溢流重力坝概述

溢流重力坝是指通过顶部宣泄洪水的重力坝。大都布置在河床的主流部位，用导墙与非滥流重力坝分开。

有开敞式和胸墙式(又称大孔口式)。前者泄水能力随堰上水头增大而迅速增加，超泄能力较大，有利于保坝;后者堰顶高程位于防洪限制水位以下，预泄能力较强。有的工程在溢流重力坝顶部设活动胸墙(如中国湖北省陆水益流重力坝),兼有两者的优点。有的坝当淹没损失不大时，可不设闸门，堰顶与正常蓄水位齐平。

取决于多种因素，如洪水设计标准、供水预报能力、下游防洪要求、库水位壅高限制、允许单宽流量、排冰、排污和枢组布置要求等。设计时，一般先拟定若千个孔口布置方案， 分别进行水库调洪演算，求出各方案的调供库客、设计和校核类水位及相应的最大下泄流量，进行消能工布置，然后估算枢纽造价和掩没损失，根据技术经济比较选择最优方案。谥流堰的孔口尺寸最好能与闸门定型尺寸匹配，并与坝体横缝间距协调。

有墩间分缝和跨中分缝两种方式。

(1)墩间分缝。在闸墩中间分缝。相邻坝段发生不均匀沉降时，不影响闸门启闭，但闸墩较厚，溢流前缘增长，钢筋用量也较多，适用于地基较差的情况。

(2)跨中分缝。在闸孔间分缝，适用于地基较好，相邻坝段沉降均匀的情况。

除应满足强度和稳定要求外，还要符合泄水要求，谥流面由顶部曲线、坡面直线和反弧曲线组成。溢流重力坝的，上游面应与两侧非益流重力坝的上游面保持一致。当需要的溢流堰头部较宽时，可将头部部分地悬出上游坝面之外。溢流重力坝的防参排水布置也要与两侧非益流重力坝的防渗排水布置相协调。溢流坝面的混凝土应采用高强度混凝土并满足平整度的要求，提高其抗冲蚀、耐磨和耐久性能。坝面在必要时采取掺气减蚀措施 。2100433B

空腹重力坝是较为经济的坝型，且常用在，溢流坝段部位.以往，比较系统地对空腹重力‘坝溢流断面进行优化设计的工作，在国内尚不多见.利用可行方向法，对其进行探讨，并给出一个计算实例。计算结果表明，优化后的溢流坝段断面可比常规采用的断面节省坝体工程量17.5%。

溢流断面基本假定

溢流断面的优化，采用以下一些基本假定：

1.溢流断面选用10个优化变量，即工x_1、x₂……x₁₀。

2.已知坝体与地基材料特性，并假定坝体和坝基的材料为均质、连续和各向同性的线弹性体，不考虑坝基中存在断层的情况。

3.坝踵控制应力采用坝基面以上3m处的坝踵应力，抗滑稳定采用抗剪断公式计算，但优化程序中亦有使用摩擦公式的功能。

4.不考虑温度荷载的作用，其作用由工程措施解决。

5.鉴于坝体主要计算荷载为水压力和坝体自重，扬压力对空腹坝体应力的影响随坝水体型变化并不明显，故优化过程中进行应力分沂时，暂不考虑扬压力(即在应力约束中，按重力坝规范中的无扬压力情况考虑)。

溢流断面优化数学模型

采用单位坝长的体积作为目标函数，应力计算采用8结点等参单元，坝基应力计算的边界范围可以变动.约束情况包括应力约束、稳定约束、水力学约束以及几何约束，并同时考虑在以下三种荷载组合情况下，得出最优解。

(一)荷载组合

1.正常水位水压力 坝体自重 闸墩重量 坝上设备荷载；

2.校核洪水位水压力 坝体自重 闸墩重量 坝上设备荷载十泄洪动水压力；

3.空库情况：坝体自重十闸墩重量十坝上设备荷载。

（二）应力约束

1.坝基面以上3m处坝踵不得出现主拉应力(在三种工况下)；

2.在第一种工况下，坝体上游面最小主压应力不得小于0.25rH(r为容重，H为计算应刀处的作用水头)；

3.在三种工况下，离坝基面3m以上的坝体主压应力值不得超过容许压应力值；

4.在三种工况下，空腹边缘最大主拉应力值不得超过坝体容许拉应力值；

5.在三种工况下，下游面最大主拉应力值不得超过容许拉应力值。

(三)稳定约束

1.在第一种工况下，抗滑稳定安全系数大于相应容许值；

2.在第二种工况下，抗滑稳定安全系数大于相应容许值。

(四)水力学约束

由于泄流挑距及下游冲坑深度等涉及水力学的问题多靠经验公式进行估算，巨又通过模型试验进行验证，故暂不加以考虑.所考虑的水力学约束，只是在校核洪水位闸门全开时，堰顶最大负压值不超过3~6m水头(按规范要求)的条件。

