黃金峽碾壓混凝土重力壩設(shè)計及有限元應(yīng)力計算

1、 畢業(yè)設(shè)計（論文） 開題報告題 目 黃金峽碾壓混凝土重力壩 設(shè)計及有限元應(yīng)力計算 專 業(yè) 水利水電工程 班 級 工101班 學 生 程 帥 指導教師 李守義 覃源 2014 年1 畢業(yè)設(shè)計課題來源、類型本課題來源于在建的引漢濟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。黃金峽水庫工程為等

2、工程，其主要建筑物按2級標準設(shè)計，按3級標準設(shè)計本課題屬于工程設(shè)計類。2 選題的目的及意義作為一名應(yīng)屆大學畢業(yè)生，畢業(yè)設(shè)計是我們在校期間最后也是最重要的一個總結(jié)性、全面性、實踐性的學習環(huán)節(jié)。它是綜合應(yīng)用在校期間所學基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課以及專業(yè)課知識、結(jié)合工程實際，進行一次系統(tǒng)的、有機的解決工程實際問題的實踐性學習環(huán)節(jié)，從而提高對工程問題的實際操作能力。2.1 選題的目的(1)鞏固和提高在校所學的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，并使之系統(tǒng)化、實踐化，提高綜合運用能力，強化對基；(2)培養(yǎng)理論聯(lián)系實際，綜合應(yīng)用所學知識解決實際工程技術(shù)問題的能力；提高獨立思考、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)計水利樞紐工程及其建筑物的內(nèi)容、原則、方法和步驟；(4)進一步提高設(shè)計、計算、繪圖、編寫設(shè)計報告、使用規(guī)范手冊以及對于計算機軟件（Word、Auto CAD、ANSYS等）的應(yīng)用能力；(5)擴大專業(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；樹立嚴肅認真、謙虛謹慎、實事求是、認真負責、勇于創(chuàng)新的工作作風；(7)通過水利水電樞紐工程設(shè)計的綜合訓練，為順利走向工作崗位，從事水利水電工程設(shè)計、施工、科研及管理等工作奠定堅實的基礎(chǔ)。2.2 選題的意義本次畢業(yè)設(shè)計的選題為黃金峽碾壓混凝土重力壩設(shè)計及有限元應(yīng)計算。重力壩是最早出現(xiàn)的一種壩

4、型，也是我國高壩建設(shè)中的主要壩型，而碾壓混凝土重力壩的出現(xiàn)又進一步促進了重力壩的發(fā)展。碾壓混凝土重力壩是二十世紀八十年代以來發(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將干硬性混凝土運到倉面，以推土機平倉，分層填筑，振動壓實成壩。碾壓混凝土重力壩與常態(tài)混凝土壩相比，有施工簡單、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）；施工導流容易及工程造價低等優(yōu)點。但由于外界條件的復雜性，碾壓混凝土重力壩的設(shè)計、施工過程中問題仍然十分突出。因此，如何科學、合理地設(shè)計碾壓混凝土重力壩具有十分重要的意義。3 本課題在國內(nèi)外的研究

5、狀況及發(fā)展趨勢3.1 水，水環(huán)境，水利工程發(fā)達國家50%70%的水平。因此，在相當長的時期內(nèi)，我國水能資源開發(fā)利用的潛力巨大2。 343.2 重力壩的發(fā)展18世紀，在法國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，在筑壩實踐中，設(shè)計理論逐步發(fā)展，法國工程師們開始擬出一些重力壩的設(shè)計準則，如抗滑穩(wěn)定、壩基應(yīng)力三分點準則等，出現(xiàn)了以三角形斷面為基礎(chǔ)的重力壩斷面。20世紀初，由于混凝土工藝和施工機械的迅速發(fā)展，在美國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)計理論和施工技術(shù)有了一

