开题报告-黄金峡碾压混凝土重力坝设计及有限元应力计算.doc

毕业设计（论文） 开题报告题 目 黄金峡碾压混凝土重力坝 设计及有限元应力计算 专 业 水利水电工程 班 级 工101班 学 生 指导教师 2014 年131 毕业设计课题来源、类型本课题来源于在建的引汉济渭工程中的黄金峡水库工程。黄金峡水库位于汉江干流上游峡谷段，陕西南部汉中盆地以东的洋县境内，坝址位于石泉水电站库尾黄金峡锅滩下游2km处，距洋县62km，佛坪45km，汉中市135km，西汉高速从附近通过，为引汉济渭工程的第一水源地。枢纽由拦河坝、泄洪建筑物、水电站及升船机等组成，拦河坝为碾压混凝土重力坝。枢纽的主要任务是拦蓄河水，雍高水位、发电和航运。黄金峡水库工程为等工程，其主要建筑物按2级标准设计，次要建筑物按3级标准设计。本课题属于工程设计类。2 选题的目的及意义作为一名应届大学毕业生，毕业设计是我们在校期间最后也是最重要的一个总结性、全面性、实践性的学习环节。它是综合应用在校期间所学基础课、专业基础课以及专业课知识、结合工程实际，进行一次系统的、有机的解决工程实际问题的实践性学习环节，从而提高对工程问题的实际操作能力。2.1 选题的目的(1)巩固和提高在校所学的基础理论和专业知识，并使之系统化、实践化，提高综合运用能力，强化对基本知识和基本技能的掌握及应用；(2)培养理论联系实际，综合应用所学知识解决实际工程技术问题的能力；提高独立思考、提出问题、钻研问题、分析问题和解决问题的能力；(3)掌握资料的收集和分析方法、相关规范的选择和运用能力，并初步掌握设计水利枢纽工程及其建筑物的内容、原则、方法和步骤；(4)进一步提高设计、计算、绘图、编写设计报告、使用规范手册以及对于计算机软件（Word、Auto CAD、ANSYS等）的应用能力；(5)扩大专业词汇量，提高专业外文翻译的能力；(6)培养正确的设计思想和观念，树立热爱水利水电建设事业的高尚情操；树立严肃认真、谦虚谨慎、实事求是、认真负责、勇于创新的工作作风；(7)通过水利水电枢纽工程设计的综合训练，为顺利走向工作岗位，从事水利水电工程设计、施工、科研及管理等工作奠定坚实的基础。2.2 选题的意义本次毕业设计的选题为黄金峡碾压混凝土重力坝设计及有限元应计算。重力坝是最早出现的一种坝型，也是我国高坝建设中的主要坝型，而碾压混凝土重力坝的出现又进一步促进了重力坝的发展。碾压混凝土重力坝是二十世纪八十年代以来发展较快的一种新的筑坝技术，其是把土石坝施工中的碾压技术应用于混凝土坝，采用自卸汽车或皮带输送机将干硬性混凝土运到仓面，以推土机平仓，分层填筑，振动压实成坝。碾压混凝土重力坝与常态混凝土坝相比，有施工简单、单位体积胶凝材料用量少；单位体积用水量少；不设纵缝（也可少设或或不设横缝）；施工导流容易及工程造价低等优点。但由于外界条件的复杂性，碾压混凝土重力坝的设计、施工过程中问题仍然十分突出。因此，如何科学、合理地设计碾压混凝土重力坝具有十分重要的意义。3 本课题在国内外的研究状况及发展趋势3.1 水，水环境，水利工程水是维持生命必不可少的物质，是所有生物的结构组成和生命活动的主要物质基础，也是维系生态平衡，决定环境质量状况最积极最活跃的自然因素。全球水储量约13.86108 km3。其中，海洋等咸水占97.5%，约13.51108km3，而陆地上淡水储量包括冰川与永久积雪、地下淡水、河流等水体，只占总储量的2.5%，约0.35108km3。陆地上淡水储量中大部分（69.5%）是固体冰川，难以利用的深层地下淡水量占30%。目前人类比较容易利用的淡水资源，主要是河流水、湖泊水，以及浅层地下水，储量不足1%1。我国水资源的特点有：（1）总量不算少，但人均量偏低；（2）地区分布上，极度不均匀；（3）与耕地，人口的分布不相匹配；（4）年内，年际变化大2。然而，与发达国家相比，我国的水力资源开发利用的程度不高，现状水能开发率仅30%左右，大大低于发达国家50%70%的水平。因此，在相当长的时期内，我国水能资源开发利用的潜力巨大2。 