1、 畢業設計（論文） 開題報告題 目 黃金峽碾壓混凝土重力壩 設計及有限元應力計算 專 業 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131 畢業設計課題來源、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，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。樞紐的主要任務是攔蓄河水，雍高水位、發電和航運。黃金峽水庫工程

2、為等工程，其主要建筑物按2級標準設計，次要建筑物按3級標準設計。本課題屬于工程設計類。2 選題的目的及意義作為一名應屆大學畢業生，畢業設計是我們在校期間最后也是最重要的一個總結性、全面性、實踐性的學習環節。它是綜合應用在校期間所學基礎課、專業基礎課以及專業課知識、結合工程實際，進行一次系統的、有機的解決工程實際問題的實踐性學習環節，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理論和專業知識，并使之系統化、實踐化，提高綜合運用能力，強化對基本知識和基本技能的掌握及應用；(2)培養理論聯系實際，綜合應用所學知識解決實際工程技術問題的能力；提高獨立思考、提出問題

3、、鉆研問題、分析問題和解決問題的能力；(3)掌握資料的收集和分析方法、相關規范的選擇和運用能力，并初步掌握設計水利樞紐工程及其建筑物的內容、原則、方法和步驟；(4)進一步提高設計、計算、繪圖、編寫設計報告、使用規范手冊以及對于計算機軟件（word、auto cad、ansys等）的應用能力；(5)擴大專業詞匯量，提高專業外文翻譯的能力；(6)培養正確的設計思想和觀念，樹立熱愛水利水電建設事業的高尚情操；樹立嚴肅認真、謙虛謹慎、實事求是、認真負責、勇于創新的工作作風；(7)通過水利水電樞紐工程設計的綜合訓練，為順利走向工作崗位，從事水利水電工程設計、施工、科研及管理等工作奠定堅實的基礎。2.2

4、選題的意義本次畢業設計的選題為黃金峽碾壓混凝土重力壩設計及有限元應計算。重力壩是最早出現的一種壩型，也是我國高壩建設中的主要壩型，而碾壓混凝土重力壩的出現又進一步促進了重力壩的發展。碾壓混凝土重力壩是二十世紀八十年代以來發展較快的一種新的筑壩技術，其是把土石壩施工中的碾壓技術應用于混凝土壩，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；不設縱縫（也可少設或或不設橫縫）；施工導流容易及工程造價低等優點。但由于外界條件的復雜性，碾壓混凝土重力壩的設計、施工過程中問題仍然

5、十分突出。因此，如何科學、合理地設計碾壓混凝土重力壩具有十分重要的意義。3 本課題在國內外的研究狀況及發展趨勢3.1 水，水環境，水利工程水是維持生命必不可少的物質，是所有生物的結構組成和生命活動的主要物質基礎，也是維系生態平衡，決定環境質量狀況最積極最活躍的自然因素。全球水儲量約13.86×108 km3。其中，海洋等咸水占97.5%，約13.51×108km3，而陸地上淡水儲量包括冰川與永久積雪、地下淡水、河流等水體，只占總儲量的2.5%，約0.35×108km3。陸地上淡水儲量中大部分（69.5%）是固體冰川，難以利用的深層地下淡水量占30%。目前人類比較容

6、易利用的淡水資源，主要是河流水、湖泊水，以及淺層地下水，儲量不足1%1。我國水資源的特點有：（1）總量不算少，但人均量偏低；（2）地區分布上，極度不均勻；（3）與耕地，人口的分布不相匹配；（4）年內，年際變化大2。然而，與發達國家相比，我國的水力資源開發利用的程度不高，現狀水能開發率僅30%左右，大大低于發達國家50%70%的水平。因此，在相當長的時期內，我國水能資源開發利用的潛力巨大2。 水利是人類社會為了生存和發展的需要，采取各種措施對自然界的水和水域進行控制和調配，以防治水旱災害，開發利用和保護水資源的活動研究,這類活動及其對象的技術理論和方法的知識體系稱為水利科學。為了充分利用水資源，

