基于VB语言的重力坝优化设计

时间:2022-06-26 01:22:20

基于VB语言的重力坝优化设计

摘要:水利工程中,重力坝是一种被广泛应用的坝型。本文以刚体极限平衡理论和材料力学法为理论基础,并以《混凝土重力坝设计规范 SL319-2005》为计算准则,基于VB程序语言编写了重力坝的断面优化程序,重点对重力坝在正常蓄水位,设计洪水位,校核洪水位等不同的工况下进行的体型优化。

关键词:重力坝;优化设计;VB程序

1. 前言:

重力坝是由砼或浆砌石修筑的大体积挡水建筑物,其基本剖面是直角三角形,整体是由若干坝段组成,是一种古老的,但现在仍被广为应用的坝型。因其在水压力及其它外荷载作用下依靠坝体自重维持稳定而得名。重力坝在我国有着很广泛的应用和很广阔的发展前景,随着我国社会的快速发展和水利水电事业的不断进步,对重力坝的设计也提出了更高的要求,传统的重力坝设计方法已经不能满足当前社会发展的需要,研制和开发重力坝体型优化程序成为重力坝在应用领域发展的必然。

2. 建立模型

2.1数学模型

现代工程中应用比较广泛的重力坝型主要有实体重力坝、宽缝重力坝、空腹重力坝三种。实体重力坝是目前被广泛采用的一种坝型,在水压力作用下,主要依靠坝体自重产生的抗滑力维持稳定,基本剖面形式呈三角形,坝体剖面尺寸大,水泥用量较多,坝体应力较低,材料强度不能充分发挥,所以在进行剖面设计时,在保证不致沿坝基面或地基中的软弱结构面产生滑动的情况下,应尽量减少坝体与地基的接触面,减少扬压力,减少水泥用量,进行最优设计。重力坝体型设计的优化问题,可以说是属于实体结构断面形状布局的问题,要完全描述体型的几何参数,对于非溢流坝段取5个,对于溢流坝段其设计变量就比较多些。重力坝承受的主要荷载是水压力、扬应力和自重力,控制断面尺寸的重要指标是稳定和强度,如何建立重力坝体型优化设计的数学模型是进行最优化设计的关键。

为了说明优化设计数学模型的建立,选用混凝土重力坝非溢流断面为例。已知上游水位为 ,下游水位为 ,淤沙高程为 ,泥沙干容重为 ,岩石摩擦系数为 ,泥沙孔隙率为 ,泥沙浮容重为 ,坝顶宽度为 ,内摩擦角为 ,枢纽地区多年平均最大风速为 ,水库吹程为 。其模型如下:

1.设计变量

(1)

2.目标函数

取单位坝段,其断面面积可表示为设计变量的函数,记为

。 (2)

3.约束条件

(1)稳定约束

按照规范的规定重力坝坝体抗滑稳定计算主要核算坝体上的抗滑安全系数,计算的公式如下:

(抗剪强度公式) (3)

式中: ――抗剪强度公式计算的抗滑稳定安全系数;

――为坝体混凝土与坝基接触面抗剪摩擦系数;

――作用于坝体上全部荷载对滑动平面的法向分值和切向分值(包括扬压力);

可得到稳定约束公式为:

其中 的取值由“混凝土重力坝设计规范 SL319-2005”查得,综合各种因素,本程序中取1.1。

(2)应力约束

对中低坝只计算坝的边缘应力,重力坝的应力计算公式为:

上游面垂直正应力 (4)

下游面垂直正应 (5)

式中: ――计算截面上全部垂直荷载(包括坝体自重、水重、泥沙重及计算的扬压力等),以向下为正;

――计算截面上全部垂直力及水平力对于计算截面形心的力矩的总和, 以使上游面产生压应力者为正;

――坝体计算截面沿上下游方向的长度。

可得到应力约束公式为: (6)

应力约束值由《混凝土重力坝设计规范 SL319-2005》查得

(3)几何约束条件

根据“混凝土重力坝设计规范 SL319-2005”查得,

上游面坡度比:1:0~1:0.2

上游面坡度比:1:0.6~1:0.8

非负约束:

上下界限约束

(7)

综合以上各式,即可写出非线性数学规划模型表达式,

求设计变量 (8)

使目标函数达到 达到

满足条件 (9)

2.2 荷载及荷载组合:

在进行重力坝体型最优化设计时,荷载仅考虑基本组合,基本组合中的荷载有自重、静水压力、扬压力、泥砂压力、浪压力和土压力等。

(1)静水压力:

静水压强计算公式为: (10)

式中: ――水的容重; ――压强点距水面深度

将 沿坝面积分即可求得作用在坝面上静水压力的合力。

(2)泥沙压力

泥沙压力计算公式为:

(11)

式中: ――铅直面上泥沙对坝体某点的压力强度; ――泥砂的浮容重; ――泥砂的淤积高度; ――泥砂的内摩擦角。

当无可靠资料时, 可取1.35~1.45, 取30,这样上式可近似简化为 垂直泥砂压力可按作用面上的土重计算,土的容重可取 。

(3)扬压力

根据混凝土重力坝设计规范,坝体断面设计时,作用于坝面的扬压力可根据坝基地质条件、帷幕和排水的布置情况,分别选用不同的扬压力的图形求解扬压力。

3. 重力坝断面优化设计程序的验证

在某山区河流上,拟建一混凝土重力坝,工程等别为三级,主要水工建筑物为三级。经过水文计算,确定的正常蓄水位为184米;相应的下游水位160米,设计洪水位186米,相应下游水位161.2;校核洪水位187.7米,相应下游水位162米;溢流坝段设置在河床中间,其左右两边均为非溢流坝段,非溢流坝段坝基清基后最底点高程为149米,地基为花岗岩,摩擦系数 =0.65,坝前淤沙高程为 =164米;泥沙干容重 =13.1 ,孔隙率为 =0.35,进而算得泥沙浮容重 =6.5 ,内摩擦角 = ,枢纽所在地区多年平均最大风速 =12.3 ,水库吹程 =1.2 。

在本设计程序中,初始界面列出来需要输入的基本参数:坝高、坝前水深、坝后水深、混凝土容重、坝顶宽度、淤沙高程、泥沙干容重、泥沙浮容重、泥沙孔隙率、岩石摩擦系数,内摩擦角,枢纽地区多年最大风速、水库吹程、水容重等。将这些参数输入相应的对话框,就可以在结果中显示出程序自动优化出的最佳断面。

4. 结语:

将优化方法应用于重力坝设计,可以把设计人员从繁重的重复性工作中解脱出来,使设计人员将主要精力集中于对优化结果的分析上,对提高重力坝的设计效率能起到很大的作用,本文用VB程序语言编写了混凝土重力坝断面的优化程序,可以快速准确的计算出重力坝非溢流坝段的断面尺寸,运用工程实例对程序进行了验证,发现和传统的设计方法相比,优化程序设计速度更快,设计出的断面也更节省材料。

参考文献:

【1】 中华人民共和国水利部,混凝土重力坝设计规范 -2005,水利水电出版社,2005年7月。

【2】 林益才,水工建筑物,河海大学出版社,1995年1月。

【3】 蔡新、郭兴文、张旭明,工程结构优化设计,中国水利水电出版社,2002年。

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