（水工结构工程专业论文）300m级面板堆石坝填筑分期分区优化研究.pdf

型| | i j | | i | | l i | j j | i | y 15 3 0 苦g 苔。 3 0 0 m 级面板堆石坝填筑分期分区优化研究 s t u d y o n s t a g e - z o n i n go p t i m i z a t i o no f 3 0 0 m - g r a d ec f r d f i l l i n g 学科专业：水工结构工程 研究生：谭丽丽 指导教师：王仁超教授 天津大学建筑工程学院 二零零八年五月 摘要 在高混凝土面板堆石坝的施工过程中，坝体填筑的分期分区直接关系到坝体 的施工质量控制、沉降变形控制、坝体稳定、施工进度控制和面板变形等。对于 3 0 0 m 级高面板堆石坝，协调面板施工与坝体填筑顺序、控制坝体沉降引起的面 板脱空以及开裂问题，尤为重要。因此，有必要对3 0 0 m 级面板堆石坝填筑系统 进行科学分析，提出合理的坝体填筑分期分区规划，优化施工程序，使坝体施工 更加经济合理。 高面板堆石坝的坝体填筑是一个复杂的系统，受到施工导流、筑坝材料供应、 坝面工作面划分、坝体预沉降时间、施工机械和自然环境等因素的影响。坝体填 筑分期分区优化是一个高度非线性、多参数、多目标、不连续的复杂问题。本文 通过对面板堆石坝填筑系统的分析，抓住主要影响因素，简化次要因素，建立了 3 0 0 m 级面板堆石坝填筑分期分区优化的数学模型，并用p s o 算法进行了求解。 本文主要研究内容和成果如下： 1 ) 系统分析了我国天生桥、洪家渡、三板溪和水布垭等高面板堆石坝的坝 体填筑分期分区经验，坝体变形与坝体填筑断面分区型式之间的关系，总结了高 面板堆石坝分期分区优化中的控制参数，为建立3 0 0 m 级面板堆石坝分期分区优 化模型提供依据。 2 ) 运用系统思想，从影响坝体填筑的要素入手，深入研究各种影响因素对 坝体填筑的影响机制以及坝体变形与坝体填筑断面分区型式、尺寸之间的关系， 以坝体施工强度均衡为目标，结合2 0 0 m 级面板堆石坝建设的分期分区经验和有 限元分析结论，建立了3 0 0 m 级面板堆石坝填筑分期分区优化模型。 3 ) 由于模型的复杂性和不连续性，本文以p s o 算法为基础，借鉴d n a 的 拼接、剪断、插入、变异等操作，采用d n a 片段描述坝体各期分区面貌，进而 实现异质粒子之间的优化迭代运算，拓展了p s o 优化计算思想和方法。 4 ) 利用v i s u a lc 撑平台开发了高堆石坝填筑分期分区优化软件。针对古水水 电站工程实例，通过优化计算，获得了较优的优化参数，为指导施工提供了科学 的依据和参考，验证了本文提出方法的科学性和实用性。 关键词：面板堆石坝施工仿真填筑分期分区p s o a b s t r a c t s t a g e z o n i n gf i l l i n go fr o c k - f i l l d a mi s d i r e c t l yr e l a t e dt oc o n s t r u c t i o nq u a l i t y c o n t r o l ，s e r l e m e n td e f o r m a t i o nc o n t r o l ，s t a b i l i t yo ft h ed a m ，c o n s t r u c t i o np r o g r e s s c o n t r o la n ds oo ni nt h ec o n s t r u c t i o no fc f r d i ti sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n tt o c o o r d i n a t ep a n e lc o n s t r u c t i o na n dd a mf i l l i n g ，c o n t r o ld a ms e t t l e m e n ta r i s i n gf r o mt h e p a n e lv o i da n dc r a c k i n gp r o b l e m sf o r3 0 0 m - g r a d ec f r d i no r d e r t om a k et h ed a m c o n s t r u c t i o nm o r ee c o n o m i c a la n dr e a s o n a b l e ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d ys y s t e m i c a l l y a n dp r o p o s er e a s o n a b l ep l a nt oo p t i m i z et h ec o n s t r u c t i o np r o c e s s d a mf i l l i n go fh i g hc f r di sa c o m p l e xs y s t e m ，w h i c h i sa f f e c t e d b