畢業(yè)設計開題報告 楊水碾水利樞紐設計—實體重力壩設計方案

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1、7次孝 畢業(yè)設計（論文）開題報告 題目：楊水碾水利樞紐設計一實體重力壩設計方案 課題類別：設計 論文口 學生姓名： 羅安琪 學 號： 學1219040408 班 級：水電1202班 專業(yè)（全稱）：水利水電工程 指導教師： 迫 2016年3月 一、 1、通過本次設計，使學生更加深刻的掌握專業(yè)知識，以及設計的流程； 2、培養(yǎng)學生調查研究、查閱技術文獻和資料及編寫技術文檔的能力； 3、能過設計成果的整理與修改，培養(yǎng)我們在計算、識圖、手工繪圖、編寫設計 文件及應用計算機的綜合能力； 4、通過本次畢業(yè)設計，培養(yǎng)學生綜合運用所學知識解決實際工程技術問題的能 力；培養(yǎng)學生獨立

2、思考、解決問題和獨立工作能力； 5、提高創(chuàng)新精神與科學態(tài)度相結合的能力樹立嚴肅認真、實事求是和刻苦鉆研 的工作作風和團隊合作的精神。 6、本次畢業(yè)設計是以楊水碾水利樞紐為課題，該樞紐由擋水建筑物、泄水建筑 物、電站建筑物等主要建筑物組成。其主要任務是發(fā)電和防洪。要求學生利用所學知 識獨立完成以下工作： 1) 分析地形地質、水文氣象、施工條件等基本資料； 2) 根據樞紐建筑物的組成及施工導流等因素進行樞紐總體布置； 3) 調洪演算； 4) 非溢流壩段設計，包括剖面設計、壩段穩(wěn)定及強度分析等； 5) 溢流壩段設計，包括消能防沖設計、溢流剖面設計、壩段穩(wěn)定及強度分析 等； 6) 細部

3、構造設計與地基處理 7) 科技論文寫作與文獻資料翻譯等。 8) 畢業(yè)設計成果整理(繪圖、整理設計計算說明書等)； 9) 畢業(yè)答辯。 2、 設計（研究）現狀和發(fā)展趨勢（文獻綜述）： 摘要：重力壩是一種古老而迄今應用仍很廣的壩型， 因主要依靠自重維持穩(wěn)定而得名。 盡管這種壩型作用結構清楚，壩體體積大，穩(wěn)定性好，但由于各種原因，仍然有可能 失事，如1928年美國63m高的圣佛朗西斯重力壩的潰壩失事。因此，重力壩的應力 應變狀態(tài)及其壩基的抗滑穩(wěn)定安全問題一直是工程界十分關注和重視的問題。當壩基 內存在可能導致沿基巖內部滑動的不利的軟弱結構面時，大壩的抗滑穩(wěn)定問題便成為 了大壩安全的控制因素。

4、 正確評價大壩安全與否的關鍵，一是應力穩(wěn)定的分析方法，二是合理的安全標準。 應力和穩(wěn)定的計算應力求采用真實的材料本構關系和物理力學參數，并有與之相配套 的安全評價標準。而大壩抗滑穩(wěn)定分析的理論、方法、參數取值和安全評價標準的確 定等一系列基本問題，均需進一步深入統(tǒng)籌研究配套使用。本文將就上述問題淺析如 下。 關鍵詞：重力壩；安全評價準則；強度儲備法；剪力比值系數 1國內外研究現狀 目前國內外核算混凝土重力壩的抗滑穩(wěn)定問題應用比較廣泛的方法有：剛體極限 平衡法、有限單元法、分項系數法等。 2.1 剛體極限平衡法 剛體極限平衡法是壩基巖體抗滑穩(wěn)定分析中應用最廣泛且為規(guī)范所推薦的一種 方

