拱壩設(shè)計開題報告

1、<p>　　開 題 報 告</p><p>　　一、畢業(yè)設(shè)計選題的目的和意義</p><p>　　拱壩是目前大壩設(shè)計中的三大優(yōu)選壩型之一，以其結(jié)構(gòu)合理和體形美觀而著稱。經(jīng)過工程實踐檢驗，拱壩的優(yōu)越性已得到廣泛的認(rèn)可。拱壩在外荷載作用下，壩體以受壓為主能適應(yīng)筑壩材料抗壓強(qiáng)度高的特點。拱壩的穩(wěn)定性主要是利用壩端兩岸巖體抗力來維持，而不像重力壩主要靠自重維持，因此拱壩的體積要比重

2、力壩小得多。另外，拱壩可看作由拱梁組成的統(tǒng)一體，屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)，具有巨大的超載能力，在遭受外荷載使壩體局部開裂時，壩體應(yīng)力將自行調(diào)整，使得拱壩的超載安全度較大。</p><p>　　國內(nèi)已建和擬建的水利工程大都是大型工程，消耗的費用是極其巨大的。為了尋求更大的經(jīng)濟(jì)效益，人們在壩工設(shè)計中越來越注重在滿足安全條件的前提下，盡可能的節(jié)約材料。拱壩由于其優(yōu)越的安全性和經(jīng)濟(jì)性，也越來越多地受到設(shè)計者的青睞。經(jīng)過幾十年的

3、努力，我國在拱壩建設(shè)方面逐漸積累了豐富的經(jīng)驗。拱壩體形由單曲型式衍生發(fā)展了橢圓、對數(shù)螺旋線等多種型式。設(shè)計方法也由手工繪圖發(fā)展到計算機(jī)輔助設(shè)計。此外，在樞紐布置、泄洪消能、基礎(chǔ)處理、體形優(yōu)化等多方面都取得了很大進(jìn)展。隨著拱壩的設(shè)計、施工和基礎(chǔ)處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，拱壩越來越具有廣闊的發(fā)展前途。</p><p>　　拱壩設(shè)計需要考慮多重因素，涉及知識全面而又系統(tǒng)。通過拱壩水利樞紐的設(shè)計研究，掌握一個水利樞紐的基本設(shè)計

4、程序和方法。鞏固加深所學(xué)專業(yè)知識，擴(kuò)大專業(yè)知識面，使所學(xué)知識系統(tǒng)化。同時學(xué)習(xí)國內(nèi)外最新的拱壩研究成果和設(shè)計理論，并結(jié)合設(shè)計選題的實際情況，嘗試運(yùn)用這些成果和理論分析解決工程問題，跟進(jìn)行業(yè)發(fā)展的步伐。當(dāng)然我國各地氣候、地質(zhì)和經(jīng)濟(jì)等條件存在巨大差異，因而拱壩程在不同地區(qū)的建設(shè)中所遇到的技術(shù)問題也不大相同，不可生搬硬套。對這些問題在逐步改進(jìn)施工工藝采取有針對性措施的同時，還應(yīng)結(jié)合實際工程情況因地制宜地在理論上深入開展有益的科研探索工作，促進(jìn)壩

5、工建設(shè)的發(fā)展。</p><p>　　二、國內(nèi)外關(guān)于混凝土拱壩的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢</p><p>　　人類修建拱壩有著悠久的歷史，最早可追溯到古羅馬時代修建的鮑姆拱壩。但直到一戰(zhàn)前,拱壩的發(fā)展是極其緩慢的,壩高也低于15m。一戰(zhàn)至二戰(zhàn)期間,出現(xiàn)了許多新的思路、方法,如多拱梁法，水管冷卻方案，用小型拱壩做“原型實驗”等。二戰(zhàn)以后拱壩進(jìn)入飛速發(fā)展時期,這時期最具有代表性的是歐洲拱壩的發(fā)展,以柯

6、恩為首的法國工程師首先設(shè)計了許多新型拱壩樞紐,諸如集壩、廠房與泄洪結(jié)構(gòu)于一體的圣·艾梯恩尼、愛格、蒙特依納特拱壩等。這一時期的一個重大的事實是,拱壩全面的開始向跨越200 m高度沖擊。</p><p>　　我國的拱壩建設(shè)起步較晚，最早始于1927年的福建上里漿砌石拱壩。五六十年代開始修建了混凝土拱壩，七十年代起，我國的拱壩建設(shè)發(fā)展很快。特別是近年來，我國在勘察、設(shè)計、施工過程中取得了豐碩的成果，積累了豐