y c o n s t r u c t i o nd i v e r s i o n ，m a t e r i a l ss u p p l y ，f i l l i n gf a c e ，p r e s e t t l e m e n tt i m e ，c o n s t r u c t i o n m a c h i n e r y , n a t u r a le n v i r o n m e n ta n do t h e rf a c t o r s s t a g e - z o n i n gf i l l i n go p t i m i z a t i o no f t h ed a mf i l l i n gi sa n o n - l i n e a r , m u l t i p a r a m e t e r , m u l t i - t a r g e t ，n o tf o rt h ec o m p l e x i s s u e s am a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ed a ms t a g e - z o n i n gf i l l i n gi se s t a b l i s h e db a s e do n a n a l y s i s o nc f r df i l l i n gs y s t e m s ，g r a s p i n gt h ek e yf a c t o b ，s i m p l i f y i n gt h es e c o n d a r y f a c t o r s t h e n ，i ti ss o l v e db yu s i n gp s oa l g o r i t h mi nt h ep a p e r t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ta n dt h ea c h i e v e m e n ta r ea sf o l l o w s ： 1 ) t h ep a p e rd o e sr e s e a r c ho nt h es t a g e z o n i n gf i l l i n ge x p e r i e n c eo fh i g hc f r d a st i a n s h e n g q i a o ，h o n g ji a d u ，s a n b a n x ia n ds h u i b u y ae t c ，a n dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ed a md e f o r m a t i o na n dt h ef i l l i n gf a c e t h er e l e v a n tp a r a m e t e r so f s t a g e z o n i n gf i l l i n go fr o c k - f i l ld a ma r es u m m a r i z e d w h i c hp r o v i d ee v i d e n c ef o r s t a g e - z o n i n gf i l l i n go p t i m i z a t i o nm o d e lo f3 0 0 m g r a d ec f r d 2 ) t h ei n f l u e n c ef a c t o r si nt h ed a mf i l l i n ga n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed a m d e f o r m a t i o na n dt h ef i l l i n gf a c ea r es t u d i e dp r o f o u n d l ya n ds y s t e m i c a l l y a n o p t i m i z a t i o nm o d e lo f3 0 0 m g r a d ec f r df i l l i n g i se s t a b l i s h e d ，t a k i n gt h ed a m c o n s t r u c t i o ni n t e n s i t yb a l a n c e da sag o a l ，o nt h ee x p e r i e n c ea n dt h ef e ma n a l y s i s c o n c l u s i o no f2 0 0m g r a d ec f r df i l l i n g 3 ) b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo ft h em o d e l ，p s oi sc h o s e na sab a s i ca l g o r i t h m ， u s i n gs p l i c i n g ，s h