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水 利 学 报

２０２４年 ８月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５５卷 第 ８期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２４）０８ － ０９９０ － ０９

基于参数分类迭代的拱坝体形优化方法及应用

贺春晖，张 冲，张 敬，王仁坤

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 ６１００７２）

摘要：为简化拱坝优化的算法和提升效率，进一步改善拱坝的综合性能，本文首先研究了拱坝不同类型的体形参
数对拱坝受力及体积的不同影响，根据其影响特性和程度将拱坝体形参数分为厚度和曲率半径两类；然后，利用
拱坝应力和体积对两类参数的不同敏感性，提出了分类迭代算法，实现了坝体体积在坝体应力满足设计规范要求
条件下的快速下降。在通过优化算法得到的拱坝体形基础上，根据实际工程需求进一步实施调整，获得多个功能
目标得到改善的最终体形。该 “算法” ＋ “工程经验” 的拱坝体形优化方案成功应用于金沙江叶巴滩拱坝，获得
３
了技施阶段基本体形体积相对招标阶段减少 ９．３万 ｍ ，坝体受力、变形及适应性等各项指标均同步改善的良好
成果。
关键词：拱坝；体形优化；参数分类；迭代算法；工程应用
中图分类号：ＴＶ３１４
文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２４００５１

１ 概述

拱坝作为一种空间薄壳超静定结构，其几何形态对坝体的受力分布和工程经济性均有较为显著的
影响。对整个拱坝设计来说，拱坝的体形设计是其中的首要步骤，也是重要一环，其本质为一个满足
多项约束的数学规划问题，且具有高度非线性。针对拱坝体形优化的研究由来已久，主要围绕以下 ４
个方面开展：（１）优化算法方面的研究，包括序列线性规划 ［１］ 、序列二次规划 ［２］ 、遗传算法 ［３］ 、贝叶
斯方法 ［４］ 等；（２）优化目标方面的研究，如仅针对等应力或等体积的单目标优化 ［５］ ，同时包含体积和
最大主拉应力的双目标优化 ［６］ ，包含体积、最大主拉应力、总应变能的多目标优化 ［７］ ；（３）工况（约
束条件）方面的研究，除传统的静力荷载外，还包括考虑地震荷载 ［１，８ － ９］ 、温度荷载 ［１０］ 、施工过程 ［１１］ 、
荷载不确定性 ［１２］ 等；（４）针对特定曲线线型的优化，包括三次曲线 ［１３］ 、统一二次曲线 ［１４］ 等。
上述方法大多将拱坝体形优化抽象为一个纯数学问题或者纯算法问题，在理论层面以及应用层面
均获得了巨大的成功，为世界范围内的拱坝设计带来了长足的进步，但是从工程设计的角度来看，拱
坝体形优化设计理论方法与拱坝实际工作受力特性之间的联系仍然相对较弱，还存在进一步加强的空
间。本文提出一种新的优化迭代算法，该方法基于体形参数和拱坝受力特性之间的关系分析，将参数
进行分类，从而简化算法并提升效率。在优化迭代计算成果基础上，根据设计需求和工程师经验，利用
节省出的部分坝体体积，进一步改善拱坝的综合性能，从而实现 “算法” ＋“实践” 的组合式优化设计。

２ 参数分类迭代方法

２．１ 参数分类分析 拱坝应力分析的基本方法为拱梁分载法 ［１５］ ，该方法将拱坝视作水平拱系和竖直

收稿日期：２０２４ － ０１ － ２４；网络首发日期：２０２４ － ０７ － ２６
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｌｉｎｋ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｕｒｌｉｄ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２４０７２５．１７１１．００４
基金项目：中国电力建设股份有限公司科技项目（ＤＪＴＧＹＹ２０１６０３）
作者简介：贺春晖（ １９８８ － ），博士，高级工程师，主要从事拱坝设计、高坝抗震等研究。Ｅ － ｍａｉｌ：２８５０００５０８＠ｑｑ．ｃｏｍ
通信作者：张冲（１９７８ － ），博士，正高级工程师，主要从事水电工程设计、数值计算等研究。Ｅ － ｍａｉｌ：１８３８６６９４８７＠ｑｑ．ｃｏｍ
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