溢流重力壩簡介

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

有開敞式和胸墻式(又稱大孔口式)。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，預泄能力較強。有的工程在溢流重力壩頂部設活動胸墻(如中國湖北省陸水益流重力壩),兼有兩者的優(yōu)點。有的壩當淹沒損失不大時，可不設閘門，堰頂與正常蓄水位齊平。

取決于多種因素，如洪水設計標準、供水預報能力、下游防洪要求、庫水位壅高限制、允許單寬流量、排冰、排污和樞組布置要求等。設計時，一般先擬定若千個孔口布置方案， 分別進行水庫調(diào)洪演算，求出各方案的調(diào)供庫客、設計和校核類水位及相應的最大下泄流量，進行消能工布置，然后估算樞紐造價和掩沒損失，根據(jù)技術經(jīng)濟比較選擇最優(yōu)方案。謚流堰的孔口尺寸最好能與閘門定型尺寸匹配，并與壩體橫縫間距協(xié)調(diào)。

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，不影響閘門啟閉，但閘墩較厚，溢流前緣增長，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。

除應滿足強度和穩(wěn)定要求外，還要符合泄水要求，謚流面由頂部曲線、坡面直線和反弧曲線組成。溢流重力壩的，上游面應與兩側非益流重力壩的上游面保持一致。當需要的溢流堰頭部較寬時，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采用高強度混凝土并滿足平整度的要求，提高其抗沖蝕、耐磨和耐久性能。壩面在必要時采取摻氣減蝕措施 。2100433B

空腹重力壩是較為經(jīng)濟的壩型，且常用在，溢流壩段部位.以往，比較系統(tǒng)地對空腹重力‘壩溢流斷面進行優(yōu)化設計的工作，在國內(nèi)尚不多見.利用可行方向法，對其進行探討，并給出一個計算實例。計算結果表明，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.壩踵控制應力采用壩基面以上3m處的壩踵應力，抗滑穩(wěn)定采用抗剪斷公式計算，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.鑒于壩體主要計算荷載為水壓力和壩體自重，揚壓力對空腹壩體應力的影響隨壩水體型變化并不明顯，故優(yōu)化過程中進行應力分沂時，暫不考慮揚壓力(即在應力約束中，按重力壩規(guī)范中的無揚壓力情況考慮)。

溢流斷面優(yōu)化數(shù)學模型

采用單位壩長的體積作為目標函數(shù)，應力計算采用8結點等參單元，壩基應力計算的邊界范圍可以變動.約束情況包括應力約束、穩(wěn)定約束、水力學約束以及幾何約束，并同時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 壩上設備荷載；

2.校核洪水位水壓力 壩體自重 閘墩重量 壩上設備荷載十泄洪動水壓力；

3.空庫情況：壩體自重十閘墩重量十壩上設備荷載。

（二）應力約束

1.壩基面以上3m處壩踵不得出現(xiàn)主拉應力(在三種工況下)；

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

3.在三種工況下，離壩基面3m以上的壩體主壓應力值不得超過容許壓應力值；

4.在三種工況下，空腹邊緣最大主拉應力值不得超過壩體容許拉應力值；

5.在三種工況下，下游面最大主拉應力值不得超過容許拉應力值。

(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)大于相應容許值。

(四)水力學約束

由于泄流挑距及下游沖坑深度等涉及水力學的問題多靠經(jīng)驗公式進行估算，巨又通過模型試驗進行驗證，故暫不加以考慮.所考慮的水力學約束，只是在校核洪水位閘門全開時，堰頂最大負壓值不超過3~6m水頭(按規(guī)范要求)的條件。

(五)幾何約束

幾何約束包括對變量的上、下界約束，以及變量間的相互幾何關系。

結構拓撲優(yōu)化探討結構構件的相互連接方式，結構內(nèi)有無空洞、孔洞的數(shù)量、位置等拓撲形式，使結構在滿足有關平衡、應力、位移等約束的條件下將外荷載傳遞到支座，同時使結構的某種性態(tài)指標達到最優(yōu)。為探索拓撲優(yōu)化的實際工程應用效果，以重力壩拓撲優(yōu)化設計為例，研究了結構拓撲優(yōu)化在水利建筑中的應用，取得了較好的結果。

