开 题 报 告
设计题目：
学院： 学号： 姓名： 一、毕业设计选题的目的和意义
拱坝是目前大坝设计中的三大优选坝型之一，以其结构合理和体形美观而著称。经过工程实践检验，拱坝的优越性已得到广泛的认可。拱坝在外荷载作用下，坝体以受压为主能适应筑坝材料抗压强度高的特点。拱坝的稳定性主要是利用坝端两岸岩体抗力来维持，而不像重力坝主要靠自重维持，因此拱坝的体积要比重力坝小得多。另外，拱坝可看作由拱梁组成的统一体，属于高次超静定结构，具有巨大的超载能力，在遭受外荷载使坝体局部开裂时，坝体应力将自行调整，使得拱坝的超载安全度较大。
国内已建和拟建的水利工程大都是大型工程，消耗的费用是极其巨大的。为了寻求更大的经济效益，人们在坝工设计中越来越注重在满足安全条件的前提下，尽可能的节约材料。拱坝由于其优越的安全性和经济性，也越来越多地受到设计者的青睐。经过几十年的努力，我国在拱坝建设方面逐渐积累了丰富的经验。拱坝体形由单曲型式衍生发展了椭圆、对数螺旋线等多种型式。设计方法也由手工绘图发展到计算机辅助设计。此外，在枢纽布置、泄洪消能、基础处理、体形优化等多方面都取得了很大进展。随着拱坝的设计、施工和基础处理技术的不断进步，拱坝越来越具有广阔的发展前途。
拱坝设计需要考虑多重因素，涉及知识全面而又系统。通过拱坝水利枢纽的设计研究，掌握一个水利枢纽的基本设计程序和方法。巩固加深所学专业知识，扩大专业知识面，使所学知识系统化。同时学习国内外最新的拱坝研究成果和设计理论，并结合设计选题的实际情况，尝试运用这些成果和理论分析解决工程问题，跟进行业发展的步伐。当然我国各地气候、地质和经济等条件存在巨大差异，因而拱坝程在不同地区的建设中所遇到的技术问题也不大相同，不可生搬硬套。对这些问题在逐步改进施工工艺采取有针对性措施的同时，还应结合实际工程情况因地制宜地在理论上深入开展有益的科研探索工作，促进坝工建设的发展。
二、国内外关于混凝土拱坝的研究现状和发展趋势
人类修建拱坝有着悠久的历史，最早可追溯到古罗马时代修建的鲍姆拱坝。但直到一战前,拱坝的发展是极其缓慢的,坝高也低于15m。一战至二战期间,出现了许多新的思路、方法,如多拱梁法，水管冷却方案，用小型拱坝做“原型实验”等。二战以后拱坝
进入飞速发展时期,这时期最具有代表性的是欧洲拱坝的发展,以柯恩为首的法国工程师首先设计了许多新型拱坝枢纽,诸如集坝、厂房与泄洪结构于一体的圣·艾梯恩尼、爱格、蒙特依纳特拱坝等。这一时期的一个重大的事实是,拱坝全面的开始向跨越200 m高度冲击。
我国的拱坝建设起步较晚，最早始于1927年的福建上里浆砌石拱坝。五六十年代开始修建了混凝土拱坝，七十年代起，我国的拱坝建设发展很快。特别是近年来，我国在勘察、设计、施工过程中取得了丰硕的成果，积累了丰富的经验。随着西部大开发战略的推进，在改善能源结构、增加水电比重的方针指引下，水电资源作为绿色、可再生能源，其开发力度进一步加大，水利水电建设步伐大大加快，尤其是在我国的西部地区已建和拟建的电站中，拱坝建设在数量和质量上都得到了全面提升。
随着计算机和计算机技术、施工机械等现代科技技术的迅速发展，拱坝工程技术的研究也取得了很大的进展，并表现出一定的发展趋势。具体体现在以下几个方面：
1. 拱坝应用范围的扩大 主要表现在拱坝对不利坝址地形条件的适应性提高。早年认为坝顶长与坝高之比小于3时宜建拱坝,近几十年来已逐渐扩大其应用范围,拱坝对地形的要求越来越宽,宽高比可达12甚至可以更高，世界各国的认识也已基本趋于一致。以往认为拱坝适宜于对称河谷，而目前对河谷对称性要求已不再强调,且在不对称河谷中修筑了非对称拱坝。在不规则河谷使用混凝土填塞深槽、设垫层、建重力墩等方式使河谷形状满足要求修筑的拱坝也不在少数。对坝基岩石的强度要求也降低了,在软弱基岩上，通过适当扩大基础修筑了一批拱坝，如美国的格兰峡拱坝, 日本的裙花拱坝等。此外针对岩石不均一、断层与裂隙较多、河床有深覆盖层以及风化、破碎较深的坝基等情况，只要将地质情况勘察清楚、采取合理措施，大都可以修筑拱坝。
