1、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 開題報(bào)告題 目 黃金峽碾壓混凝土重力壩 設(shè)計(jì)及有限元應(yīng)力計(jì)算 專 業(yè) 水利水電工程 班 級(jí) 工101班 學(xué) 生 程 帥 指導(dǎo)教師 李守義 覃源 2014 年1 畢業(yè)設(shè)計(jì)課題來源、類型本課題來源于在建的引漢濟(jì)渭工程中的黃金峽水庫工程。黃金峽水庫位于漢江干流上游峽谷段，陜西南部漢中盆地以東的洋縣境內(nèi)，壩址位于石泉水電站庫尾黃金峽鍋灘下游2km處，距洋縣62km，佛坪45km，漢中市135km，西漢高速從附近通過，為引漢濟(jì)渭工程的第一水源地。樞紐由攔河壩、泄洪建筑物、水電站及升船機(jī)等組成，攔河壩為碾壓混凝土重力壩。樞紐的主要任務(wù)是攔蓄河水，雍高水位、發(fā)電和航運(yùn)。黃金峽水庫工程為等

2、工程，其主要建筑物按2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，按3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)本課題屬于工程設(shè)計(jì)類。2 選題的目的及意義作為一名應(yīng)屆大學(xué)畢業(yè)生，畢業(yè)設(shè)計(jì)是我們?cè)谛Ｆ陂g最后也是最重要的一個(gè)總結(jié)性、全面性、實(shí)踐性的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)。它是綜合應(yīng)用在校期間所學(xué)基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課以及專業(yè)課知識(shí)、結(jié)合工程實(shí)際，進(jìn)行一次系統(tǒng)的、有機(jī)的解決工程實(shí)際問題的實(shí)踐性學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，從而提高對(duì)工程問題的實(shí)際操作能力。2.1 選題的目的(1)鞏固和提高在校所學(xué)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí)，并使之系統(tǒng)化、實(shí)踐化，提高綜合運(yùn)用能力，強(qiáng)化對(duì)基；(2)培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際，綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際工程技術(shù)問題的能力；提高獨(dú)立思考、提出問題、鉆研問題、分析問題和解決問題的能力；(3)

3、并初步掌握設(shè)計(jì)水利樞紐工程及其建筑物的內(nèi)容、原則、方法和步驟；(4)進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)、計(jì)算、繪圖、編寫設(shè)計(jì)報(bào)告、使用規(guī)范手冊(cè)以及對(duì)于計(jì)算機(jī)軟件（Word、Auto CAD、ANSYS等）的應(yīng)用能力；(5)擴(kuò)大專業(yè)詞匯量，提高專業(yè)外文翻譯的能力；(6)培養(yǎng)正確的設(shè)計(jì)思想和觀念，樹立熱愛水利水電建設(shè)事業(yè)的高尚情操；樹立嚴(yán)肅認(rèn)真、謙虛謹(jǐn)慎、實(shí)事求是、認(rèn)真負(fù)責(zé)、勇于創(chuàng)新的工作作風(fēng)；(7)通過水利水電樞紐工程設(shè)計(jì)的綜合訓(xùn)練，為順利走向工作崗位，從事水利水電工程設(shè)計(jì)、施工、科研及管理等工作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2.2 選題的意義本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的選題為黃金峽碾壓混凝土重力壩設(shè)計(jì)及有限元應(yīng)計(jì)算。重力壩是最早出現(xiàn)的一種壩

4、型，也是我國(guó)高壩建設(shè)中的主要壩型，而碾壓混凝土重力壩的出現(xiàn)又進(jìn)一步促進(jìn)了重力壩的發(fā)展。碾壓混凝土重力壩是二十世紀(jì)八十年代以來發(fā)展較快的一種新的筑壩技術(shù)，其是把土石壩施工中的碾壓技術(shù)應(yīng)用于混凝土壩，采用自卸汽車或皮帶輸送機(jī)將干硬性混凝土運(yùn)到倉面，以推土機(jī)平倉，分層填筑，振動(dòng)壓實(shí)成壩。碾壓混凝土重力壩與常態(tài)混凝土壩相比，有施工簡(jiǎn)單、單位體積膠凝材料用量少；單位體積用水量少；不設(shè)縱縫（也可少設(shè)或或不設(shè)橫縫）；施工導(dǎo)流容易及工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。但由于外界條件的復(fù)雜性，碾壓混凝土重力壩的設(shè)計(jì)、施工過程中問題仍然十分突出。因此，如何科學(xué)、合理地設(shè)計(jì)碾壓混凝土重力壩具有十分重要的意義。3 本課題在國(guó)內(nèi)外的研究

