一種新的碾壓混凝土壩形式Hardfill壩斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)的探討

一種新的碾壓混凝土壩形式Hardfill壩斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)的探討

水庫(kù)是一種古老的水庫(kù)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于排水，適合各種基本條件，在水庫(kù)施工過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。在raphal和其他科學(xué)家的支持下，大型土壤運(yùn)輸機(jī)械和壓縮機(jī)械被用于水庫(kù)的建設(shè)，并采用了超干硬混凝土和振動(dòng)壓力生產(chǎn)的水庫(kù)技術(shù)。這是水庫(kù)發(fā)展歷史的一次革命。raphil的基本思想是設(shè)計(jì)一種介于水庫(kù)和土壩之間的水庫(kù)，并使用一種用于特征為混凝土和土壤之間的水庫(kù)材料的水庫(kù)特征。這被稱(chēng)為“最佳水庫(kù)”的基本輪廓是對(duì)稱(chēng)的。其制造材料是水泥的共軛堆由壓力壩技術(shù)生產(chǎn)的圓形填充石（cemedroll）。1992年，lod提出，采用大規(guī)模的土壤工藝，機(jī)械化快速施工，具有較高的抗疲勞防滑性能，但不需要達(dá)到與混凝土相同的高度。這可以盡可能簡(jiǎn)化施工，降低材料成本。使用這種新材料和設(shè)計(jì)一個(gè)新截面，我們可以獲得更便宜、更安全的新水庫(kù)。對(duì)于這個(gè)發(fā)燒國(guó)家，日本在法國(guó)、希臘和土耳其建立了10多座發(fā)燒水庫(kù)，其中土耳其有兩座大壩超過(guò)100米。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，日本已在法國(guó)、希臘和土耳其建立了10多座發(fā)燒水庫(kù)，其中土耳其有兩座大壩超過(guò)100米。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，日本已在員工、勞動(dòng)力和財(cái)力上投入大量人力、物力和財(cái)力，研究和開(kāi)發(fā)具有自身特點(diǎn)的硬件水庫(kù)技術(shù)，并命名為csg（cedstatistical壩）。該水庫(kù)的新名字已經(jīng)建成。中國(guó)的硬壩技術(shù)也取得了一些進(jìn)展。在貴州省道塘水庫(kù)、福建省道孚水庫(kù)、紅口水庫(kù)等福建道孚水庫(kù)的技術(shù)基礎(chǔ)上，建立了該水庫(kù)，并取得了良好的效果。與其他水庫(kù)相比，硬壩和土壩的體型設(shè)計(jì)是第一個(gè)問(wèn)題。在這項(xiàng)工作中，我們將參照重力壩和土石壩的設(shè)計(jì)理論對(duì)狀況進(jìn)行研究。1混合重力壩的材料Hardfill壩是一種新壩型,它是新材料和新結(jié)構(gòu)的結(jié)合[10,11,12,13,14,15].所謂新材料,就是Hardfill可以看做一種放寬要求的貧碾壓混凝土,或者稱(chēng)為碾壓膠結(jié)砂石材料.所謂新體型,就是壩的結(jié)構(gòu)形狀適應(yīng)新筑壩材料,Hardfill壩的體型介于堆石壩和混凝土重力壩之間.Hardfill材料可以看做一種放寬要求的貧碾壓混凝土,如圖1和圖2所示.根據(jù)“壩的結(jié)構(gòu)形狀應(yīng)當(dāng)適應(yīng)于筑壩材料”的原則,一般的Hardfill壩的體型如圖3.Hardfill壩的剖面大于重力壩(大50%～70%),由于體積的增大,壩體應(yīng)力水平降低,壩踵和壩趾處的應(yīng)力集中大大減輕,壩體在各種工況下基本不出現(xiàn)拉應(yīng)力,低強(qiáng)度的Hardfill材料完全能滿(mǎn)足建壩要求,并且能夠充分發(fā)揮其強(qiáng)度;由于體積的增大,并且可以利用一部分水重來(lái)增大抗滑力,雖然材料抗剪強(qiáng)度較低,也能夠滿(mǎn)足抗滑穩(wěn)定要求;上游設(shè)置專(zhuān)門(mén)的防滲體來(lái)防滲,對(duì)壩體材料沒(méi)有防滲要求;對(duì)于有耐久性要求的地區(qū),采用“金包銀”的結(jié)構(gòu)形式,在大壩外層設(shè)置防護(hù)層,Hardfill材料只作為大壩內(nèi)部材料,起穩(wěn)定和支撐作用,對(duì)其耐久性要求不高.