7、研究自然界水資源，對河流進行控制和改造，采取工程措施，合理使用和調配水資源，以達到除害興利的各部門從事的事業統稱為水利事業3。水利工程按其承擔的任務可分為：防洪工程、農田水利工程、水力發電工程、城市供水及排水工程、航道及港口工程、環境水利工程等4。3.2 重力壩的發展重力壩是世界上出現最早的一種壩型。人類修建重力壩的歷史可追溯到數千年前。公元前2900年埃及美尼斯王朝在首都孟斐斯城附近的尼羅河上，建造了一座高15m長240m的擋水壩。5中國于公元前3世紀在連通長江與珠江流域的靈渠工程上，修建了一座高5m的砌石溢流壩，迄今已運行2000多年，是世界上現存的，使用歷史最久的一座重力壩。早期的重力壩

8、都是憑經驗建造的，由于壩斷面越大壩體就越安全這詳一個簡單的道理，早期建造的重力壩其斷面都較大，又由于沒有統一的理論作指導，壩體斷面形狀千差萬別6。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，設計理論逐步發展，法國工程師們開始擬出一些重力壩的設計準則，如抗滑穩定、壩基應力三分點準則等，出現了以三角形斷面為基礎的重力壩斷面。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，重力壩的設計理論和施工技術有了一個飛躍6

9、7。重力壩在水壓力及其他荷載作用下，主要依靠壩體自重產生的抗滑力來滿足穩定要求；同時依靠壩體自重產生的壓力來抵消由于水壓力所引起的拉應力以滿足強度要求。它之所以得到廣泛的采用，是因為它有以下幾方面的優點：（1）結構作用明確，設計方法簡單，安全可靠；（2）對地形、地質適應性較強； (3)樞紐泄洪問題容易解決；（4） 便于施工導流。在施工期可以用壩體導流，一般不需另設導流隧洞；（5） 施工方便4。3.3 碾壓混凝土技術的發展碾壓混凝土是一種干硬性貧水泥的混凝土，使用硅酸鹽水泥、火山灰質摻合料、水、外加劑、砂和粗骨料拌制成無坍落度的干硬性混凝土，采用與土石壩施工相同的運輸及鋪筑設備，用振動碾分層壓實

10、8。碾壓混凝土筑壩技術于20 世紀70年代興起，我國80年代初開始研究。碾壓混凝土壩具有混凝土體積小、工藝簡單、上壩強度高、防滲性能好、壩身可溢流、工期短、造價低、適應性強、可使用大型通用機械等優點，能產生巨大的經濟和環境效益，已廣泛運用于道路、機場、大壩中。但碾壓混凝土壩也存在自身的問題：沿層面低抗剪強度和強透水性10。對于低壩，這些問題尚不突出，但對高碾壓混凝土重力壩，層面的抗滑穩定是大壩剖面設計的制約因素，包括淺層和深層抗滑9。我國碾壓混凝土壩起步較晚，但發展很快，自1986年完成福建坑口重力壩以來 ,經歷了20多年的發展。特別是通過國家“七五”、“八五”、“九五”三次科技攻關研究 ,取

11、得了明顯進步,通過不斷的工程實踐，積累了豐富的經驗11。中國的碾壓混凝土筑壩技術創新，在國際上產生了巨大影響，我國碾壓混凝土筑壩技術的混凝土配合比、大壩填筑入倉方法、攤鋪碾壓、模板工藝、壩體分縫、壩體防滲、溫控防裂等方面在設計和施工領域取得了一批有價值的成果，推動了我國碾壓混凝土筑壩技術的快速發展，多項指標處于國際領先水平12。3.4 碾壓混凝土重力壩的發展最近幾十年發展起來的碾壓混凝土筑壩技術的應用，使得碾壓混凝土重力壩成為了目前最有競爭力的兩種壩型之一。早在二十世紀八十年代，碾壓混凝土筑壩技術就替代了傳統混凝土筑壩。碾壓混凝土壩是從根本上改革常規的大壩混凝土澆搗施工方法，采用水泥含量低的超

