【摘 要】隨著我國水利水電工程業(yè)的發(fā)展，混凝土面板堆石壩作為水工結(jié)構(gòu)中重要壩型之一，其設(shè)計仍然處理設(shè)計經(jīng)驗階段，沒有較成熟的設(shè)計理論，為了提高設(shè)計水平和設(shè)計質(zhì)量及效率，并更好的節(jié)省工程材料，實現(xiàn)設(shè)計的自動化，本文分析了水工工程面板堆石壩設(shè)計的研究現(xiàn)狀，并闡述了面板堆石壩的優(yōu)化設(shè)計理論。
【關(guān)鍵詞】水利水電工程面板堆石壩；設(shè)計研究現(xiàn)狀；優(yōu)化設(shè)計
1 引言
隨著水利水電工程面板堆石壩的發(fā)展和行業(yè)內(nèi)對此方面認(rèn)識的不斷提高，其設(shè)計師們也在不斷改進(jìn)設(shè)計技術(shù)，并逐漸走向成熟。比如巴西的Foz do Areia 壩及澳大利亞的Cethana壩等世界上較高的幾座面板堆石壩，并且運行良好，使壩工界的設(shè)計師對面板堆石壩的設(shè)計水平有著較高水平的提高，并積累了相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗。但也有一些水利水電工程的壩型嚴(yán)重破壞和潰壩，迫使放空庫水進(jìn)行補修，增加了工程成本。因此在工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，優(yōu)化設(shè)計的研究也在不斷發(fā)展、研究，并得到了廣發(fā)的應(yīng)用。
2 水利水電工程面板堆石壩的設(shè)計研究現(xiàn)狀
2.1 堆石壩結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)值分析
我國壩工界對堆石壩結(jié)構(gòu)數(shù)值的分析主要是對大壩的應(yīng)力應(yīng)變性及穩(wěn)定性進(jìn)行分析，但是碾壓式堆石壩一般情況下沒有整體穩(wěn)定問題，只有在覆蓋層或壩體延基中存在層間錯動帶時才會出現(xiàn)穩(wěn)定問題，在當(dāng)前對面板堆石壩的壩坡設(shè)計時，一般都小于碾壓堆石抗剪強度45°，這種方式對穩(wěn)定問題不做考慮。目前已建造的混凝土面板壩大多數(shù)在設(shè)計時不進(jìn)行壩坡穩(wěn)定分析，而是按照已建工程類比選定壩坡。一般情況，根據(jù)壩高的增加，壩坡需要適度變緩才能保持一定的安全度。而邊坡的指標(biāo)與筑壩材料的物理特性、地質(zhì)環(huán)境有關(guān)。目前尚缺乏通過提高筑壩材料的要求而獲得更高抗剪強度的量化指標(biāo)。
2.2 試驗研究
現(xiàn)代水利水電工程面板堆石壩盡管其在變形模量和密實度比早期的面板壩設(shè)計有了很大的提高，但是變形方面仍然是設(shè)計中的主要問題，特別是針對一些高壩及直接建造在覆蓋層地基上的壩。因此，對變形特性的研究成了當(dāng)前的試驗對象以滿足壩體的安全前提下充分利用堆石壩料，并對壩體進(jìn)行合理分區(qū)，降低造價成本。試驗主要包括三軸試驗和壓縮試驗等，并已取得了一些有利的試驗結(jié)果。由于室內(nèi)的試驗受較多因素的影響，比如與現(xiàn)場情況不一致等，須進(jìn)行場外試驗。外場試驗主要對變形模量、抗剪強度、壩料的密度、滲透性進(jìn)行研究，彌補室內(nèi)試驗很難測試的現(xiàn)場碾壓效果，研究了解了壩料的力學(xué)性能，最大限度的減小變形量，改善面板與周邊縫的工作狀態(tài)，確保大壩安全。
2.3 反分析研究