這是一種“各司其職,各盡其能”的設(shè)計(jì),可以充分發(fā)揮Hardfill材料的性能.2中國(guó)重力壩斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)Hardfill壩的體型介于堆石壩和混凝土重力壩之間,Hardfill材料實(shí)際上是一種膠結(jié)砂石材料,膠凝材料用量對(duì)其抗剪強(qiáng)度有直接影響,進(jìn)而影響壩坡穩(wěn)定.根據(jù)Raphael的研究結(jié)論,水泥摻量和斷面大小成反比,建議水泥摻量40kg/m3,壩體采用1∶1的對(duì)稱(chēng)斷面.應(yīng)當(dāng)說(shuō),這個(gè)斷面偏大,即便單價(jià)較低,總造價(jià)也不免偏高.1992年,Londe進(jìn)一步研究了Hardfill壩水泥摻量和斷面的關(guān)系,認(rèn)為在綜合考慮抗沖蝕能力的要求下,水泥摻量50kg/m3,壩體采用1∶0.7的對(duì)稱(chēng)斷面,就能滿(mǎn)足安全和經(jīng)濟(jì)要求.這個(gè)斷面比Raphael的斷面小一些,但仍然是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)取值,并沒(méi)有理論依據(jù).目前世界上已建的大部分Hardfill壩都是按照1∶0.7的壩坡進(jìn)行斷面設(shè)計(jì)的,2座超過(guò)100m高的Hardfill壩——土耳其的Cindere壩(107m高)和Oyuk壩(100m高):水泥摻量50kg/m3,壩體采用1∶0.7的對(duì)稱(chēng)斷面.從經(jīng)濟(jì)角度,Hardfill壩斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義.但是,目前對(duì)于Hardfill壩能否像重力壩一樣進(jìn)行斷面優(yōu)化的研究尚未開(kāi)展,本文將就這一問(wèn)題進(jìn)行研究.結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是滿(mǎn)足所有約束條件,尋找使目標(biāo)函數(shù)為最小的設(shè)計(jì),即數(shù)學(xué)規(guī)劃中所謂的約束最優(yōu)化問(wèn)題,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為目標(biāo)函數(shù):minf(x)(1)minf(x)(1)約束條件:s.t.Ci(x)=0,i=1??,meCi(x)≥0?i=me+1??,m式中:me為等式約束數(shù);m為約束總數(shù).對(duì)于Hardfill壩斷面優(yōu)化,目標(biāo)函數(shù)f(x)很明確,就是壩體總造價(jià)最低,而對(duì)于約束條件的具體形式,需要進(jìn)一步研究.重力壩由于受水平水荷載、揚(yáng)壓力及自重作用,基本壩體的剖面是三角形形式,控制剖面尺寸的主要指標(biāo)是整體穩(wěn)定要求和壩體及地基的強(qiáng)度要求.根據(jù)重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范,重力壩剖面設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足壩體沿壩基面的整體抗滑穩(wěn)定要求,一般采用抗剪斷公式進(jìn)行分析.重力壩的強(qiáng)度校核是在壩體斷面已初步擬定的情況下進(jìn)行的,重力壩壩體的最大和最小主應(yīng)力一般都出現(xiàn)在上、下游邊緣,所以重力壩應(yīng)力控制主要是壩體邊緣正應(yīng)力和主應(yīng)力滿(mǎn)足強(qiáng)度要求.