一种新的碾压混凝土坝形式Hardfill坝断面优化设计的探讨

一种新的碾压混凝土坝形式Hardfill坝断面优化设计的探讨

水库是一种古老的水库，其结构简单，易于排水，适合各种基本条件，在水库施工过程中发挥着重要作用。在raphal和其他科学家的支持下，大型土壤运输机械和压缩机械被用于水库的建设，并采用了超干硬混凝土和振动压力生产的水库技术。这是水库发展历史的一次革命。raphil的基本思想是设计一种介于水库和土坝之间的水库，并使用一种用于特征为混凝土和土壤之间的水库材料的水库特征。这被称为“最佳水库”的基本轮廓是对称的。其制造材料是水泥的共轭堆由压力坝技术生产的圆形填充石（cemedroll）。1992年，lod提出，采用大规模的土壤工艺，机械化快速施工，具有较高的抗疲劳防滑性能，但不需要达到与混凝土相同的高度。这可以尽可能简化施工，降低材料成本。使用这种新材料和设计一个新截面，我们可以获得更便宜、更安全的新水库。对于这个发烧国家，日本在法国、希腊和土耳其建立了10多座发烧水库，其中土耳其有两座大坝超过100米。自20世纪90年代以来，日本已在法国、希腊和土耳其建立了10多座发烧水库，其中土耳其有两座大坝超过100米。自20世纪90年代以来，日本已在员工、劳动力和财力上投入大量人力、物力和财力，研究和开发具有自身特点的硬件水库技术，并命名为csg（cedstatistical坝）。该水库的新名字已经建成。中国的硬坝技术也取得了一些进展。在贵州省道塘水库、福建省道孚水库、红口水库等福建道孚水库的技术基础上，建立了该水库，并取得了良好的效果。与其他水库相比，硬坝和土坝的体型设计是第一个问题。在这项工作中，我们将参照重力坝和土石坝的设计理论对状况进行研究。1混合重力坝的材料Hardfill坝是一种新坝型,它是新材料和新结构的结合[10,11,12,13,14,15].所谓新材料,就是Hardfill可以看做一种放宽要求的贫碾压混凝土,或者称为碾压胶结砂石材料.所谓新体型,就是坝的结构形状适应新筑坝材料,Hardfill坝的体型介于堆石坝和混凝土重力坝之间.Hardfill材料可以看做一种放宽要求的贫碾压混凝土,如图1和图2所示.根据“坝的结构形状应当适应于筑坝材料”的原则,一般的Hardfill坝的体型如图3.Hardfill坝的剖面大于重力坝(大50%～70%),由于体积的增大,坝体应力水平降低,坝踵和坝趾处的应力集中大大减轻,坝体在各种工况下基本不出现拉应力,低强度的Hardfill材料完全能满足建坝要求,并且能够充分发挥其强度;由于体积的增大,并且可以利用一部分水重来增大抗滑力,虽然材料抗剪强度较低,也能够满足抗滑稳定要求;上游设置专门的防渗体来防渗,对坝体材料没有防渗要求;对于有耐久性要求的地区,采用“金包银”的结构形式,在大坝外层设置防护层,Hardfill材料只作为大坝内部材料,起稳定和支撑作用,对其耐久性要求不高.这是一种“各司其职,各尽其能”的设计,可以充分发挥Hardfill材料的性能.2中国重力坝断面优化设计Hardfill坝的体型介于堆石坝和混凝土重力坝之间,Hardfill材料实际上是一种胶结砂石材料,胶凝材料用量对其抗剪强度有直接影响,进而影响坝坡稳定.根据Raphael的研究结论,水泥掺量和断面大小成反比,建议水泥掺量40kg/m3,坝体采用1∶1的对称断面.