e a r , i n s e r t i o na n dv a r i a t i o no fd n af o rr e f e r e n c e ，u s i n gd n a f r a g m e n t sd e s c r i b e dt h ef a c eo ft h ed a ma r e a t h e nt h ei t e r a t i v eo p e r a t i o ni sa c h i e v e d ， e x p a n d i n gt h ec o m p u t a t i o nt h o u g h ta n d t h em e t h o do ft h ep s o 4 、a no p t i m i z a t i o ns o f t w a r eo fs t a g e z o n i n gf i l l i n go fr o c k - f i l ld a mi se s t a b l i s h e d w i t hv i s u a lc 群t h e ni ti su s e di ng u s h u ic f r d a n dt h eo p t i m u mr e s u l th a sb e e n o b t a i n e d b yc a l c u l a t i n g ，w h i c hp r o v i d e s as c i e n t i f i cb a s i sa n dr e f e r e n c ef o r c o n s t r u c t i o na n dp r o v e st h a tt h em e t h o dp r o p o s e di nt h e p a p e ri s s c i e n t i f i ca n d p r a c t i c a l k e yw o r d s ：c f r d ，c o n s t r u c t i o ns i m u l m i o n ， s t a g e z o n i n gf i l l i n g ， c o n s t r u c t i o n p s o 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗蠢堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 靴敝储獬。坪而磐醐：刎“月帅 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位敝储躲啤丽而 签字日期：娜p 年多月阳日 导师签名： 签字日期：加占年占月，口日 第一牵绪论 1 1 问题提出 1 1 1 面板堆石坝的特点 第一章绪论 混凝土面板堆石坝( c f r d ，或简称面板坝) 是当今世界上土石坝的主要坝 型之一，坝的主体部分是由堆石或砾石通过人工压密而成，主要起支撑作用，占 面板坝体积的绝大部分，其上游迎水面设置混凝土面板起防渗作用。面板坝结构 形式简单，施工简便，适应性广，近年来受到坝工界的广泛重视，在国内外得到 迅速发展。 面板堆石坝有其自身在技术上和经济上的优势，与其它坝型相比，具有以下 几个显著特点： 1 ) 安全可靠 面板堆石坝具有良好的抗滑稳定性，坝体堆石全部在面板下游，水荷载作用 于面板，整个堆石体重量及面板上部水重均在抵抗因水荷载作用引起的水平推 力。水荷载的水平推力大致为堆石体和水重的1 7 左右，而水荷载的合力在坝轴 线以上传到地基中，有利于坝体稳定；堆石碾压密实后抗剪强度比较高，而且堆 石透水性强，几乎不受渗透压力的影响。堆石一般都有棱角，随着填筑高程的增 加，即使下部的堆石会有一部分被压碎，也是有棱角的，所以一般不会发生渗透 变形。另外，由于不受渗透压力的影响，面板堆石坝具有良好的抗震性能。随着 施工机械的改进，现代面板堆石坝碾压后的沉降量也相对减小。我国2 0 0 6 年以 前建成的三板溪、洪家渡和水布垭工程坝体垂直沉降量基本在1 以内。 2 1 经济性 与土石坝的其他坝型相比，面板坝的横剖面最小，是最经济的。面板后的垫 层和过渡层具有半透水性和反滤作用，施工期在没有面板保护的情况下，可以直 接挡水或过水，不影响坝的安全。这就大大简化了施工导流和渡汛的工程设施， 有利于加快施工进度，降低临时工程的费用。根据坝体各部分的受力情况，各分 区的石料和压实度可有不同的要求，可以充分利用当地材料，做到料尽其用，并 可加快施工，降低造价。 3 ) 施工方便，适应性好 由于面板堆石坝坝体结构简单，堆石填筑、面板浇筑、趾板及其灌浆施工可 第一章绪论 以独立进行，工序间的干扰较少，便于机械化施工，施工速度快。气候条件对堆 石坝的施工影响较小，只要不是特别恶劣的天气，照常可以施工。另外，面板堆 石坝对坝址地质、地形及各种类型的附属工程没有特殊和严格的要求，因而具有 很好的适应性。 正因为有以上优点，面板堆石坝经常作为首选坝型或必选坝型，在工程界得 到了广泛应用。 