水利是人类社会为了生存和发展的需要，采取各种措施对自然界的水和水域进行控制和调配，以防治水旱灾害，开发利用和保护水资源的活动研究,这类活动及其对象的技术理论和方法的知识体系称为水利科学。为了充分利用水资源，研究自然界水资源，对河流进行控制和改造，采取工程措施，合理使用和调配水资源，以达到除害兴利的各部门从事的事业统称为水利事业3。水利工程按其承担的任务可分为：防洪工程、农田水利工程、水力发电工程、城市供水及排水工程、航道及港口工程、环境水利工程等4。3.2 重力坝的发展重力坝是世界上出现最早的一种坝型。人类修建重力坝的历史可追溯到数千年前。公元前2900年埃及美尼斯王朝在首都孟斐斯城附近的尼罗河上，建造了一座高15m长240m的挡水坝。5中国于公元前3世纪在连通长江与珠江流域的灵渠工程上，修建了一座高5m的砌石溢流坝，迄今已运行2000多年，是世界上现存的，使用历史最久的一座重力坝。早期的重力坝都是凭经验建造的，由于坝断面越大坝体就越安全这详一个简单的道理，早期建造的重力坝其断面都较大，又由于没有统一的理论作指导，坝体断面形状千差万别6。18世纪，在法国和西班牙用浆砌石修建了早期的重力坝，横断面都很大，接近于梯形。1853年以后，在筑坝实践中，设计理论逐步发展，法国工程师们开始拟出一些重力坝的设计准则，如抗滑稳定、坝基应力三分点准则等，出现了以三角形断面为基础的重力坝断面。20世纪初，由于混凝土工艺和施工机械的迅速发展，在美国建造了阿罗罗克坝和象山坝等第一批混凝土重力坝。1930年以后，美国修建了高183m的沙斯塔坝和高168m的大古力坝以后，重力坝的设计理论和施工技术有了一个飞跃67。重力坝在水压力及其他荷载作用下，主要依靠坝体自重产生的抗滑力来满足稳定要求；同时依靠坝体自重产生的压力来抵消由于水压力所引起的拉应力以满足强度要求。它之所以得到广泛的采用，是因为它有以下几方面的优点：（1）结构作用明确，设计方法简单，安全可靠；（2）对地形、地质适应性较强； (3)枢纽泄洪问题容易解决；（4） 便于施工导流。在施工期可以用坝体导流，一般不需另设导流隧洞；（5） 施工方便4。3.3 碾压混凝土技术的发展碾压混凝土是一种干硬性贫水泥的混凝土，使用硅酸盐水泥、火山灰质掺合料、水、外加剂、砂和粗骨料拌制成无坍落度的干硬性混凝土，采用与土石坝施工相同的运输及铺筑设备，用振动碾分层压实8。碾压混凝土筑坝技术于20 世纪70年代兴起，我国80年代初开始研究。碾压混凝土坝具有混凝土体积小、工艺简单、上坝强度高、防渗性能好、坝身可溢流、工期短、造价低、适应性强、可使用大型通用机械等优点，能产生巨大的经济和环境效益，已广泛运用于道路、机场、大坝中。但碾压混凝土坝也存在自身的问题：沿层面低抗剪强度和强透水性10。对于低坝，这些问题尚不突出，但对高碾压混凝土重力坝，层面的抗滑稳定是大坝剖面设计的制约因素，包括浅层和深层抗滑9。我国碾压混凝土坝起步较晚，但发展很快，自1986年完成福建坑口重力坝以来 ,经历了20多年的发展。特别是通过国家“七五”、“八五”、“九五”三次科技攻关研究 ,取得了明显进步,通过不断的工程实践，积累了丰富的经验11。中国的碾压混凝土筑坝技术创新，在国际上产生了巨大影响，我国碾压混凝土筑坝技术的混凝土配合比、大坝填筑入仓方法、摊铺碾压、模板工艺、坝体分缝、坝体防渗、温控防裂等方面在设计和施工领域取得了一批有价值的成果，推动了我国碾压混凝土筑坝技术的快速发展，多项指标处于国际领先水平12。3.4 碾压混凝土重力坝的发展最近几十年发展起来的碾压混凝土筑坝技术的应用，使得碾压混凝土重力坝成为了目前最有竞争力的两种坝型之一。早在二十世纪八十年代，碾压混凝土筑坝技术就替代了传统混凝土筑坝。碾压混凝土坝是从根本上改革常规的大坝混凝土浇捣施工方法，采用水泥含量低的超干硬性混凝土熟料，由土石坝的现代施工机械和碾压设备实施运料，通仓铺填，逐层碾压固结而成的坝。