土石坝断面优化设计研究

awetodequ

摘 要 在社会主义基础设施建设和完善下，水利工程建设力度随之增加，对于新时期的坝工建设提出了更高的要求。最当前应用较为常见的坝型，土石坝在现代化技术支持下得到了进一步优化，尤其是计算机技术的应用，辅助工程结构优化设计，可以设计更高质量的工程。基于此，本文就土石坝断面优化设计展开分析，提出设计效率和结构布局，有助于提升资源利用效率，降低工程造价，带来更大的经济效益和社会效益。
关键词 土石坝；优化设计；断面；边坡稳定
土石坝断面设计优化，主要是指工程结构优化设计，保证边坡稳定性，提升设计效率。通过对土石坝断面优化设计，编制合理的方案，实现资源合理配置，降低工程造价，改善土石坝结构外形。优化设计过程中，使用计算机软件自动化控制，降低人工对结构分析依赖性，降低人力、物力和财力损耗，提升设计质量，达成最优目标。通过土石坝断面优化设计分析研究，可以改善其中不足，打造高质量的工程，为社会主义基础设施建设奠定基础。
1 土石坝优化设计的意义
土石坝作为当前应用较为广泛的坝型，结构优势较为突出，结构简单、安全性强，地基变形能力适应性较强。纵观当前土石坝设计中，传统设计方法仍然处于经验阶段，结合地形条件来确定坝型，对坝稳定性分析基础上，了解坝型是否满足施工要求[1]。如果稳定性不足，需要对坝型重新优化设计和验算，稳定性符合要求后，可以改善传统的施工方案，保证施工质量和安全，尽可能缩小坝体形变和工程量，将施工造价控制在合理范围内。
此种设计模式周期长、效率低，需要设计人员消费大量的时间和精力，严重影响到设计合理性。通过土石坝优化设计，有助于设计人员从以往机械式烦琐计算中解脱出来，优化结构布局和料区分布，提升土石坝设计效率和质量，降低工程造价，创造更大的效益。在断面设计方案基础上实现土石坝优化设计，根据相应规范编制切实可行的方案，以便于寻求最佳的断面形式，推动土石坝工程设计良性发展。
2 土石坝渗流计算和稳定分析
2.1 土石坝类型和特点
其一，按照坝高进行分类，土石坝包括高坝、中坝和低坝几种，结合相关设计规范要求，高度在70m以上为高坝，30～70m为中坝，30m以下则为低坝。
其二，按照施工方法划分，包括水力冲填坝、水中填土坝和碾压式土石坝几种。①水力冲填坝，在水力支持下实现土料采集、运输和填筑。当前较为典型的充填坝使用高压水枪冲击土料形成泥浆，通过泥浆泵传输到上坝，分层淤填，排水固结处理后形成密实度较高的坝体。相较于水力冲填坝而言，并非采用水力机械输送你泥浆，通过天然有利地形挖掘输泥渠，在重力作用下形成自流输送上坝。水枪冲击来开采土料，配合人工挖土爆破方式联合作业，此种方式不需要机械設备支持，成本低，作业效率较高，但是土料干容重小，抗剪强度偏低，只有在平缓的坝坡上才可以稳定施工[2]。②水中填土坝，填土面构筑围梗分成畦格，灌水分层填土，在自有重力和运输工具充分压实下，形成坝体，不需要专门碾压机械设备，只需要水源充足即可。但是，由于此种坝体填土干容重较低，抗剪强度小，同样需要坝坡平缓，在一定程度上增加坝体工程量。
2.2 土石坝渗流计算
其一，确定土石坝渗流计算内容，确定坝体浸润线位置，了解渗流要素，确定坝体和坝基渗流量。此种方式充分检验坝型和尺寸，了解坝坡稳定产生的渗流作用，为后续的坝坡稳定分析提供可靠依据；结合坝体内部渗流参数进行调整，把握土体渗流稳定，实现涂料合理配置，提升坝体防渗性能，规避流土和管涌问题出现，在此基础上对坝体和坝基防渗体优化设计，便于后续坝体布置观测工作有序展开。
其二，渗流分析方法。①流网法。此种方法实际应用中，主要是用于平面渗流问题计算，满足不同边界条件需要，绘制流网图了解渗透流速和渗透坡降要素。但是，需要多次修整和试算，把握渗流特性基础上绘制流网图。②水力学法[3]。平面渗流条件基础上，计算断面平均渗透要素，此种方法便于水工计算，方法简单，可以合理计算出斜墙坝、心墙坝和均质坝各项参数，包括平均流速、浸润线位置和渗透流量，以此来满足设计要求，以其独特的优势广泛应用在土石坝设计和施工中。③电拟法。通过电流场和渗流场二者物理、数学上特性相似，为后续土石坝断面优化设计提供支持。
2.3 均质坝断面优化设计
均质坝断面优化设计中，首先确定设计变量，结合工程实际规划确定土石坝断面坝高、上下游水位和坝顶宽等参数，充分掌握施工和维护保养条件，确定变量参数。斜墙坝和心墙坝优化设计，结合防渗材料和防渗要求确定。以均质坝为例，在诸多可行设计方案中优化设计，目标函数为标准确定函数极值，编制合理的设计方案。约束条件的选择，结合设计变量取值范围，确定变量几何尺寸限制，确保土石坝正常工作基础上，应力、变形和稳定符合限制条件要求。
采用复形法对土石坝断面优化设计，复合形定点数目越多，优化效果越为可观。均质坝断面优化设计中，定点数K为设计变量数n的2倍，产生K个定点复合形，确定可行的初始点。由工作人员自身经验设定，检验初始点是否复合坝坡稳定要求，采用随机方法重复检验调整，保证该点满足要求，确保K个顶点复合需要，形成初始复合形[4]。故此，均质坝断面最佳设计，满足约束条件基础上，保证断面面积最小，坝坡稳定形成性态约束条件，满足坝坡稳定要求。
3 结束语
综上所述，通过土石坝断面优化设计，在充分地质勘察了解各项参数，对土石坝结构进一步优化调整，在了解采纳数基础上，反复修改得到合理的方案，提升设计效率，降低工程造价。
参考文献
[1] 隋国栋，张幸幸，董福品.基于CATIA二次开发的土石坝三维参数化建模方法[J].水电站设计，2018，34（03）：5-8.
[2] 李南生，杨新，李幸周.边坡稳定制约下土石坝截面优化遗传算法[J].沈阳工业大学学报，2015，37（02）：200-206.
[3] 王宗敏，王岩，杨海波，等.基于CATIA的土石坝原型三维建模研究[J].水利水电技术，2014，45（10）：56-59.
[4] 时铁城，席燕林，吴桂兰，等.英布鲁水电站土石坝选型与断面设计[J].水利水电工程设计，2015，30（04）：27-31.