Una presa de gravedad es una estructura de retención de agua de gran volumen. Su sección básica es un triángulo rectángulo y el conjunto está compuesto por varios tramos de presa. La presa depende principalmente de su propio peso para mantener la estabilidad. Las presas de gravedad se dividen en presas de gravedad de hormigón y presas de gravedad de mampostería de mortero según los diferentes materiales de construcción de la presa. Las presas de gravedad tienen las ventajas de una buena durabilidad, una fuerte resistencia a las fugas, un diseño y tecnología de construcción simples y requisitos relativamente bajos para las condiciones de cimentación. Sin embargo, las presas de gravedad son de gran tamaño y consumen mucho cemento para obtener la mejor inversión. Como resultado, en aplicaciones prácticas de ingeniería, a menudo es necesario optimizar el diseño de la estructura de la presa de gravedad.
Modelo de diseño óptimo de presas de gravedad
Hay tres elementos principales en el diseño estructural óptimo, a saber, las variables de diseño, la función objetivo y las condiciones de restricción.
Variables de diseño
Las variables de diseño son descripciones cuantitativas de soluciones de diseño. La forma de la sección transversal de una presa de gravedad está determinada por la altura de la presa, el ancho de la cresta de la presa, las ubicaciones de los puntos de ruptura aguas arriba y aguas abajo y las pendientes de la presa aguas arriba y aguas abajo. Para un proyecto determinado, generalmente se conoce la altura de la presa, el ancho de la cresta de la presa está determinado por el tráfico o los requisitos estructurales, y la ubicación del punto de ruptura aguas abajo está determinada por los requisitos estructurales y de construcción. Suponga que la pendiente de la presa aguas arriba está controlada por x1, la pendiente de la presa aguas abajo está controlada por x2 y el punto de ruptura aguas arriba está controlado por x3. Por lo tanto, este artículo toma las formas de la sección transversal de la presa de gravedad x1, x2 y x3 como diseño. variables
Este diseño óptimo toma la gravedad. Para la sección de presa de ancho único, las principales cargas consideradas son: peso propio, presión de levantamiento, presión del agua y presión de los sedimentos.
Función objetivo
El costo de construcción de una presa de gravedad depende principalmente de la cantidad de ingeniería del concreto del cuerpo de la presa tomando la sección unitaria de la presa (los siguientes cálculos son los mismos). ) para estudio, la función objetivo es el área de la sección transversal, es decir
(2)
En la fórmula: A(x) es el área de la sección transversal de la presa de gravedad sin desbordamiento; H es la altura de la presa de gravedad; B0 es el ancho de la cresta de la presa, x1, x2, x3 son los parámetros de control de la pendiente de la presa aguas arriba, la pendiente de la presa aguas abajo y el punto de ruptura aguas arriba, respectivamente; .
Restricciones
Restricciones geométricas
(1) Pendiente de la presa aguas arriba. De acuerdo con las especificaciones de diseño de la presa de gravedad, esta optimización toma el rango de pendiente de la presa aguas arriba de 0 a 0,5, es decir, 0≤x1≤0,5 (H-x3)
(2) Pendiente de la presa aguas abajo. De acuerdo con las especificaciones de diseño de la presa de gravedad, esta optimización toma el rango de pendiente de la presa aguas abajo entre 0,5 y 0,9, es decir, 0,5H≤x2≤0,9H
(3) La ubicación del punto de ruptura aguas arriba. Según las especificaciones de diseño de la presa de gravedad, aguas arriba puede ser una superficie vertical o una superficie inclinada, por lo que 0≤x3≤H
Restricciones de rendimiento
(1) Condiciones de restricción de tensión. En el diseño de presas de gravedad, en términos generales, es fácil comprobar que la tensión de compresión en la punta de la presa es menor que el valor permitido. Incluso las presas altas pueden resolverse aumentando la marca superior del concreto y la tensión en el talón de la presa. debe cumplir con las especificaciones Según la presa de gravedad Según las especificaciones de diseño, la tensión normal σ del talón de la presa después de tomar en cuenta la presión de levantamiento (la tensión de compresión generada se considera positiva), y la tensión normal σC en el punto de ruptura. C debe satisfacer:
(2) Condiciones restrictivas de estabilidad antideslizante. De acuerdo con las especificaciones de diseño de la presa de gravedad, la fórmula de resistencia al corte se utiliza para calcular:
Modelo matemático para el diseño óptimo de la sección de la presa de gravedad
En resumen, el modelo matemático para el diseño óptimo de La sección de la presa de gravedad es:
Método de solución
Comparación entre este diseño optimizado y otros diseños optimizados
Para verificar el diseño optimizado, lo compararemos ahora Los datos de diseño son: una cierta gravedad Para la sección sin desbordamiento de la presa, la altura conocida de la presa es 110 m, el nivel del agua calculado es 95 m (la elevación de la base de la presa es 0 m), el nivel del agua aguas abajo es 5,0 m, el el ancho de la cresta de la presa es de 7 m, la elevación del punto de partida aguas abajo es de 100 m; la densidad aparente superior del concreto es de 24 kN/m3; la densidad aparente del agua es de 10 kN/m3; la elevación del sedimento es de 30 m, su densidad aparente flotante es de 8 kN/m3; el ángulo de fricción interna del limo es de 20°; el coeficiente de reducción de la presión de elevación α en la cortina de la tubería de drenaje es de 0,3 y la distancia al talón de la presa es de 8 m. El coeficiente de fricción de corte de la superficie de contacto de los cimientos de la presa es de 0,7, lo que permite un factor de seguridad estable contra el deslizamiento.
Se puede concluir que los resultados de optimización de este artículo son mejores. La tensión del talón de la presa y la tensión del sitio de la presa son más pequeñas que otras. Al mismo tiempo, el área de la sección transversal también es más pequeña que otras 2. , lo que puede ahorrar el 12,1% de la cantidad de ingeniería. En comparación, se muestra que el diseño optimizado de este artículo es más versátil.
Conclusión
En resumen, los resultados del diseño de optimización muestran que el esquema de diseño óptimo obtenido para el área de sección transversal ahorra un 12,1% del esfuerzo de ingeniería. Por lo tanto, el método y el software de diseño de optimización. descrito en este artículo tiene una mejor viabilidad de ingeniería tiene un valor de referencia importante para el diseño optimizado de proyectos similares en el futuro.
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