应当说,这个断面偏大,即便单价较低,总造价也不免偏高.1992年,Londe进一步研究了Hardfill坝水泥掺量和断面的关系,认为在综合考虑抗冲蚀能力的要求下,水泥掺量50kg/m3,坝体采用1∶0.7的对称断面,就能满足安全和经济要求.这个断面比Raphael的断面小一些,但仍然是一个经验取值,并没有理论依据.目前世界上已建的大部分Hardfill坝都是按照1∶0.7的坝坡进行断面设计的,2座超过100m高的Hardfill坝——土耳其的Cindere坝(107m高)和Oyuk坝(100m高):水泥掺量50kg/m3,坝体采用1∶0.7的对称断面.从经济角度,Hardfill坝断面优化设计具有重要意义.但是,目前对于Hardfill坝能否像重力坝一样进行断面优化的研究尚未开展,本文将就这一问题进行研究.结构的优化设计是满足所有约束条件,寻找使目标函数为最小的设计,即数学规划中所谓的约束最优化问题,其数学表达式为目标函数:minf(x)(1)minf(x)(1)约束条件:s.t.Ci(x)=0,i=1‚⋯,meCi(x)≥0‚i=me+1‚⋯,m式中:me为等式约束数;m为约束总数.对于Hardfill坝断面优化,目标函数f(x)很明确,就是坝体总造价最低,而对于约束条件的具体形式,需要进一步研究.重力坝由于受水平水荷载、扬压力及自重作用,基本坝体的剖面是三角形形式,控制剖面尺寸的主要指标是整体稳定要求和坝体及地基的强度要求.根据重力坝设计规范,重力坝剖面设计应满足坝体沿坝基面的整体抗滑稳定要求,一般采用抗剪断公式进行分析.重力坝的强度校核是在坝体断面已初步拟定的情况下进行的,重力坝坝体的最大和最小主应力一般都出现在上、下游边缘,所以重力坝应力控制主要是坝体边缘正应力和主应力满足强度要求.土石坝由散粒土石料填筑而成,颗粒间孔隙大、黏聚力小,整体抗剪强度相对较低,由于坝坡自身稳定要求,坝坡较缓、体型较大,一般都满足整体稳定要求,边坡稳定分析和满足渗透稳定要求是确定土石坝设计剖面的主要依据.Hardfill材料的特性介于混凝土与堆石之间,Hardfill坝坝型也是介于重力坝和堆石坝之间,所以Hardfill坝剖面设计控制标准应该是既要满足重力坝的整体稳定要求和边缘应力要求,又要同时满足土石坝的边坡稳定要求.对于混凝土重力坝而言,约束条件分为2类:第1类为几何约束条件,保证混凝土重力坝的优化初始值必须限制在可行的范围之内;第2类为力学约束条件,即混凝土坝各层面在相应荷载作用下必须保证稳定与安全.对于Hardfill坝,还需要增加稳定坡角这一约束条件.3坝体稳定边坡稳定坡角Hardfill材料的抗剪强度小于混凝土而大于堆石,从抗剪强度的角度上看,其最大允许坝坡应介于重力坝和堆石坝之间,即所谓的稳定坡角,或者称为临界坡角.为计算Hardfill坝的稳定坡角,参考土石坝计算坝坡稳定的方法,假定Hardfill材料为理想塑性材料,以剪切破坏为可能的破坏形式,按照极限平衡理论,计算分析Hardfill坝的坝坡与抗滑稳定安全之间的关系,从而得出保证安全前提下的最大允许坝坡.根据简化毕肖普法,编制了Hardfill坝稳定坡角的推求程序,通过给定搜索步长,采用穷举法确定最危险滑弧位置和满足自身边坡稳定要求的坡角.计算中参考堆石坝不考虑空隙水压力的作用,由于上游水压力是有利于坝坡稳定的荷载,也不予考虑,只考虑自重作用.坝体稳定边坡与筑坝材料的抗剪强度指标和坝体高度有关,而Hardfill材料的抗剪强度指标又与胶凝材料的用量有关.首先根据三轴试验所得的材料特性参数(凝聚力c、内摩擦角φ、密度ρ,见表1).