溢流重力壩

有開(kāi)敞式和胸墻式(又稱(chēng)大孔口式)。前者泄水能力隨堰上水頭增大而迅速增加，超泄能力較大，有利于保壩;后者堰頂高程位于防洪限制水位以下，預(yù)泄能力較強(qiáng)。有的工程在溢流重力壩頂部設(shè)活動(dòng)胸墻(如中國(guó)湖北省陸水益流重力壩),兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)。有的壩當(dāng)淹沒(méi)損失不大時(shí)，可不設(shè)閘門(mén)，堰頂與正常蓄水位齊平。

取決于多種因素，如洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、供水預(yù)報(bào)能力、下游防洪要求、庫(kù)水位壅高限制、允許單寬流量、排冰、排污和樞組布置要求等。設(shè)計(jì)時(shí)，一般先擬定若千個(gè)孔口布置方案， 分別進(jìn)行水庫(kù)調(diào)洪演算，求出各方案的調(diào)供庫(kù)客、設(shè)計(jì)和校核類(lèi)水位及相應(yīng)的最大下泄流量，進(jìn)行消能工布置，然后估算樞紐造價(jià)和掩沒(méi)損失，根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較選擇最優(yōu)方案。謚流堰的孔口尺寸最好能與閘門(mén)定型尺寸匹配，并與壩體橫縫間距協(xié)調(diào)。

溢流重力壩是指通過(guò)頂部宣泄洪水的重力壩。大都布置在河床的主流部位，用導(dǎo)墻與非濫流重力壩分開(kāi)。

有墩間分縫和跨中分縫兩種方式。

(1)墩間分縫。在閘墩中間分縫。相鄰壩段發(fā)生不均勻沉降時(shí)，不影響閘門(mén)啟閉，但閘墩較厚，溢流前緣增長(zhǎng)，鋼筋用量也較多，適用于地基較差的情況。

(2)跨中分縫。在閘孔間分縫，適用于地基較好，相鄰壩段沉降均勻的情況。

除應(yīng)滿(mǎn)足強(qiáng)度和穩(wěn)定要求外，還要符合泄水要求，謚流面由頂部曲線(xiàn)、坡面直線(xiàn)和反弧曲線(xiàn)組成。溢流重力壩的，上游面應(yīng)與兩側(cè)非益流重力壩的上游面保持一致。當(dāng)需要的溢流堰頭部較寬時(shí)，可將頭部部分地懸出上游壩面之外。溢流重力壩的防參排水布置也要與兩側(cè)非益流重力壩的防滲排水布置相協(xié)調(diào)。溢流壩面的混凝土應(yīng)采用高強(qiáng)度混凝土并滿(mǎn)足平整度的要求，提高其抗沖蝕、耐磨和耐久性能。壩面在必要時(shí)采取摻氣減蝕措施 。2100433B

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(xiàn)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(mǎn)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(guān)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(xiàn)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(lài)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(mǎn)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。

根據(jù)重力壩基本斷面的幾何特性，利用 ANSYS 的參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言 APDL 編制程序，先擬定一組初始條件對(duì)重力壩進(jìn)行整體模擬、細(xì)化單元，得到各階段的力學(xué)指標(biāo)。然后使用 ANSYS 優(yōu)化技術(shù)中的零階優(yōu)化方法進(jìn)行重力壩斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)，使重力壩在滿(mǎn)足應(yīng)力約束條件和抗滑穩(wěn)定約束條件的前提下，其斷面面積最小，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性和可行性。

溢流斷面ANSYS 優(yōu)化方法簡(jiǎn)介

ANSYS 中提供了兩種優(yōu)化方法： 第一種方法采用函數(shù)逼近的方法，稱(chēng)為零階優(yōu)化，本質(zhì)是采用最小二乘法進(jìn)行逼近，求取一個(gè)函數(shù)面來(lái)擬和求解，然后再對(duì)函數(shù)面求極值，這是一種普遍適用的優(yōu)化方法，不易陷入局部極值點(diǎn)，但優(yōu)化精度不是很高； 第二種方法是針對(duì)第一種優(yōu)化方法缺點(diǎn)改進(jìn)的方法，叫做一階優(yōu)化，是一種局部尋優(yōu)的精確優(yōu)化方法，它基于目標(biāo)函數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)變量的敏感程度，使用因變量對(duì)設(shè)計(jì)變量的偏導(dǎo)數(shù)，更加適合于精確的優(yōu)化分析。

溢流斷面重力壩優(yōu)化過(guò)程

本例是以上游水位 自重 下游水位為設(shè)計(jì)工況進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算過(guò)程中這幾項(xiàng)荷載同時(shí)作用在重力壩模型上，這樣能模擬壩體實(shí)際受力狀況，求得的結(jié)果能較好地反映實(shí)際情況，而不是幾項(xiàng)荷載的疊加。選取 ANSYS 中 2 － D 實(shí)體結(jié)構(gòu)單元 PLANE82 劃分網(wǎng)格，實(shí)際的混凝土重力壩壩軸線(xiàn)往往較長(zhǎng)，對(duì)于離開(kāi)壩肩較遠(yuǎn)的壩段，按平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行分析計(jì)算，得出的結(jié)果與實(shí)際情況很接近。壩體上下游地基剖分寬度為2 倍壩高，壩基剖分深度也是 2 倍的壩高。

1 前處理

模型建立為由下向上，先建立關(guān)鍵點(diǎn)，再由關(guān)鍵點(diǎn)直接生成面 。定義壩體和壩基的材料屬性壩基，對(duì)壩基各條邊分段，然后進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分。

2 求解

施加邊界約束條件和荷載，施加的荷載為自重 上游水壓力 泥沙壓力 下游水壓力。

3 后處理

各單元體積，求和算出總體積，對(duì)各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值進(jìn)行排序，取出最大應(yīng)力值。

4 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

定義 7 個(gè)設(shè)計(jì)變量，一個(gè)狀態(tài)變量和一個(gè)目標(biāo)函數(shù)，用一階優(yōu)化法進(jìn)行優(yōu)化分析，可得到滿(mǎn)足要求的最優(yōu)化方案。

溢流斷面優(yōu)化分析

經(jīng)過(guò) ANSYS 零階優(yōu)化后，從設(shè)計(jì)變量隨迭代次數(shù)變化的曲線(xiàn)可以看出，x₁ ，x₃ 和 x₄ 的變化較明顯，x₂ 和 x₅ 的變化幅度不大，但斷面面積顯著下降。初始設(shè)計(jì)方案斷面面積為105 278 m² ，利用ANSYS 優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行多次迭代后，最小目標(biāo)函數(shù)值即為 98 000 m² ，且 Mises 應(yīng)力滿(mǎn)足要求，節(jié)省了大約 20% 的用料，達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益。 2100433B