6、個飛躍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 施工方法的優(yōu)點很多，但也必須認識到它的一些不足。有些優(yōu)點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，有些缺點也只是相對于特殊的現(xiàn)場條件和設(shè)計。因此，每個碾壓混凝土程必須進行技術(shù)、經(jīng)濟兩方面的詳細評價，并和其他的施工方案進行對比。 土壩相比，碾壓混凝土壩在施工方面具有以下優(yōu)點： (1)施工速度快(對高壩，每周可實現(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、振動碾等)。 (3)施工費用低。 (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，減少了壩肩開挖，對環(huán)境影響小1317。3.6 碾壓混凝土重力壩的發(fā)展趨勢碾壓混凝土壩。碾壓混凝土壩發(fā)展方向的變化有以下4方面原因： (1)對碾壓混凝土性能的認識更深刻。已建各類碾壓混凝土壩鉆芯檢測發(fā)現(xiàn)，富膠凝材料碾壓混凝土的性能優(yōu)良，由此增強了對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)模擴大，對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)場性能(粘聚力、抗拉強度等)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大壩防滲的信心。(4) 經(jīng)濟性。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，特別在地震活動帶。雖然富膠凝材料碾壓混凝土的材料費用較高，但在安全度相同的情況下，其總體造價(碾壓混凝土壩體造價與防滲結(jié)構(gòu)的造價之和)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)力特點常態(tài)混凝土重力壩常采用獨立壩塊澆筑，接縫灌漿前，壩體不承受水荷載，溫度應(yīng)力計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，施工時也不進行水管冷卻，在壩體竣工蓄水運行時，壩內(nèi)溫度遠沒有降低至穩(wěn)定溫度。計算表明，對碾壓混凝土重力壩，如果模擬施工過程，自重、水壓力與溫度3種荷載分布疊加計算，自重和水壓力對減小壩體內(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、應(yīng)力場計算，是判斷混凝土是否出現(xiàn)裂縫，特別是嚴重裂縫的重要分析手段。溫度場及應(yīng)力場計算結(jié)果，可為設(shè)計和施工中及時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)生錯覺，認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)力的機理與常規(guī)混凝土壩相同，經(jīng)過認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，人們發(fā)現(xiàn)碾壓混凝土壩的溫度應(yīng)力問題并不簡單：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，且施工面散熱時間短，對減小溫度應(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，但對高壩，要么在高溫季節(jié)停工，以犧牲施工速度換取簡化溫控措施，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)力計算碾壓混凝土壩的應(yīng)力場，溫度場、溫度應(yīng)力場分析方法，有以美國為代表的有限元時間過程分析法和以日本為代表的約束系數(shù)矩陣法，英國和法國一般采用ANSYS、ADINA和ABACUS等專用程序20。碾壓混凝土重力壩的有限元應(yīng)力計算主要是通過ANSYS軟件進行的。ANSYS(analysis system)是20世紀70年代由美國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、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程

13、、造船、生物醫(yī)學、輕工、地礦、水利以及日用家電等一般工業(yè)及科學研究2122。參考文獻1 劉漢湖，裴宗平.水資源評價與管理M.北京：中國礦業(yè)大學出版社，20072 詹道江，徐向陽，陳元芳.工程水文學M.北京：中國水利水電出版社，20103 辛全才，牟獻友.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：中國水利水電出版社，第5版， 2009.5 張楚漢.水工建筑學M北京：清華大學出版社，2011.66 朱詩鰲.壩工技術(shù)史M.北京：中國水利電力出版社,1995.7 潘家錚，何璟.中國大壩50年M.北京：中國水利電力出版社，2000.8 韓玙，葉林.水利水電工程學習指導M.西

