黄金峡碾压混凝土重力坝设计及有限元应力计算

1、 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 程 帅 指导教师 李守义 覃源 2014 年1 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

2、工程，其主要建筑物按2级标准设计，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；(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)

3、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

4、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

5、状况及发展趋势3.1 水，水环境，水利工程发达国家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。 343.2 重力坝的发展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

6、个飞跃67。3.3 碾压混凝土技术的发展3.4 碾压混凝土重力坝的发展3.5 碾压混凝土重力坝的施工特点 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。 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

7、，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。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lO

8、Om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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、、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。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

14、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 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：中国水利水电出版社， 第5版，2009.18 刘数华，方坤河水工碾压

16、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

17、 - 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

18、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

19、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

20、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，学校图书馆中有大量的与毕业设计相关的文献资料可供借阅与参考，也有许多的工程实习可作参考，实力雄厚的师资队伍和优越的学习环境给我们提供了良好的受教条件，为我们进行毕业设计打下了基础。5.2 拟采用的手段（1）多方面查阅资料，了解黄金峡的工程概况，熟悉设计所须的各种资料；（2）认真阅读DL5108-1999混凝土重力坝设计规范、DL5077-1997水工建筑物荷载设计规范等相关规范以及相关设计手册；（3）认真听取学校安排的一系列的专题讲座，如枢纽布置、调洪计算、水工建筑物的设计等。通