5、狀況及發(fā)展趨勢(shì)3.1 水，水環(huán)境，水利工程發(fā)達(dá)國(guó)家50%70%的水平。因此，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，我國(guó)水能資源開發(fā)利用的潛力巨大2。 343.2 重力壩的發(fā)展18世紀(jì)，在法國(guó)和西班牙用漿砌石修建了早期的重力壩，橫斷面都很大，接近于梯形。1853年以后，在筑壩實(shí)踐中，設(shè)計(jì)理論逐步發(fā)展，法國(guó)工程師們開始擬出一些重力壩的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，如抗滑穩(wěn)定、壩基應(yīng)力三分點(diǎn)準(zhǔn)則等，出現(xiàn)了以三角形斷面為基礎(chǔ)的重力壩斷面。20世紀(jì)初，由于混凝土工藝和施工機(jī)械的迅速發(fā)展，在美國(guó)建造了阿羅羅克壩和象山壩等第一批混凝土重力壩。1930年以后，美國(guó)修建了高183m的沙斯塔壩和高168m的大古力壩以后，重力壩的設(shè)計(jì)理論和施工技術(shù)有了一

6、個(gè)飛躍67。3.3 碾壓混凝土技術(shù)的發(fā)展3.4 碾壓混凝土重力壩的發(fā)展3.5 碾壓混凝土重力壩的施工特點(diǎn) 施工方法的優(yōu)點(diǎn)很多，但也必須認(rèn)識(shí)到它的一些不足。有些優(yōu)點(diǎn)只有在特定的拌和物、結(jié)構(gòu)型式、生產(chǎn)方法、天氣以及其他條件下才適用。同樣，有些缺點(diǎn)也只是相對(duì)于特殊的現(xiàn)場(chǎng)條件和設(shè)計(jì)。因此，每個(gè)碾壓混凝土程必須進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)兩方面的詳細(xì)評(píng)價(jià)，并和其他的施工方案進(jìn)行對(duì)比。 土壩相比，碾壓混凝土壩在施工方面具有以下優(yōu)點(diǎn)： (1)施工速度快(對(duì)高壩，每周可實(shí)現(xiàn)垂直上升2.53.Om，低壩的施工速度可以更快)。 (2)設(shè)備利用率高(如卡車、推土機(jī)、振動(dòng)碾等)。 (3)施工費(fèi)用低。 (4)降低了澆筑塊間的水平高差

7、，提高了施工安全度（類似的方法可以應(yīng)用到傳統(tǒng)混凝土壩的施工中，即采用通倉澆筑(ELCM)施工，日本曾在低壩中應(yīng)用過，類似于RCD，但使用插入式振搗器而不是振動(dòng)碾。類似的方法也可應(yīng)用于高壩的頂層施工）。 (5)減少了模板用量，提高了安全性。 (6)取消了纜機(jī)，減少了壩肩開挖，對(duì)環(huán)境影響小1317。3.6 碾壓混凝土重力壩的發(fā)展趨勢(shì)碾壓混凝土壩。碾壓混凝土壩發(fā)展方向的變化有以下4方面原因： (1)對(duì)碾壓混凝土性能的認(rèn)識(shí)更深刻。已建各類碾壓混凝土壩鉆芯檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，富膠凝材料碾壓混凝土的性能優(yōu)良，由此增強(qiáng)了對(duì)碾壓混凝土材料的信心。 (2)碾壓混凝土壩的規(guī)模越來越大。到1990年，只建成了一座高度超過lO

8、Om的碾壓混凝土壩-Tamagawaf14，199l1996年，建成的碾壓混凝土壩中有12座壩高超過100m，且還有5座超過100m的碾壓混凝土壩在建。隨著建壩規(guī)模擴(kuò)大，對(duì)碾壓混凝土性能的要求也在提高。與富膠凝材料碾壓混凝土相比，貧膠凝材料碾壓混凝土的現(xiàn)場(chǎng)性能(粘聚力、抗拉強(qiáng)度等)都要差一些。 (3)碾壓混凝土壩的用途發(fā)生變化。早期的碾壓混凝土壩很少用于水電工程，但到20世紀(jì)80年代后期及90年代，越來越多的碾壓混凝土壩被用于水電工程，因此碾壓混凝土壩要常年蓄水，需提高壩的防滲性和對(duì)大壩防滲的信心。(4) 經(jīng)濟(jì)性。由于富膠凝材料碾壓混凝土的性能比貧膠凝材料碾壓混凝土有顯著改善，因此重力壩的斷面