2. 拱坝体形及其优化 拱坝体形设计的任务是决定坝体的形状和尺寸。目前拱坝体形设计可分为以下三步：1）拱坝优选，首先根据河谷形状，选定单曲或双曲拱坝；然后是选定拱圈的形式。2）拱坝基本体形设计。3）施工体形设计。在上述三个步骤中，第一步拱坝优选很重要，优选做的好可以节省坝体投资10％～30％的效益。关于拱坝优化设计的研究,国外是从20世纪60年代末期开始的,我国则由朱伯方院士在20世纪70年代末期提出，到90年代初趋于成熟。随着坝工技术的发展，拱坝体形的优化经历了由简单到多样化，计算机设计取代手工计算；应力分析方法由拱冠梁法、一维有限元法到拱梁分载法、三维有限元法；目标函数也由单目标优化发展到双目标及多目标优化，发展和完善了中国提出的二次曲线和混合曲线拱坝两种拱圈新线型,使拱坝优化技术能
适应高拱坝的体型设计,为小湾、溪洛渡等水电站的设计提供了参考。近年来,结构拓扑优化设计正在成为结构优化研究领域的热点，并取得了许多成功的应用，而在水工结构工程领域还仅停留在理论研究层面,并没有成功应用的实例。目前河海大学一些研究学者对结构拓扑理论在水工中的应用做了一些探讨性研究，为今后水工结构工程领域的优化设计，尤其是高拱坝初始体型设计提供了一个新的研究思路和发展空间。
3.拱坝的应力分析 目前用于拱坝坝体应力分析的方法主要有数值分析法和模型试验法。对于小型工程一般只用数值分析法即可；对于重大工程和高拱坝这种重要的工程进行应力、应变以及安全度分析时,在采用数值计算分析的同时，宜以结构模型试验来进行复核。拱坝数值分析方法很多,但目前广泛采用的主要有以下2类:1）以结构力学假定为基础的拱梁分载法(试载法)和其他一些方法;2）是以弹性理论或板壳理论为基础的有限元法。不同国家侧重点有所不同。有限元法在计算理论上比多拱梁法先进,单元划分灵活,可以很好地考虑坝基变形,可以处理各种荷载。但目前还难以提出合理的应力控制指标，不过值得注意的是，随着计算机技术及相关理论的发展，有限元法有着很好的应用前景。
4.坝肩稳定分析 目前分析评价拱坝坝肩稳定安全度的方法主要有两类：1）是数值计算法，包括刚体极限平衡法（如分块法、刚性块法、赤平投影法等）、有限元法和可靠度理论；2）是模型试验法，包括线弹性结构应力模型试验、模型破坏试验和地质力学模型试验。在结构或地质条件比较复杂的大中型拱坝中，往往需要结合模型试验来研究实际应力状态，并对计算结果进行校核。
5.泄洪消能 拱坝常见的泄洪布置方式一般分为坝身泄洪与坝外泄洪两大类。坝外泄洪由于施工复杂、工程造价高，而逐渐很少采用。坝身泄洪在工程实际中应用越来越多，且泄洪量越来越大，主要泄洪方式有坝顶泄洪、滑雪道泄洪、孔口泄洪等。当泄洪量不大时,一般采用坝顶泄洪,特别是中小型拱坝,往往采用坝顶自由跌落式或低落差鼻坎挑流,且一般未设闸门。高拱坝坝身泄洪消能的最主要方式是挑流消能。近20多年来，在国内学者不懈努力与创造性工作下，我国在高坝泄洪消能技术研究方面取得了许多突破性进展，解决了大量技术难题，达到了世界领先水平。
6.地基处理 对于不良的地质条件,最基本的措施是改善拱坝的体形结构以适应。事先摸清地质情况,对于避免重大事故的发生是很必要的。恰当的灌浆和排水，是拱坝地基处理的基本措施。对断层、破碎带的处理,大都采用适当开挖后回填混凝土的办法。对岸坡预应力锚固或护坡,国外应用较多。对于特别不利的地质情况,也有采用传力墙、
重力墩的。关于坝基的开挖,已不像早期修建拱坝那么严格,一般不作大量的开挖。主要因地形对称性要求已大大放宽,同时对拱坝建基面岩石风化程度要求也已放宽,如中国的中等高度的拱坝,允许修建在弱风化中上部基岩上。另外,随着地基处理技术水平的提高,已不愿以大量的开挖来换取满足要求的坝基,认为与其大量开挖坝基,不如直接处理有缺陷的坝基合算。