对胶凝材料用量C=50kg/m3的Hardfill坝,取最小稳定安全系数的控制值为1.25(参考土石坝2级,基本荷载组合时的稳定安全系数),用上述程序通过大量的试算计算不同坝高情况下相应的稳定坡角,得出C=50kg/m3时坝高与稳定坡角的关系.根据计算结果,对于同一胶凝材料用量而言,随着坝高的增加,稳定坡角逐渐减小,也就是说随着坝体增高,要求坝坡变缓;例如,坝高从40m增至80m,稳定坡角仅减少约为2°,说明坝体高度对稳定坡角的影响较小.因此,在其他胶凝材料用量的超贫胶结材料坝稳定坡角计算中,坝高均取为50m.同样,用上述方法计算得到了不同胶凝材料用量的Hardfill坝临界稳定坡角及坡比值,见表1.根据Hardfill坝临界稳定坡角,确定坝体最大坡比见表2.从计算结果可以看出,随着胶凝材料用量的增加,抗剪强度增大,稳定坡角也增大,当胶凝材料用量为76.74kg/m3时,稳定坡角为90°,即为直立坝坡,这就是混凝土坝可采用直立坝坡的原因.根据以上分析,由于一般Hardfill坝的胶凝材料用量为50～80kg/m3,从坝坡稳定的角度看,可以采用上游较陡而下游较缓的、类似混凝土重力坝的剖面形式.考虑到本方法仅仅是从理论上对Hardfill坝的体型进行研究,表2根据计算出的临界坡比,从偏安全的角度,给出相应的设计最大坡比,可为设计参考.4钢筋混凝土砌块的截面优化式(1)确定的目标函数可等效为单位长度坝段断面面积最小,即V(x)=V(x)min(2)4.1几何变量描述和重力坝一样,坝高H、坝顶宽度B根据某些用途可设为已知量,不随优化改变,描述断面形状的几何变量一般有2个,即上游坝坡坡度x1和下游坝坡坡度x2.如图4所示.4.2抗滑稳定验算1)几何约束条件m≤x1≤0.7(3)m≤x2≤1.0(4)式中:m为Hardfill坝临界坡度.根据已有工程经验,Hardfill坝上游坡度一般为0.3～0.7,且须满足临界坡比要求;下游坡度一般为0.6～1.0,也须满足临界坡比要求.2)应力约束条件坝踵不允许出现拉应力:σ坝踵≤0坝趾压应力应小于Hardfill材料允许压应力:σ坝趾≤[σa](5)Hardfill材料抗拉强度较低,从安全储备考虑,坝体一般不允许出现拉应力.3)稳定约束条件抗滑稳定安全系数f′ΣW+c′AΣΡ≥[Κ](7)Hardfill坝允许抗滑稳定安全系数可参照重力坝取值,根据实际工程的计算结果,Hardfill坝在满足应力和临界坡度约束条件后,坝体断面比重力坝大得多,其抗滑稳定安全系数一般可比同等条件下的重力坝大30%～80%.确定了目标函数和约束条件,就可以用复形法等非线性规划寻优,得出Hardfill坝的优化断面.这种优化设计法在重力坝中已经有较为普遍的应用,这里不再赘述.4.3优化设计法的应用利用复形法对福建洪口Hardfill坝(围堰)进行断面优化,经过15次优化迭代计算后达到最优值.表3给出了初始断面和优化后断面的断面形状参数、应力和稳定的对照.从表3可以看出,在满足设计安全的前提下,优化后的洪口Hardfill坝坝体断面比原设计断面减小7.68%.Hardfill坝是介于堆石坝和混凝土重力坝之间的一种新坝型,对其破坏模式的研究尚不充分,断面优化的约束条件仍然存在变数.对于重要工程,特别是高坝,按照工程经验设计断面仍然是一种较为安全、妥当的方法,优化设计法可以作为参考,如土耳其的Cindere坝(107m高)和Oyuk坝(100m高)都是采用1∶