优化理论在拱坝基础及封拱蓄水过程中的应用研究

摘要

随着我国经济持续增长，电力能源短缺问题显得日益突出。为了解决今后相当长时期内国家电力供应紧张的局面，需要在水能蕴藏丰富的地区修建更多的大容量电站和高水头大坝。西南地区是我国水能资源富集地区，地形特点多高山和峡谷，这为拱坝的修建提供了得天独厚的条件。然而，该地区的地质条件极其复杂，高拱坝的修建面临许多困难，同时也为高拱坝的建设提出新的挑战。许多已有的实际工程建设经验表明：在复杂基础上修建拱坝，基础处理是十分重要的。传统观念认为：拱坝基础岩体越完整越好，抗渗性越强越好。为了达到这一目的，在工程实际建设中，一方面要求基础岩体开挖至新鲜或微风化岩体，另一方面采用相当规模的基础固结灌浆。目前所采用的固结灌浆方法、灌浆压力以及灌浆量多少通常根据工程前期地质勘探和后期施工现场情况来确定，没有现成的理论及科学依据，往往造成巨大浪费。众所周知，地基岩体的强度及变形能力在很大程度上决定拱坝的稳定性及坝体应力场和位移场的分布，一般来说，基础条件越好，坝体稳定性越好，特别是坝高超过200米的高拱坝，但这并不意味着坝基岩体越硬越好，相反，有时基础岩体在强度适中时会有效改善坝体应力、变形及稳定性。多数已建拱坝运行工况表明：在坝体尺寸、体形、运行荷载一定的情况下，拱坝的应力、变形和稳定性与基础变形模量密切相关。当其他工况及运行荷载一经确定，要想调整坝体应力、变形及稳定性，只有通过改善基础变形模量加以实现。另外，拱坝整体结构随大坝浇筑、封拱不断推进而逐渐形成的，坝体结构形式在施工过程中是变化的。正因为结构形式是变化的，在浇筑、封拱过程中坝体承受的荷载形成的力学效应也是不断变化的。而坝体浇筑、封拱、甚至蓄水过程是可以人为改变的，因此，在设计过程中，我们就可以人为选择一种对坝体安全、经济、施工均较为有利的施工过程，使拱坝既能安全施工渡汛和提前发挥经济效益，又不至于产生危害坝体施工及后期运行的应力状态，因此有必要研究施工期封拱过程和蓄水过程对坝体应力的影响。 本文针对上述存在的问题，结合锦屏高拱坝地形和地质资料，利用多目标线性规划方法，在大坝体型及运行工况一定时，以坝基不同岩体变形模量作为设计变量，通过坝基岩体变形模量的优化设计，寻求坝体最佳压应力、拉应力、位移场分布以及稳定性，更重要的是找出坝体应力场和位移场最佳状况以及固结灌浆费用最低情况下不同高程坝基变形模量值的大小，为今后锦屏实际工程基础处理提供有力的技术指导和智力支持。同时，根据施工组织设计提供的工程进度安排，初步拟定拱坝封拱高程的部位，并根据拟定的高程开展拱坝在施工期封拱及蓄水过程对拱坝应力场的影响及其优化研究，为设计和施工提供新的理论依据。具体内容包括： （1）在方法上，采用多目标线性规划理论建立坝基变形模量优化的数学模型和相应的数学处理手段。 （2）根据施工进度和不同高程浇筑混凝土的受力特点，选定不同的封拱方案及蓄水过程，并研究封拱蓄水过程对拱坝应力场的影响，同时建立优化数学模型。 （3）软件开发上，基于三峡大学已有的拱坝封拱温度场优化程序，增加相应优化功能，形成新的计算程序。 （4）在应用上，结合大型通用数值计算软件ANSYS和有限元前后处理软件，分析封拱蓄水过程对拱坝应力场的影响，找出施工期封拱蓄水过程的可行方案。