混凝土重力坝体型优化设计

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1、河海大学硕士学位论文九、混凝土重力坝的抗震优化设计混凝土重力坝结构简单，施工方便，工作可靠，以其快速经济大有取代常规混凝土坝的趋势。一般重力坝体积庞大，对坝体的断面形状进行优化设计，可以节省材料和减少工作量，从而产生经济价值。重力坝是在水压力作用下，依靠坝自重产生的抗滑力来维持稳定的，必须满足以下三项基本安全要求：（a）坝不会沿坝内任何水平截面或沿坝和地基的接触面或沿坝基内地质面发生滑动破坏；（b）坝不会在坝内任何水平截面上或和地基的接触面上发生倾覆破坏；（c）坝体和地基内的应力不能超过混凝土和坝基材料的安全容许值。其中抗滑稳定和应力条件必须满足。至于倾覆安

2、全，由于在倾覆破坏前，一般都会出现坝踵拉裂、扬压力增大、抗剪能力减小和坝趾混凝土被压碎等现象，倾覆安全已经自然满足，所以，通常不必校和抗倾覆的安全，只要满足抗滑和应力安全要求。在进行坝体设计以满足上述安全要求时，必须对作用在坝上的荷载、荷载组合、坝和地基材料的性质作出一些假定。作用在坝上的荷载可归纳为两类：一类是主要的、肯定的、可以根据材料特性准确计算的荷载，包括水荷载和自重荷载。另一类则是不肯定的、需要设计人员作出判断和一定假定才能近似求出的荷载，如扬压力、地震荷载、泥沙压力、风浪压力、冰压力、温度荷载等。关于混凝土重力坝优化设计，前人在这方面做了许多有用

3、的结论。在进行断面设计的时候，在静力和动力工况下，保证坝体不沿坝内层面或坝基面或地基中的软弱结构面产生滑动的情况下，尽量减少坝体与地基的接触面，减少扬压力，进行优化设计。本文正是基于这种前提对混凝土重力坝的断面优化设计做一些分析与探讨。（一）优化设计变量重力坝断面优化设计的变量：45河海大学硕士学位论文、和的意义如图4－4所示。图4－4坝体优化变量（二）目标函数目标函数取单位坝段的断面面积。（三）基于材料力学法的混凝土重力坝抗震优化设计1、约束条件（1）基本组合（正常蓄水位）下的约束条件(a)坝趾抗压强度承载能力极限状态设计约束条件（4－18）作用效应函数（

4、4－19）抗压强度极限状态抗力函数或（4－20）45河海大学硕士学位论文结构重要性系数，基本组合结构系数，设计状况系数，材料性能分项系数，其它符号意义见《混凝土重力坝设计规范》（DL5108-1999）。（b）正常使用极限状态计算约束条件坝踵垂直应力不出现拉应力（计扬压力）（4－21）此时，荷载用标准值，不乘作用分项系数。（c）坝体混凝土与基岩接触面的抗滑稳定极限状态设计约束条件（4－22）作用效应函数（4－23）抗压强度极限状态抗力函数（4－24）结构重要性系数，基本组合结构系数，设计状况系数，的材料性能分项系数，的材料性能分项系数，（d）对于坝基岩体内存

5、在软弱结构面等情况（见图），需核算深层抗滑稳定时，深层抗滑稳定极限状态设计约束条件（4－25）作用效应函数（4－26）——作用于深层滑动面的全部切向力之和；抗压强度极限状态抗力函数（对于上章图3－1所示情形）（4－27）式中：（4－28）结构重要性系数，基本组合结构系数，设计状况系数，软弱结构面45河海大学硕士学位论文的材料性能分项系数，的材料性能分项系数。（2）基本组合2（竣工期）正常使用极限状态计算约束条件图1－2短期组合下游面的垂直拉应力约束条件（12）此时，荷载用标准值，不乘作用分项系数。（3）偶然组合1（校核洪水位）（略）（4）偶然组合（地震荷载+

6、正常水位）下的约束条件（a）坝趾抗压强度承载能力极限状态设计约束条件（4－29）作用效应函数和抗压强度极限状态抗力函数同式（4－19）、（4－20），结构重要性系数，偶然组合结构系数，设计状况系数，材料性能分项系数.（b）坝体混凝土与基岩接触面的抗滑稳定极限状态设计约束条件约束条件形式同（4－29），45河海大学硕士学位论文作用效应函数和抗压强度极限状态抗力函数同式（4－23）、（4－24），结构重要性系数，设计状况系数，偶然组合结构系数，的材料性能分项系数，的材料性能分项系数。（c）对于坝基岩体内存在软弱结构面等情况，需核算深层抗滑稳定时，深层抗滑稳定约束

7、条件形式同式（4－29），作用效应函数和抗压强度极限状态抗力函数同式（4－26）、（4－27），结构重要性系数，设计状况系数，偶然组合结构系数，软弱结构面的材料性能分项系数，的材料性能分项系数。2、最优化方法为保证收敛到全局最优解，我们采用了通用性好、全局搜索能力强的复形法，作为重力坝剖面体形优化的数学工具；而在确定深层抗滑稳定最不利滑动角时，采用了先进的寻优技术——遗传算法，具体采用了我们提出的任意离散度实数编码遗传算法。3、结构分析方法（1）静力分析方法重力坝在静荷载下的应力和建基面稳定问题采用材料力学法分析，需核算深层抗滑稳定时，用刚体极限平衡方法分析

8、。（2）抗震分析方法抗震分析采用一维动力分析法。所谓