1 1 2 面板堆石坝的发展概论 土面板堆石坝的形成与发展大约经历了三个阶段：1 9 世纪中期至2 0 世纪早 期为抛填堆石阶段，是面板堆石坝的形成时期；1 9 4 0 年以后的2 0 年，随着机械 化施工水平的提高，出现了大功率的振动碾压设备，面板堆石坝的发展由级配偏 粗的抛填堆石阶段逐步向级配良好的碾压堆石阶段过渡；1 9 6 5 年以后，面板堆 石坝进入现代发展阶段，以碾压堆石为特征，同时，在坝体结构与料物分区、坝 体应力与坝体变形控制、防渗面板及分缝止水型式和施工方法等方面有了很大发 展，所筑坝体的高度也由原来的十几米上升到百米级。 我国自1 9 8 5 年开始利用现代技术修建混凝土面板堆石坝至今已经有2 0 多年 的历史，从引进、吸收到自主研究开发和推广应用，均处于快速发展阶段。我国 曾多次将混凝土面板堆石坝的研究列入国家重点科技攻关项目、国家自然科学基 金重要课题及水利水电行业重点科技课题，组织相关科技力量进行了大量系统的 研究，并将研究成果应用于工程，取得了面板堆石坝在我国的快速发展。 2 0 世纪9 0 年代初的“八五”科技攻关项目“高堆石坝关键技术研究”成果 的应用，极大地推动了这一坝型在我国的发展，也使我国在2 0 0 m 级面板堆石坝 建设方面达到一个新水平。据统计，我国已建和在建的混凝土面板堆石坝已超过 1 5 0 座，坝高超过1 0 0 m 的有3 7 座，坝高2 0 0 m 级的有4 座。如2 0 0 0 年建成的 天生桥一级面板堆石坝，坝高17 8 m ；2 0 0 5 年建成的洪家渡面板堆石坝，坝高 1 7 9 5 m ，即将建成的水布垭面板堆石坝，坝高2 3 3 m ，为世界最高面板堆石坝。 国外已建成的有墨西哥的阿瓜米尔巴坝( 坝高1 8 6 m ，1 9 9 5 年建成) ，在建的有 马来西亚的巴昆坝( 坝高2 0 5 m ) ，墨西哥的艾尔卡扬坝( 坝高1 8 9 m ) ，冰岛的 卡拉努尔坝( 坝高1 9 6 m ) ，巴西的巴拉格兰德坝( 坝高18 5 m ) 和坝泼斯诺瓦 斯坝( 坝高2 0 2 m ) 等i 2 j 。 综观国内外高面板堆石坝的建设与发展，可以说国内外高堆石坝的建设技术 发展迅速p 】。尤其我国经过“八五、“九五”大量科技攻关，以及通过已建成 的天生桥、三板溪、洪家渡等工程的经验积累，在坝体筑坝材料选择、坝体断面 材料分区、碾压机具选择、坝体变形控制、面板浇筑时机与施工工艺等诸多方面 2 第一章绪论 有了很大的提高。 1 1 3 研究问题 近年来，随着堆石坝的不断建设，堆石坝的筑坝技术有了快速发展，但在施 工和蓄水过程中还是出现了一系列的问题：如施工期面板脱空、坝体上部垫层区 产生裂缝、蓄水后期面板变形明显增大和面板顶部出现较大变形等，这些都直接 影响到大坝的正常运行和安全。经计算分析发现：出现这些现象都与坝体的填筑 程序不合理或者局部填筑强度过大有密切关系1 4 j 。 根据国内外参考文献以及2 0 0 m 级面板堆石坝建设经验，对于3 0 0 m 级的特 高混凝土面板堆石坝建设，其关键技术包括坝体填筑各期的变形控制、筑坝材料 与碾压机具选择、堆石预沉降标准控制、坝体防震、坝体分期填筑与施工导流结 合等【3 儿1 4 】。其中，坝体填筑分期分区与坝体变形控制、填筑速度等关系密切。 然而，影响高面板堆石坝填筑施工的因素众多( 如坝体施工导流、筑坝材料 供应、坝面工作面划分、坝体预沉降时间、自然环境影响等) ，且某些要素之间 存在复杂的高度非线性关系。因此，到目前为止，尚没有一种能够综合考虑各种 因素的高面板堆石坝填筑施工分期分区优化模型。 目前，在施工组织设计中，高面板堆石坝填筑施工分期分区还主要依靠工程 师的经验，在设计出坝体填筑分期后，运用有限元进行变形分析与稳定性校核验 证。对于坝体高度和填筑量不大的面板堆石坝( 如l o o m 级的堆石坝) ，由于施 工导流、上坝道路布置等相对单一、简单，面板可以在填筑完成后，预沉降3 个 月左右，一次浇筑完成，这样做一般问题不大。而对于2 0 0 m 级以上的高面板堆 石坝，面板要分2 3 次浇筑，单纯依靠工程师经验进行分期分区，很难将坝体 快速施工与坝体沉降变形控制紧密结合起来。天生桥、水布垭、三板溪三个工程 分期分区面貌差异很大，实际施工经验总结和事后理论分析也表明：工程出现的 面板开裂、脱空等与坝体填筑分期分区、填筑上升速度、预沉降时间等有紧密的 联系。因此，我国要实现3 0 0 m 级面板堆石坝建设，迫切需要基于系统思想，运 用当代优化理论和方法，建立坝体快速施工与堆石体变形控制紧密结合的高堆石 坝填筑施工分期分区优化模型。 对于3 0 0 m 级面板堆石坝填筑施工分期分区优化问题，要综合考虑快速施工 与变形控制两个方面的问题，从优化理论和方法方面来看，也需要创新性研究。 特高面板堆石坝填筑分期分区优化本质上属于高度非线性、多参数、多目标、非 良好结构( 指模型结构) 优化问题，其高度非线性体现在：坝体分期分区的决 策变量( 如高程、填筑区宽度) 与坝体填筑强度、填筑成本之间存在非线性； 坝体填筑断面面貌与沉降变形之间存在高度非线性关系等。多参数体现在坝体分 第一章绪论 区分期涉及坝体材料分区、施工导流进度、填筑层厚度、上坝道路布置等众多参 数。