在面板堆石壩斷面結(jié)構(gòu)組成中，主堆石和次堆石約占99%。因此它的變形很容易引起大壩的變形，并以此影響面板的變形和應(yīng)力，從而對面板縫的結(jié)構(gòu)的設(shè)置和形式、周邊接縫產(chǎn)生決定作用。由于堆石體材料本身的特性及試驗限制，很難確定堆石體材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。而設(shè)計中的力學(xué)參數(shù)是由試驗獲得，其參數(shù)不確定。選擇合適的計算模型和計算參數(shù)是研究了解和準(zhǔn)確把握面板壩的穩(wěn)定及各部位的應(yīng)力、位移工作形態(tài)的必要依據(jù)。因此對參數(shù)敏感性的研究并利用實測數(shù)據(jù)進(jìn)行反分析實際工作狀態(tài)下的材料參數(shù)值有著重要的現(xiàn)實意義，能準(zhǔn)確反映和預(yù)報面板壩的真實工作狀態(tài)，有助于工程的安全。
2.4 不確定性分析研究
在工程結(jié)構(gòu)中，人們對隨機性的可靠度分析和考慮模糊性的分析及設(shè)計已有不少實例，這些不確定性的對工程結(jié)構(gòu)的影響也逐漸被壩工界認(rèn)識并接受。而在水利水電工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中應(yīng)用較少，尤其是在面板堆石壩設(shè)計中考慮其不確定因素的研究還尚未出現(xiàn)在宣傳中，同其他行業(yè)的設(shè)計一樣，堆石壩設(shè)計中也存在許多不確定的參數(shù)，如載荷、設(shè)計優(yōu)劣標(biāo)準(zhǔn)及計算模型等因素，既有模糊性又有隨機性。這種不確定性因素影響著面板壩工程的經(jīng)濟(jì)性和安全性。
3 關(guān)于水利水電工程面板堆石壩優(yōu)化設(shè)計研究
優(yōu)化設(shè)計與傳統(tǒng)的設(shè)計存在相似的設(shè)計過程，最終目的達(dá)到最好方案，在設(shè)計和施工及構(gòu)造都遵循相同的要求。兩者之間的不同在于優(yōu)化設(shè)計是對數(shù)學(xué)模式的重點分析，使設(shè)計問題轉(zhuǎn)化數(shù)學(xué)規(guī)劃問題求解，利用現(xiàn)代化計算機系統(tǒng)對方案進(jìn)行比較，選擇最優(yōu)方案。
3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型
對于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的首要問題就是把問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)方式，也就是常說的建模，采用的優(yōu)化數(shù)學(xué)表達(dá)方式為。
求設(shè)計變量X=[X1X2X3。。。Xn]T
使目標(biāo)函數(shù)f（x）min
Ai≤xi≤b i i=1，2，…n
滿足于 gj（x） ≤0 j=1，2，…n
公式中：ai、bi-第i個設(shè)計變量的上下限；n-設(shè)計變量的個數(shù)； p-非上下限等式約束的個數(shù)；m-非上下限約束的不等式約束的個數(shù)。
3.2 面板堆石壩斷面優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型
對于面板堆石壩的相關(guān)指標(biāo)如上下游水位、壩高、壩頂寬度都需要根據(jù)規(guī)劃要求來確定，因此我們把面板堆石壩形狀的相關(guān)幾何變量作為設(shè)計變量，如下圖的設(shè)計變量典型示意圖
對于巖基上面板堆石壩，如圖
（1）把X1X4作為上下游壩坡坡角的設(shè)計變量，反映整個面板堆石壩斷面的大小。
�。�2）把X2X3作為堆石料分解坡角的設(shè)計變量，充分利用石料。
