基于有限单元法的高拱坝优化设计方法体系的研究与应用

【摘要】：高拱坝体型设计是关系到大坝安全和经济的关键技术问题。高拱坝设计对地质条件的适应性要求越来越高，优化设计时要考虑到复杂地质条件的影响，最好采用已被工程界普遍接受的有限单元法等现代计算方法，这对以拱梁分载法为主的拱坝优化设计体系提出了新的挑战，除了需要解决不同条件、不同拱坝参数的全自动计算问题，还要解决由于结构计算时间增加所带来的优化计算的可行性和效率问题。本文结合即将颁布的国电行业标准《混凝土拱坝设计规范》中的相关规定，就基于有限单元法的高拱坝优化设计的方法体系进行了研究，提出了一些新的优化目标、优化方案和优化方法，具体工作有： 对国内拱坝优化设计及相关领域研究现状进行了总结，详细介绍了高拱坝优化设计的数学模型和优化目标，提出基于有限单元法的高拱坝优化设计方法体系的基本设想及需要解决的关键技术问题。 在计算机网络机群环境下，完成了基于计算机网络并行环境的复合形优化方法、遗传算法和进化策略等自然进化、全局寻优的现代优化设计方法；提出使用“逐步法”进行多目标优化设计。 针对各种拱坝线型完成了高拱坝有限计算全自动剖分程序，程序考虑了平面断层的影响及不同高程的地质分区，考虑了所有横缝及混凝土分期浇筑、分期蓄水施工过程。采用两种方案进行拱坝优化设计：一是将拱梁分载计算的应力和坝肩稳定安全系数作为约束条件，以拱坝混凝土方量为优化目标进行优化设计；二是将有限元等效应力法计算的应力和拉应力深度作为约束条件，以拱坝混凝土方量为优化目标进行优化设计。 探讨了基于非线性有限元法进行高拱坝优化设计的可行方案，当采用经济性指标作为体型优化目标时，根据规范要求将坝体上游面开裂深度与坝体厚度的比值作为约束条件；当采用安全性指标作为拱坝优化目标时，目标函数取拱坝整体稳定安全度，并将非线性有限元计算的坝体上游面开裂深度与坝体厚度的比值作为约束条件。 采用有限元法进行动力分析计算，利用三维实体任意切面数据处理技术，提出了应用有限元法计算拱坝坝肩稳定安全系数方法，在此基础上完成了基于有限元法以坝肩动力稳定安全系数为目标的高拱坝优化设计程序。