多目标体现在高面板堆石坝的分期分区必须考虑坝体填筑工期、施工经济性 以及坝体安全性等目标，模型结构不良体现在：目标函数本质上存在不连续、 不可导问题；目标评价体系存在模糊性，如沉降变形( 垂向、横向变形) 控制 在什么水平为优，具有模糊性，需要依据经验来确定；目标之间存在高度关联 性，如为了控制坝体变形需要在面板浇筑施工前预留一定的预沉降时间，就需要 加快填筑速度，而填筑加快又会加大沉降变形量，因此变形控制目标与施工工期 目标高度关联。常规的优化理论和方法，如线性规划、非线性规划、动态规划、 计算机模拟等难以直接运用来建立和求解高面板堆石坝分期分区优化模型。 1 2 面板堆石坝填筑分期分区研究现状 在面板堆石坝的建设过程中，坝体填筑的分期分区规划直接影响到坝体填筑 过程中的施工质量控制、沉降变形控制、坝体稳定、施工进度控制等，关系到整 个工程建设的顺利与否。因此，坝体填筑分期分区规划问题受到了较多的关注和 研究。 1 ) 关于坝体填筑分期分区与变形控制方面 国内在2 0 0 m 级面板堆石坝建设过程中，已经认识到坝体填筑分期分区对坝 体变形控制的重要性。文献 5 】结合水布垭面板堆石坝变形分析指出： “对于高 面板堆石坝，通过优化坝体的施工临时剖面，可以调整施工期坝体位移分布，从 而显著改善坝体( 包括垫层) 的变形性状 。文献【6 】通过水布垭面板堆石坝实 际变形观测与理论计算结果对比，得到了施工期坝体变形的一般规律。文献 7 结合三板溪水电站面板堆石坝施工，运用清华k g 模型，研究了三板溪大坝各 个填筑施工分期变形特征。文献【8 】研究了考虑堆石体流变形的沉降变形问题。 文献【9 】研究了高堆石坝流变机理与影响流变的因素，并结合紫坪铺面板堆石坝 进行了模拟施工与水库蓄水的流变分析。另外还有不少文献对堆石体蠕变变形、 徐变变形、堆石坝结构优化以及基于实测变形数据反演分析与预测 1 7 】1 1 8 1 1 1 9 1 等方 面开展了研究。 2 ) 关于坝体填筑分期分区与其它施工问题关系方面 与高面板堆石坝分期分区与变形控制关系研究相比，关于高堆石坝坝体填筑 分期分区与其他施工问题( 尤其是快速施工方面) 的研究较少，文献 1o 结合洪 家渡面板堆石坝，从实际施工经验角度，研究了坝体面板开裂与填筑分期的关系， 指出“填筑分期是造成面板开裂的主要原因之一，合理的填筑分期方案可以有效 避免和减少面板开裂。，从减少填筑体拉伸变形角度考虑，临时断面宽度越宽 4 第一章绪论 越好，后坡越缓越好”，同时该文还认为目前堆石体预沉降3 5 个月浇筑面板 时间是不够的，对2 0 0 m 级以上面板堆石坝至少应有8 个月的预沉降时间，在这 种情况下，堆石坝填筑快速施工显得尤为重要。文献f l1 1 采用加速遗传算法，以 填筑强度( 工期) 和提前发电为目标，对心墙堆石坝填筑施工过程进行了优化分 析计算。另外文献【1 2 1 为中国水利学会面板堆石坝专业委员会组织编写的混凝土 面板堆石坝筑坝技术研究论文集，这本论文集结合天生桥、紫坪铺、公伯峡等工 程对面板堆石坝筑坝材料分区、挤压墙施工技术、坝体变形等诸多问题进行了讨 论，其中关于坝体填筑分期分区，从控制面板开裂与变形方面，对填筑最大高差 控制、分区面貌与填筑方式控制等也提出了建议。文献【1 3 运用有限元方法，考 虑堆石体流变变形效应，研究了不同填筑方案( 分区面貌) 优化问题，指出“堆 石坝不同材料分区的特点从客观上决定了高堆石坝必然存在一个较优的施工填 筑上升方案”。 3 ) 关于优化方法方面 借鉴生物学理论发展起来的群集智能优化算法1 2 引，如遗传算法、神经元网络、 蚂蚁算法、粒子群算法，对优化问题结构、目标可导性等要求不高，因此，该类 方法在最近2 0 - 3 0 年迅速发展起来，成为解决复杂优化问题的重要手段，并逐 渐在诸多领域如计算机工程、生产调度、人工智能和机械优化设计等成功应用。 在水利工程优化方面，一些研究者将其引入水利科学领域，如文献 1 4 】将粒子群 算法进行改进后应用于水库长期优化调度问题中，文献【1 5 借鉴连续蚁群算法的 进化思想，为解决供水水库优化调度问题提供了新的思路，文献 1 6 】针对大型土 石坝的土石方调运问题，结合蚂蚁算法和粒子群算法建立了一种可以考虑非线性 因素的土石方调运模型。其它如结构优化【2 1 1 、水文模型参数优化【2 2 1 、供水管网 优化设计【2 引、土坡临界滑动面搜索1 2 4 】等方面都有一些成功的研究与应用。 综观以上国内外研究发现，目前的研究基本都是停留在面板堆石坝填筑分期 分区与坝体变形控制的关系或者与快速施工的关系方面，然而对于如何科学的分 析影响面板堆石坝分期分区的主要因素，建立分期分区优化模型，制定面板堆石 坝填筑分期分区规划，确定各个填筑时段的工程量和填筑面貌，从而提高工程建 设速度、保证工程质量、降低工程造价，尚没有相关的研究成果。 1 33 0 0 m 级面板堆石坝分期分区优化研究目的 随着我国西部水电开发进程的加快，特别是在交通运输不便、经济不发达地 区，如金沙江、澜沧江、怒江、雅砻江、大渡河和黄河上游以及西藏的雅鲁藏布 江等，有许多适宜建设高面板堆石坝的河谷地形地质条件【2 1 。如古水、糯扎渡、 第一章绪论 两河口、马吉和松塔等水电站，坝高都在2 5 0 - - - 3 0 0 m 左右。