(五)几何约束

几何约束包括对变量的上、下界约束，以及变量间的相互几何关系。

结构拓扑优化探讨结构构件的相互连接方式，结构内有无空洞、孔洞的数量、位置等拓扑形式，使结构在满足有关平衡、应力、位移等约束的条件下将外荷载传递到支座，同时使结构的某种性态指标达到最优。为探索拓扑优化的实际工程应用效果，以重力坝拓扑优化设计为例，研究了结构拓扑优化在水利建筑中的应用，取得了较好的结果。

溢流断面拓扑优化均匀化方法

由于拓扑结构变化的模型数据处理尚未有研究，所以在设计区域要自动产生开孔是很困难的。为了突破这一局限，考虑利用“固定”的有限元模型，在此模型中较小应力的单元被人为地指定具有很软的材料以近似地产生开孔。在此基础上，采用了均匀化方法。该方法的基本思想是在拓扑结构的材料中引入微结构(单胞)，微结构的形式和尺寸参数决定了宏观材料在此点处的弹性性质和密度，优化过程中以微结构的单胞尺寸为拓扑设计变量，以单胞尺寸的消长实现微结构的增删，并产生由中间尺寸单胞构成的复合材料，以拓展设计空间，实现结构拓扑优化模型与尺寸优化模型的统一和连续化。

溢流断面Voigt-Reuss组合简化算法模型

Swan和Kosaka曾经提出了一种适用于线弹性结构的应力应变简化的连续体拓扑优化方法。Voigt(应变均匀假设)和Reuss(应力均匀假设)是两种传统的近似简化单元的方法。在此前提下，简化Voigt-Reuss组合规则为基础进行结构拓扑计算。

在结构拓扑优化中，还常常会出现很多对最终结构产生不利影响的数值不稳定的问题，这些问题使得结构或过于复杂，或过于脆弱，或增大计算负担。为了解决这些问题，结合数字信号处理中的高斯函数滤波法和流体力学中的多重网格法，利用高斯函数的卷积运算和可构造软化核函数的性质，综合使用滤波法和多重网格法来解决棋盘格式和网格依赖性等拓扑优化中常见的数值不稳定现象，并配合使用滤波半径延拓法来减少局部极值现象对结构优化全局的影响。

溢流断面优势

拓扑优化方法对于混凝土重力坝非溢流断面的优化完全可行，并取得了比较满意的结果。事实上，拓扑优化得到的结果是最节省材料的。因而，拓扑优化的方法值得推广到其他建筑工程的优化设计中。

根据重力坝基本断面的几何特性，利用 ANSYS 的参数化设计语言 APDL 编制程序，先拟定一组初始条件对重力坝进行整体模拟、细化单元，得到各阶段的力学指标。然后使用 ANSYS 优化技术中的零阶优化方法进行重力坝断面优化设计，使重力坝在满足应力约束条件和抗滑稳定约束条件的前提下，其断面面积最小，实现设计的经济性和可行性。

溢流断面ANSYS 优化方法简介

ANSYS 中提供了两种优化方法： 第一种方法采用函数逼近的方法，称为零阶优化，本质是采用最小二乘法进行逼近，求取一个函数面来拟和求解，然后再对函数面求极值，这是一种普遍适用的优化方法，不易陷入局部极值点，但优化精度不是很高； 第二种方法是针对第一种优化方法缺点改进的方法，叫做一阶优化，是一种局部寻优的精确优化方法，它基于目标函数对设计变量的敏感程度，使用因变量对设计变量的偏导数，更加适合于精确的优化分析。

溢流断面重力坝优化过程

本例是以上游水位 自重 下游水位为设计工况进行设计，计算过程中这几项荷载同时作用在重力坝模型上，这样能模拟坝体实际受力状况，求得的结果能较好地反映实际情况，而不是几项荷载的叠加。选取 ANSYS 中 2 － D 实体结构单元 PLANE82 划分网格，实际的混凝土重力坝坝轴线往往较长，对于离开坝肩较远的坝段，按平面应变问题进行分析计算，得出的结果与实际情况很接近。坝体上下游地基剖分宽度为2 倍坝高，坝基剖分深度也是 2 倍的坝高。

1 前处理

模型建立为由下向上，先建立关键点，再由关键点直接生成面 。定义坝体和坝基的材料属性坝基，对坝基各条边分段，然后进行映射网格划分。

2 求解

施加边界约束条件和荷载，施加的荷载为自重 上游水压力 泥沙压力 下游水压力。

3 后处理

各单元体积，求和算出总体积，对各节点应力值进行排序，取出最大应力值。

4 进行优化设计

定义 7 个设计变量，一个状态变量和一个目标函数，用一阶优化法进行优化分析，可得到满足要求的最优化方案。

溢流断面优化分析

经过 ANSYS 零阶优化后，从设计变量随迭代次数变化的曲线可以看出，x₁ ，x₃ 和 x₄ 的变化较明显，x₂ 和 x₅ 的变化幅度不大，但断面面积显著下降。初始设计方案断面面积为105 278 m² ，利用ANSYS 优化技术进行多次迭代后，最小目标函数值即为 98 000 m² ，且 Mises 应力满足要求，节省了大约 20% 的用料，达到经济效益。 2100433B