拱壩設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告

1、<p>　　開(kāi) 題 報(bào) 告</p><p>　　一、畢業(yè)設(shè)計(jì)選題的目的和意義</p><p>　　拱壩是目前大壩設(shè)計(jì)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(guò)工程實(shí)踐檢驗(yàn)，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(diǎn)。拱壩的穩(wěn)定性主要是利用壩端兩岸巖體抗力來(lái)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(kāi)裂時(shí)，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(guó)內(nèi)已建和擬建的水利工程大都是大型工程，消耗的費(fèi)用是極其巨大的。為了尋求更大的經(jīng)濟(jì)效益，人們?cè)趬喂ぴO(shè)計(jì)中越來(lái)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(lái)越多地受到設(shè)計(jì)者的青睞。經(jīng)過(guò)幾十年的

3、努力，我國(guó)在拱壩建設(shè)方面逐漸積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。拱壩體形由單曲型式衍生發(fā)展了橢圓、對(duì)數(shù)螺旋線等多種型式。設(shè)計(jì)方法也由手工繪圖發(fā)展到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。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(jì)、施工和基礎(chǔ)處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，拱壩越來(lái)越具有廣闊的發(fā)展前途。</p><p>　　拱壩設(shè)計(jì)需要考慮多重因素，涉及知識(shí)全面而又系統(tǒng)。通過(guò)拱壩水利樞紐的設(shè)計(jì)研究，掌握一個(gè)水利樞紐的基本設(shè)計(jì)

4、程序和方法。鞏固加深所學(xué)專業(yè)知識(shí)，擴(kuò)大專業(yè)知識(shí)面，使所學(xué)知識(shí)系統(tǒng)化。同時(shí)學(xué)習(xí)國(guó)內(nèi)外最新的拱壩研究成果和設(shè)計(jì)理論，并結(jié)合設(shè)計(jì)選題的實(shí)際情況，嘗試運(yùn)用這些成果和理論分析解決工程問(wèn)題，跟進(jìn)行業(yè)發(fā)展的步伐。當(dāng)然我國(guó)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(wèn)題也不大相同，不可生搬硬套。對(duì)這些問(wèn)題在逐步改進(jìn)施工工藝采取有針對(duì)性措施的同時(shí)，還應(yīng)結(jié)合實(shí)際工程情況因地制宜地在理論上深入開(kāi)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(guó)內(nèi)外關(guān)于混凝土拱壩的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)</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(shí)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(shí)驗(yàn)”等。二戰(zhàn)以后拱壩進(jìn)入飛速發(fā)展時(shí)期,這時(shí)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(guó)工程師首先設(shè)計(jì)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(ài)格、蒙特依納特拱壩等。這一時(shí)期的一個(gè)重大的事實(shí)是,拱壩全面的開(kāi)始向跨越200 m高度沖擊。</p><p>　　我國(guó)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(kāi)始修建了混凝土拱壩，七十年代起，我國(guó)的拱壩建設(shè)發(fā)展很快。特別是近年來(lái)，我國(guó)在勘察、設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中取得了豐碩的成果，積累了豐

