薛文强 王兆括
（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州，贵阳，550081）
【摘 要】一直以来，工程结构的优化都是建筑行业的重点研究领域之一，其优化目的是为了保证结构的安全性和经济性。然而混凝土面板堆石坝断面的设计总量繁多，要选择最优设计，需要通过建立数学模型、运用优化设计计算方法以及设置程序等步骤。文章主要围绕混凝土面板堆石坝断面的优化设计展开论述，为日后相关工程案例提供参考。
【关键词】混凝土面板堆石坝；断面；优化设计
一、混凝土面板堆石坝的主要特点
混凝土面板堆石坝属于当地材料坝，其面板断面结构可以分为四个部分，包括堆石体、垫层、过渡层以及趾板、面板[1]。混凝土面板堆石坝的特点主要表现在如下四个方面：①成本低，由于混凝土面板堆石坝采用的都是当地材料，或者使用其他工程的废弃材料，可以就地取材，并且该工程所需要的原材料相对较少，在很多程度上节省了原料费用，从而有效降低了成本；②适应复杂的地形、地质条件，面板堆石坝对坝基的适应性相对较强，混凝土面板堆石坝不仅能够抵抗寒冷的气候和适应复杂的地形，还具有良好的抗震能力。其中，覆盖层作为坝基；③施工条件简单，不管是在寒冷地区还是地震区，都可以照常施工，不影响工程的施工工期。同时不受季节的限制，全年可以进行施工建设，从而促进大坝实现其经济效益和社会效益；④安全系数高，由于混凝土面板堆石坝对安全性和稳固性具有特殊的要求，在设计时一定要将其作为首要因素考虑。据资料显示，混凝土面板堆石坝的安全性和稳固性一直保持稳定，相对其他坝型，安全系数较高。[2]
二、坝体断面设计
2.1工程概况
堆石坝布置于主河道，坝顶高程1136.50m，河床趾板建基面高程1085.00m，最大坝高51.5.0m[3]。
2.2设计内容
坝顶宽度的拟定主要考虑面板堆石坝坝体填筑施工的需要和坝顶结构布置、交通要求等，初步确定坝顶宽度为6.0m。坝顶长124m。为减少坝体工程量，降低工程造价，坝顶上游侧设“L”型防浪墙，墙高3.70m，顶部高程为1137.70m，高出坝顶1.2m，底部高程为1134.50m，高于正常高蓄水位0.5m。防浪墙上游底部设置0.8m宽的观测平台，以便检查行走。防浪墙底板宽3.1m，厚30cm，直墙厚35cm。防浪墙按12m间距设置横缝，与面板分缝一致，防浪墙与面板间用止水连接。坝顶设有40cm厚碎石垫层，路面混凝土厚30cm，坝顶下游侧设有高1.2m的不锈钢护拦。根据工程类比经验，施工中坝顶预留有纵向超填区，最大超填高度50cm，位于大坝中部。坝体的填筑料大部分为新鲜或微风化灰岩，少部分为弱风化灰岩，根据类似规模工程经验，初步拟定坝体横截面。上游坝坡为1:1.4，相应坡角35.54°；下游综合坝坡1:1.4，相应坡角35.54°。面板堆石坝典型断面图详见图1。
图1 面板堆石坝典型断面图
2.3 分区原则
① 从上游到下游坝料变形模量依次递减，以保证蓄水后坝体变形尽可能小，从而减小面板和止水系统遭到破坏的可能性。
② 各区之间满足水力过渡要求，从上游到下游坝料的渗透系数增加，相应下游坝料应对上游区有反滤保护作用。
③ 同时为节省投资，在坝轴线下游变形模量低的部位，设下游下游堆石区，以尽可能利用开挖料，以达到经济目的。
④ 分区尽可能简单，以利于施工运输和质量控制。
根据以上原则，坝体分区从上游到下游依次为上游盖重区1B（顶部水平宽度2.5m，顶部高程1370.00m），上游铺盖区1A（顶部水平宽度2.5m，顶部高1107.00m），C25钢筋混凝土面板F（顶面坡比1：1.4，底面坡比1：1.4）， 垫层区2A（水平宽度3m，坡比1：1.4），过渡区3A（水平宽度3.5m，上游面坡比1：1.4），主堆石区3B（上游坡比1:1.4，下游坡1:0.3），下游堆石区3C（顶部水平宽度12.56m，距坝轴线3m，顶部高程1127.50m，上游坡比1：0.3，下游坡比1：1.4）。
三、优化设计的计算方法
优化设计的计算方法分为传统计算法和现代计算法。其中，传统计算法包括：①以连续变量优化方法为基础的方法，该方法主要是通过运用回归统计，将某个参数用近似的连续函数表示，而该参数就是所有设计变量中产生的具有离散性质的大部分几何截面参数，进行优化处理时，先处理连续变量的优化计算，得出比其他值大的元素集合，即元素的整数集合；②随机试验法，计算过程比较简单，且适合多种函数，局限性较小。但是该方法唯一的不足之处就是计算量较大，操作较复杂；③搜索型方法，主要是运用了梯度原理，以设计中的离散点作为单位进行，将矢量V转换为整数方向上的值，并设为m，再按照m方向的搜索方法进行一维离散搜索，得出优化设计。现代的计算方法有三种，包括：①模拟退火法，主要是通过退火的加工方式，促进金属中的晶体发育，需要反复进行加热和冷却的步骤。使用该方法，可以处理连续、离散整数的设计变量的非线性规划问题，从而找到优化设计；②神经元网络法，主要是通过人工仿真生物神经元网络进行的模拟过程，具有多输入单输出的特点，且结构简单，操作方便；③遗传算法，该方法是目前运用最为普遍的方法，也是最具潜力的优化方法，其优点是具有较强的解决问题的能力和适应力。
四、混凝土面板堆石坝断面优化的设计程序
程序设计分为三个步骤，即：①运用复合型法找出优化设计点；②针对坝体二维应力进行应变分析和稳定分析；③将有限网格进行自动划分。
结束语
综上所述，混凝土面板堆石坝虽然具有诸多优势，但是在进行断面的优化设计时，仍需要通过多种方法进行对比和筛选，从而得出最合理、最实用的设计方案。文章根据混凝土面板堆石坝的独特优势，分析了优化设计的相关原理和方法，通过实例计算，得出了混凝土面板堆石坝断面的优化设计，为日后类似的工程提供了借鉴。
参考文献：
[1]李逸之,张盈盈.基于C-PSO算法的混凝土面板堆石坝断面优化设计[J].水电与新能源,2014,14(6):42-45.
[2]雷艳,王康柱,蔡新合等.积石峡水电站混凝土面板堆石坝坝体分区优化设计及坝料调整[J].西北水电,2011,12(2):19-23.
[3]王海娟,辛全才,马红娜等.基于MATLAB的覆盖层地基上混凝土面板堆石坝断面优化设计[J].水资源与水工程学报,2009,20(5):120-122.
作者简介：
薛文强（1980-）男，安徽界首，中级工程师，本科，从事工作：水利水电工程设计。
王兆括（1982-）男，河南省台前县，中级工程师，本科，从事工作：水利水电工程设计。
论文作者:薛文强,王兆括
论文发表刊物:《工程建设标准化》2015年11月供稿
论文发表时间:2016/1/26
标签：面板论文; 混凝土论文; 断面论文; 下游论文; 优化设计论文; 方法论文; 高程论文; 《工程建设标准化》2015年11月供稿论文;