7、富的經(jīng)驗。隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的推進(jìn)，在改善能源結(jié)構(gòu)、增加水電比重的方針指引下，水電資源作為綠色、可再生能源，其開發(fā)力度進(jìn)一步加大，水利水電建設(shè)步伐大大加快，尤其是在我國的西部地區(qū)已建和擬建的電站中，拱壩建設(shè)在數(shù)量和質(zhì)量上都得到了全面提升。</p><p>　　隨著計算機(jī)和計算機(jī)技術(shù)、施工機(jī)械等現(xiàn)代科技技術(shù)的迅速發(fā)展，拱壩工程技術(shù)的研究也取得了很大的進(jìn)展，并表現(xiàn)出一定的發(fā)展趨勢。具體體現(xiàn)在以下幾個方面：</p

8、><p>　　1. 拱壩應(yīng)用范圍的擴(kuò)大 主要表現(xiàn)在拱壩對不利壩址地形條件的適應(yīng)性提高。早年認(rèn)為壩頂長與壩高之比小于3時宜建拱壩,近幾十年來已逐漸擴(kuò)大其應(yīng)用范圍,拱壩對地形的要求越來越寬,寬高比可達(dá)12甚至可以更高，世界各國的認(rèn)識也已基本趨于一致。以往認(rèn)為拱壩適宜于對稱河谷，而目前對河谷對稱性要求已不再強(qiáng)調(diào),且在不對稱河谷中修筑了非對稱拱壩。在不規(guī)則河谷使用混凝土填塞深槽、設(shè)墊層、建重力墩等方式使河谷形狀滿足要求修筑

9、的拱壩也不在少數(shù)。對壩基巖石的強(qiáng)度要求也降低了,在軟弱基巖上，通過適當(dāng)擴(kuò)大基礎(chǔ)修筑了一批拱壩，如美國的格蘭峽拱壩, 日本的裙花拱壩等。此外針對巖石不均一、斷層與裂隙較多、河床有深覆蓋層以及風(fēng)化、破碎較深的壩基等情況，只要將地質(zhì)情況勘察清楚、采取合理措施，大都可以修筑拱壩。</p><p>　　2. 拱壩體形及其優(yōu)化 拱壩體形設(shè)計的任務(wù)是決定壩體的形狀和尺寸。目前拱壩體形設(shè)計可分為以下三步：1）拱壩優(yōu)選，首先根據(jù)

10、河谷形狀，選定單曲或雙曲拱壩；然后是選定拱圈的形式。2）拱壩基本體形設(shè)計。3）施工體形設(shè)計。在上述三個步驟中，第一步拱壩優(yōu)選很重要，優(yōu)選做的好可以節(jié)省壩體投資10％～30％的效益。關(guān)于拱壩優(yōu)化設(shè)計的研究,國外是從20世紀(jì)60年代末期開始的,我國則由朱伯方院士在20世紀(jì)70年代末期提出，到90年代初趨于成熟。隨著壩工技術(shù)的發(fā)展，拱壩體形的優(yōu)化經(jīng)歷了由簡單到多樣化，計算機(jī)設(shè)計取代手工計算；應(yīng)力分析方法由拱冠梁法、一維有限元法到拱梁分載法、三

11、維有限元法；目標(biāo)函數(shù)也由單目標(biāo)優(yōu)化發(fā)展到雙目標(biāo)及多目標(biāo)優(yōu)化，發(fā)展和完善了中國提出的二次曲線和混合曲線拱壩兩種拱圈新線型,使拱壩優(yōu)化技術(shù)能適應(yīng)高拱壩的體型設(shè)計,為小灣、溪洛渡等水電站的設(shè)計提供了參考。近年來,結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計正在成為結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究領(lǐng)域的熱點，并取得了許多成功的應(yīng)用，而在水工結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域還僅停留在理論研究層面,并沒有成功應(yīng)用的實例。目前河海大學(xué)一些研究學(xué)者對結(jié)構(gòu)拓?fù)淅碚撛谒ぶ械膽?yīng)用做了一些探討性研究，為今后水工結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域&

12、lt;/p><p>　　3.拱壩的應(yīng)力分析 目前用于拱壩壩體應(yīng)力分析的方法主要有數(shù)值分析法和模型試驗法。對于小型工程一般只用數(shù)值分析法即可；對于重大工程和高拱壩這種重要的工程進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變以及安全度分析時,在采用數(shù)值計算分析的同時，宜以結(jié)構(gòu)模型試驗來進(jìn)行復(fù)核。拱壩數(shù)值分析方法很多,但目前廣泛采用的主要有以下2類:1）以結(jié)構(gòu)力學(xué)假定為基礎(chǔ)的拱梁分載法(試載法)和其他一些方法;2）是以彈性理論或板殼理論為基礎(chǔ)的有限元法