14、安：陜西人民出版社，2005 9 崔冠英,朱濟祥.水利工程地質(zhì)M.北京:中國水利水電出版社，2008.10 Dam safety-guidelineseJ.ICOLD Bulletin 59,198711 王圣培.我國碾壓砼筑壩技術(shù)的發(fā)展M，北京：中國水利電力出版 社，2002，（04）12 余梁蜀，王文進，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)展水平和工程實例M.中國水利水電出版 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 學學報，2009，41(2)19 李守義，張金凱，張曉飛.碾壓混凝土壩溫度應(yīng)力仿真計算研究M. 中國水利水電出版社,201020 張國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) 力計算 M. 廣西水利水電出版社，2011，（1）：14-16.4 畢業(yè)設(shè)計的主要研究內(nèi)容畢業(yè)設(shè)計題目：黃金峽碾壓混凝土重力壩設(shè)計及有限元應(yīng)力計算。畢業(yè)設(shè)計的基本內(nèi)容： （1）了解黃金峽的工程概況，熟悉設(shè)計所需的地形、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，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)計內(nèi)容需要查閱相關(guān)文獻資料，了解國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，并結(jié)合設(shè)計的意義、目的、內(nèi)容、要求和具體目標，完成并提交開題報告一份。 （4） 進行黃金峽

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） 進行調(diào)洪演算，計算設(shè)計洪水下泄流量和校核洪水下泄流量，從而確定水庫設(shè)計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，選定一個典型壩段（最大剖面壩段）進行壩體穩(wěn)定分析和強度計算。 （7）確定泄洪表孔和底孔的形式及尺寸，進行水力計算，從而確保設(shè)計和校核情況下的安全泄洪能力。 （8）進行黃金峽混凝土重力壩細部結(jié)構(gòu)設(shè)計，并畫出相應(yīng)的草圖。 （9）采用AutoCAD繪制所有設(shè)計圖紙。（10）利用ansys軟件對黃金峽混凝土重

19、力壩進行建模及簡單的有限元應(yīng)力計算分析。5 完成畢業(yè)設(shè)計的條件和擬采用的手段5.1 完成畢業(yè)設(shè)計的條件（1）所學的的理論基礎(chǔ)知識 大學學習的三年多時間，我們學習了理論力學，材料力學，結(jié)構(gòu)力學，彈性力學，水力學，土力學，工程地質(zhì)，工程水文學，建筑材料，水工建筑物，水電站，水利工程施工，建設(shè)項目管理，水利水能規(guī)劃，CAD畫法幾何、水利工程造價等課程，為我們完成畢業(yè)設(shè)計打下了堅實的理論基礎(chǔ)。 （2）實踐經(jīng)驗在校期間我們有過多次實習，大二上學期的認識實習，我們到黑河金盆水庫，三原西郊水庫進行了參觀學習；大二下學期，在校內(nèi)進行了工程測量實習；大三到馬渡王水文站進行了水文實習；大四上學期，我們參加了生產(chǎn)及

20、地質(zhì)實習，實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)驗的高級工程師的報告，看了一些工程實例，達到了理論知識與工程實際相結(jié)合的效果。不僅進一步鞏固了所學知識，使我們對理論知識的認識更深刻，而且在實際設(shè)計時能夠更加容易地運用理論知識。(3） 專業(yè)的教學團隊與豐富的文獻資料 在畢業(yè)設(shè)計過程中，有老師的專業(yè)指導，畢業(yè)設(shè)計的每一步都會有專題講座，遇到不懂得問題可以與老師交流。水利水電工程專業(yè)核心課程教學團隊是國家級教學團隊。水工系老師們也有著豐富的教學經(jīng)驗，學院收集了大量的實際工程資料，為畢業(yè)設(shè)計奠定了良好的基礎(chǔ)。同時學校硬件設(shè)施齊全，且配有裝有全套所需設(shè)計繪圖軟件的機房，為我們提供了良好的畫圖條件。其次，學校圖書館中有大量的與畢業(yè)設(shè)計相關(guān)的文獻資料可供借閱與參考，也有許多的工程實習可作參考，實力雄厚的師資隊伍和優(yōu)越的學習環(huán)境給我們提供了良好的受教條件，為我們進行畢業(yè)設(shè)計打下了基礎(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)計所須的各種資料；（2）認真閱讀DL5108-1999混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范、DL5077-1997水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范等相關(guān)規(guī)范以及相關(guān)設(shè)計手冊；（3）認真聽取學校安排的一系列的專題講座，如樞紐布置、調(diào)洪計算、水工建筑物的設(shè)計等。通