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1、水利枢纽有限元分析毕业设计第一部分设 计 说 明 书1 兴旺沟水利枢纽工程基本资料1.1 流域概况乐昌峡水利枢纽位于市乐昌境、北江支流武江乐昌峡河段，坝址位于兴旺沟火车站附近，下距乐昌市约14km，市81.4km，坝址以上集水面积4988km2。武江是北江流域的一级支流。发源于省临武县三峰岭，流经省的临武县、宜章县、郴县、桂阳、汝城等五县，于乐昌市老坪石上游约3km流入省的乐昌市，经乳源、曲江，与浈江在市沙洲尾汇合注入北江。武江全河长260km，流域面积7097km2。1.2 水文1.2.1 气象 武江流域位于五岭山脉以南，属东亚季风气候区。冬半年受东北季风控制，气候寒冷略干燥，夏半年受西南和
2、东南季风控制，气候炎热多雨。本流域具有山地气候特征。大暴雨发生的频率前汛期（46月）占67%69%，后汛期（79月）占31%33%。根据乐昌市气象站1959年2004年资料统计，主要气象特性如下：气温：多年平均气温19.5，极端最高气温41.0（2003年7月23日），极端最低气温-4.6（1967年1月17日）。降雨量：多年平均降雨量1488mm，最大日降雨量220 mm（1973年6月28日）。湿度：多年平均相对湿度80，最大月平均相对湿度90（1975年5月）。风向、风速：多年平均最大风速14.8m/s，最大风速22m/s（1970年8月11日），最多风向为NNW。 蒸发量：多年平均蒸发
3、量1039mm。1.2.2 水文基本资料 根据工程位置、任务、流域地区洪水组成及已有的水文站点和资料，确定武江的坪石（二）、犁市水文站，浈江的长坝（浈湾）水文站和北江的水位站四站为设计基本站。资料系列均至2006年。 1.2.3 洪水根据北江上游洪水组成特点，乐昌峡水库设计洪水考虑甲、乙两种洪水组成。 甲种洪水：与乐昌峡水库同频率，乐昌峡湾头区间相应，以武水为主的洪水组成。乙种洪水：与乐昌峡湾头区间同频率乐昌峡水库相应，以浈水为主的洪水组成。乐昌峡水利枢纽兴旺沟坝址采用以武水为主的甲种洪水组成时还同时考虑乐昌峡坝址乐昌市小区间的甲、乙两种洪水组成。典型年选择：甲种洪水：1994年6月（全流域大
4、水）、2006年7月（武江大水）。乙种洪水：1976年6月（浈江大水）。1.2.4 泥沙 犁市站多年平均含沙量为0.173kg/m3，多年平均侵蚀模数为177.47t/km2，经计算坝址多年平均输沙量为 90.34万t。1.3 坝基岩石及沙砾石的物理学性质资料1.3.1 坝基岩石及砂砾石的物理力学性质1、泊松比 0.22、摩擦系数 0.653、抗剪强度系数 1.04、地基重度2700N/m31.3.2 淤沙的力学指标1、淤沙高度23m2、摩擦角183、浮容重9.5kN/m3 1.3.3 水库特性表 （1）、水库水位 1）正常蓄水位 154.50m2）设计洪水位（P=1%） 158.42m3）校
5、核洪水位(P=0.1%) 159.18m4) 汛期运行水位 144.50m5）极限死水位 .50m（2）、电站下游尾水位 1）设计洪水位 116.58m 2）校核洪水位 117.30m 3）正常尾水位 113.87m 4）最低计算尾水位 112.00m（3）、溢洪道下游水位 1）设计洪水位 113.87m2）校核洪水位 116.62m2 重力坝的工作原理、特点及其荷载2.1 重力坝的工作原理 重力坝是用浆砌石或混凝土材料修筑而成的挡水建筑物。一般做成上游面近似垂直的三角形断面，在坝体和地基接触面间产生抗剪强度或摩擦力来抵抗水库的水推力，以达到稳定的要求；同时依靠坝体自重产生的压应力来抵消由于水
