[发明专利]混凝土拱坝坝体优化方法

说明书

本发明公开了一种混凝土拱坝坝体优化方法。凝土拱坝坝体优化能够在保证工程安全的前提下，提出经济可靠的坝体设计方案。传统的拱坝坝体优化方法重复设计法的工作量大、过程繁琐和效率低，因此提出一种高效可靠的混凝土拱坝坝形优化方法是十分必要的。而在控制拱坝坝体优化的因素中，应力控制是最为重要的一个。本发明采用快速多级边界元法对优化的混凝土拱坝坝体进行应力控制分析，相较于采用有限元法进行应力控制分析的常规拱坝坝体优化方法，在同等自由度的前提下，本发明耗时更少，计算效率更高。此外，快速多级边界元法无需对坝体进行三维网格划分，只需要对坝体外表面划分二维单元，过程更为简单，网格划分质量要求较低，更为便捷。

技术领域

本发明属于坝体优化技术领域，具体涉及一种混凝土拱坝坝体优化方法。

背景技术

所谓拱坝体型优化设计，就是在已知的给定参数条件下，寻找满足工程的施工、运用、强度、稳定性等约束条件，并使目标函数取最小值的体型方案。因此，优化设计的首要一步是将工程实际问题表示成数学表达式，即建立数学模型，包括选定设计变量、选择目标函数、建立约束方程，然后采用适宜的优化方法，求出问题的解。

关于拱坝体型优化的研究，国外是从20世纪60年代开始的。1969年，R.Sharp提出了用数学规划法对拱坝进行体型优化设计，从而使拱坝体型优化设计作为一个专门课题，引起学术界和工程界的注意；1973年，加拿大学者W.Stensch提出了自由型拱坝设计的模型；1974年G.A.Harley和G.M.Mcneice形成了有限元分析用的网格自由划分系统，进一步改进了W.Stcnsch的工作；1975年R.E.Rhichetts和D.C.Liewicz发表了《混凝土坝的形状优化设计》，其中也研究了拱坝；1982年，在上海举行的国际有限元会议上，K.Wassermann发表了一篇拱坝体型优化的论文等。

我国拱坝体型优化设计的研究是在20世纪70年代末期由朱伯芳院士提出来的，尽管起步较晚，但发展很快。我国拱坝优化设计研究已经进行了30多年，在优化理论和实践上均取得了显著的成绩，目前我国在拱坝优化领域已处于国际领先地位。从基于材料力学优化发展到有限元优化，从静力优化发展到动力优化，从线性优化发展到非线性全过程分析，拱圈的线性从单心圆发展到二次曲线、混合线型等，逐步发展和完善了我国提出的高混凝土坝优化理论与方法。

目前，有限元法作为一种很受欢迎的数值分析方法，逐步成为坝型优化应力计算的主要方法，但一般而言，拱坝为超大规模水利工程，有限元分析需要划分大量的三维体网格，计算量巨大，耗时长，需要高额的计算成本。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种混凝土拱坝坝体优化方法，基于快速多级边界元法，模型重建过程更为简单，同等自由度下，精度更高。

为了解决上述技术问题，本发明提供的混凝土拱坝坝体优化方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：选择用以确定拱坝体型的基本参数，如拱冠梁处拱圈中心线的曲率半径、拱端中心角，以及确定坝体厚度的基本参数如拱冠梁厚度、拱端厚度等作为优化设计变量；

步骤2：选择适当的目标函数，一般以安全性为关键性指标，即以应力为目标函数；

步骤3：为保证工程安全和施工方便，确定坝体几何尺寸和工作性态两方面的约束，主要包括几何约束条件、应力约束条件和稳定约束条件；

步骤4：将拱坝的体型抽象成几何模型并用一组参数来完整地描述，基于快速多级边界单元进行坝体网格自动化划分以及荷载的自动施加。

步骤5：基于快速多级边界元法自动化计算应力，利用等效应力法求出拱坝上下游面的三个应力分量，然后由该处微分体的平衡条件求得另外三个应力分量，进一步决定拱坝上下游面的主应力，进而确定出最优拱坝坝形。

作为优选，所述步骤3中输入应力约束条件为坝轴线位置移动范围的限制，坝顶最小厚度的限制，倒悬度约束，保凸性要求。