邊界河流水環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系與斷面布設(shè)優(yōu)化

本書(shū)以邊界河流黑龍江為對(duì)象，介紹了中俄水環(huán)境管理的異同性，闡明中俄界河的水環(huán)境現(xiàn)狀與時(shí)空變化規(guī)律，提出面向界河的水環(huán)境管理指標(biāo)體系，建立界河水環(huán)境監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化布設(shè)方法，并對(duì)中俄界河進(jìn)行了監(jiān)測(cè)方案優(yōu)化。

河流采樣斷面的布設(shè)遵循以下原則：

(a) 在調(diào)查范圍內(nèi)的兩端應(yīng)布設(shè)取樣斷面。

(b) 調(diào)查范圍內(nèi)重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象附近水域應(yīng)布設(shè)取樣斷面。

(c) 水文特征突變處(如支流匯人處等)、水質(zhì)急劇變化處(如污水排人處等)、重點(diǎn)水工構(gòu)筑物(如取水口、橋梁涵洞等)附近應(yīng)布設(shè)取樣斷面。

(d) 水文站、常規(guī)控制斷面等附近應(yīng)布設(shè)采樣斷面。

(e) 在擬建成排污500 m處應(yīng)設(shè)置一個(gè)取樣斷面。

(f) 采樣斷面布設(shè)還應(yīng)適當(dāng)考慮其他人們關(guān)心的、需進(jìn)行水質(zhì)預(yù)測(cè)的地點(diǎn) 。

空腹重力壩是較為經(jīng)濟(jì)的壩型，且常用在，溢流壩段部位.以往，比較系統(tǒng)地對(duì)空腹重力‘壩溢流斷面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的工作，在國(guó)內(nèi)尚不多見(jiàn).利用可行方向法，對(duì)其進(jìn)行探討，并給出一個(gè)計(jì)算實(shí)例。計(jì)算結(jié)果表明，優(yōu)化后的溢流壩段斷面可比常規(guī)采用的斷面節(jié)省壩體工程量17.5%。

溢流斷面基本假定

溢流斷面的優(yōu)化，采用以下一些基本假定：

1.溢流斷面選用10個(gè)優(yōu)化變量，即工x_1、x₂……x₁₀。

2.已知壩體與地基材料特性，并假定壩體和壩基的材料為均質(zhì)、連續(xù)和各向同性的線彈性體，不考慮壩基中存在斷層的情況。

3.壩踵控制應(yīng)力采用壩基面以上3m處的壩踵應(yīng)力，抗滑穩(wěn)定采用抗剪斷公式計(jì)算，但優(yōu)化程序中亦有使用摩擦公式的功能。

4.不考慮溫度荷載的作用，其作用由工程措施解決。

5.鑒于壩體主要計(jì)算荷載為水壓力和壩體自重，揚(yáng)壓力對(duì)空腹壩體應(yīng)力的影響隨壩水體型變化并不明顯，故優(yōu)化過(guò)程中進(jìn)行應(yīng)力分沂時(shí)，暫不考慮揚(yáng)壓力(即在應(yīng)力約束中，按重力壩規(guī)范中的無(wú)揚(yáng)壓力情況考慮)。

溢流斷面優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

采用單位壩長(zhǎng)的體積作為目標(biāo)函數(shù)，應(yīng)力計(jì)算采用8結(jié)點(diǎn)等參單元，壩基應(yīng)力計(jì)算的邊界范圍可以變動(dòng).約束情況包括應(yīng)力約束、穩(wěn)定約束、水力學(xué)約束以及幾何約束，并同時(shí)考慮在以下三種荷載組合情況下，得出最優(yōu)解。