6、压力所引起的坝体上游侧面的拉应力，以满足坝身强度的要求。为了适应地基变形、温度变化和混凝土的浇筑能力，沿坝轴线用横缝将坝体分隔成若干个独立工作的坝段。2.2 重力坝的特点（1） 结构作用明确，设计方法简单，安全可靠。（2） 重力坝对地形、地质条件适应性强。任何形状的河谷都可以修建重力坝，因为坝体作用于地基面上的压应力不高，所以对地质条件的要求也较拱坝低，甚至在土基上也可以修建高度不大的重力坝。（3）枢纽泄洪问题容易解决。重力坝可以做成溢流的，也可以在坝身不同高度设置泄水孔，一般不需另设溢洪道或泄水隧洞，枢纽布置紧凑。（4）便于施工导流。在施工期可以利用坝体导流，一般不需要另设导流隧洞。（5）施
7、工方便。大体积混凝土可以采用机械化施工，在放样、立模和混凝土浇筑方面都比较简单，并且补强、修复、维护或扩建也比较方便。（6）重力坝是大体积混凝土建筑物，施工时混凝土的水化发热和散热、硬化收缩将引起坝体温度和收缩应力，可能使坝体产生裂缝。因此，在浇筑混凝土时，需要有严格的温度控制措施。2.3 作用在重力坝上的荷载 作用在重力坝上的荷载主要有：坝体及坝基上永久设备的自重，上下游坝面上的静水压力，扬压力、泥沙压力、及地震荷载等。2.4 重力坝有限元建模有限元求解坝体和基岩位移和应力应变响应时，关键是整体刚度矩阵K。对于一般的水库大坝，其刚度矩阵应该由坝体和基岩等单元刚度矩阵组合而成，即K=K1+K2
8、。其中K1表示坝体单元的总体刚度矩阵，既受坝体自身刚度的影响，又受基础约束的影响；K2表示基岩单元的总刚度，主要取决于所考虑的围大小及边界约束条件。数值模拟计算只能在有限的区域进行，为了减小计算误差，必须选取合适的计算围。在实际建模过程中，建议地基选取的围以2倍的坝高为宜，根据坝体剖面尺寸不一，也可以适当调整围，由实际情况而定。2.5 重力坝建模参数1 坝体：混凝土的弹性模量E=2.4E10Pa，密度为2400Kg/m3，泊松比为=0.167，抗拉强度Fc=1.96E6Pa2 岩基：弹性模量E=2.7E10Pa，密度为2700Kg/m3，泊松比为=0.2。2.6 设计的主要容及容1、确定枢纽布
9、置方案，绘出上游或下游立视图。2、主要建筑物设计（1）当水坝坝段设计：确定当水坝的实用剖面及轮廓尺寸，并进行稳定、应力分析。绘出最大坝高处当水坝横剖面图。（2）底孔坝坝段设计：确定底孔坝的基本剖面及轮廓尺寸，进行稳定、应力计算。绘出最大坝高处底孔坝横剖面图。3、 坝体细部构造设计：包括坝体混凝土分区、分缝廊道系统及坝身排水系统的设计。3 坝型选择与枢纽布置3.1 坝型选择拟定三种方案：分别选择土石坝、混凝土重力坝、拱坝三种类型进行比较。 表4-1三种坝型比较表类型条件土石坝混凝土重力坝拱坝筑坝材料坝址附近要有土石料场坝址附近要有砂石，砾料场坝址附近要有砂石，砾料场地形条件对地形适应性强对地形，
10、地质条件适应性强。拱坝的理想地形是左右两岸对称，岸坡平顺无突变地质条件对地基地质条件要求较低对地基要求较低坝基处的岩基要求坚硬，完整，质地均匀，稳定气候条件适应各种不同气候对外界气候条件的适应性好温度变化对坝体应力影响显著泄洪要求泄洪建筑物应具有足够的泄洪能力，坝体在洪水位以上要有足够的安全超高，以防洪水满顶，造成坝的失事。枢纽泄洪问题容易解决。枢纽泄洪问题容易解决抗震要求抗震性好抗震性好抗震性不好根据基本资料显示，坝址下游有足量的混凝土用砂，石料场，砾石料场储量丰富。武江水量丰富，水质矿化度较低，一般对混凝土不具有侵蚀作用，唯河水含泥沙量较大，需进行沉淀处理，且洪水流量大。故本枢纽要求泄洪能
11、力强.而修混凝土重力坝的优点是对地形、地质条件适应性强,对地形和地质条件要求较拱坝低;枢纽泄洪问题容易解决,重力坝可以做成溢流的,也可在坝设不同高程泄水孔,不需另设溢洪道或泄水隧洞,枢纽布置紧凑;便于施工导流;重力坝剖面尺寸大,因而抵抗洪水漫顶、渗漏、地震和战争破坏的能力都比土石坝强;施工方便;结构作用明确,重力坝沿坝轴线用横缝分成若干坝段,各坝段独立工作,稳定和应力计算都比其他坝型简单.该枢纽的地形、地质和气象条件等资料都显示,适于修混凝土重力坝.拱坝:由于拱坝剖面较薄,坝体几何形状复杂,对于筑坝材料强度,抗渗性和施工质量等要求都比重力坝严格.地形条件是决定拱坝结构形式,工程布置的主要因素.
