘故导致计算结果失效。区间优化设计提供一种简便的方法，它打破了常规的数值运算分析，以区间运算代替数值运算，考虑到各种计算误差，作为计算结果，得到一个包含精确结果的区间，得到两个值误差界和近似值。 
　　例如覆盖层地基上面板坝优化设计模型，基于整体最优的计算思路，可以推出适于计算机计算的区间优化算法。设计变量为： 
　　区间优化设计主要利用目标函数的特性，取一个F（X）为f（x）的自然区间扩张，以避免区间求导等复杂运算。另外取初始区间的上下界作为几何约束范围，并比较各分量的区间宽度，求取一个分量评分，其他分量保持不变，结果为两个子区间向量。最后为减少计算量，利用函数值判别式，排除肯定不包含最小值的子区间向量。这样可以求得最优值和最优解，并同时确定最优值及最优解的误差范围。 
　　4 结论 
　　随着我国社会经济的发展，水利水电也逐渐发展壮大，面板堆石坝将会作为未来水利水电工程的重点发展方向。总体上水利水电工程的面板堆石坝设计还处于实践阶段的发展中，根据工程的经济、安全、适用的要求，面板堆石坝设计还存在难度，还需要做进一步的研究和总结。 
　　参考文献： 
　　[1]徐泽平.高面板堆石坝面板挤压破坏问题研究.水力发电，2007（9）.