土石壩由散粒土石料填筑而成,顆粒間孔隙大、黏聚力小,整體抗剪強(qiáng)度相對(duì)較低,由于壩坡自身穩(wěn)定要求,壩坡較緩、體型較大,一般都滿(mǎn)足整體穩(wěn)定要求,邊坡穩(wěn)定分析和滿(mǎn)足滲透穩(wěn)定要求是確定土石壩設(shè)計(jì)剖面的主要依據(jù).Hardfill材料的特性介于混凝土與堆石之間,Hardfill壩壩型也是介于重力壩和堆石壩之間,所以Hardfill壩剖面設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是既要滿(mǎn)足重力壩的整體穩(wěn)定要求和邊緣應(yīng)力要求,又要同時(shí)滿(mǎn)足土石壩的邊坡穩(wěn)定要求.對(duì)于混凝土重力壩而言,約束條件分為2類(lèi):第1類(lèi)為幾何約束條件,保證混凝土重力壩的優(yōu)化初始值必須限制在可行的范圍之內(nèi);第2類(lèi)為力學(xué)約束條件,即混凝土壩各層面在相應(yīng)荷載作用下必須保證穩(wěn)定與安全.對(duì)于Hardfill壩,還需要增加穩(wěn)定坡角這一約束條件.3壩體穩(wěn)定邊坡穩(wěn)定坡角Hardfill材料的抗剪強(qiáng)度小于混凝土而大于堆石,從抗剪強(qiáng)度的角度上看,其最大允許壩坡應(yīng)介于重力壩和堆石壩之間,即所謂的穩(wěn)定坡角,或者稱(chēng)為臨界坡角.為計(jì)算Hardfill壩的穩(wěn)定坡角,參考土石壩計(jì)算壩坡穩(wěn)定的方法,假定Hardfill材料為理想塑性材料,以剪切破壞為可能的破壞形式,按照極限平衡理論,計(jì)算分析Hardfill壩的壩坡與抗滑穩(wěn)定安全之間的關(guān)系,從而得出保證安全前提下的最大允許壩坡.根據(jù)簡(jiǎn)化畢肖普法,編制了Hardfill壩穩(wěn)定坡角的推求程序,通過(guò)給定搜索步長(zhǎng),采用窮舉法確定最危險(xiǎn)滑弧位置和滿(mǎn)足自身邊坡穩(wěn)定要求的坡角.計(jì)算中參考堆石壩不考慮空隙水壓力的作用,由于上游水壓力是有利于壩坡穩(wěn)定的荷載,也不予考慮,只考慮自重作用.壩體穩(wěn)定邊坡與筑壩材料的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和壩體高度有關(guān),而Hardfill材料的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)又與膠凝材料的用量有關(guān).首先根據(jù)三軸試驗(yàn)所得的材料特性參數(shù)(凝聚力c、內(nèi)摩擦角φ、密度ρ,見(jiàn)表1).對(duì)膠凝材料用量C=50kg/m3的Hardfill壩,取最小穩(wěn)定安全系數(shù)的控制值為1.25(參考土石壩2級(jí),基本荷載組合時(shí)的穩(wěn)定安全系數(shù)),用上述程序通過(guò)大量的試算計(jì)算不同壩高情況下相應(yīng)的穩(wěn)定坡角,得出C=50kg/m3時(shí)壩高與穩(wěn)定坡角的關(guān)系.根據(jù)計(jì)算結(jié)果,對(duì)于同一膠凝材料用量而言,隨著壩高的增加,穩(wěn)定坡角逐漸減小,也就是說(shuō)隨著壩體增高,要求壩坡變緩;例如,壩高從40m增至80m,穩(wěn)定坡角僅減少約為2°,說(shuō)明壩體高度對(duì)穩(wěn)定坡角的影響較小.因此,在其他膠凝材料用量的超貧膠結(jié)材料壩穩(wěn)定坡角計(jì)算中,壩高均取為50m.同樣,用上述方法計(jì)算得到了不同膠凝材料用量的Hardfill壩臨界穩(wěn)定坡角及坡比值,見(jiàn)表1.根據(jù)Hardfill壩臨界穩(wěn)定坡角,確定壩體最大坡比見(jiàn)表2.從計(jì)算結(jié)果可以看出,隨著膠凝材料用量的增加,抗剪強(qiáng)度增大,穩(wěn)定坡角也增大,當(dāng)膠凝材料用量為76.74kg/m3時(shí),穩(wěn)定坡角為90°,即為直立壩坡,這就是混凝土壩可采用直立壩坡的原因.