(一)荷載組合

1.正常水位水壓力 壩體自重 閘墩重量 壩上設(shè)備荷載；

2.校核洪水位水壓力 壩體自重 閘墩重量 壩上設(shè)備荷載十泄洪動(dòng)水壓力；

3.空庫(kù)情況：壩體自重十閘墩重量十壩上設(shè)備荷載。

（二）應(yīng)力約束

1.壩基面以上3m處壩踵不得出現(xiàn)主拉應(yīng)力(在三種工況下)；

2.在第一種工況下，壩體上游面最小主壓應(yīng)力不得小于0.25rH(r為容重，H為計(jì)算應(yīng)刀處的作用水頭)；

3.在三種工況下，離壩基面3m以上的壩體主壓應(yīng)力值不得超過(guò)容許壓應(yīng)力值；

4.在三種工況下，空腹邊緣最大主拉應(yīng)力值不得超過(guò)壩體容許拉應(yīng)力值；

5.在三種工況下，下游面最大主拉應(yīng)力值不得超過(guò)容許拉應(yīng)力值。

(三)穩(wěn)定約束

1.在第一種工況下，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于相應(yīng)容許值；

2.在第二種工況下，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于相應(yīng)容許值。

(四)水力學(xué)約束

由于泄流挑距及下游沖坑深度等涉及水力學(xué)的問(wèn)題多靠經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算，巨又通過(guò)模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，故暫不加以考慮.所考慮的水力學(xué)約束，只是在校核洪水位閘門(mén)全開(kāi)時(shí)，堰頂最大負(fù)壓值不超過(guò)3~6m水頭(按規(guī)范要求)的條件。

(五)幾何約束

幾何約束包括對(duì)變量的上、下界約束，以及變量間的相互幾何關(guān)系。

結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化探討結(jié)構(gòu)構(gòu)件的相互連接方式，結(jié)構(gòu)內(nèi)有無(wú)空洞、孔洞的數(shù)量、位置等拓?fù)湫问?，使結(jié)構(gòu)在滿足有關(guān)平衡、應(yīng)力、位移等約束的條件下將外荷載傳遞到支座，同時(shí)使結(jié)構(gòu)的某種性態(tài)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。為探索拓?fù)鋬?yōu)化的實(shí)際工程應(yīng)用效果，以重力壩拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)為例，研究了結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化在水利建筑中的應(yīng)用，取得了較好的結(jié)果。

溢流斷面拓?fù)鋬?yōu)化均勻化方法

由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的模型數(shù)據(jù)處理尚未有研究，所以在設(shè)計(jì)區(qū)域要自動(dòng)產(chǎn)生開(kāi)孔是很困難的。為了突破這一局限，考慮利用“固定”的有限元模型，在此模型中較小應(yīng)力的單元被人為地指定具有很軟的材料以近似地產(chǎn)生開(kāi)孔。在此基礎(chǔ)上，采用了均勻化方法。該方法的基本思想是在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的材料中引入微結(jié)構(gòu)(單胞)，微結(jié)構(gòu)的形式和尺寸參數(shù)決定了宏觀材料在此點(diǎn)處的彈性性質(zhì)和密度，優(yōu)化過(guò)程中以微結(jié)構(gòu)的單胞尺寸為拓?fù)湓O(shè)計(jì)變量，以單胞尺寸的消長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的增刪，并產(chǎn)生由中間尺寸單胞構(gòu)成的復(fù)合材料，以拓展設(shè)計(jì)空間，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化模型與尺寸優(yōu)化模型的統(tǒng)一和連續(xù)化。

溢流斷面Voigt-Reuss組合簡(jiǎn)化算法模型

Swan和Kosaka曾經(jīng)提出了一種適用于線彈性結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變簡(jiǎn)化的連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化方法。Voigt(應(yīng)變均勻假設(shè))和Reuss(應(yīng)力均勻假設(shè))是兩種傳統(tǒng)的近似簡(jiǎn)化單元的方法。在此前提下，簡(jiǎn)化Voigt-Reuss組合規(guī)則為基礎(chǔ)進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)溆?jì)算。

在結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化中，還常常會(huì)出現(xiàn)很多對(duì)最終結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響的數(shù)值不穩(wěn)定的問(wèn)題，這些問(wèn)題使得結(jié)構(gòu)或過(guò)于復(fù)雜，或過(guò)于脆弱，或增大計(jì)算負(fù)擔(dān)。為了解決這些問(wèn)題，結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理中的高斯函數(shù)濾波法和流體力學(xué)中的多重網(wǎng)格法，利用高斯函數(shù)的卷積運(yùn)算和可構(gòu)造軟化核函數(shù)的性質(zhì)，綜合使用濾波法和多重網(wǎng)格法來(lái)解決棋盤(pán)格式和網(wǎng)格依賴性等拓?fù)鋬?yōu)化中常見(jiàn)的數(shù)值不穩(wěn)定現(xiàn)象，并配合使用濾波半徑延拓法來(lái)減少局部極值現(xiàn)象對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化全局的影響。

溢流斷面優(yōu)勢(shì)

拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)于混凝土重力壩非溢流斷面的優(yōu)化完全可行，并取得了比較滿意的結(jié)果。事實(shí)上，拓?fù)鋬?yōu)化得到的結(jié)果是最節(jié)省材料的。因而，拓?fù)鋬?yōu)化的方法值得推廣到其他建筑工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)中。