9、可以減小，特別在地震活動(dòng)帶。雖然富膠凝材料碾壓混凝土的材料費(fèi)用較高，但在安全度相同的情況下，其總體造價(jià)(碾壓混凝土壩體造價(jià)與防滲結(jié)構(gòu)的造價(jià)之和)往往低于貧膠凝材料碾壓混凝土壩1516。3.7 碾壓混凝土重力壩的應(yīng)力特點(diǎn)常態(tài)混凝土重力壩常采用獨(dú)立壩塊澆筑，接縫灌漿前，壩體不承受水荷載，溫度應(yīng)力計(jì)算只考慮地基約束產(chǎn)生的拉應(yīng)力。而碾壓混凝土重力壩即不設(shè)縱縫，施工時(shí)也不進(jìn)行水管冷卻，在壩體竣工蓄水運(yùn)行時(shí)，壩內(nèi)溫度遠(yuǎn)沒有降低至穩(wěn)定溫度。計(jì)算表明，對(duì)碾壓混凝土重力壩，如果模擬施工過程，自重、水壓力與溫度3種荷載分布疊加計(jì)算，自重和水壓力對(duì)減小壩體內(nèi)部應(yīng)力和表面由于溫度變化而產(chǎn)生的拉應(yīng)力是有利的。4水工混凝

10、土結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算，是判斷混凝土是否出現(xiàn)裂縫，特別是嚴(yán)重裂縫的重要分析手段。溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，可為設(shè)計(jì)和施工中及時(shí)采取合理的溫控措施提供依據(jù)18。碾壓混凝土以低熱著稱，容易使人產(chǎn)生錯(cuò)覺，認(rèn)為碾壓混凝土溫度應(yīng)力較小，不必注意其溫度控制問題。事實(shí)上，碾壓混凝土壩也屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生溫度應(yīng)力的機(jī)理與常規(guī)混凝土壩相同，經(jīng)過認(rèn)真研究碾壓混凝土材料的特性和碾壓混凝土壩的施工特點(diǎn)，人們發(fā)現(xiàn)碾壓混凝土壩的溫度應(yīng)力問題并不簡(jiǎn)單：碾壓混凝土為低熱筑壩材料，由于水泥用量少，其水化熱溫升一般為1525，僅為常態(tài)混凝土的5070，特別是在早齡期(3天以內(nèi))，溫升僅為常態(tài)混凝土的13左右，這些對(duì)降低

11、大壩水化熱溫升是十分有利的。碾壓混凝土含水量低，且摻有相當(dāng)數(shù)量的粉煤灰，因而水化熱發(fā)生延遲，這使得施工面自然散熱效率降低。碾壓混凝土壩不設(shè)縱縫，甚至不設(shè)橫縫，施工采用通倉澆筑快速上升，這一方面減少了暴露面，對(duì)減小溫度應(yīng)力有利，但在另一方面使混凝土內(nèi)外約束增強(qiáng)，且施工面散熱時(shí)間短，對(duì)減小溫度應(yīng)力不利。碾壓混凝土的受拉徐變隨粉煤灰摻量的增加而減小，所以碾壓混凝土壩的溫度應(yīng)力松弛也較常態(tài)混凝土壩小，對(duì)溫度應(yīng)力不利。碾壓混凝土壩一般在低溫季節(jié)澆筑，但對(duì)高壩，要么在高溫季節(jié)停工，以犧牲施工速度換取簡(jiǎn)化溫控措施，要么高溫季節(jié)連續(xù)澆筑，但要在冷卻骨料、降低入倉溫度、分縫等方面采取措施。因此，碾壓混凝土壩不容