5、法。此法概念清楚，計算簡便，任何規(guī)模的工程均可采用，有豐富的工程經驗，并 且具有與之配套的比較成熟的安全判定標準。但是，它不能確定滑動塊體的位移和滑 裂面上的應力分布，因而也就不能探索破壞的機理及其變化發(fā)展過程；當滑動面是多 折坡時，不得不作出一些假定和簡化，影響了成果的可靠性；當滑動面是多層次時， 情況就變得更復雜，需要將可能出現得滑移通道逐個進行試算， 以確定控制的滑動面, 試算工作量相當大；試算過程中無法考慮軟弱夾層間的相互影響，使得計算結果的可 用性變得更差；由于剛體極限平衡法是基于滑動面上所有點同時進入滑動狀態(tài)，與實 際情況不符。 2.2 有限單元法 有限元法已經成為分析復雜地基

6、的有力工具，它不但可以分析斷層、節(jié)理等地質 缺陷的影響，而且可以將水工建筑物的應力、變形、滲流和穩(wěn)定問題結合在一起分析， 由此了解整個系統(tǒng)的破壞機理。應用非線性有限元法可以對具有軟弱夾層地基上壩體 深層的抗滑穩(wěn)定這個復雜問題做出較深入的探索，通過分析可以比較可靠地確定地基 內地應力和變形情況，了解軟弱帶的破壞區(qū)域和錯動值，確定最危險的滑動通道，研 究一些加固措施的效果，并確定最終的安全系數和闡明失穩(wěn)發(fā)展的機理。目前，國內 用來衡量壩基軟弱夾層的穩(wěn)定安全性，大致有以下三種安全系數：“超載安全系 數" Kp> “強度儲備系數” Kc、“剪力比值系數" Kso 2.3 分項系數法 新發(fā)布的電力

7、行業(yè)標準《混凝土重力壩設計規(guī)范》 (DL5108-1999)于2000年7 月起開始實施，由于直接采用可靠指標進行結構設計比較復雜，規(guī)范規(guī)定使用極限狀 態(tài)表達式來進行結構和地基的穩(wěn)定驗算，要求將建筑物抗滑穩(wěn)定分析從傳統(tǒng)的安全系 數表達式改為極限狀態(tài)表達式。 新發(fā)布的水利行業(yè)標準《混凝土重力壩設計規(guī)范》 (SL315-2005 )于2005年11 月實施，壩基面抗滑穩(wěn)定計算應按抗剪斷強度公式或抗剪強度公式計算壩基面的抗滑 穩(wěn)定安全系數。 2分析比較 眾所周知，當采用剛體極限平衡法校核抗滑穩(wěn)定時，安全系數是一個籠統(tǒng)的整體 結構的安全指標。例如，抗剪公式的安全系數為實際作用于可能滑動面上的

8、法向力乘 以摩擦系數f,與沿該巖面滑動的力的比值，計算這種安全系數并不考慮強度上的要 求，因而未能反映實際的安全度；止匕外，這種計算當然亦不能反映出整個結構的破壞 變形。要知道，結構在破壞過程中，隨著變形的增大，應力不斷進行重分布，直至達 到極限荷載，產生極限變形、結構完全破壞為止。對這種破壞過程及其安全度，只有 采用非線性彈塑性有限元法計算才能得到確切反映。 所以，目前對于一些重要的工程，特別是對壩基深處的抗滑穩(wěn)定問題較嚴重的情 況，除剛體極限平衡法外，常常進行有限元分析。有限元法計算思路明確，理論、方 法日趨成熟，通過降低強度指標和增加荷載，利用彈塑性有限元法研究壩體的漸進破 壞過程，這