12、干硬性混凝土熟料，由土石壩的現代施工機械和碾壓設備實施運料，通倉鋪填，逐層碾壓固結而成的壩。碾壓混凝土壩與常態混凝土相比，具有以下優點：(1)工藝程序簡單，可快速施工，縮短工期，提前發揮工程效益；(2)膠凝材料（水泥+粉煤灰，礦渣或其它具有一定活性的混合材料）用量少，一般在120160kg/m3之間，其中水泥約為6090 kg/m3；(3)由于水泥用量少，結合薄層大倉面澆筑，壩體內部混凝土的水化熱溫升可大大降低，從而簡化了溫控措施；(4)不設縱縫，節省了模板和接縫灌漿等費用，有的甚至整體澆筑，不設橫縫；(5)可使用大型通用施工機械設備，提高混凝土運輸和填筑的工效；(6)降低了工程造價。43.5

13、 碾壓混凝土重力壩的施工特點 雖然rcc施工方法的優點很多，但也必須認識到它的一些不足。有些優點只有在特定的拌和物、結構型式、生產方法、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場條件和設計。因此，每個碾壓混凝土程必須進行技術、經濟兩方面的詳細評價，并和其他的施工方案進行對比。 與傳統混凝土壩相比，碾壓混凝土壩在施工方面具有以下優點： (1)施工速度快(對高壩，每周可實現垂直上升2.53.om，低壩的施工速度可以更快)。 (2)設備利用率高(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，提高了施工安全度（類似的方法可以應用到傳統混凝土壩的施

14、工中，即采用通倉澆筑(elcm)施工，日本曾在低壩中應用過，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，對環境影響小1317。3.6 碾壓混凝土重力壩的發展趨勢碾壓混凝土壩已由20世紀80年代初期的貧膠凝材料碾壓混凝土壩轉向中、富膠凝材料碾壓混凝土壩。碾壓混凝土壩發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現，富膠凝材料碾壓混凝土的性能優良，由此增強了對碾壓混凝土材料的信心。 (2)碾壓混凝土壩的規模越來越大。到1990年，只

15、建成了一座高度超過loom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

16、改善，因此重力壩的斷面可以減小，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構的造價之和)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力特點常態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，溫度應力計算只考慮地基約束產生的拉應力。而碾壓混凝土重力壩即不設縱縫，施工時也不進行水管冷卻，在壩體竣工蓄水運行時，壩內溫度遠沒有降低至穩定溫度。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部應力和表面由于溫度變化而產生的拉應

17、力是有利的。4水工混凝土結構的溫度場、應力場計算，是判斷混凝土是否出現裂縫，特別是嚴重裂縫的重要分析手段。溫度場及應力場計算結果，可為設計和施工中及時采取合理的溫控措施提供依據18。碾壓混凝土以低熱著稱，容易使人產生錯覺，認為碾壓混凝土溫度應力較小，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構，產生溫度應力的機理與常規混凝土壩相同，經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，人們發現碾壓混凝土壩的溫度應力問題并不簡單：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，僅為常態混凝土的5070，特別是在早齡期(3天以內)，溫升僅為常態混凝土

18、的13左右，這些對降低大壩水化熱溫升是十分有利的。碾壓混凝土含水量低，且摻有相當數量的粉煤灰，因而水化熱發生延遲，這使得施工面自然散熱效率降低。碾壓混凝土壩不設縱縫，甚至不設橫縫，施工采用通倉澆筑快速上升，這一方面減少了暴露面，對減小溫度應力有利，但在另一方面使混凝土內外約束增強，且施工面散熱時間短，對減小溫度應力不利。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力松弛也較常態混凝土壩小，對溫度應力不利。碾壓混凝土壩一般在低溫季節澆筑，但對高壩，要么在高溫季節停工，以犧牲施工速度換取簡化溫控措施，要么高溫季節連續澆筑，但要在冷卻骨料、降低入倉溫度、分縫等方面采取措施。

19、因此，碾壓混凝土壩不容置疑地也存在著溫度應力問題。193.8 基于ansys軟件的有限元應力計算碾壓混凝土壩的應力場，溫度場、溫度應力場分析方法，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公司研制開發的工程分析軟件。它是一種融結構、熱、流體、電磁和聲學于一體的大型cae通用有限元軟件，可以廣泛應用于核工業、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國