溢流斷面拓撲優(yōu)化均勻化方法

由于拓撲結構變化的模型數(shù)據(jù)處理尚未有研究，所以在設計區(qū)域要自動產(chǎn)生開孔是很困難的。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)生開孔。在此基礎上，采用了均勻化方法。該方法的基本思想是在拓撲結構的材料中引入微結構(單胞)，微結構的形式和尺寸參數(shù)決定了宏觀材料在此點處的彈性性質(zhì)和密度，優(yōu)化過程中以微結構的單胞尺寸為拓撲設計變量，以單胞尺寸的消長實現(xiàn)微結構的增刪，并產(chǎn)生由中間尺寸單胞構成的復合材料，以拓展設計空間，實現(xiàn)結構拓撲優(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組合簡化算法模型

Swan和Kosaka曾經(jīng)提出了一種適用于線彈性結構的應力應變簡化的連續(xù)體拓撲優(yōu)化方法。Voigt(應變均勻假設)和Reuss(應力均勻假設)是兩種傳統(tǒng)的近似簡化單元的方法。在此前提下，簡化Voigt-Reuss組合規(guī)則為基礎進行結構拓撲計算。

在結構拓撲優(yōu)化中，還常常會出現(xiàn)很多對最終結構產(chǎn)生不利影響的數(shù)值不穩(wěn)定的問題，這些問題使得結構或過于復雜，或過于脆弱，或增大計算負擔。為了解決這些問題，結合數(shù)字信號處理中的高斯函數(shù)濾波法和流體力學中的多重網(wǎng)格法，利用高斯函數(shù)的卷積運算和可構造軟化核函數(shù)的性質(zhì)，綜合使用濾波法和多重網(wǎng)格法來解決棋盤格式和網(wǎng)格依賴性等拓撲優(yōu)化中常見的數(shù)值不穩(wěn)定現(xiàn)象，并配合使用濾波半徑延拓法來減少局部極值現(xiàn)象對結構優(yōu)化全局的影響。

溢流斷面優(yōu)勢

拓撲優(yōu)化方法對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果。事實上，拓撲優(yōu)化得到的結果是最節(jié)省材料的。因而，拓撲優(yōu)化的方法值得推廣到其他建筑工程的優(yōu)化設計中。

根據(jù)重力壩基本斷面的幾何特性，利用 ANSYS 的參數(shù)化設計語言 APDL 編制程序，先擬定一組初始條件對重力壩進行整體模擬、細化單元，得到各階段的力學指標。然后使用 ANSYS 優(yōu)化技術中的零階優(yōu)化方法進行重力壩斷面優(yōu)化設計，使重力壩在滿足應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，實現(xiàn)設計的經(jīng)濟性和可行性。

溢流斷面ANSYS 優(yōu)化方法簡介

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，稱為零階優(yōu)化，本質(zhì)是采用最小二乘法進行逼近，求取一個函數(shù)面來擬和求解，然后再對函數(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，但優(yōu)化精度不是很高； 第二種方法是針對第一種優(yōu)化方法缺點改進的方法，叫做一階優(yōu)化，是一種局部尋優(yōu)的精確優(yōu)化方法，它基于目標函數(shù)對設計變量的敏感程度，使用因變量對設計變量的偏導數(shù)，更加適合于精確的優(yōu)化分析。

溢流斷面重力壩優(yōu)化過程

本例是以上游水位 自重 下游水位為設計工況進行設計，計算過程中這幾項荷載同時作用在重力壩模型上，這樣能模擬壩體實際受力狀況，求得的結果能較好地反映實際情況，而不是幾項荷載的疊加。選取 ANSYS 中 2 － D 實體結構單元 PLANE82 劃分網(wǎng)格，實際的混凝土重力壩壩軸線往往較長，對于離開壩肩較遠的壩段，按平面應變問題進行分析計算，得出的結果與實際情況很接近。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，先建立關鍵點，再由關鍵點直接生成面 。定義壩體和壩基的材料屬性壩基，對壩基各條邊分段，然后進行映射網(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，對各節(jié)點應力值進行排序，取出最大應力值。

4 進行優(yōu)化設計

定義 7 個設計變量，一個狀態(tài)變量和一個目標函數(shù)，用一階優(yōu)化法進行優(yōu)化分析，可得到滿足要求的最優(yōu)化方案。

溢流斷面優(yōu)化分析

經(jīng)過 ANSYS 零階優(yōu)化后，從設計變量隨迭代次數(shù)變化的曲線可以看出，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。初始設計方案斷面面積為105 278 m² ，利用ANSYS 優(yōu)化技術進行多次迭代后，最小目標函數(shù)值即為 98 000 m² ，且 Mises 應力滿足要求，節(jié)省了大約 20% 的用料，達到經(jīng)濟效益。 2100433B