9、種評價大壩的安全度的方法已逐漸為工程界接受。這種方法將應力和穩(wěn)定 一起計算統(tǒng)一研究，將抗滑失穩(wěn)破壞看成是點破壞的累進，且穩(wěn)定是由應力強度問題 引起的，從而使應力強度及抗滑穩(wěn)定的安全評價合二為一。 電力行業(yè)標準《混凝土重力壩設計規(guī)范》 (DL5108-1999)中，作用分項系數考 慮對各種荷載的標準值的不利變異，是超載系數的概念；材料性能分項系數用來反映 材料實際強度對所采用的材料強度標準值的不利變異而定出，類似強度的降低系數； 設計狀況系數用來反映結構不同狀況有不同的目標可靠指標；結構重要性系數用來考 慮結構或構件的重要性和失事后果；結構系數用來反映作用效應計算模式的不定性和 材料抗

10、力計算模型的不定性。與水利行業(yè)標準《混凝土重力壩設計規(guī)范》 (SL315-2005 )相比，電力行業(yè)標準《混凝土重力壩設計規(guī)范》 (DL5108-1999)中 采用分項系數的概念更為合理。單一安全系數法中，作用效應函數和結構抗力函數中 的材料和作用是按定值進行的，而在極限狀態(tài)驗算式中，材料和作用必須以標準值配 以相應的分項系數進行分析。標準值和分項系數 (包括結構系數)是以概率理論為基 礎，以結構達到規(guī)定的可靠度水平為原則確定的，這樣就同時考慮了實際上壩體遇到 的既有材料弱化又有荷載增加的可能組合作用。顯然，分項系數法是更加科學和合理 的。 3、 ： 1安全評價標準的研究 用有

11、限元法來分析壩的安全性，如何評價其安全度呢？這是大家普遍關注的問 題。因此必須確定什么是設計意義上的失穩(wěn)，以什么作為其安全準則。 1.1 失穩(wěn)判據 體系的穩(wěn)定是指系統(tǒng)在外荷載的作用下能夠保持穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，即這樣的平衡 狀態(tài)不會受外部條件的微小干擾而改變。體系的失穩(wěn)是指系統(tǒng)受外部條件的微小擾動 而喪失原來的平衡狀態(tài)。體系從靜力平衡轉向塑性流動的平衡狀態(tài)稱為體系的極限平 狀狀態(tài)即穩(wěn)定臨界狀態(tài)。尋找大壩失穩(wěn)臨界狀態(tài)下的安全系數是抗滑穩(wěn)定計算中的難 題之一。 在非線性計算中，一般采用逐漸降低材料參數來逼近壩體失穩(wěn)的臨界狀態(tài)。所謂 失穩(wěn)，可以通過以下方式來判別： (1)當Kp(Kc)達到一定值

12、后，壩體及地基的變化(可以用某些控制點上的值代 表)急劇增大，出現明顯的從量變轉向質變的現象； (2)當Kp(Kc)達到一定值后，沿滑動通道的全部單元均處于屈服或破壞狀態(tài)， 或者塑性區(qū)貫通； (3)當Kp (Kc)達到一定值后，非線性方程組出現不收斂，得不到穩(wěn)定的解答。 對應于臨界失穩(wěn)狀態(tài)的安全系數即為最終安全系數。 1.2 安全評價準則 1.2.1 強度儲備法 根據以往國內外大部分學者的計算經驗以及一些工程實例，一般認為，強度儲備 系數大于原設計規(guī)范中的抗剪斷公式要求的安全系數(即 3.0)即認為穩(wěn)定復核符合 要求。結合河海大學水工結構研究所的 《三峽大壩左岸1 #?5 #廠房

13、壩段整體穩(wěn)定分 析報告》，潘家錚院士在95年8月三峽總公司技委會組織的“廠壩聯(lián)合作用”討論會 上的總結發(fā)言也肯定了這種做法。 對基本組合而言，一般認為采用逐步降低強度儲備系數法進行安全評價時，當強 度儲備系數大于材料分項系數時，認為大壩是穩(wěn)定的，反之，若強度儲備系數小于材 料分項系數，則大壩穩(wěn)定的安全儲備不足。對建基面的驗算一般認為強度儲備系數大 于3.0即符合穩(wěn)定復核要求(混凝土與基巖材料性能分項系數 3.0 )。 1.2.2 應力成果核算法 不難發(fā)現式： 與《混凝土重力壩設計規(guī)范》(DL5108-1999)中極限狀態(tài)設計表達式相似，與《混 凝土重力壩設計規(guī)范》(SL315-20