20、防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫學、輕工、地礦、水利以及日用家電等一般工業及科學研究2122。 基于ansys 軟件可計算重力壩應力,采用vb 可視化編程直接訪問ansys 數據庫, 結合等效應力計算公式實現對重力壩建基面等效應力計算,并通過算例驗證其實用性、有效性與快捷性。但是，采用ansys 進行重力壩壩體應力分析時, 壩踵、壩趾等角緣部位存在應力集中現象, 不過轉化為等效應力可以有效地避免這個現象23?？梢杂胊nsys 軟件研究了壩體在各種荷載作用下的應力、位移分布規律，分析了壩體的破壞過程和壩體的整體穩定安全度；通過ansys 有限元計算，可以揭示重力壩壩體及壩基應力變形的一般規律

21、并對壩體壩基的穩定安全度作出了評價；ansys分析法能更直觀地表現大壩的應力變形，荷載變化，應力云圖等，對于衡量大壩的穩定性具有明顯的優越性。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

22、利電力出版社，2000.8 韓玙，葉林.水利水電工程學習指導m.西安：陜西人民出版社，2005 9 崔冠英,朱濟祥.水利工程地質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的發展m，北京：中國水利電力出版 社，2002，（04）12 余梁蜀，王文進，張應波，任少輝. 碾壓混凝土壩的瀝青混凝土防 滲結構研究m.中國水利水電出版社,200713 賈金生.碾壓混凝土壩發展水平和工程實例m.中國水利水電出版 社,200614 yamauchi，t，harada，j，okada，

23、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

24、國水利水電出版社， 第5版，2009.18 劉數華，方坤河水工碾壓混凝土的抗裂性能j哈爾濱工業大 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，2007,38(6)： 414621 蘇榮華，梁冰.工程結構分析(ansys應用)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

25、finite elementj.2010 , page(s): 1 - 423 蔣春艷，黎峰，徐琛琛，李賀.基于ansys 的重力壩建基面等效應 力計算 m. 廣西水利水電出版社，2011，（1）：14-16.4 畢業設計的主要研究內容畢業設計題目：黃金峽碾壓混凝土重力壩設計及有限元應力計算。畢業設計的基本內容： （1）了解黃金峽的工程概況，熟悉設計所需的地形、地質、水文等資料； （2） 在外文閱覽室或利用網絡資源查找近五年與本課題相關的外文文獻，將其中的一篇翻譯成中文，要求中文不少于2000字。 （3） 根據設計內容需要查閱相關文獻資料，了解國內外研究現狀和發展趨勢，并結合設計的意義、目的、

26、內容、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） 進行調洪演算，計算設計洪水下泄流量和校核洪水下泄流量，從而確定水庫設計洪水位和校核洪水位，確定壩頂高程，并在此基礎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構設計，并畫出相應的草圖。 （9）采用auto

27、cad繪制所有設計圖紙。（10）利用ansys軟件對黃金峽混凝土重力壩進行建模及簡單的有限元應力計算分析。5 完成畢業設計的條件和擬采用的手段5.1 完成畢業設計的條件（1）所學的的理論基礎知識 大學學習的三年多時間，我們學習了理論力學，材料力學，結構力學，彈性力學，水力學，土力學，工程地質，工程水文學，建筑材料，水工建筑物，水電站，水利工程施工，建設項目管理，水利水能規劃，cad畫法幾何、水利工程造價等課程，為我們完成畢業設計打下了堅實的理論基礎。 （2）實踐經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，在校內進行了工程測量實

28、習；大三到馬渡王水文站進行了水文實習；大四上學期，我們參加了生產及地質實習，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，而且在實際設計時能夠更加容易地運用理論知識。(3） 專業的教學團隊與豐富的文獻資料 在畢業設計過程中，有老師的專業指導，畢業設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驗，學院收集了大量的實際工程資料，為畢業設計奠定了良好的基礎。同時學校硬件設施齊全，且配有裝有全套所需設計繪圖軟件的機房，為我們提供了良好的畫圖條件。其次