CN108959815B - 高拱坝导流洞尺寸的优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水利水电工程施工导流优化设计技术，其公开了一种高拱坝导流洞尺寸的优化设计方法，实现降低导流工程投资、缩短工期、保证水电工程施工度汛安全的目的。该方法包括以下步骤：a.构建高拱坝导流洞尺寸优化设计的数学模型；b.初拟高拱坝导流洞尺寸；c.获取高拱坝坝体全过程各月浇筑和接缝灌浆高程动态仿真成果；d.对高拱坝导流洞尺寸进行调整优化。本发明中的高拱坝导流洞尺寸优化设计方案降低了导流工程投资、缩短了工程工期，适用于高拱坝水电工程。

Description

高拱坝导流洞尺寸的优化设计方法

技术领域

本发明涉及水利水电工程施工导流优化设计技术，特别涉及高拱坝导流洞尺寸的优化设计方法。

背景技术

“十三五”期间，中国西南地区一批诸如白鹤滩、乌东德、叶巴滩、孟底沟、马吉等200m级以上高拱坝工程处于在建或规划设计中，势必对工程精细化设计和施工提出越来越高的要求。这些高拱坝建设多位于西南地区深山峡谷，施工洪水丰枯变幅大，施工环境较为恶劣，而施工导流设计及决策与坝体施工面貌紧密相关，依据构皮滩、叶巴滩等高拱坝的工程实践表明，导流洞运行往往贯穿施工初-中期导流阶段，其设计显然需要同时满足施工初期和中期防洪度汛的要求，而根据中国现行规程规范的要求，当主汛前坝体超过围堰顶高程时，坝体施工期临时度汛洪水标准在某时间点突然大幅提高，从而使得坝体施工与度汛安全的矛盾日益突出。

工程实践表明，峡谷区高拱坝导流工程投资中导流洞占比最大，导流洞尺寸成为最重要的设计指标，其优化设计方法一直是工程界关注的重点。但是，高拱坝施工导流系统受水文、水力等众多随机因素影响而蕴含风险，在导流工程设计中必须采用基于概率理论的风险分析方法才能合理的考虑这些随机因素的影响。因此，面向工程设计阶段，探索基于风险分析理论的高拱坝导流洞优化设计方法具有重要的理论意义和工程应用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种高拱坝导流洞尺寸的优化设计方法，实现降低导流工程投资、缩短工期、保证水电工程施工度汛安全的目的。

本发明解决上述技术问题所采用的方案是：

高拱坝导流洞尺寸的优化设计方法，包括以下步骤：

a.构建高拱坝导流洞尺寸优化设计的数学模型；

b.初拟高拱坝导流洞尺寸；

c.获取高拱坝坝体全过程各月浇筑和接缝灌浆高程动态仿真成果；

d.对高拱坝导流洞尺寸进行调整优化。

作为进一步优化，步骤a中，按照导流洞和围堰工程总投资最小为原则，构建的所述高拱坝导流洞尺寸优化设计的数学模型为：

式中，f(B,H)为导流洞和围堰工程总投资的目标函数，其中B为导流洞的洞宽，H为导流洞的洞高；H_wmax为围堰在一个枯期施工所能达到的最大极限高度；B_min为施工运输车辆通行要求的最小洞宽；R_IE为初期导流设计风险率；R_ME为中期导流设计风险率；H_WI为围堰高度；R_I为高拱坝施工初期导流风险率；R_Mi为高拱坝施工中期导流风险率。

作为进一步优化，步骤b中，在初拟高拱坝导流洞尺寸时，根据工程规模、布置、施工条件、截流难度、水文条件统筹考虑，并结合一定的工程经验进行初拟。

作为进一步优化，步骤c中，首先通过施工仿真分析得到优化后的仿真参数，然后采用优化后的仿真参数进行仿真得到高拱坝坝体全过程各月浇筑和接缝灌浆高程动态仿真成果系列。

作为进一步优化，步骤d中，所述对高拱坝导流洞尺寸进行调整优化，具体包括：

d1、优化调整导流洞尺寸，在优化的导流洞尺寸基础上进行导流规划，并获取施工初-中期挡水度汛面貌数据；

d2、在优化的导流洞尺寸基础上进行施工度汛洪水位变化过程动态模拟；

d3、根据高拱坝施工初-中期导流风险率估计方法计算获得高拱坝施工初期导流风险率R_I、高拱坝施工中期导流风险率R_Mi、高拱坝施工初-中期动态导流风险率R，并根据导流洞尺寸优化设计的数学模型进行判别分析；