13、。不同國家側(cè)重點有所不同。有限元法在計算理論上比多拱梁法先進(jìn),單元劃分靈活,可以很好地考慮壩基變形,可以處理各種荷載。但目前還難以提出合理的應(yīng)力控制指標(biāo)，不過值得注意的是，隨著計算機(jī)技術(shù)及相關(guān)理論的發(fā)展，有限元法有著很好的應(yīng)用前景。</p><p>　　4.壩肩穩(wěn)定分析 目前分析評價拱壩壩肩穩(wěn)定安全度的方法主要有兩類：1）是數(shù)值計算法，包括剛體極限平衡法（如分塊法、剛性塊法、赤平投影法等）、有限元法和可靠度理論

14、；2）是模型試驗法，包括線彈性結(jié)構(gòu)應(yīng)力模型試驗、模型破壞試驗和地質(zhì)力學(xué)模型試驗。在結(jié)構(gòu)或地質(zhì)條件比較復(fù)雜的大中型拱壩中，往往需要結(jié)合模型試驗來研究實際應(yīng)力狀態(tài)，并對計算結(jié)果進(jìn)行校核。</p><p>　　5.泄洪消能 拱壩常見的泄洪布置方式一般分為壩身泄洪與壩外泄洪兩大類。壩外泄洪由于施工復(fù)雜、工程造價高，而逐漸很少采用。壩身泄洪在工程實際中應(yīng)用越來越多，且泄洪量越來越大，主要泄洪方式有壩頂泄洪、滑雪道泄洪、孔

15、口泄洪等。當(dāng)泄洪量不大時,一般采用壩頂泄洪,特別是中小型拱壩,往往采用壩頂自由跌落式或低落差鼻坎挑流,且一般未設(shè)閘門。高拱壩壩身泄洪消能的最主要方式是挑流消能。近20多年來，在國內(nèi)學(xué)者不懈努力與創(chuàng)造性工作下，我國在高壩泄洪消能技術(shù)研究方面取得了許多突破性進(jìn)展，解決了大量技術(shù)難題，達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。</p><p>　　6.地基處理 對于不良的地質(zhì)條件,最基本的措施是改善拱壩的體形結(jié)構(gòu)以適應(yīng)。事先摸清地質(zhì)情況,

16、對于避免重大事故的發(fā)生是很必要的。恰當(dāng)?shù)墓酀{和排水，是拱壩地基處理的基本措施。對斷層、破碎帶的處理,大都采用適當(dāng)開挖后回填混凝土的辦法。對岸坡預(yù)應(yīng)力錨固或護(hù)坡,國外應(yīng)用較多。對于特別不利的地質(zhì)情況,也有采用傳力墻、重力墩的。關(guān)于壩基的開挖,已不像早期修建拱壩那么嚴(yán)格,一般不作大量的開挖。主要因地形對稱性要求已大大放寬,同時對拱壩建基面巖石風(fēng)化程度要求也已放寬,如中國的中等高度的拱壩,允許修建在弱風(fēng)化中上部基巖上。另外,隨著地基處理技術(shù)水

17、平的提高,已不愿以大量的開挖來換取滿足要求的壩基,認(rèn)為與其大量開挖壩基,不如直接處理有缺陷的壩基合算。</p><p>　　7.溫控防裂 溫度的變化對拱壩的壩體變形和應(yīng)力都有較大的影響，溫度變化引起的溫度應(yīng)力是拱壩的主要荷載之一。在我國，關(guān)于溫控防裂的研究起步相對較晚，但是發(fā)展很快。最早由朱伯芳院士涉足該領(lǐng)域，發(fā)表了《混凝土壩的溫度計算》。此后，在溫控施工工藝、溫度應(yīng)力仿真分析方面，國內(nèi)學(xué)者都取得了豐碩的成果。

18、1955年建設(shè)響洪甸拱壩時，采用水管冷卻、薄層澆筑，建成后裂縫較少。在小灣工程中，通過加強(qiáng)對混凝土內(nèi)部最高溫度控制、混凝土表面溫度控制和二期冷卻以及采取內(nèi)循環(huán)式供水系統(tǒng)等措施，達(dá)到了良好的溫控效果。在針對拱壩溫度仿真計算規(guī)模與計算速度的研究上朱伯芳院士等提出了以誤差控制為特點的多層混凝土結(jié)構(gòu)仿真應(yīng)力分析的“擴(kuò)網(wǎng)并層算法”、“分區(qū)異步長算法”等理論。清華大學(xué)劉光廷教授等首次嘗試將有限元法引入大體積混凝土結(jié)構(gòu)隨機(jī)溫度徐變應(yīng)力的計算。黃昭揚(yáng)教