目前的状况是：因 不能把握3 0 0 m 级特高面板堆石坝的工程特性、关键技术问题及运行特点，不能 直接选择面板堆石坝方案，而有的选用了外来运输量大、造价高的混凝土坝或体 积大且占用耕地多、对环境和水土保持易造成不利影响的土心墙堆石坝方案，有 的工程在近坝区甚至没有可用的防渗土料，有的即使有，由于含水量高而增加施 工开挖难度，增加建设成本。这使得水电站经济指标竞争力降低，工程建设各方 迫切希望在3 0 0 m 级特高面板堆石坝筑坝技术上有所突破【2 。 高面板堆石坝坝体施工是一个复杂的过程，施工道路布置、施工机械设备配 套、施工导流等诸多因素将影响其施工进度，在安排各施工分区施工顺序时，需 要综合考虑对坝体填筑总工期、施工强度、施工机械以及交通运输等问题的影响。 对于3 0 0 m 级高面板堆石坝，协调面板施工与坝体填筑顺序、控制坝体沉降引起 的面板脱空以及开裂问题，尤为重要。因此有必要采用科学、系统的分析方法和 先进技术手段，全面系统地分析影响坝体填筑快速施工的各方面因素及其相互之 间的关系，提出坝体填筑快速施工和变形控制相结合的施工规划，优化施工程序， 使施工组织设计更加科学化。 在混凝土面板堆石坝的施工过程中，由于洪水、降雨、施工道路、料场容积、 施工工作面等因素的限制，制定一个技术可行、经济较优的进度计划，解决开挖 与填筑之间、填筑进度与面板浇筑预沉降之间的矛盾并不是一件容易的工作。在 可行性研究阶段，综合考虑影响面板堆石坝施工的各种因素，合理科学的进行坝 料供应规划、坝体填筑分期分区规划和协调挖、运、填之间的进度关系，探索合 适的施工方案和施工措施，对于提高工程建设管理和设计水平、保证工程建设质 量具有重要的经济意义和社会效益。 从2 0 0 m 级高面板堆石坝和3 0 0 m 级高土心墙堆石坝的建设和运行经验看， 筑坝材料强度、趾板嵌深和宽度及基础处理技术都不是3 0 0 m 级高面板堆石坝的 制约性技术问题，关键是各个时期的堆石体变形控制问题。在高面板堆石坝的施 工中，一般均采用分期施工的方式即将坝体的填筑分成不同的阶段。分期施工的 方式，一方面是为了满足施工期度汛的要求；另一方面，合理的施工分期也可以 提高填筑施工的经济性和保证施工质量。从面板堆石坝施工质量控制角度看，不 同的坝体填筑施工分期分区，对于坝体和面板的应力、变形特性必然会产生一定 的影响。所以，3 0 0 m 级面板堆石坝的填筑分期分区优化问题是在高堆石坝建设 中亟待解决的问题。 第一章绪论 1 4 本文主要研究内容 本文运用系统思想，以3 0 0 m 级面板堆石坝填筑快速施工和变形控制为目的， 从影响坝体快速施工和坝体变形的要素入手，深入研究坝体施工导流、筑坝材料 供应、坝面工作面划分、坝体预沉降时间、自然环境因素对坝体快速施工的影响 机制以及坝体变形与坝体填筑断面分区尺寸、型式之间的关系，结合2 0 0 m 级面 板堆石坝建设的分期分区经验和有限元分析结论，建立3 0 0 m 级面板堆石坝填筑 分期分区优化模型，为我国突破3 0 0 m 级特高面板堆石坝建设提供科学手段和依 据。因此，本课题具有很大的现实意义和经济意义，是我国国民经济建设迫切需 要解决的问题。 另外，本文在对高堆石坝施工填筑系统的分析基础上，以p s 0 算法为基础， 借鉴生物d n a 技术，结合2 0 0 m 级面板坝变形控制经验，构建3 0 0 m 级面板堆石坝 坝体填筑分区断面，并以d n a 操作技术为基础实现异质粒子之间的优化迭代运 算，并研究其混合群智能优化求解算法。因此，本研究从解决现实高度复杂非线 性优化问题、粒子群算法等方面而言，具有探索性和前沿性，有一定的理论意义。 全文共分为五章。 第一章，介绍了本课题提出的研究背景，面板堆石坝填筑分期分区优化的研 究现状，本课题的研究目的和意义，主要的研究内容等。 第二章，通过简要介绍已建面板堆石坝的填筑程序，分析面板堆石坝分期分 区的型式特点，找出在己建工程中分期分区存在的问题，进一步分析了面板堆石 坝不同分期分区型式的变形控制，得出了坝体填筑分期分区的控制参数，为3 0 0 m 级面板堆石坝分期分区优化模型的建立提供依据。 第三章，重点分析面板堆石坝施工系统的特点和影响分期分区规划的主要因 素，确定优化模型的目标函数和约束条件，建立了分期分区优化模型。本文采用 p s o 优化算法并结合d n a 操作原理进行模型求解，解决了异质粒子的迭代运算 问题，并用m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o 软件开发平台开发了的3 0 0 m 级面板堆石坝填 筑分期分区优化软件。 第四章，结合古水面板堆石坝工程，选择控制参数，拟定分期分区计算方案 并进行优化计算，通过多方案的对比分析，选择最优的分期分区优化方案。 第五章，对本文研究工作主要内容和成果的总结，并提出了本课题进一步研 究的方向。 第二章高面板堆石坝填筑分期分区型式研究 第二章高面板堆石坝填筑分期分区型式研究 在现代面板堆石坝的施工实践中，截流以后，大坝施工期的度汛方式一般有 以下几种：( 1 ) 坝体以临时断面挡水度汛；( 2 ) 坝体先期过流，后期挡水度汛； ( 3 ) 坝体从两岸向河床填筑，河床预留度汛缺口；( 4 ) 围堰挡水。 在上述施工度汛方式中，以坝体临时断面挡水度汛的情况较为常见。