d4、根据步骤d3中进行判别分析的结果判断是否满足工程设计要求，若满足，则进入步骤d5，若不满足，重复步骤d1～d4，直至满足工程设计要求，进入步骤d5；

d5、以不等式条件0≤R_Mi-R_ME≤ε作为优化设计的收敛条件，判断是否满足迭代收敛，其中，ε为设定的正数阈值；若满足，则进入步骤d6，否则，重复步骤d1～d5，直至满足迭代收敛条件，进入步骤d6；

d6、输出导流工程的优化设计成果，计算过程结束。

作为进一步优化，步骤d1中，所述获取施工初-中期挡水度汛面貌数据具体包括：

d11、获取高拱坝施工初期汛前挡水度汛面貌数据：

设初期导流年限为k年，坝体浇筑高程在第k+1年主汛前超过围堰顶高程时进入中期导流阶段，设中期导流年限为t年，初期导流阶段由围堰挡水度汛，则施工初期汛前挡水度汛面貌表达为：

Z_WBj＝H_WI，其中j＝1,2,…,k

式中，H_WI为初期导流围堰顶高程；

d12、获取高拱坝施工中期汛前挡水度汛面貌数据：

即获取中期导流阶段主汛前接缝灌浆灌区底高程和坝体浇筑高程组合系列，用矩阵表达为[Z_HBi，Z_HGi]，其中i＝1,2,…,t，可进一步用函数表达为：

[Z_HBi，Z_HGi]＝f_F(W_P)，其中i＝1,2,…,t

式中，W_P为大坝施工方案进行优化后的施工仿真参数；f_F为高拱坝施工仿真函数中仿真参数与中期挡水度汛面貌矩阵的对应法则。

作为进一步优化，步骤d2中，所述施工度汛洪水位变化过程动态模拟包括：

d21、输入模型参数，并确定模型仿真次数N₀；

d22、产生施工洪水洪峰流量随机数，模拟施工洪水过程；

d23、产生泄流能力系数随机数，拟合泄流能力曲线；

d24、通过反复的抽样模拟计算，经调洪演算仿真得到坝前最高洪水位max(Z_H(t))系列。

作为进一步优化，步骤d3具体包括如下步骤：

d31、统计分析最高洪水位max(Z_H(t))系列超过上游围堰高程H_WI的次数，记为N_I，则

d32、统计分析最高洪水位max(Z_H(t))超过坝体第i年中期度汛挡水高程的次数，记为N_Mi，则

d33高拱坝施工初-中期导流动态风险率的估算式为：

d34、根据高拱坝导流洞尺寸优化设计数学模型进行判别分析。

本发明的有益效果是：

1、本发明构建了高拱坝导流洞优化设计数学模型，全面考虑了高拱坝导流洞运行贯穿施工初-中期度汛阶段这个特点，非常适用于高拱坝施工导流洞尺寸的优化设计；

2、在导流工程设计中采用基于概率理论的风险分析方法科学合理的考虑了水文、水力随机因素的影响，从而提高风险率估计的准确性；

3、高拱坝导流风险计算中全面考虑了中期度汛可能存在的两种情况，更为贴近工程实际情况；

4、采用本发明可以降低导流工程投资、缩短工期，且能够保证水电工程施工度汛安全，具有良好的社会经济效益。

附图说明

图1为高拱坝导流洞尺寸的优化设计方法流程图；

图2为实施例中坝体浇筑与接缝灌浆进度图。

具体实施方式

本发明旨在提出一种基于风险分析理论的高拱坝导流洞优化设计方法，为降低导流工程投资、缩短工期、保证水电工程施工度汛安全等提供新的技术手段。

如图1所示，本发明中的高拱坝导流洞尺寸的优化设计方法，包括以下步骤：

(1)构建高拱坝导流洞尺寸优化设计的数学模型；

(2)高拱坝导流洞尺寸初拟；

(3)获取高拱坝坝体全过程各月浇筑和接缝灌浆高程动态仿真成果系列；

(4)高拱坝导流洞尺寸调整优化。

在上述步骤(1)中，以应用最为广泛的城门洞型导流洞为例，其洞宽和洞高是导流洞设计中最重要的设计参数，假设洞经设计参数为S_D＝[B,H]，其中B为洞宽、H为洞高。峡谷区高拱坝基本采用全年断流围堰、隧洞导流方式，通常在优选导流洞布置格局条件下，再进行导流洞尺寸设计方案比选及优化。设高拱坝初期导流标准相应的洪水重现期为T_IE，中期度汛标准相应的洪水重现期T_ME，同时转化得到初期导流设计风险率R_IE和中期导流设计风险率R_ME，计算表达为：