碾压混凝土坝与常态混凝土相比，具有以下优点：(1)工艺程序简单，可快速施工，缩短工期，提前发挥工程效益；(2)胶凝材料（水泥+粉煤灰，矿渣或其它具有一定活性的混合材料）用量少，一般在120160kg/m3之间，其中水泥约为6090 kg/m3；(3)由于水泥用量少，结合薄层大仓面浇筑，坝体内部混凝土的水化热温升可大大降低，从而简化了温控措施；(4)不设纵缝，节省了模板和接缝灌浆等费用，有的甚至整体浇筑，不设横缝；(5)可使用大型通用施工机械设备，提高混凝土运输和填筑的工效；(6)降低了工程造价。43.5 碾压混凝土重力坝的施工特点 虽然RCC施工方法的优点很多，但也必须认识到它的一些不足。有些优点只有在特定的拌和物、结构型式、生产方法、天气以及其他条件下才适用。同样，有些缺点也只是相对于特殊的现场条件和设计。因此，每个碾压混凝土程必须进行技术、经济两方面的详细评价，并和其他的施工方案进行对比。 与传统混凝土坝相比，碾压混凝土坝在施工方面具有以下优点： (1)施工速度快(对高坝，每周可实现垂直上升2.53.Om，低坝的施工速度可以更快)。 (2)设备利用率高(如卡车、推土机、振动碾等)。 (3)施工费用低。 (4)降低了浇筑块间的水平高差，提高了施工安全度（类似的方法可以应用到传统混凝土坝的施工中，即采用通仓浇筑(ELCM)施工，日本曾在低坝中应用过，类似于RCD，但使用插入式振捣器而不是振动碾。类似的方法也可应用于高坝的顶层施工）。 (5)减少了模板用量，提高了安全性。 (6)取消了缆机，减少了坝肩开挖，对环境影响小1317。3.6 碾压混凝土重力坝的发展趋势碾压混凝土坝已由20世纪80年代初期的贫胶凝材料碾压混凝土坝转向中、富胶凝材料碾压混凝土坝。碾压混凝土坝发展方向的变化有以下4方面原因： (1)对碾压混凝土性能的认识更深刻。已建各类碾压混凝土坝钻芯检测发现，富胶凝材料碾压混凝土的性能优良，由此增强了对碾压混凝土材料的信心。 (2)碾压混凝土坝的规模越来越大。到1990年，只建成了一座高度超过lOOm的碾压混凝土坝-Tamagawaf14，199l1996年，建成的碾压混凝土坝中有12座坝高超过100m，且还有5座超过100m的碾压混凝土坝在建。随着建坝规模扩大，对碾压混凝土性能的要求也在提高。与富胶凝材料碾压混凝土相比，贫胶凝材料碾压混凝土的现场性能(粘聚力、抗拉强度等)都要差一些。 (3)碾压混凝土坝的用途发生变化。早期的碾压混凝土坝很少用于水电工程，但到20世纪80年代后期及90年代，越来越多的碾压混凝土坝被用于水电工程，因此碾压混凝土坝要常年蓄水，需提高坝的防渗性和对大坝防渗的信心。(4) 经济性。由于富胶凝材料碾压混凝土的性能比贫胶凝材料碾压混凝土有显著改善，因此重力坝的断面可以减小，特别在地震活动带。虽然富胶凝材料碾压混凝土的材料费用较高，但在安全度相同的情况下，其总体造价(碾压混凝土坝体造价与防渗结构的造价之和)往往低于贫胶凝材料碾压混凝土坝1516。3.7 碾压混凝土重力坝的应力特点常态混凝土重力坝常采用独立坝块浇筑，接缝灌浆前，坝体不承受水荷载，温度应力计算只考虑地基约束产生的拉应力。而碾压混凝土重力坝即不设纵缝，施工时也不进行水管冷却，在坝体竣工蓄水运行时，坝内温度远没有降低至稳定温度。计算表明，对碾压混凝土重力坝，如果模拟施工过程，自重、水压力与温度3种荷载分布叠加计算，自重和水压力对减小坝体内部应力和表面由于温度变化而产生的拉应力是有利的。4水工混凝土结构的温度场、应力场计算，是判断混凝土是否出现裂缝，特别是严重裂缝的重要分析手段。温度场及应力场计算结果，可为设计和施工中及时采取合理的温控措施提供依据18。碾压混凝土以低热著称，容易使人产生错觉，认为碾压混凝土温度应力较小，不必注意其温度控制问题。事实上，碾压混凝土坝也属于大体积混凝土结构，产生温度应力的机理与常规混凝土坝相同，经过认真研究碾压混凝土材料的特性和碾压混凝土坝的施工特点，人们发现碾压混凝土坝的温度应力问题并不简单：碾压混凝土为低热筑坝材料，由于水泥用量少，其水化热温升一般为1525，仅为常态混凝土的5070，特别是在早龄期(3天以内)，温升仅为常态混凝土的13左右，这些对降低大坝水化热温升是十分有利的。