�。�3）把X5X6作為下游壩坡變坡坡角設(shè)計變量及高度X7X8，以反映設(shè)置馬道的需要和下游壩坡變坡要求。
設(shè)計變量表示為：X=[X1X2…X8]T。
趾板、過渡層、面板、墊層的厚度在可以在小范圍變動，目前的設(shè)計技術(shù)已較成熟，且趨向等寬布置，可不必取為變量。
3.3 面板堆石壩區(qū)間優(yōu)化設(shè)計
在許多問題中，由于誤差的緣故導(dǎo)致計算結(jié)果失效。區(qū)間優(yōu)化設(shè)計提供一種簡便的方法，它打破了常規(guī)的數(shù)值運算分析，以區(qū)間運算代替數(shù)值運算，考慮到各種計算誤差，作為計算結(jié)果，得到一個包含精確結(jié)果的區(qū)間，得到兩個值誤差界和近似值。
例如覆蓋層地基上面板壩優(yōu)化設(shè)計模型，基于整體最優(yōu)的計算思路，可以推出適于計算機計算的區(qū)間優(yōu)化算法。設(shè)計變量為：
區(qū)間優(yōu)化設(shè)計主要利用目標(biāo)函數(shù)的特性，取一個F（X）為f（x）的自然區(qū)間擴(kuò)張，以避免區(qū)間求導(dǎo)等復(fù)雜運算。另外取初始區(qū)間的上下界作為幾何約束范圍，并比較各分量的區(qū)間寬度，求取一個分量評分，其他分量保持不變，結(jié)果為兩個子區(qū)間向量。最后為減少計算量，利用函數(shù)值判別式，排除肯定不包含最小值的子區(qū)間向量。這樣可以求得最優(yōu)值和最優(yōu)解，并同時確定最優(yōu)值及最優(yōu)解的誤差范圍。
4 結(jié)論
隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水利水電也逐漸發(fā)展壯大，面板堆石壩將會作為未來水利水電工程的重點發(fā)展方向�？傮w上水利水電工程的面板堆石壩設(shè)計還處于實踐階段的發(fā)展中，根據(jù)工程的經(jīng)濟(jì)、安全、適用的要求，面板堆石壩設(shè)計還存在難度，還需要做進(jìn)一步的研究和總結(jié)。
參考文獻(xiàn)：
[1]徐澤平.高面板堆石壩面板擠壓破壞問題研究.水力發(fā)電，2007（9）.
【關(guān)鍵詞】水利水電工程面板堆石壩；設(shè)計研究現(xiàn)狀；優(yōu)化設(shè)計
1 引言
隨著水利水電工程面板堆石壩的發(fā)展和行業(yè)內(nèi)對此方面認(rèn)識的不斷提高，其設(shè)計師們也在不斷改進(jìn)設(shè)計技術(shù)，并逐漸走向成熟。比如巴西的Foz do Areia 壩及澳大利亞的Cethana壩等世界上較高的幾座面板堆石壩，并且運行良好，使壩工界的設(shè)計師對面板堆石壩的設(shè)計水平有著較高水平的提高，并積累了相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗。但也有一些水利水電工程的壩型嚴(yán)重破壞和潰壩，迫使放空庫水進(jìn)行補修，增加了工程成本。因此在工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，優(yōu)化設(shè)計的研究也在不斷發(fā)展、研究，并得到了廣發(fā)的應(yīng)用。
2 水利水電工程面板堆石壩的設(shè)計研究現(xiàn)狀
2.1 堆石壩結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)值分析