同时，一定导流洞尺寸、导流标准条件下，围堰高度H_WI可由水力学计算确定，继而能够确定围堰投资。因此，按照导流洞和围堰工程总投资最小为原则，导流洞尺寸优化设计的数学模型为：

式中，f(B,H)为导流洞和围堰工程总投资的目标函数；H_wmax为围堰在一个枯期施工所能达到的最大极限高度；B_min为施工运输车辆通行要求的最小洞宽。

在上述步骤(2)中，导流洞尺寸的确定需要首先根据工程规模、布置、施工条件、截流难度、水文条件等统筹考虑，同时结合一定的工程经验进行初拟。

在上述步骤(3)中，通过施工仿真分析得到优化后的仿真参数，具体参考《乌东德高拱坝施工进度仿真分析及其方案优化》一文，然后采用优化后的仿真参数得到坝体全过程各月浇筑和接缝灌浆高程动态仿真成果系列。

在上述步骤(4)中，高拱坝导流洞尺寸调整优化的步骤包括：

a、优化调整导流洞尺寸，在优化的导流洞尺寸基础上进行导流规划，并获取施工初-中期挡水度汛面貌数据；

b、在优化的导流洞尺寸基础上进行施工度汛洪水位变化过程动态模拟；

c、根据高拱坝施工初-中期导流风险率估计方法得到R_I、R_Mi、R，并根据导流洞尺寸优化设计的数学模型进行判别分析；

d、根据步骤c中进行判别分析的结果判断是否满足工程设计要求，若满足，则进入步骤e，若不满足，重复步骤a～d，直至满足工程设计要求，进入步骤e；

e、以不等式条件0≤R_Mi-R_ME≤ε(其中ε为设定的很小的正数)作为优化设计的收敛条件，判断是否满足迭代收敛,若满足，则跳出设计优化循环，进入步骤f，否则，重复步骤a～e，直至满足迭代收敛条件为止,进入步骤f；

f、输出导流工程的优化设计成果，计算过程结束。

上述步骤a中，获取施工初-中期挡水度汛面貌数据的步骤包括：

①获取高拱坝施工初期汛前挡水度汛面貌数据。设初期导流年限为k年，坝体浇筑高程在第k+1年主汛前超过围堰顶高程时进入中期导流阶段，设中期导流年限为t年。初期导流阶段由围堰挡水度汛，则施工初期汛前挡水度汛面貌表达为：

Z_WBj＝H_WI，其中j＝1,2,...,k

式中，H_WI为初期导流围堰顶高程，

②获取高拱坝施工中期汛前挡水度汛面貌数据，即中期导流阶段主汛前接缝灌浆灌区底高程和坝体浇筑高程组合系列，用矩阵表达为[Z_HBi，Z_HGi]，其中i＝1,2,…,t，可进一步用函数表达为：

[Z_HBi，Z_HGi]＝f_F(W_P)，其中i＝1,2,…,t

式中，W_P为大坝施工方案进行优化后的施工仿真参数；f_F为高拱坝施工仿真函数中仿真参数与中期挡水度汛面貌矩阵的对应法则。

上述步骤b中，施工度汛洪水位变化过程动态模拟包括如下步骤：

①输入模型参数，并确定模型仿真次数N₀。

②产生施工洪水洪峰流量随机数，模拟施工洪水过程。

③产生泄流能力系数随机数，拟合泄流能力曲线。

④通过反复的抽样模拟计算，经调洪演算仿真得到坝前最高洪水位max(Z_H(t)系列。

上述步骤c中，包括如下步骤：

①统计分析最高洪水位max(Z_H(t))系列超过上游围堰高程H_WI的次数，记为N_I，则

②统计分析最高洪水位max(ZH(t))超过坝体第i年中期度汛挡水高程(H_WI或Z_HGi)的次数，记为N_Mi，则

③高拱坝施工初-中期导流动态风险率的估算式为：

④根据高拱坝导流洞尺寸优化设计数学模型进行判别分析。

实施例：

以金沙江上游某高拱坝工程中实施为例，该坝坝型为混凝土双曲拱坝，最大坝高217.0m。枢纽建筑物由混凝土双曲拱坝、泄洪消能建筑物、引水发电建筑物三大系统组成。枢纽工程为一等大(1)型工程，采用城门洞型导流洞，其运行贯穿施工初-中期度汛阶段。初期导流标准采用20年一遇洪水标准，中期导流标准采用100年一遇洪水标准。