碾压混凝土含水量低，且掺有相当数量的粉煤灰，因而水化热发生延迟，这使得施工面自然散热效率降低。碾压混凝土坝不设纵缝，甚至不设横缝，施工采用通仓浇筑快速上升，这一方面减少了暴露面，对减小温度应力有利，但在另一方面使混凝土内外约束增强，且施工面散热时间短，对减小温度应力不利。碾压混凝土的受拉徐变随粉煤灰掺量的增加而减小，所以碾压混凝土坝的温度应力松弛也较常态混凝土坝小，对温度应力不利。碾压混凝土坝一般在低温季节浇筑，但对高坝，要么在高温季节停工，以牺牲施工速度换取简化温控措施，要么高温季节连续浇筑，但要在冷却骨料、降低入仓温度、分缝等方面采取措施。因此，碾压混凝土坝不容置疑地也存在着温度应力问题。193.8 基于ANSYS软件的有限元应力计算碾压混凝土坝的应力场，温度场、温度应力场分析方法，有以美国为代表的有限元时间过程分析法和以日本为代表的约束系数矩阵法，英国和法国一般采用ANSYS、ADINA和ABACUS等专用程序20。碾压混凝土重力坝的有限元应力计算主要是通过ANSYS软件进行的。ANSYS(analysis system)是20世纪70年代由美国ANSYS公司研制开发的工程分析软件。它是一种融结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型CAE通用有限元软件，可以广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利以及日用家电等一般工业及科学研究2122。 基于ANSYS 软件可计算重力坝应力,采用VB 可视化编程直接访问ANSYS 数据库, 结合等效应力计算公式实现对重力坝建基面等效应力计算,并通过算例验证其实用性、有效性与快捷性。但是，采用ANSYS 进行重力坝坝体应力分析时, 坝踵、坝趾等角缘部位存在应力集中现象, 不过转化为等效应力可以有效地避免这个现象23。可以用ANSYS 软件研究了坝体在各种荷载作用下的应力、位移分布规律，分析了坝体的破坏过程和坝体的整体稳定安全度；通过ANSYS 有限元计算，可以揭示重力坝坝体及坝基应力变形的一般规律并对坝体坝基的稳定安全度作出了评价；ANSYS分析法能更直观地表现大坝的应力变形，荷载变化，应力云图等，对于衡量大坝的稳定性具有明显的优越性。参考文献1 刘汉湖，裴宗平.水资源评价与管理M.北京：中国矿业大学出版社，20072 詹道江，徐向阳，陈元芳.工程水文学M.北京：中国水利水电出版社，20103 辛全才，牟献友.水利工程概论M.黄河水利出版社,20114 林继镛.水工建筑物M.北京：中国水利水电出版社，第5版， 2009.5 张楚汉.水工建筑学M北京：清华大学出版社，2011.66 朱诗鳌.坝工技术史M.北京：中国水利电力出版社,1995.7 潘家铮，何璟.中国大坝50年M.北京：中国水利电力出版社，2000.8 韩玙，叶林.水利水电工程学习指导M.西安：陕西人民出版社，2005 9 崔冠英,朱济祥.水利工程地质M.北京:中国水利水电出版社，2008.10 Dam safety-guidelineseJ.ICOLD Bulletin 59,198711 王圣培.我国碾压砼筑坝技术的发展M，北京：中国水利电力出版 社，2002，（04）12 余梁蜀，王文进，张应波，任少辉. 碾压混凝土坝的沥青混凝土防 渗结构研究M.中国水利水电出版社,200713 贾金生.碾压混凝土坝发展水平和工程实例M.中国水利水电出版 社,200614 YAMAUCHI，T，HARADA，J，OKADA，Tand SHIMADA，S .Construction of Tamagawa by the RCD methodJ.1986.15 BOGGS，HI，and RICHARDSON，ATUSBR design considerations for Roller Compacted Concrete dams in R011er Compacte ConcreteJ，ASCE，New York，198516 DUNSTAN.Discussion to Q 62XVhhJ.ICOI，D Congress,V015，San Francisco，198817 袁光裕,胡志根.