高陡边坡沥青混凝土心墙接头部位结构优化方法

技术特征：
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结构优化方法，其特征在于，所述步骤5具体如下；步骤5.1、将步骤4计算得到的有限元数值结果：剪应力、拉应力、拱效应系数分别代入响应面优化分析软件design-expert 12所设计的对应试验方案中，查看每个设计指标的fit summary，选择其推荐的模型进行显示表达式拟合，其表达式如下：式中：y为响应值，x
i
和x
j
为相互独立的影响因子，β0、β
i
、β
ij
、β
jj
分别为常数项、线性一次项、交互项和二次项系数，ε为随机误差；步骤5.2、得到每个设计指标的显示表达式之后，对实际的方程进行诊断，分析每个等式的normal plot、resid.vs.pred、pred.vs.actual这三个诊断图；步骤5.3、对拟合的回归预测模型进行方差分析，由模型p值小于0.05，显示为“significant”以及模型失拟项p值大于0.05，显示为“not significant”表明回归模型高度显著，拟合程度高，由模型决定系数与校正决定系数大于0.8表明回归预测模型具有较高的可靠性。5.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6中具体如下：步骤6.1、由步骤5建立的较高可靠度、高度显著的设计指标回归预测模型，应用数据处理软件mathematic里的三维区域图“regionplot3d”指令，构建每一个设计指标的三维空间合理区域；步骤6.2、在输入指令三维区域图“regionplot3d”得到的设计指标合理区域之后，先通过输入指令隐式区域“implicitregion”获得一个满足三个安全性能指标的隐式区域，然后输入指令三维区域图“regionplot3d”即可得到一个满足所有性能指标的心墙接头部位结构参数组合的三维空间最优区域。6.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7具体如下：步骤7.1、绘制不同岸坡坡比下放大角度与嵌入深度取值范围图，输入指令绘制区域“regionplot”，并将所求岸坡坡比具体值代入等式中，得到具体岸坡坡比值下放大角度与嵌入深度取值范围；步骤7.2、改变岸坡坡比值，输入同样的指令绘制区域“regionplot”，即可得到在满足所有安全性能指标前提下不同岸坡坡比放大角度与嵌入深度的可选区域范围。7.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8具体为：心墙接头部位结构优化问题归结于：求i，θ，h，使v(i，θ，h)
→
min
式中，τ
max
为接头部位最大剪应力；σ
max
为最大拉应力；r
min
为最小拱效应系数，该值越大，则拱效应越弱；i为岸坡坡比；θ为放大角度；h为嵌入深度；i
min
、i
max
分别为岸坡坡比的上下限取值；θ
min
、θ
max
分别为放大角度的上下限取值；h
min
、h
max
分别为嵌入深度的上下限取值；[τ
t
]为坝体允许剪应力；[σ
t
]为坝体允许拉应力；[r
t
]为坝体允许拱效应系数。8.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9具体如下：步骤9.1、以心墙接头部位部位体积为目标函数，构建体积显示表达式，具体表达形式如下：式中v为接头部位体积，a为心墙底部弧形段长度，h为心墙高度，d为扩大段厚度，l为扩大段上部宽度，i、θ、h分别为优化参数岸坡坡比、放大角度、嵌入深度；步骤9.2、在公式(8)中，a，h，d，l为常数，代入公式(8)，因此可简化为：再根据所优化的具体工程实例，i＝1:0.33时，将其岸坡坡比值代入公式(9)，即可求得心墙接头部位体积与放大角度和嵌入深度的关系为：步骤9.3、依据步骤7求得不同岸坡坡比下放大角度与嵌入深度取值范围，即可求得岸坡坡比为1:0.33时放大角度与嵌入深度取值范围，将切片区域内的坐标点代入公式(10)，可求得坝体和心墙在满足安全性前提下接头部位体积变化范围，那么接头部位体积最小值即可获得；步骤9.4、求得心墙接头部位最优解后，将其与实际工程作对比分析，优化后的形状与优化前的形状相比，优化设计参数变化情况，接头部位体积比实际工程减小多少，说明优化结果在满足应力变形的前提下对工程经济效益是否有一定的优化效果，在原有的接头部位体形方案上是否取得了相应的改进。

技术总结
本发明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。


技术研发人员：李炎隆 饶明明 温立峰 卜鹏 曹卫锋 李勇 邱文
受保护的技术使用者：西安理工大学
技术研发日：2022.01.12
技术公布日：2022/5/30