14、05)中壩基抗滑穩(wěn)定抗剪斷公式也相似，由此得出 了基于兩種規(guī)范上的安全系數以及配套的參數選擇。 基于《混凝土重力壩設計規(guī)范》(DL5108-1999),引入分項系數的概念，從而得 出Ks需滿足下式： 也就是說，采用剪力比值法來評價大壩安全度時，剪力比值系數應當大于 與之配套的是：荷載應采用標準值進行計算，抗剪斷摩擦系數、粘聚力也應采用材料 的標準值。這種安全準則的選取與過去常用的安全系數相比，它考慮了更多結構自變 量的綜合因素。止匕外，公式本身是由規(guī)范規(guī)定的極限平衡安全系數方法套改而來，因 此公式具有可靠度理論和工程經驗相結合的優(yōu)點。 基于《混凝土重力壩設計規(guī)范》(SL315-2005)

15、,剪力比值系數只需要滿足該規(guī)范 中對于抗滑穩(wěn)定的要求。與之配套的是：荷載應采用設計值進行計算，抗剪斷摩擦系 數、粘聚力也應采用材料的設計值。這種安全準則的選取計算方法簡便，思路明確， 與傳統(tǒng)的極限平衡法相對應，易于被接受。但隨著可靠度理論的發(fā)展，分項系數的概 念越來越完善，這種安全準則必將經歷一次長足的發(fā)展。 四、設計（研究）進度計劃: 1、英文翻譯 第4周 2、文獻綜述、開題報告 第5周 3、調洪演算、樞紐布置 第6~9周 4、非溢流壩段設計 第10~11周 5、溢流壩段設計 第12~13周 6、細部構造設計、地基處理 第14周 7、繪圖、成果整理及評閱 第15~16周

16、五、參考文獻: [1] . DL5108-1999 [2] . SL319-2005 [3] . SL252-2000 [4] . DL5077-1997 [5] . DL5073-1997 [6] . SL265-2001 [7] . SL253-2000 8、畢業(yè)答辯 第17周 混凝土重力壩設計規(guī)范[S].北京：中國電力出版社， 2000; 混凝土重力壩設計規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社， 2005; 水利水電工程等級劃分及洪水標準 [S].北京：中國水利水電出版社， 2000; 水工建筑物荷載設計規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社， 1998; 水工鋼筋

17、混凝土結構設計規(guī)范 [S].北京：中國水利水電出版社， 1997; 水閘設計規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社， 2001; 溢洪道設計規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社， 2000; [8]水利水電規(guī)劃設計總院.水工設計手冊（基礎理論） [M].北京：中國水利水電出版社， 2011; [9]水利水電規(guī)劃設計總院.水工設計手冊（混凝土壩） [M].北京：中國水利水電出版社， 2011; [10]水利水電規(guī)劃設計總院.水工設計手冊（泄水與過壩建筑物） [M].北京：中國水利水電出版 社，2011; [11]張光計、王光倫.水工建筑物[M].水利水電出版社，1992; [12]陳勝宏.水工建筑物[M].北京：中國水利水電出版社， 2004; [13]潘家錚.重力壩的設計和計算.北京：水利電力出版社，1987; [14]王世夏.水工設計的理論和方法[M].北京：中國水利水電出版社， 2000; [15] JAMES D.CRAIO. Gravity Dam Design[M]. US: Army Corps of Engineers , 1995. 指導教師意見 簽名： 月 日 教研室（學術小組）意見 教研室主任（學術小組長）（簽章）： 月 日