水利工程施工M.北京：中国水利水电出版社， 第5版，2009.18 刘数华，方坤河水工碾压混凝土的抗裂性能J哈尔滨工业大 学学报，2009，41(2)19 李守义，张金凯，张晓飞.碾压混凝土坝温度应力仿真计算研究M. 中国水利水电出版社,201020 张国新碾压混凝土坝的温度控制J水利水电技术，2007,38(6)： 414621 苏荣华，梁冰.工程结构分析(ANSYS应用)M.东北大学出版社， 201222 LI Fenhua,XING Jian,CUI Xuekun,GUO Weizhao.Study on the stress of the concrete gravity dam heel by Ansys finite elementJ.2010 , Page(s): 1 - 423 蒋春艳，黎峰，徐琛琛，李贺.基于ANSYS 的重力坝建基面等效应 力计算 M. 广西水利水电出版社，2011，（1）：14-16.4 毕业设计的主要研究内容毕业设计题目：黄金峡碾压混凝土重力坝设计及有限元应力计算。毕业设计的基本内容： （1）了解黄金峡的工程概况，熟悉设计所需的地形、地质、水文等资料； （2） 在外文阅览室或利用网络资源查找近五年与本课题相关的外文文献，将其中的一篇翻译成中文，要求中文不少于2000字。 （3） 根据设计内容需要查阅相关文献资料，了解国内外研究现状和发展趋势，并结合设计的意义、目的、内容、要求和具体目标，完成并提交开题报告一份。 （4） 进行黄金峡混凝土重力坝枢纽的整体布置，初步确定坝轴线的位置以及泄洪表孔和底孔的位置、形式和尺寸。 （5） 进行调洪演算，计算设计洪水下泄流量和校核洪水下泄流量，从而确定水库设计洪水位和校核洪水位，确定坝顶高程，并在此基础上完成黄金峡混凝土重力坝枢纽平面布置。 （6） 拟定黄金峡混凝土重力坝的剖面形式及尺寸，选定一个典型坝段（最大剖面坝段）进行坝体稳定分析和强度计算。 （7）确定泄洪表孔和底孔的形式及尺寸，进行水力计算，从而确保设计和校核情况下的安全泄洪能力。 （8）进行黄金峡混凝土重力坝细部结构设计，并画出相应的草图。 （9）采用AutoCAD绘制所有设计图纸。（10）利用ansys软件对黄金峡混凝土重力坝进行建模及简单的有限元应力计算分析。5 完成毕业设计的条件和拟采用的手段5.1 完成毕业设计的条件（1）所学的的理论基础知识 大学学习的三年多时间，我们学习了理论力学，材料力学，结构力学，弹性力学，水力学，土力学，工程地质，工程水文学，建筑材料，水工建筑物，水电站，水利工程施工，建设项目管理，水利水能规划，CAD画法几何、水利工程造价等课程，为我们完成毕业设计打下了坚实的理论基础。 （2）实践经验在校期间我们有过多次实习，大二上学期的认识实习，我们到黑河金盆水库，三原西郊水库进行了参观学习；大二下学期，在校内进行了工程测量实习；大三到马渡王水文站进行了水文实习；大四上学期，我们参加了生产及地质实习，实地参观了李家河水库，南沟门水库，亭口水利枢纽工程，引汉济渭工程中的黄金峡和三河口的坝址等等，在此期间听了大量具有丰富经验的高级工程师的报告，看了一些工程实例，达到了理论知识与工程实际相结合的效果。不仅进一步巩固了所学知识，使我们对理论知识的认识更深刻，而且在实际设计时能够更加容易地运用理论知识。(3） 专业的教学团队与丰富的文献资料 在毕业设计过程中，有老师的专业指导，毕业设计的每一步都会有专题讲座，遇到不懂得问题可以与老师交流。水利水电工程专业核心课程教学团队是国家级教学团队。水工系老师们也有着丰富的教学经验，学院收集了大量的实际工程资料，为毕业设计奠定了良好的基础。同时学校硬件设施齐全，且配有装有全套所需设计绘图软件的机房，为我们提供了良好的画图条件。其次，学校