我國壩工界對堆石壩結(jié)構(gòu)數(shù)值的分析主要是對大壩的應(yīng)力應(yīng)變性及穩(wěn)定性進(jìn)行分析，但是碾壓式堆石壩一般情況下沒有整體穩(wěn)定問題，只有在覆蓋層或壩體延基中存在層間錯動帶時才會出現(xiàn)穩(wěn)定問題，在當(dāng)前對面板堆石壩的壩坡設(shè)計時，一般都小于碾壓堆石抗剪強度45°，這種方式對穩(wěn)定問題不做考慮。目前已建造的混凝土面板壩大多數(shù)在設(shè)計時不進(jìn)行壩坡穩(wěn)定分析，而是按照已建工程類比選定壩坡。一般情況，根據(jù)壩高的增加，壩坡需要適度變緩才能保持一定的安全度。而邊坡的指標(biāo)與筑壩材料的物理特性、地質(zhì)環(huán)境有關(guān)。目前尚缺乏通過提高筑壩材料的要求而獲得更高抗剪強度的量化指標(biāo)。
2.2 試驗研究
現(xiàn)代水利水電工程面板堆石壩盡管其在變形模量和密實度比早期的面板壩設(shè)計有了很大的提高，但是變形方面仍然是設(shè)計中的主要問題，特別是針對一些高壩及直接建造在覆蓋層地基上的壩。因此，對變形特性的研究成了當(dāng)前的試驗對象以滿足壩體的安全前提下充分利用堆石壩料，并對壩體進(jìn)行合理分區(qū)，降低造價成本。試驗主要包括三軸試驗和壓縮試驗等，并已取得了一些有利的試驗結(jié)果。由于室內(nèi)的試驗受較多因素的影響，比如與現(xiàn)場情況不一致等，須進(jìn)行場外試驗。外場試驗主要對變形模量、抗剪強度、壩料的密度、滲透性進(jìn)行研究，彌補室內(nèi)試驗很難測試的現(xiàn)場碾壓效果，研究了解了壩料的力學(xué)性能，最大限度的減小變形量，改善面板與周邊縫的工作狀態(tài)，確保大壩安全。
2.3 反分析研究
在面板堆石壩斷面結(jié)構(gòu)組成中，主堆石和次堆石約占99%。因此它的變形很容易引起大壩的變形，并以此影響面板的變形和應(yīng)力，從而對面板縫的結(jié)構(gòu)的設(shè)置和形式、周邊接縫產(chǎn)生決定作用。由于堆石體材料本身的特性及試驗限制，很難確定堆石體材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。而設(shè)計中的力學(xué)參數(shù)是由試驗獲得，其參數(shù)不確定。選擇合適的計算模型和計算參數(shù)是研究了解和準(zhǔn)確把握面板壩的穩(wěn)定及各部位的應(yīng)力、位移工作形態(tài)的必要依據(jù)。因此對參數(shù)敏感性的研究并利用實測數(shù)據(jù)進(jìn)行反分析實際工作狀態(tài)下的材料參數(shù)值有著重要的現(xiàn)實意義，能準(zhǔn)確反映和預(yù)報面板壩的真實工作狀態(tài)，有助于工程的安全。
2.4 不確定性分析研究
在工程結(jié)構(gòu)中，人們對隨機性的可靠度分析和考慮模糊性的分析及設(shè)計已有不少實例，這些不確定性的對工程結(jié)構(gòu)的影響也逐漸被壩工界認(rèn)識并接受。而在水利水電工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中應(yīng)用較少，尤其是在面板堆石壩設(shè)計中考慮其不確定因素的研究還尚未出現(xiàn)在宣傳中，同其他行業(yè)的設(shè)計一樣，堆石壩設(shè)計中也存在許多不確定的參數(shù)，如載荷、設(shè)計優(yōu)劣標(biāo)準(zhǔn)及計算模型等因素，既有模糊性又有隨機性。這種不確定性因素影響著面板壩工程的經(jīng)濟(jì)性和安全性。
3 關(guān)于水利水電工程面板堆石壩優(yōu)化設(shè)計研究
優(yōu)化設(shè)計與傳統(tǒng)的設(shè)計存在相似的設(shè)計過程，最終目的達(dá)到最好方案，在設(shè)計和施工及構(gòu)造都遵循相同的要求。兩者之間的不同在于優(yōu)化設(shè)計是對數(shù)學(xué)模式的重點分析，使設(shè)計問題轉(zhuǎn)化數(shù)學(xué)規(guī)劃問題求解，利用現(xiàn)代化計算機系統(tǒng)對方案進(jìn)行比較，選擇最優(yōu)方案。
