高陡边坡沥青混凝土心墙接头部位结构优化方法技术

本发明专利技术公开了高陡边坡沥青混凝土心墙接头部位结构优化方法，确定高陡边坡条件下心墙接头部位优化设计的安全性能指标，选取心墙接头部位结构优化设计参数，采用响应面法设计试验方案，得到安全性能指标响应值，建立设计指标响应面回归预测模型，得到心墙接头部位结构参数组合的最优区域，得到设计参数可选区域的取值范围，建立心墙接头部位优化设计的优化数学模型，求解心墙接头部位最优体形参数；本发明专利技术以剪应力、拉应力、拱效应为设计指标，以接头部位体积为目标函数，综合考虑了坝体的安全性与经济性，为百米级沥青混凝土心墙坝的建设提供重要的技术支撑。供重要的技术支撑。供重要的技术支撑。

【技术实现步骤摘要】
高陡边坡沥青混凝土心墙接头部位结构优化方法


[0001]本专利技术属于土石坝结构优化设计方法
，具体涉及高陡边坡沥青混凝土心墙接头部位结构优化方法。

技术介绍

[0002]随着水电事业的发展，我国适用于修建心墙坝的理想地质条件越来越少，逐渐趋向于在岸坡较陡的复杂河谷地形修建。目前，已建成或者即将建设的沥青混凝土心墙坝100余座。其中具有代表性的沥青混凝土心墙坝有：125m冶勒沥青心墙堆石坝、105m三峡茅坪溪沥青心墙坝等，但是对150m级以上土石坝心墙可靠性还存在一些疑虑，在修建心墙高度超过150m的陡边坡沥青混凝土堆石坝时，心墙与陡岸坡接触面发生位错是否会导致沥青心墙发生剪切破坏是工程界所关心的热点话题。为此，在保证坝体安全的前提下，优化心墙接头部位的几何尺寸，有效改善接触部位应力变形并降低岸坡开挖量及混凝土用量，具有重要的工程意义。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供高陡边坡沥青混凝土心墙接头部位结构优化方法，能够优化心墙接头部位的几何尺寸，有效改善接触部位应力变形。
[0004]本专利技术所采用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.高陡边坡沥青混凝土心墙接头部位结构优化方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、选用邓肯E
‑
B参数模型，建立不同岸坡坡比下心墙坝有限元数值模型，分析高陡边坡条件下心墙应力变形结果，通过数值方法模拟高陡边坡条件心墙接头部位的应力变形结果，确定高陡边坡条件下心墙坝安全性能指标；步骤2、以接头部位为研究对象，根据其结构形式尺寸，建立心墙接头部位体形参数几何模型，选取控制心墙接头部位结构形式的体形参数为优化设计参数；步骤3、以优化设计参数为试验参数，以安全性能指标为响应，采用响应面法设计试验方案；步骤4、基于有限元软件，根据试验方案，依托具体的工程实例建立每个试验方案的土石坝三维有限元计算模型，得到安全性能指标响应值；步骤5、根据响应面试验设计的有限元数值计算结果，分别拟合设计指标剪应力、拉应力、拱效应系数的响应面显示表达式，建立响应面回归预测模型；步骤6、根据步骤5得到的响应面回归预测模型显示表达式，应用数据处理软件Mathematic构建每个回归预测模型所对应设计指标的合理区域，并进行交集运算得到心墙接头部位结构参数组合的最优区域；步骤7、利用步骤6构建的三维空间最优区域，沿岸坡坡比的方向进行切片，展示岸坡坡比由缓变陡的过程中另外两个结构设计参数可选区域的范围变化情况，为目标函数优化提供参数可取区域；步骤8、以步骤1选取的安全性能指标为设计指标，以步骤2选取的优化设计参数为设计变量，以接头部位体积为目标函数，以安全性能指标及设计变量为约束条件，建立心墙接头部位优化设计的优化数学模型；步骤9、综合考虑大坝的安全性与经济性，以接头部位的体积为目标函数，构建目标函数与接头部位结构体形参数的显示表达式，利用非线性规划法求解心墙接头部位最优体形参数。2.根据权利要求1所述的高陡边坡沥青混凝土心墙接头部位结构优化方法，其特征在于，所述步骤1具体按照以下步骤实施：步骤1.1、根据高陡边坡条件下心墙接头部位的应力变形结果发现心墙坝在高陡边坡条件下坝体两岸坝肩心墙处出现的拉应力区、心墙与基座的接头部位发生的剪切变形、河谷两岸对沥青混凝土心墙产生一定的夹持作用，产生拱效应，确定结构优化设计安全性能指标为剪应力、拉应力、拱效应系数，并以此作为优化设计指标；步骤1.2、计算设计指标压应力；τ
t
为心墙最大允许剪应力，其数值等于剪切面上的切向应力，沥青混凝土材料强度表现出明显的非线性，其抗剪强度由沥青产生的黏聚力和骨料产生的内摩阻力构成，用以下公式计算：式中：τ为抗剪强度，C为沥青混凝土的黏聚力，σ为滑动面上的法向总应力，为内摩擦角；
黏聚力C和内摩擦角的计算公式如下：的计算公式如下：式中：σ1为大主应力，σ3为小主应力；步骤1.3、计算设计指标拉应力；σ
t
为允许拉应力，其值为试件拉伸应力
‑
应变曲线的峰值应力，通过拉伸应变试验即可获得允许拉应力值；步骤1.4、计算允许拱效应系数；通过收集心墙坝拱效应文献数据，统计已建心墙坝运行期间最小拱效应系数，即可获得允许拱效应系数值。3.根据权利要求1所述的高陡边坡沥青混凝土心墙接头部位结构优化方法，其特征在于，所述步骤4具体为：步骤4.1、计算心墙接头部位剪应力；在高陡边坡土石坝正常蓄水运行期间，在河谷两岸及坝基的心墙与基座接头部位出现顺河剪应力τ
xy
与竖直剪应力τ
xz
，取竖直剪应力τ
xz
小于允许剪应力为衡量大坝安全的性能指标之一，通过分析建立的三维有限元模型，不同试验方案心墙接头部位剪应力可通过有限元软件结果可视化中S13的应力云图直接获取。剪应力S13中1代表心墙与基座接触面的法线，3代表产生的剪应力在该交界面的作用方向；步骤4.2、计算心墙接头部位拉应力；通过分析建立的三维有限元模型，不同试验方案心墙接头部位拉应力可通过有限元软件结果可视化中Max.principal的应力云图直接获取；步骤4.3、利用如下公式计算心墙接头部位拱效应系数：式中，σ
z
为沥青混凝土心墙的竖向应力,γh心墙自重应力；公式(4)中σ
z
在有限元软件结果可视化中表示为σ33，γ为心墙材料的密度ρ与重力加速度g乘积的结果，因此公式(4)可表示为：式中：σ
33
为心墙竖向应力；根据三维有限元数值计算结果，分别导出心墙坝每米高程h，以及每个高程所对应心墙接头部位竖向应力σ33rpt文件，然后将每个试验方案所导出的rpt文件通过Excel软件打开并进行数据处理，得到每个试验方案中每一高程下心墙接头部位的拱效应系数值，选择每
个试验方案中的最小拱效应系数值即为心墙接头部位的拱效应系数。4.根据权利要求1所述的高陡边坡沥青混凝土心墙接头部位...

【专利技术属性】
技术研发人员：李炎隆，饶明明，温立峰，卜鹏，曹卫锋，李勇，邱文，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：