黄金峡碾压混凝土重力坝设计及有限元应力计算.docx

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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（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Ⅱ等工程，其主要建筑物按2级标准设计，次要建筑物按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，强化对基本知识和基本技能的掌握及应用；

（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）掌握资料的收集和分析方法、相关规范的选择和运用能力，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、AutoCAD、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状况及发展趋势

3.1水，水环境，水利工程

水是维持生命必不可少的物质，是所有生物的结构组成和生命活动的主要物质基础，也是维系生态平衡，决定环境质量状况最积极最活跃的自然因素。

全球水储量约13.86×108km3。

其中，海洋等咸水占97.5%，约13.51×108km3，而陆地上淡水储量包括冰川与永久积雪、地下淡水、河流等水体，只占总储量的2.5%，约0.35×108km3。

陆地上淡水储量中大部分（69.5%）是固体冰川，难以利用的深层地下淡水量占30%。

目前人类比较容易利用的淡水资源，主要是河流水、湖泊水，以及浅层地下水，储量不足1%[1]。

我国水资源的特点有：

（1）总量不算少，但人均量偏低；

（2）地区分布上，极度不均匀；（3）与耕地，人口的分布不相匹配；（4）年内，年际变化大[2]。

然而，与发达国家相比，我国的水力资源开发利用的程度不高，现状水能开发率仅30%左右，大大低于发达国家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]。

水利是人类社会为了生存和发展的需要，采取各种措施对自然界的水和水域进行控制和调配，以防治水旱灾害，开发利用和保护水资源的活动研究,这类活动及其对象的技术理论和方法的知识体系称为水利科学。

为了充分利用水资源，研究自然界水资源，对河流进行控制和改造，采取工程措施，合理使用和调配水资源，以达到除害兴利的各部门从事的事业统称为水利事业[3]。

水利工程按其承担的任务可分为：

防洪工程、农田水利工程、水力发电工程、城市供水及排水工程、航道及港口工程、环境水利工程等[4]。

3.2重力坝的发展

重力坝是世界上出现最早的一种坝型。

人类修建重力坝的历史可追溯到数千年前。

公元前2900年埃及美尼斯王朝在首都孟斐斯城附近的尼罗河上，建造了一座高15m﹑长240m的挡水坝。

[5]中国于公元前3世纪﹐在连通长江与珠江流域的灵渠工程上，修建了一座高5m的砌石溢流坝，迄今已运行2000多年，是世界上现存的，使用历史最久的一座重力坝。

早期的重力坝都是凭经验建造的，由于坝断面越大坝体就越安全这详一个简单的道理，早期建造的重力坝其断面都较大，又由于没有统一的理论作指导，坝体断面形状千差万别

[6]。

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个飞跃[6][7]。

重力坝在水压力及其他荷载作用下，主要依靠坝体自重产生的抗滑力来满足稳定要求；同时依靠坝体自重产生的压力来抵消由于水压力所引起的拉应力以满足强度要求。

它之所以得到广泛的采用，是因为它有以下几方面的优点：

（1）结构作用明确，设计方法简单，安全可靠；

（2）对地形、地质适应性较强；

（3）枢纽泄洪问题容易解决；

（4）便于施工导流。

在施工期可以用坝体导流，一般不需另设导流隧洞；

（5）施工方便[4]。

3.3碾压混凝土技术的发展

碾压混凝土是一种干硬性贫水泥的混凝土，使用硅酸盐水泥、火山灰质掺合料、水、外加剂、砂和粗骨料拌制成无坍落度的干硬性混凝土，采用与土石坝施工相同的运输及铺筑设备，用振动碾分层压实[8]。

碾压混凝土筑坝技术于20世纪70年代兴起，我国80年代初开始研究。

碾压混凝土坝具有混凝土体积小、工艺简单、上坝强度高、防渗性能好、坝身可溢流、工期短、造价低、适应性强、可使用大型通用机械等优点，能产生巨大的经济和环境效益，已广泛运用于道路、机场、大坝中。

但碾压混凝土坝也存在自身的问题：

沿层面低抗剪强度和强透水性[10]。

对于低坝，这些问题尚不突出，但对高碾压混凝土重力坝，层面的抗滑稳定是大坝剖面设计的制约因素，包括浅层和深层抗滑

[9]。

我国碾压混凝土坝起步较晚，但发展很快，自1986年完成福建坑口重力坝以来,经历了20多年的发展。

特别是通过国家“七五”、“八五”、“九五”三次科技攻关研究,取得了明显进步,通过不断的工程实践，积累了丰富的经验[11]。

中国的碾压混凝土筑坝技术创新，在国际上产生了巨大影响，我国碾压混凝土筑坝技术的混凝土配合比、大坝填筑入仓方法、摊铺碾压、模板工艺、坝体分缝、坝体防渗、温控防裂等方面在设计和施工领域取得了一批有价值的成果，推动了我国碾压混凝土筑坝技术的快速发展，多项指标处于国际领先水平[12]。

3.4碾压混凝土重力坝的发展

最近几十年发展起来的碾压混凝土筑坝技术的应用，使得碾压混凝土重力坝成为了目前最有竞争力的两种坝型之一。

早在二十世纪八十年代，碾压混凝土筑坝技术就替代了传统混凝土筑坝。

碾压混凝土坝是从根本上改革常规的大坝混凝土浇捣施工方法，采用水泥含量低的超干硬性混凝土熟料，由土石坝的现代施工机械和碾压设备实施运料，通仓铺填，逐层碾压固结而成的坝。

碾压混凝土坝与常态混凝土相比，具有以下优点：

（1）工艺程序简单，可快速施工，缩短工期，提前发挥工程效益；

（2）胶凝材料（水泥+粉煤灰，矿渣或其它具有一定活性的混合材料）用量少，一般在120～160kg/m3之间，其中水泥约为60～90kg/m3；

（3）由于水泥用量少，结合薄层大仓面浇筑，坝体内部混凝土的水化热温升可大大降低，从而简化了温控措施；

（4）不设纵缝，节省了模板和接缝灌浆等费用，有的甚至整体浇筑，不设横缝；

（5）可使用大型通用施工机械设备，提高混凝土运输和填筑的工效；

（6）降低了工程造价。

[4]

3.5碾压混凝土重力坝的施工特点

虽然RCC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。

与传统混凝土坝相比，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2.5—3.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，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[13][17]。

3.6碾压混凝土重力坝的发展趋势

碾压混凝土坝已由20世纪80年代初期的贫胶凝材料碾压混凝土坝转向中、富胶凝材料碾压混凝土坝。

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lOOm的碾压混凝土坝--Tamagawaf

[14]，199l—1996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[15][16]。

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