12、置疑地也存在著溫度應(yīng)力問題。193.8 基于ANSYS軟件的有限元應(yīng)力計(jì)算碾壓混凝土壩的應(yīng)力場(chǎng)，溫度場(chǎng)、溫度應(yīng)力場(chǎng)分析方法，有以美國(guó)為代表的有限元時(shí)間過程分析法和以日本為代表的約束系數(shù)矩陣法，英國(guó)和法國(guó)一般采用ANSYS、ADINA和ABACUS等專用程序20。碾壓混凝土重力壩的有限元應(yīng)力計(jì)算主要是通過ANSYS軟件進(jìn)行的。ANSYS(analysis system)是20世紀(jì)70年代由美國(guó)ANSYS公司研制開發(fā)的工程分析軟件。它是一種融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁和聲學(xué)于一體的大型CAE通用有限元軟件，可以廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國(guó)防軍工、電子、土木工程

13、、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利以及日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究2122。參考文獻(xiàn)1 劉漢湖，裴宗平.水資源評(píng)價(jià)與管理M.北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，20072 詹道江，徐向陽，陳元芳.工程水文學(xué)M.北京：中國(guó)水利水電出版社，20103 辛全才，牟獻(xiàn)友.水利工程概論M.黃河水利出版社,20114 林繼鏞.水工建筑物M.北京：中國(guó)水利水電出版社，第5版， 2009.5 張楚漢.水工建筑學(xué)M北京：清華大學(xué)出版社，2011.66 朱詩鰲.壩工技術(shù)史M.北京：中國(guó)水利電力出版社,1995.7 潘家錚，何璟.中國(guó)大壩50年M.北京：中國(guó)水利電力出版社，2000.8 韓玙，葉林.水利水電工程學(xué)習(xí)指導(dǎo)M.西

14、安：陜西人民出版社，2005 9 崔冠英,朱濟(jì)祥.水利工程地質(zhì)M.北京:中國(guó)水利水電出版社，2008.10 Dam safety-guidelineseJ.ICOLD Bulletin 59,198711 王圣培.我國(guó)碾壓砼筑壩技術(shù)的發(fā)展M，北京：中國(guó)水利電力出版 社，2002，（04）12 余梁蜀，王文進(jìn)，張應(yīng)波，任少輝. 碾壓混凝土壩的瀝青混凝土防 滲結(jié)構(gòu)研究M.中國(guó)水利水電出版社,200713 賈金生.碾壓混凝土壩發(fā)展水平和工程實(shí)例M.中國(guó)水利水電出版 社,200614 YAMAUCHI，T，HARADA，J，OKADA，Tand SHIMADA，S .Construction of T

15、amagawa 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：中國(guó)水利水電出版社， 第5版，2009.18 劉數(shù)華，方坤河水工碾壓

16、混凝土的抗裂性能J哈爾濱工業(yè)大 學(xué)學(xué)報(bào)，2009，41(2)19 李守義，張金凱，張曉飛.碾壓混凝土壩溫度應(yīng)力仿真計(jì)算研究M. 中國(guó)水利水電出版社,201020 張國(guó)新碾壓混凝土壩的溫度控制J水利水電技術(shù)，2007,38(6)： 414621 蘇榮華，梁冰.工程結(jié)構(gòu)分析(ANSYS應(yīng)用)M.東北大學(xué)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

17、 - 423 蔣春艷，黎峰，徐琛琛，李賀.基于ANSYS 的重力壩建基面等效應(yīng) 力計(jì)算 M. 廣西水利水電出版社，2011，（1）：14-16.4 畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要研究?jī)?nèi)容畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：黃金峽碾壓混凝土重力壩設(shè)計(jì)及有限元應(yīng)力計(jì)算。畢業(yè)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容： （1）了解黃金峽的工程概況，熟悉設(shè)計(jì)所需的地形、地質(zhì)、水文等資料； （2） 在外文閱覽室或利用網(wǎng)絡(luò)資源查找近五年與本課題相關(guān)的外文文獻(xiàn)，將其中的一篇翻譯成中文，要求中文不少于2000字。 （3） 根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容需要查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，了解國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，并結(jié)合設(shè)計(jì)的意義、目的、內(nèi)容、要求和具體目標(biāo)，完成并提交開題報(bào)告一份。 （4） 進(jìn)行黃金峽