对于高 面板堆石坝，利用坝体临时断面挡水度汛必须要采用分期填筑的方式进行坝体的 施工。图2 1 所示为巴西的几座面板堆石坝的填筑分期情况。从图中可以看出， 由于堆石坝自身的特点，其分期填筑的布置方式较为灵活，坝体的度汛挡水断面 既可以是提升坝体上游部分所形成的临时断面( 阿里亚坝、赛格雷多坝) ，也可 以是最终被包含在坝体内部的临时断面( 辛戈坝、依塔坝) 2 5 】。 从施工角度而言，先修建坝址，然后直接修建上游先期断面，并利用设计的 2 b 区材料作为先期断面的过水材料控制渗透比降，因而具有较好的经济性。内 部临时断面的布置，一般是在因进场道路或局部地形限制，无法在导流前浇筑趾 板的情况下采用。 7 4 8 ( a ) 阿里亚坝( 1 6 0 m ) 1 1 8 ( b ) 辛戈坝( 1 5 0 m ) 第二章高面板堆石坝填筑分期分区型式研究 6 1 0 5 7 0 u - ( c ) 赛格雷多( 1 4 5 m )( d ) 依塔( 1 2 5 m ) 图2 1 巴西几座面板堆石坝的填筑分期情况 2 12 0 0 m 级面板堆石坝分期分区工程实例 国内外，2 0 0 m 级的高混凝土面板堆石坝在建设中都十分注重坝体填筑分期 分区，以控制坝体变形和提高施工质量，除因度汛的需要，采取在上游填筑临时 断面外，坝体填筑分期尽量做到上、下游区平行上升，条件许可时让下游超高。 一期临时断面拦洪度汛，有利于度汛挡水断面受洪水预压，提高压缩模量。2 0 0 m 级面板堆石坝工程坝体填筑分期一般分为5 8 期，以下以几个典型工程为例说 明坝体填筑分期分区的建设经验。 2 1 1 天生桥一级 天生桥一级混凝土面板堆石坝坝高1 7 8 m ，坝体填筑分为六期【26 | ，如图2 2 所示。坝体在度汛期曾采用e l 6 8 2 、e l 7 2 5 、e l 7 6 8 经济断面挡水，将坝体填筑 分为上游和下游两半部分及五个高程分期分区进行填筑，先填筑大坝上游迎水面 部分坝体。大坝工程在2 8 个月中，共填筑1 3 2 5 万m 3 ，完成了蓄水前的坝体填 筑量，比设计规划减少了9 个填筑月，并且坝体月平均填筑强度达4 5 万1 1 3 3 持续 了2 0 多个月。从图中可以看出，其坝体的填筑施工采取了“贴坡式”加高的填 筑方式，上、下游的最大高差达到了1 4 0 m 。 这种填筑方式的优点有：上游经济断面宽度小，易于先将其填筑至度汛所需 高程，用坝体经济断面挡水，降低上游围堰的高度，减少了防洪导流费用：大坝 前半部分和左右两岸先上升从而为面板提前浇筑创造有利条件，避免大坝坝体填 9 第二章高面板堆石坝填筑分期分区型式研究 图2 2 天生桥分期分区填筑示意图 筑全断面上升因填料方量过大而导致上升速度过慢而影响面板浇筑的工期；人为 地为大坝填筑创造了一系列不同高程不同部位的工作面；可以适当降低坝体填筑 的高峰强度，提高机械设备的使用率；上游部分坝体进行处理或面板施工过程中， 下游部分坝体可以继续进行填筑而不必中断施工，保持了施工强度的均衡性。 对于天生桥面板坝的施工填筑分期分区，国内一些学者进行了相关的计算分 析。计算分析结果表明：在这种施工方式下，坝体下游坝坡附近出现了水平位移 大值等值线的密集区，而且这些大值等值线沿下游坝坡方向一直延伸到上游坝坡 上部1 27 1 。从位移增量的分布看，较大的位移增量主要集中在新、老填筑体交界面 附近。由此可见，这样的坝体变形趋势必将导致上游坝体水平位移的过量增大， 从而恶化面板的支撑条件。在后期的大坝监测中也发现因坝体的不均匀沉降出现 了严重的面板脱空和裂缝。 ( 1 ) 面板脱空 一、二期和三期面板项部高程分别为6 8 0 m ，7 4 6 m 和7 8 7 3 m 。每期面板项 部存在严重的脱空现象。一、二期面板有8 5 的面板脱空，三期面板有5 2 的 面板脱空，经现场检查，最大脱空深度( 沿面板斜长) 1 0 m ，最大脱空高度1 5 c m 。 2 0 0 2 年6 月用物探方法对0 + 4 4 6 - - - - 1 + 0 3 8 河床坝段，高程7 6 0 m 以上的三期面板 脱空进行检测，发现有6 4 个脱空区，总面积8 314 m 2 ，占检测面积2 7 8 0 5 m 2 的 3 0 ，脱空高度1 5 c m ，其中有8 个脱空区的脱空高度达到4 5 c m 。 ( 2 ) 面板裂缝 1 9 9 7 年5 月- - - , 2 0 0 0 年1 月对面板裂缝先后进行了7 次检查，发现裂缝1 2 9 6 条，其中缝宽大于0 3 m m 的裂缝有3 5 5 条，最大缝宽4 m m ，裂缝深度1 0 3 4 c m ， 没有贯穿面板。2 0 0 2 年4 月7 月对高程7 4 8 6 m 以上的三期面板进行裂缝检查， 发现裂缝4 5 3 7 条，其中新裂缝约占6 1 ，裂缝总长度约2 2 0 0 0 m ，缝宽大于0 3 m m 的裂缝有8 0 条，裂缝最大深度4 1 7 c m ，己贯穿面板厚度。面板裂缝发生部位与 1 0 第二章高面板堆石坝填筑分期分区型式研究 面板脱空部位基本一致，均发生在各期面板项部。 2 1 2 洪家渡 洪家渡面板堆石坝最大坝高17 9 5 m ，坝顶长度4 2 7 7 9 m ，坝体基础部位上下 游方向最大宽度5 0 0 m ，总填筑量9 0 0 万m 3 ，平均填筑强度3 0 万m 3 f l 。 