7.温控防裂 温度的变化对拱坝的坝体变形和应力都有较大的影响，温度变化引起的温度应力是拱坝的主要荷载之一。在我国，关于温控防裂的研究起步相对较晚，但是发展很快。最早由朱伯芳院士涉足该领域，发表了《混凝土坝的温度计算》。此后，在温控施工工艺、温度应力仿真分析方面，国内学者都取得了丰硕的成果。1955年建设响洪甸拱坝时，采用水管冷却、薄层浇筑，建成后裂缝较少。在小湾工程中，通过加强对混凝土内部最高温度控制、混凝土表面温度控制和二期冷却以及采取内循环式供水系统等措施，达到了良好的温控效果。在针对拱坝温度仿真计算规模与计算速度的研究上朱伯芳院士等提出了以误差控制为特点的多层混凝土结构仿真应力分析的“扩网并层算法”、“分区异步长算法”等理论。清华大学刘光廷教授等首次尝试将有限元法引入大体积混凝土结构随机温度徐变应力的计算。黄昭扬教授等系统地研究了碾压混凝土中的“诱导缝”的等效强度、设置位置、开裂可靠性问题。目前，高拱坝的温控防裂问题的重要性和混凝土产生裂缝的规律基本上已被人们所认识，而且在建设混凝土拱坝方面的经验日趋成熟。但温控防裂问题仍处于探索实践阶段，做好温度场的仿真将进一步推动混凝土拱坝建设的发展。
三、设计的主要内容、研究方法及技术路线 1 主要内容 1）坝型及枢纽主要建筑物型式选择
2）水文计算（主要是调洪演算）拟定泄水建筑物的孔口尺寸 3）枢纽工程总体布置 4）主要建筑物设计 5）导流建筑物初步设计 6）地基处理 7）施工导流方案
对设计基本资料进行分析，列出可行的几种坝型方案，并进行必要的比选，确定枢纽主要建筑物的型式、轮廓尺寸、及枢纽总体布置方案。通过调洪演算，拟定泄水建筑
物的孔口尺寸。详细作出大坝设计，通过比较确定坝的基本剖面与轮廓尺寸，拟定地基处理方案与坝身构造，进行水力、静力计算。对泄水建筑物进行设计，确定布置方案，拟定细部构造，进行水力、静力计算。作出合理的施工导流方案，安排施工的控制性进度。
2 研究方法与技术路线 拱坝设计需要考虑多重因素，涉及知识全面而又系统,这就需要设计人员具备扎实的专业基础知识与良好的专业素养。在进行拱坝设计时，应该在原有专业知识基础上，通过借阅相关领域专著，调查文献获得资料，来全面、正确地了解和掌握拱坝的设计原理。对整个枢纽设计过程建立一个清晰而又系统的认识。
之后在具体设计工作中，主要采用参阅设计手册、查看文献、数学模拟等方法来对遇到的问题进行探讨与解决。必要时可参照相关工程实例，借鉴工程经验。关注目前国内外的最新研究成果，尝试运用这些成果和理论来对一些具体工程问题进行分析。对于设计图，可以采用计算机辅助设计软件（如AUTOCAD、CATIA）来绘制。而对拱坝的应力分析，可以应用编制的程序来进行计算。由于大型通用有限元软件在很多领域都有着较为成功的运用，在本设计中拟采用ANSYS软件，依照原型，创建数学模型，进行仿真计算，来分析拱坝的应力应变情况。 四、设计工作进度安排
根据毕业设计任务，毕业设计的工作时间定为11周。在规定的设计期限内完成规定的设计任务。在开始设计时，做好准备工作，加强计划性，力争高质量地完成毕业设计。各阶段进度时间安排如下表：
工作阶段 1．了解任务书，熟悉原始资料 2．坝型选择及水利枢纽布置（包括调洪演算） 3．主要的建筑物设计 4．施工导流方案分析 5．完成设计报告及设计图 6．毕业设计成果审核及答辩 7．总 计
时间（周数） 0.5 2.5 4.5 1 1.5 1 11
五、设计主要参考文献
[1] DL5180-2003.水电枢纽工程等级划分及设计安全标准[S].北京:中国电力出版 . . . . .
指导教师签名： 年 月 日