根據(jù)以上分析,由于一般Hardfill壩的膠凝材料用量為50～80kg/m3,從壩坡穩(wěn)定的角度看,可以采用上游較陡而下游較緩的、類(lèi)似混凝土重力壩的剖面形式.考慮到本方法僅僅是從理論上對(duì)Hardfill壩的體型進(jìn)行研究,表2根據(jù)計(jì)算出的臨界坡比,從偏安全的角度,給出相應(yīng)的設(shè)計(jì)最大坡比,可為設(shè)計(jì)參考.4鋼筋混凝土砌塊的截面優(yōu)化式(1)確定的目標(biāo)函數(shù)可等效為單位長(zhǎng)度壩段斷面面積最小,即V(x)=V(x)min(2)4.1幾何變量描述和重力壩一樣,壩高H、壩頂寬度B根據(jù)某些用途可設(shè)為已知量,不隨優(yōu)化改變,描述斷面形狀的幾何變量一般有2個(gè),即上游壩坡坡度x1和下游壩坡坡度x2.如圖4所示.4.2抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算1)幾何約束條件m≤x1≤0.7(3)m≤x2≤1.0(4)式中:m為Hardfill壩臨界坡度.根據(jù)已有工程經(jīng)驗(yàn),Hardfill壩上游坡度一般為0.3～0.7,且須滿(mǎn)足臨界坡比要求;下游坡度一般為0.6～1.0,也須滿(mǎn)足臨界坡比要求.2)應(yīng)力約束條件壩踵不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力:σ壩踵≤0壩趾壓應(yīng)力應(yīng)小于Hardfill材料允許壓應(yīng)力:σ壩趾≤[σa](5)Hardfill材料抗拉強(qiáng)度較低,從安全儲(chǔ)備考慮,壩體一般不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力.3)穩(wěn)定約束條件抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)f′ΣW+c′AΣΡ≥[Κ](7)Hardfill壩允許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可參照重力壩取值,根據(jù)實(shí)際工程的計(jì)算結(jié)果,Hardfill壩在滿(mǎn)足應(yīng)力和臨界坡度約束條件后,壩體斷面比重力壩大得多,其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)一般可比同等條件下的重力壩大30%～80%.確定了目標(biāo)函數(shù)和約束條件,就可以用復(fù)形法等非線(xiàn)性規(guī)劃尋優(yōu),得出Hardfill壩的優(yōu)化斷面.這種優(yōu)化設(shè)計(jì)法在重力壩中已經(jīng)有較為普遍的應(yīng)用,這里不再贅述.4.3優(yōu)化設(shè)計(jì)法的應(yīng)用利用復(fù)形法對(duì)福建洪口Hardfill壩(圍堰)進(jìn)行斷面優(yōu)化,經(jīng)過(guò)15次優(yōu)化迭代計(jì)算后達(dá)到最優(yōu)值.表3給出了初始斷面和優(yōu)化后斷面的斷面形狀參數(shù)、應(yīng)力和穩(wěn)定的對(duì)照.從表3可以看出,在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)安全的前提下,優(yōu)化后的洪口Hardfill壩壩體斷面比原設(shè)計(jì)斷面減小7.68%.Hardfill壩是介于堆石壩和混凝土重力壩之間的一種新壩型,對(duì)其破壞模式的研究尚不充分,斷面優(yōu)化的約束條件仍然存在變數(shù).對(duì)于重要工程,特別是高壩,按照工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)斷面仍然是一種較為安全、妥當(dāng)?shù)姆椒?優(yōu)化設(shè)計(jì)法可以作為參考,如土耳其的Cindere壩(107m高)和Oyuk壩(100m高)都是采用1∶