12、因其理想地形是狭窄河谷,与本枢纽地形不符,故本枢纽不宜修拱坝.土石坝:在洪水流量较大的河流上,土石坝工程的导流,泄洪问题比混凝土坝难以解决.再根据该枢纽资料容,坝址地质条件较好,建混凝土坝具有较大优越性,故本枢纽也不适合修土石坝.综上选择该水利枢纽为混凝土实体重力坝较为合理。3.2 枢纽布置根据坝址坝型比较选择意见，结合地形、地质条件，针对选定的重力坝坝型拟定下列可能的枢纽组合方案，进行分析比较。1右岸至左岸依次为挡水坝段、厂房坝段、溢流坝段、挡水坝段2右岸至左岸依次为溢流坝段、厂房坝段、挡水坝段3右岸至左岸依次为挡水坝段、溢流坝段、厂房坝段通过上述枢纽方案各建筑物的布置设计、分析比较，将各枢
13、纽方案特点分述如下：方案1：布置合理，溢流坝段泄流的尾水直接进入河道，消能容易解决。方案2：右岸布置溢流坝段尾水不宜处理，需要额外修建尾水渠段增加投资。方案3：左岸直接布置厂房，左岸岸坡需要开挖较多，增加了投资。由此可见，各枢纽方案建筑工程总投资排列顺序为方案(1)方案(2)方案(3)，综合考虑地形地质、水文、施工、运行管理等条件，选择方案，即布置从右岸依次为83.1m的挡水坝段，52.5m的挡厂房坝段，75m的溢流坝段，最左岸为163.5m的挡水坝段。4 有限元分析方法与ANSYS简介4.1 有限元ANSYS简介有限元法（Finite Element Method/FEM）又称有限单元法或有
14、限元素法，是结构分析的一种数值法，自从1960年柯劳夫（R.W.clough）提出“有限元法”的名称以来，有限元法的研究工作蓬勃发展，在工程领域中作用日益增强，已成为分析连续体力学问题最新颖和最有效的工具。有限元法的实质就是把具有无限个自由度的连续体，理想化为只有有限个自由度的一组有限个且按一定方式联结在一起的组合域。各单元之间彼此相连接的点称为节点，从研究有限单元的力学特性着手，最后得到一组以节点位移作为未知量的矩阵形式表达的方程，求解出这些未知量，就可以得到整个求解域上的近似解。有限元法采用矩阵表达形式，便于编制计算机程序，以求解大型线性方程组。利用计算机的便利大大提高了计算速度，使许多复杂的工程问题迎刃而解。4.2 有限元ANSYS分析过程ANSYS有限元求解问题的基本过程主要包括：前置处理、有限元求解、后置处理三部分。介绍如下：（1） 前置处理：建立有限元模型所需要输入的资料，如节点、坐标资料、元素节点排列次序、材料特性等。之后将建好的模型划分网格，是使整个模型系统离散为有限个单元。（2） 有限元求解 通过对模型外部作用力的加载，利用能量最低原理和函数值定理换成一组线性联立方程组，如元素刚度矩阵计算K、系统外力向量的组合F、线形代数方程KU=F等，使