坝体填筑共分为六期 2 8 1 ，如图2 3 所示。坝体填筑分期主要满足坝体施工安 全、坝体度汛方式、提前发电、坝体均匀上升等因素。洪家渡坝体施工分期模式 为“一枯度汛抢栏洪、后期度汛抢发电，即截流后第一个枯期将坝体填筑到安 全度汛水位，度汛坝体不过流，靠坝体临时断面挡水；施工后期，将坝体填筑到 导流洞封堵后的度汛水位，同时满足首台发电机的发电水位要求。 施工期坝体最大沉降12 7 c m ，面板最大脱空1 1 9 m m 。三期面板施工完成近 1 0 个月以后，经全面检查面板无结构性裂缝，温度性裂缝仅3 3 条。周边缝最大 张开量6 m m ，最大剪切量8 m m ，最大沉降量1 3 m m ，远低于设计值。至2 0 0 6 年 3 月，坝体最大沉降1 3 2 2 c m ，仅占坝高的0 7 4 。 洪家渡工程的分期分区施工在借鉴了天生桥一级面板坝施工经验的基础上， 为了控制坝体变形，严格控制了填筑各区之间的高差，采取在上游先填临时断面 外，坝面尽量做到上下游平行上升，条件许可时让下游超高，并在面板浇注前预 留一定的沉降时间。从目前的运行情况看，洪家渡面板坝的填筑方式较天生桥一 级坝合理1 2 9 】。 2 1 3 水布垭 图2 3 洪家渡面板坝填筑分期分区示意图 水布垭面板堆石坝最大坝高2 3 3 m ，填筑方量15 6 3 万m 3 ，平均填筑强度为 2 2 万m 3 月，最大强度出现在第二期中达8 0 万m 3 月。坝体填筑分为五期。 第二章高面板堆石坝填筑分期分区型式研究 第一期填筑在2 0 0 3 年汛前完成，坝面具备与导流洞联合过流条件( 实际未 达到设计过流流量，坝面未过流) ；第二期填筑在2 0 0 4 年汛前完成，坝体上游填 筑至高程2 8 8 m ，利用坝体经济断面挡水；第三期填筑将下游侧坝体填筑高程较 原规划抬高，以减少坝体中由于经济断面填筑而可能出现的不利的位移情况，也 可改善后续浇筑的混凝土面板的应力条件：根据计算分析，坝体填筑高度高于当 期面板高程2 0 m 以上时可大大改善面板的应力条件【3 0 】，因此大坝第四期上游区 填筑由原规划的高程3 5 5 m 加高至高程3 6 4 m ，高于二期面板顶部高程2 4 m ，下 游除上坝道路占压部位外基本与上游同步上升；大坝第五期填筑时坝体全断面填 筑至高程4 0 5 m ；大坝六期填筑也是全断面平起上升。 图2 - 4 水布垭坝体填筑分期分区示意图 至2 0 0 6 年7 月，坝体最大沉降2 2 3 c m ，最大水平位移4 0 c m ，通过对坝体原 观测资料的比较分析，证明水布垭大坝的沉降变形处于较低水平，坝体整体沉降 变形情况良好【3 l 】，说明水布垭大坝的设计与填筑施工是比较合理的。 2 1 4 三板溪 三板溪面板坝最大坝高18 5 5 m ，填筑方量8 7 1 。4 万m 3 ，主坝分6 期填筑， 如图2 5 所示。在一个枯水期，将大坝临时断面填筑9 7 m 高，上下游坝面高差 4 5 m 6 0 m ，填筑量达2 3 0 万m 3 ，高峰强度达7 3 万m 3 月，坝体拦洪达到了全年 2 0 0 年一遇洪水的度汛要求。实现了坝体施工不受汛期影响，坝体填筑连续施工， 为提前1 4 个月发电奠定了基础，并节省了围堰工程量，确保了三板溪水电站主 体工程各项节点目标的顺利实现1 32 i 。 同时为缩短运输里程、提高填筑速度在坝后3 7 0 - - 4 6 5 m 高程之间预留施工 便道( 此便道待坝主体填筑至4 6 5 m 高程后进行补填) ，所以在先后填筑区结合 部位必然存在一定的松散体，易使沉降过程产生内敛现象，从而导致面板出现脱 1 2 第二章高面板堆石坝填筑分期分区型式研究 空现象。为了确保填筑体整体密实度，在后期填筑前先用挖掘机清除松散体至密 实体，然后用振动碾碾压密实后再分层填筑，结合部位的填筑结合后期填筑进行， 层厚、石料块径控制在4 0 c m 以内。 图2 5 三板溪坝体填筑分期分区示意面图 三板溪主坝分别在坝前石渣及黄土覆盖前、下闸蓄水前及库水淹没前对一 期、二期、三期面板混凝土进行了表面缺陷检查，检查发现：一期面板共发现 1 5 条裂缝，二期面板混凝土共发现4 2 条裂缝，裂缝宽度小于0 2 m m 的共3 5 条； 三期面板混凝土共发现4 9 条裂缝，裂缝宽度均小于0 2 m m 。为了确定裂缝深度， 在表面检查的基础上对宽度大于0 2 m m 以上的裂缝进行凿槽及钻孔取芯检查， 检查结果为一期、二期、三期面板裂缝的最大深度分别为3 2 m m 、2 6 m m 、3 9 m m ， 均为表面裂缝，未发现贯穿性裂缝1 3 引。 2 1 5 紫坪铺 紫坪铺面板坝最大坝高1 5 6 m ，填筑总方量1 1 7 7 万m 3 。紫坪铺坝体填筑分 为三期1 3 4 1 ，如图2 6 所示。大坝填筑分三期，按“上游高下游低”分期施工，2 0 0 3 年3 月1 日大坝开始填筑，2 0 0 3 年1 2 月2 8 日大坝一期填筑断面填筑至高 程8 1 0 o m ，顶宽3 0 m ，后坡坡度为l ：1 5 ，下游填筑体高程7 7 0 m ；2 0 0 4 年7 月 3 1 日二期上游至高程