浅谈某水电站溢洪道闸室堰体厚度优化分析

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1、学兔兔www.xuetutu.com第2期水利水运工程学报No．22016年4月HYDRO．SCIENCEANDENGINEERINGApr．2016D0I：10．16198／i．cnki．1009-640X．2016．02．015秦亚斌，张振华，朱大勇．某水电站溢洪道闸室堰体厚度优化分析[J]．水利水运_丁程学报，2016(2)：104—110．(QINYa—bin，ZHANGZhen．hua，ZHUDayong．Optimizationofweirthicknessofspillwaysluicechamber[J]．Hydro—ScienceandEngineering，20

2、16(2)：104—110．)某水电站溢洪道闸室堰体厚度优化分析秦亚斌，张振华一，朱大勇(1．合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥230009；2．土木工程结构与材料安徽省级实验室，安徽合肥230009)摘要：溢洪道闸室堰体是闸室的重要组成部分，其厚度对闸室结构的整体安全性及工程投资均有较大影响。以往对闸室结构的优化大多针对主要构件的尺寸，而鲜见在闸室结构主要构件(如闸墩、牛腿及吊孔等)尺寸确定的前提下，单独对闸室堰体厚度进行优化分析。考虑6种堰体尺寸方案，通过ANSYS软件分别建立不同工况下闸室的有限元计算分析模型，并进行三维有限元应力分析。将开挖体积作为设计变量，分别以牛腿

3、、吊头和墩的应力最小为目标，建立单变量多目标的闸室堰体厚度优化数学模型，在充分考虑闸室各主要混凝土构件抗拉强度约束条件的基础上，采用分层序列法对溢洪道闸室堰体厚度进行优化计算，得到堰体优化尺寸，为该溢洪道闸室的结构设计提供依据。关键词：溢洪道闸室；堰体厚度；ANSYS；有限元；分层序列法中图分类号：TV651．1文献标志码：A文章编号：1009-640X(2016)02—0104—07溢洪道闸室为常用水工结构，主要由过水堰体和闸墩组成，此外还有其他一些关键部位，如牛腿、吊孔等¨]。闸室的体形设计是闸室整体设计的主要内容，其尺寸直接影响结构的安全稳定以及工程投资。闸室结构厚重则安全，

4、但无疑增加了工程投资；而结构过于单薄，工程投资相应减少，结构安全又受到影响。所以，安全经济是对闸室结构体形优化的前提。在以往的闸室结构优化分析中，常以结构满足稳定、应力、抗裂等为约束条件，使工程造价(或工程量)最小为目标建立多变量单目标的优化数学模型，并结合ANSYS等有限元分析软件，确定闸室结构各构件尺寸，得到安全经济的结构体形J。闸室堰体作为闸室重要组成部分，其厚度不仅决定了地基开挖量和堰体的混凝土浇筑量，而且对闸室上部各构件的应力有着较大影响。溢流堰体较厚，对防冲蚀和结构的抗振有利，但相应地增加了工程投资；若堰体较薄，工程投资相应减少，但可能产生结构冲蚀和振动方面的问题_4J

5、。对本文关键部位牛腿来讲，当开挖量增大时，溢流堰体较厚，削弱牛腿部位应力集中；若开挖量减小，堰体较薄，可能引起牛腿部位过大的应力集中。在以往的文献中鲜见在闸室结构主要构件(如闸墩、牛腿及吊孔等)尺寸确定的前提下，单独对闸室堰体厚度进行优化分析。鉴于此，本文在确定某溢洪道闸室结构主要构件尺寸的前提下，以地基开挖量为变量，以闸室牛腿吊孔等关键部位的应力最小为目标函数，建立单变量多目标的优化数学模型，采用分层序列法研究地基开挖量(直接影响堰体厚度)的变化对上部结构关键构件应力影响，检验闸室结构各关键构件的应力是否满足规范要求，并获得较为经济安全的堰体体形尺寸。1工程概况某水电站溢洪道闸室

6、为2孔整体开敞式结构，长36．0m，宽31．0m，高33．0～36．5m；闸孔采用低实用收稿日期：2015—05一l1作者简介：秦亚斌(1991一)，男，河北邯郸人，硕士研究生，主要从事水工结构安全研究。E-mail：qinyb一1991@163．corn学兔兔www.xuetutu.com第2期秦亚斌，等：某水电站溢洪道闸室堰体厚度优化分析105堰过流，堰顶高程631．5m，闸顶高程651．0Ill，中墩、边墩厚均为3．0m；孔VI尺寸11．0mx16．0m(宽×高)，每孔设1扇弧形工作门，采用闸顶液压式启闭机启闭；溢流堰堰面采用“WES”型曲线，曲线方程为Y=0．046l171

7、75x，堰顶上游面由3段圆弧组成，堰顶表1洪水标准下游接反弧段，反弧半径40．0ITI，圆心角22。3831”；因Tab．1Floodstandards水库为年调节水库，其水位每年至少有2～3个月时间低于堰顶高程，故不设检修门。设计洪水重现期100年，校核洪水重现期2000年，建筑物场区地震基本烈度为VI度(根据《水工建筑物抗震设计规范》(SL203-1997)，不考虑地震荷载)。洪水及上游水位见表1。2溢流堰堰体厚度有限元应力分析方案为获得安全经济的堰体结构，根据工