优化设计步骤如下：

1、基于高拱坝导流洞尺寸优化设计的数学模型，给出约束条件数据：

初期导流标准采用20年一遇洪水标准，中期导流标准采用100年一遇洪水标准。因此，R_IE＝0.05、R_ME＝0.01。

同时，H_wmax为围堰在一个枯期施工所能达到的最大极限高度，根据工程实际地形地质条件和施工能力，H_wmax＝70m；B_min为施工运输车辆通行要求的最小洞宽，根据交通要求，B_min＝9m。

2、高拱坝导流洞尺寸初拟：

根据工程规模、布置、施工条件、截流难度、水文条件等统筹考虑，采用传统设计技术得到原导流洞设计方案。原导流洞方案设计指标如表1所示：

表1：原导流洞方案设计指标

项目	条数-洞径(m)	洞径面积(m<sup>2</sup>)	H<sub>WI</sub>(m)	围堰高度(m)	导流投资(万)
						原方案	2-12×14	156.52	2763.22	55.22	48519

3、获取高拱坝坝体全过程各月浇筑和接缝灌浆高程动态仿真成果系列：

通过施工仿真分析得到优化后的仿真参数，采用优化后的仿真参数得到坝体全过程各月浇筑和接缝灌浆高程动态仿真成果系列。

高拱坝混凝土施工受诸多因素的影响和制约，相关参数取值严格按照规程规范及设计成果采用，成果反映国内平均先进施工水平。根据施工总进度及初拟导流工程规模的要求，进行施工仿真。大坝混凝土浇筑工期共44个月，计划第五年10月开浇，预计第九年5月浇筑到顶，接缝灌浆至高程2894.00m为第九年9月底。根据施工仿真结果，大坝浇筑和接缝灌浆进度如图2所示。

4、高拱坝导流洞尺寸调整优化：

给定ε＝0.0001，通过本发明提供的优化计算方法步骤(4)，当导流洞洞径为11.6×14.2时，施工中期导流风险率为0.01007，满足不等式0≤R_Mi-R_ME≤ε的要求，则导流工程最优设计指标为：导流洞最优洞径为11.6×14.2，上游围堰顶高程为2766.47m。优化后的导流洞方案设计指标如表2：

表2：优化后的导流洞方案设计指标

项目	条数-洞径(m)	洞径面积(m<sup>2</sup>)	H<sub>WI</sub>(m)	围堰高度(m)	导流投资(万)
						本发明设计方案	2-11.6×14.2	153.68	2766.47	58.47	48213

通过表1和表2的对比，可以看出，该优化方案相对传统设计技术得到的原导流设计方案节省投资约306万元，经济效益可观。

综上，按照本发明的方法，获得了以下重要成果：①构建了一种高拱坝导流洞尺寸优化设计的数学模型；②提出了基于风险分析理论的高拱坝导流洞尺寸优化设计的思路和方法，相对传统设计技术节省了导流工程投资、相应也缩短了工期，且能够保证水电工程施工度汛安全。

Claims (7)

1.高拱坝导流洞尺寸的优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.构建高拱坝导流洞尺寸优化设计的数学模型；

b.初拟高拱坝导流洞尺寸；

c.获取高拱坝坝体全过程各月浇筑和接缝灌浆高程动态仿真成果；

d.对高拱坝导流洞尺寸进行调整优化；

步骤a中，按照导流洞和围堰工程总投资最小为原则，构建的所述高拱坝导流洞尺寸优化设计的数学模型为：

式中，f(B,H)为导流洞和围堰工程总投资的目标函数，其中B为导流洞的洞宽，H为导流洞的洞高；H_wmax为围堰在一个枯期施工所能达到的最大极限高度；B_min为施工运输车辆通行要求的最小洞宽；R_IE为初期导流设计风险率；R_ME为中期导流设计风险率；H_WI为围堰高度；R_I为高拱坝施工初期导流风险率；R_Mi为高拱坝施工中期导流风险率，t为中期导流年限。