18、混凝土重力壩樞紐的整體布置，初步確定壩軸線的位置以及泄洪表孔和底孔的位置、形式和尺寸。 （5） 進(jìn)行調(diào)洪演算，計(jì)算設(shè)計(jì)洪水下泄流量和校核洪水下泄流量，從而確定水庫設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位，確定壩頂高程，并在此基礎(chǔ)上完成黃金峽混凝土重力壩樞紐平面布置。 （6） 擬定黃金峽混凝土重力壩的剖面形式及尺寸，選定一個(gè)典型壩段（最大剖面壩段）進(jìn)行壩體穩(wěn)定分析和強(qiáng)度計(jì)算。 （7）確定泄洪表孔和底孔的形式及尺寸，進(jìn)行水力計(jì)算，從而確保設(shè)計(jì)和校核情況下的安全泄洪能力。 （8）進(jìn)行黃金峽混凝土重力壩細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并畫出相應(yīng)的草圖。 （9）采用AutoCAD繪制所有設(shè)計(jì)圖紙。（10）利用ansys軟件對(duì)黃金峽混凝土重

19、力壩進(jìn)行建模及簡(jiǎn)單的有限元應(yīng)力計(jì)算分析。5 完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的條件和擬采用的手段5.1 完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的條件（1）所學(xué)的的理論基礎(chǔ)知識(shí) 大學(xué)學(xué)習(xí)的三年多時(shí)間，我們學(xué)習(xí)了理論力學(xué)，材料力學(xué)，結(jié)構(gòu)力學(xué)，彈性力學(xué)，水力學(xué)，土力學(xué)，工程地質(zhì)，工程水文學(xué)，建筑材料，水工建筑物，水電站，水利工程施工，建設(shè)項(xiàng)目管理，水利水能規(guī)劃，CAD畫法幾何、水利工程造價(jià)等課程，為我們完成畢業(yè)設(shè)計(jì)打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。 （2）實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)在校期間我們有過多次實(shí)習(xí)，大二上學(xué)期的認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)，我們到黑河金盆水庫，三原西郊水庫進(jìn)行了參觀學(xué)習(xí)；大二下學(xué)期，在校內(nèi)進(jìn)行了工程測(cè)量實(shí)習(xí)；大三到馬渡王水文站進(jìn)行了水文實(shí)習(xí)；大四上學(xué)期，我們參加了生產(chǎn)及

20、地質(zhì)實(shí)習(xí)，實(shí)地參觀了李家河水庫，南溝門水庫，亭口水利樞紐工程，引漢濟(jì)渭工程中的黃金峽和三河口的壩址等等，在此期間聽了大量具有豐富經(jīng)驗(yàn)的高級(jí)工程師的報(bào)告，看了一些工程實(shí)例，達(dá)到了理論知識(shí)與工程實(shí)際相結(jié)合的效果。不僅進(jìn)一步鞏固了所學(xué)知識(shí)，使我們對(duì)理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)更深刻，而且在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)能夠更加容易地運(yùn)用理論知識(shí)。(3） 專業(yè)的教學(xué)團(tuán)隊(duì)與豐富的文獻(xiàn)資料 在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，有老師的專業(yè)指導(dǎo)，畢業(yè)設(shè)計(jì)的每一步都會(huì)有專題講座，遇到不懂得問題可以與老師交流。水利水電工程專業(yè)核心課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)是國(guó)家級(jí)教學(xué)團(tuán)隊(duì)。水工系老師們也有著豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，學(xué)院收集了大量的實(shí)際工程資料，為畢業(yè)設(shè)計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)。同時(shí)學(xué)校硬件設(shè)施齊全，且配有裝有全套所需設(shè)計(jì)繪圖軟件的機(jī)房，為我們提供了良好的畫圖條件。其次，學(xué)校圖書館中有大量的與畢業(yè)設(shè)計(jì)相關(guān)的文獻(xiàn)資料可供借閱與參考，也有許多的工程實(shí)習(xí)可作參考，實(shí)力雄厚的師資隊(duì)伍和優(yōu)越的學(xué)習(xí)環(huán)境給我們提供了良好的受教條件，為我們進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。5.2 擬采用的手段（1）多方面查閱資料，了解黃金峽的工程概況，熟悉設(shè)計(jì)所須的各種資料；（2）認(rèn)真閱讀DL5108-1999混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范、DL5077-1997水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范等相關(guān)規(guī)范以及相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)；（3）認(rèn)真聽取學(xué)校安排的一系列的專題講座，如樞紐布置、調(diào)洪計(jì)算、水工建筑物的設(shè)計(jì)等。通