7、富的經(jīng)驗(yàn)。隨著西部大開(kāi)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(kāi)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(guó)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(jì)算機(jī)和計(jì)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(shì)。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)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(duì)不利壩址地形條件的適應(yīng)性提高。早年認(rèn)為壩頂長(zhǎng)與壩高之比小于3時(shí)宜建拱壩,近幾十年來(lái)已逐漸擴(kuò)大其應(yīng)用范圍,拱壩對(duì)地形的要求越來(lái)越寬,寬高比可達(dá)12甚至可以更高，世界各國(guó)的認(rèn)識(shí)也已基本趨于一致。以往認(rèn)為拱壩適宜于對(duì)稱河谷，而目前對(duì)河谷對(duì)稱性要求已不再?gòu)?qiáng)調(diào),且在不對(duì)稱河谷中修筑了非對(duì)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(duì)壩基巖石的強(qiáng)度要求也降低了,在軟弱基巖上，通過(guò)適當(dāng)擴(kuò)大基礎(chǔ)修筑了一批拱壩，如美國(guó)的格蘭峽拱壩, 日本的裙花拱壩等。此外針對(duì)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(jì)的任務(wù)是決定壩體的形狀和尺寸。目前拱壩體形設(shè)計(jì)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(jì)。3）施工體形設(shè)計(jì)。在上述三個(gè)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(jì)的研究,國(guó)外是從20世紀(jì)60年代末期開(kāi)始的,我國(guó)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(jiǎn)單到多樣化，計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)取代手工計(jì)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(guó)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(jì),為小灣、溪洛渡等水電站的設(shè)計(jì)提供了參考。近年來(lái),結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)正在成為結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，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(méi)有成功應(yīng)用的實(shí)例。目前河海大學(xué)一些研究學(xué)者對(duì)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(yàn)法。對(duì)于小型工程一般只用數(shù)值分析法即可；對(duì)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(shí),在采用數(shù)值計(jì)算分析的同時(shí)，宜以結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)來(lái)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(guó)家側(cè)重點(diǎn)有所不同。有限元法在計(jì)算理論上比多拱梁法先進(jìn),單元?jiǎng)澐朱`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(guò)值得注意的是，隨著計(jì)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(píng)價(jià)拱壩壩肩穩(wěn)定安全度的方法主要有兩類：1）是數(shù)值計(jì)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(yàn)法，包括線彈性結(jié)構(gòu)應(yīng)力模型試驗(yàn)、模型破壞試驗(yàn)和地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)。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(yàn)來(lái)研究實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校核。</p><p>　　5.泄洪消能 拱壩常見(jiàn)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(jià)高，而逐漸很少采用。壩身泄洪在工程實(shí)際中應(yīng)用越來(lái)越多，且泄洪量越來(lái)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(shí),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(mén)。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(lái)，在國(guó)內(nèi)學(xué)者不懈努力與創(chuàng)造性工作下，我國(guó)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(duì)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(duì)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(duì)斷層、破碎帶的處理,大都采用適當(dāng)開(kāi)挖后回填混凝土的辦法。對(duì)岸坡預(yù)應(yīng)力錨固或護(hù)坡,國(guó)外應(yīng)用較多。對(duì)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(kāi)挖,已不像早期修建拱壩那么嚴(yán)格,一般不作大量的開(kāi)挖。主要因地形對(duì)稱性要求已大大放寬,同時(shí)對(duì)拱壩建基面巖石風(fēng)化程度要求也已放寬,如中國(guó)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(kāi)挖來(lái)?yè)Q取滿足要求的壩基,認(rèn)為與其大量開(kāi)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(duì)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(guó)，關(guān)于溫控防裂的研究起步相對(duì)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(jì)算》。此后，在溫控施工工藝、溫度應(yīng)力仿真分析方面，國(guó)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(shí)，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(guò)加強(qiáng)對(duì)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(duì)拱壩溫度仿真計(jì)算規(guī)模與計(jì)算速度的研究上朱伯芳院士等提出了以誤差控制為特點(diǎn)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(zhǎng)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(jì)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(kāi)裂可靠性問(wèn)題。目前，高拱壩的溫控防裂問(wèn)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(shí)，而且在建設(shè)混凝土拱壩方面的經(jīng)驗(yàn)日趨成熟。但溫控防裂問(wèn)題仍處于探索實(shí)踐階段，做好溫度場(chǎng)的仿真將進(jìn)一步推動(dòng)混凝土拱壩</p><p>　　三、設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)</b></p><p>　　5）導(dǎo)流建筑物初步設(shè)計(jì)</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(duì)設(shè)計(jì)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(guò)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(jì)，通過(guò)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(jì)算。對(duì)泄水建筑物進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定布置方案，擬定細(xì)部構(gòu)造，進(jìn)行水力、靜力計(jì)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(jì)需要考慮多重因素，涉及知識(shí)全面而又系統(tǒng),這就需要設(shè)計(jì)人員具備扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)與良好的專業(yè)素養(yǎng)。在進(jìn)行拱壩設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該在原有專業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)上，通過(guò)借閱相

23、關(guān)領(lǐng)域?qū)Ｖ{(diào)查文獻(xiàn)獲得資料，來(lái)全面、正確地了解和掌握拱壩的設(shè)計(jì)原理。對(duì)整個(gè)樞紐設(shè)計(jì)過(guò)程建立一個(gè)清晰而又系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。</p><p>　　之后在具體設(shè)計(jì)工作中，主要采用參閱設(shè)計(jì)手冊(cè)、查看文獻(xiàn)、數(shù)學(xué)模擬等方法來(lái)對(duì)遇到的問(wèn)題進(jìn)行探討與解決。必要時(shí)可參照相關(guān)工程實(shí)例，借鑒工程經(jīng)驗(yàn)。關(guān)注目前國(guó)內(nèi)外的最新研究成果，嘗試運(yùn)用這些成果和理論來(lái)對(duì)一些具體工程問(wèn)題進(jìn)行分析。對(duì)于設(shè)計(jì)圖，可以采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件（如AUTOCAD、

24、CATIA）來(lái)繪制。而對(duì)拱壩的應(yīng)力分析，可以應(yīng)用編制的程序來(lái)進(jìn)行計(jì)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(jì)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(jì)算，來(lái)分析拱壩的應(yīng)力應(yīng)變情況。</p><p>　　四、設(shè)計(jì)工作進(jìn)度安排</p><p>　　根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)，畢業(yè)設(shè)計(jì)的工作時(shí)間定為11周。在規(guī)定的設(shè)計(jì)期限內(nèi)完成規(guī)定的設(shè)計(jì)任務(wù)。在開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)，做好準(zhǔn)備

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