2.如权利要求1所述的高拱坝导流洞尺寸的优化设计方法，其特征在于，步骤b中，在初拟高拱坝导流洞尺寸时，根据工程规模、布置、施工条件、截流难度、水文条件统筹考虑，并结合工程经验进行初拟。

3.如权利要求1所述的高拱坝导流洞尺寸的优化设计方法，其特征在于，步骤c中，首先通过施工仿真分析得到优化后的仿真参数，然后采用优化后的仿真参数进行仿真得到高拱坝坝体全过程各月浇筑和接缝灌浆高程动态仿真成果系列。

4.如权利要求1所述的高拱坝导流洞尺寸的优化设计方法，其特征在于，步骤d中，所述对高拱坝导流洞尺寸进行调整优化，具体包括：

d1、优化调整导流洞尺寸，在优化的导流洞尺寸基础上进行导流规划，并获取施工初-中期挡水度汛面貌数据；

d2、在优化的导流洞尺寸基础上进行施工度汛洪水位变化过程动态模拟；

d3、根据高拱坝施工初-中期导流风险率估计方法计算获得高拱坝施工初期导流风险率R_I、高拱坝施工中期导流风险率R_Mi、高拱坝施工初-中期动态导流风险率R，并根据导流洞尺寸优化设计的数学模型进行判别分析；

d4、根据步骤d3中进行判别分析的结果判断是否满足工程设计要求，若满足，则进入步骤d5，若不满足，重复步骤d1～d4，直至满足工程设计要求，进入步骤d5；

d5、以不等式条件0≤R_Mi-R_ME≤ε作为优化设计的收敛条件，判断是否满足迭代收敛，其中，ε为设定的正数阈值；若满足，则进入步骤d6，否则，重复步骤d1～d5，直至满足迭代收敛条件，进入步骤d6；

d6、输出导流工程的优化设计成果，计算过程结束。

5.如权利要求4所述的高拱坝导流洞尺寸的优化设计方法，其特征在于，步骤d1中，所述获取施工初-中期挡水度汛面貌数据具体包括：

d11、获取高拱坝施工初期汛前挡水度汛面貌数据：

设初期导流年限为k年，坝体浇筑高程在第k+1年主汛前超过围堰顶高程时进入中期导流阶段，设中期导流年限为t年，初期导流阶段由围堰挡水度汛，则施工初期汛前挡水度汛面貌表达为：

Z_WBj＝H_WI，其中j＝1,2,…,k

式中，H_WI为初期导流围堰顶高程；

d12、获取高拱坝施工中期汛前挡水度汛面貌数据：

即获取中期导流阶段主汛前接缝灌浆灌区底高程和坝体浇筑高程组合系列，用矩阵表达为[Z_HBi，Z_HGi]，其中i＝1,2,…,t，可进一步用函数表达为：

[Z_HBi，Z_HGi]＝f_F(W_P)，其中i＝1,2,…,t

式中，W_P为大坝施工方案进行优化后的施工仿真参数；f_F为高拱坝施工仿真函数中仿真参数与中期挡水度汛面貌矩阵的对应法则。

6.如权利要求5所述的高拱坝导流洞尺寸的优化设计方法，其特征在于，步骤d2中，所述施工度汛洪水位变化过程动态模拟包括：

d21、输入模型参数，并确定模型仿真次数N₀；

d22、产生施工洪水洪峰流量随机数，模拟施工洪水过程；

d23、产生泄流能力系数随机数，拟合泄流能力曲线；

d24、通过反复的抽样模拟计算，经调洪演算仿真得到坝前最高洪水位max(Z_H(t))系列。

7.如权利要求6所述的高拱坝导流洞尺寸的优化设计方法，其特征在于，步骤d3具体包括如下步骤：

d31、统计分析最高洪水位max(Z_H(t))系列超过上游围堰高程H_WI的次数，记为N_I，则

d32、统计分析最高洪水位max(Z_H(t))超过坝体第i年中期度汛挡水高程的次数，记为N_Mi，则

d33高拱坝施工初-中期导流动态风险率的估算式为：

d34、根据高拱坝导流洞尺寸优化设计数学模型进行判别分析。

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