3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型
對于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的首要問題就是把問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)方式，也就是常說的建模，采用的優(yōu)化數(shù)學(xué)表達(dá)方式為。
求設(shè)計變量X=[X1X2X3。。。Xn]T
使目標(biāo)函數(shù)f（x）min
Ai≤xi≤b i i=1，2，…n
滿足于 gj（x） ≤0 j=1，2，…n
公式中：ai、bi-第i個設(shè)計變量的上下限；n-設(shè)計變量的個數(shù)； p-非上下限等式約束的個數(shù)；m-非上下限約束的不等式約束的個數(shù)。
3.2 面板堆石壩斷面優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型
對于面板堆石壩的相關(guān)指標(biāo)如上下游水位、壩高、壩頂寬度都需要根據(jù)規(guī)劃要求來確定，因此我們把面板堆石壩形狀的相關(guān)幾何變量作為設(shè)計變量，如下圖的設(shè)計變量典型示意圖
對于巖基上面板堆石壩，如圖
（1）把X1X4作為上下游壩坡坡角的設(shè)計變量，反映整個面板堆石壩斷面的大小。
�。�2）把X2X3作為堆石料分解坡角的設(shè)計變量，充分利用石料。
�。�3）把X5X6作為下游壩坡變坡坡角設(shè)計變量及高度X7X8，以反映設(shè)置馬道的需要和下游壩坡變坡要求。
設(shè)計變量表示為：X=[X1X2…X8]T。
趾板、過渡層、面板、墊層的厚度在可以在小范圍變動，目前的設(shè)計技術(shù)已較成熟，且趨向等寬布置，可不必取為變量。
3.3 面板堆石壩區(qū)間優(yōu)化設(shè)計
在許多問題中，由于誤差的緣故導(dǎo)致計算結(jié)果失效。區(qū)間優(yōu)化設(shè)計提供一種簡便的方法，它打破了常規(guī)的數(shù)值運算分析，以區(qū)間運算代替數(shù)值運算，考慮到各種計算誤差，作為計算結(jié)果，得到一個包含精確結(jié)果的區(qū)間，得到兩個值誤差界和近似值。
例如覆蓋層地基上面板壩優(yōu)化設(shè)計模型，基于整體最優(yōu)的計算思路，可以推出適于計算機計算的區(qū)間優(yōu)化算法。設(shè)計變量為：
區(qū)間優(yōu)化設(shè)計主要利用目標(biāo)函數(shù)的特性，取一個F（X）為f（x）的自然區(qū)間擴(kuò)張，以避免區(qū)間求導(dǎo)等復(fù)雜運算。另外取初始區(qū)間的上下界作為幾何約束范圍，并比較各分量的區(qū)間寬度，求取一個分量評分，其他分量保持不變，結(jié)果為兩個子區(qū)間向量。最后為減少計算量，利用函數(shù)值判別式，排除肯定不包含最小值的子區(qū)間向量。這樣可以求得最優(yōu)值和最優(yōu)解，并同時確定最優(yōu)值及最優(yōu)解的誤差范圍。
4 結(jié)論
隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水利水電也逐漸發(fā)展壯大，面板堆石壩將會作為未來水利水電工程的重點發(fā)展方向�？傮w上水利水電工程的面板堆石壩設(shè)計還處于實踐階段的發(fā)展中，根據(jù)工程的經(jīng)濟(jì)、安全、適用的要求，面板堆石壩設(shè)計還存在難度，還需要做進(jìn)一步的研究和總結(jié)。
參考文獻(xiàn)：
[1]徐澤平.高面板堆石壩面板擠壓破壞問題研究.水力發(fā)電，2007（9）.