19、授等系統(tǒng)地研究了碾壓混凝土中的“誘導(dǎo)縫”的等效強(qiáng)度、設(shè)置位置、開裂可靠性問題。目前，高拱壩的溫控防裂問題的重要性和混凝土產(chǎn)生裂縫的規(guī)律基本上已被人們所認(rèn)識，而且在建設(shè)混凝土拱壩方面的經(jīng)驗日趨成熟。但溫控防裂問題仍處于探索實踐階段，做好溫度場的仿真將進(jìn)一步推動混凝土拱壩</p><p>　　三、設(shè)計的主要內(nèi)容、研究方法及技術(shù)路線</p><p><b>　　1 主要內(nèi)容</

20、b></p><p>　　1）壩型及樞紐主要建筑物型式選擇</p><p>　　2）水文計算（主要是調(diào)洪演算）擬定泄水建筑物的孔口尺寸</p><p>　　3）樞紐工程總體布置</p><p><b>　　4）主要建筑物設(shè)計</b></p><p>　　5）導(dǎo)流建筑物初步設(shè)計</p&g

21、t;<p><b>　　6）地基處理</b></p><p><b>　　7）施工導(dǎo)流方案</b></p><p>　　對設(shè)計基本資料進(jìn)行分析，列出可行的幾種壩型方案，并進(jìn)行必要的比選，確定樞紐主要建筑物的型式、輪廓尺寸、及樞紐總體布置方案。通過調(diào)洪演算，擬定泄水建筑物的孔口尺寸。詳細(xì)作出大壩設(shè)計，通過比較確定壩的基本剖面與輪廓尺寸

22、，擬定地基處理方案與壩身構(gòu)造，進(jìn)行水力、靜力計算。對泄水建筑物進(jìn)行設(shè)計，確定布置方案，擬定細(xì)部構(gòu)造，進(jìn)行水力、靜力計算。作出合理的施工導(dǎo)流方案，安排施工的控制性進(jìn)度。</p><p>　　2 研究方法與技術(shù)路線</p><p>　　拱壩設(shè)計需要考慮多重因素，涉及知識全面而又系統(tǒng),這就需要設(shè)計人員具備扎實的專業(yè)基礎(chǔ)知識與良好的專業(yè)素養(yǎng)。在進(jìn)行拱壩設(shè)計時，應(yīng)該在原有專業(yè)知識基礎(chǔ)上，通過借閱相

23、關(guān)領(lǐng)域?qū)Ｖ?，調(diào)查文獻(xiàn)獲得資料，來全面、正確地了解和掌握拱壩的設(shè)計原理。對整個樞紐設(shè)計過程建立一個清晰而又系統(tǒng)的認(rèn)識。</p><p>　　之后在具體設(shè)計工作中，主要采用參閱設(shè)計手冊、查看文獻(xiàn)、數(shù)學(xué)模擬等方法來對遇到的問題進(jìn)行探討與解決。必要時可參照相關(guān)工程實例，借鑒工程經(jīng)驗。關(guān)注目前國內(nèi)外的最新研究成果，嘗試運(yùn)用這些成果和理論來對一些具體工程問題進(jìn)行分析。對于設(shè)計圖，可以采用計算機(jī)輔助設(shè)計軟件（如AUTOCAD、

24、CATIA）來繪制。而對拱壩的應(yīng)力分析，可以應(yīng)用編制的程序來進(jìn)行計算。由于大型通用有限元軟件在很多領(lǐng)域都有著較為成功的運(yùn)用，在本設(shè)計中擬采用ANSYS軟件，依照原型，創(chuàng)建數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行仿真計算，來分析拱壩的應(yīng)力應(yīng)變情況。</p><p>　　四、設(shè)計工作進(jìn)度安排</p><p>　　根據(jù)畢業(yè)設(shè)計任務(wù)，畢業(yè)設(shè)計的工作時間定為11周。在規(guī)定的設(shè)計期限內(nèi)完成規(guī)定的設(shè)計任務(wù)。在開始設(shè)計時，做好準(zhǔn)備

25、工作，加強(qiáng)計劃性，力爭高質(zhì)量地完成畢業(yè)設(shè)計。各階段進(jìn)度時間安排如下表：</p><p>　　五、設(shè)計主要參考文獻(xiàn)</p><p>　　[1] DL5180-2003.水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計安全標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國電力出版</p><p><b>　　.</b></p><p><b>　　.</b&