长沙理工_毕业设计(论文)开题报告——徐大彬 - 最终版

毕业设计(论文)开题报告 题目： 长沙枢纽三线船闸设计及结构分析

——以坞式闸室结构方案二为例

课 题 类 别： 设计□√ 论文 □ 学 生 姓 名： 徐 大 彬 学 号： 201019040810 班 级： 港航10-03班 专业（全称）： 港口航道与海岸工程 指 导 教 师： 刘 晓 平

2014 年 4 月 一、本课题设计（研究）的目的： （1）本次毕业设计是通过对原始资料（地形、地质勘测、水文资料等）的了解后对 工程进行分析与评价，之后根据枢纽的功能、地形地质特点，进行长沙枢纽三线船闸总体布置及闸室结构型式的选择，并对闸室的稳定性进行复核计算。 （2）学习使用ANSYS有限元软件，建立数学模型，系统分析三线船闸在各种工况下，基坑开挖对已建邻近船闸（闸室）的影响，从而找出合理的基坑开挖方案，减少工程成本，缩短工程工期，达到安全施工生产的目的。 （3）通过毕设来自主学习专业知识，实现理论与实践结合的目的，提升问题分析能力和团队合作能力，为今后的深入学习奠定坚实基础。

二、设计（研究）现状和发展趋势（文献综述）： 1. 长沙枢纽工程概况

长沙湘江航电枢纽工程位于望城县蔡家洲，工程包括电站、泄水闸、坝顶公路桥、水库等，集蓄水、发电、航运、旅游休闲等功能于一体。工程于2009年10月开建，2014年竣工。 长沙综合枢纽是湘江规划的最下游的一个枢纽工程，上接株洲航电枢纽。枢纽由船闸、泄水闸、电站三大主体建筑物组成，具有渠化长沙蔡家洲至株洲空洲河段航道，同时兼顾发电，城市供水、灌溉、两岸交通，旅游、城市景观等综合利用的功能，船闸位于枢纽河段左汊的左岸，等级Ⅱ级，为双线单级船闸，每线船闸的有效尺寸为280m×34m×4．5m(长×宽×门槛水深)，满足1000t驳船一顶四船队和2000t驳船一顶二船队安全进出船闸及过坝运量的要求，并预留三线船闸位置，待双线船闸通过能力趋于饱和时，开始兴建第三线船闸，以满足经济发展的需求。 2. 船闸研究现状 船闸是低水头航电枢纽工程中重要的工程结构物, 由闸首、闸室、输水系统、闸门、阀门、引航道等部分,及相应的设备组成。 为了减少船闸级数，缩短船舶过闸时间，加快水路运输速度，适应高坝通航的需求，内河船闸逐步向高水头方向发展。由于船闸水力条件和闸门及启闭机械技术条件的限制，当水头高至一定限度时，单级船闸就无法满足通航要求，需要采用多级船闸，包括连续多级船闸和设有中间渠道的多级船闸。 国内外对于船闸结构的研究主要集中在两个方面：一方面是船闸的主体结构的研究，另一方面是船闸结构与周围介质的相互作用问题的研究。对船闸主体结构的研究包括对船闸闸室结构的研究与船闸闸首结构的研究两部分。而不管是整体式船闸结构还是分离式船闸结构，主要的结构物都是部分或全部埋置于土中，由于周围的介质会对船闸结构产生较明显的土压力作用，同时船闸结构会对周围底层产生反作用，这种结构物和土体直接的相互作用称为结构-土相互作用。 船闸结构工程，其研究在不断吸收其他学科和领域的成果时，也处于不断发展与进步之中。 19世纪60年代，美国[1]在ALLEN PORT船闸进行了一系列的原形观测，以后又采用了有限元的数值计算方法，对船闸结构进行计算分析，得到一些非常有意义的结果。20世纪70年代，河海大学、同济大学、大连理工大学等院校和科研单位在结构分析与数值计算分析方面做了大量的工作。湖南省交通厅在湘江各级枢纽船闸的建设中，与高等院校和科研单位合作，对船闸进行了一系列的原形观测和计算分析比较。2001年长沙理工大学在株洲航电枢纽船闸的建设中，对泥岩地基上的船闸进行了整体受力计算及施工过程的计算机仿真分析，为船闸的建设提出了科学有效、简单易行的建议，不仅保证了工程质量，还节省了工程费用600多万元，从实施的情况来看，效果良好。 3. 长沙枢纽船闸结构 顺水流方向，闸室分为17个结构段，其中第1～4、12～17段闸室结构采用闸墙与闸底无刚性连系的分离式结构，第5～11段闸室采用闸墙与闸底刚性连接的整体坞式结构，该结构段作用在地质条件比较复杂的地基上，该段地基在顺水流方向的地基有不同程度的风化，在垂直水流方向则是由两端地基条件较差的全风化花岗岩和中间中风化岩构成，在该结构段闸室亦采用坞式结构。并且闸底板采用先预留宽缝，后期合缝浇筑的施工方法，结构构造比较复杂，施工较一般整体式施工方法复杂。 上、下闸首都采用整体坞式结构，底板厚约10m，也采用先预留宽缝，后期合缝浇筑的施工方法。整体坞式结构采用底板预留宽缝施工方法，在底板上设置两条1．5m的宽缝，使原来宽62m的底板分成三段，中间段长度为20m，两侧段长度为19.5m。 4. 坞式船闸研究 坞式结构，又称“U”型结构，由闸墙和底板连接而成，整体性好，防渗性强，地基反力分布比较均匀，对地基承载力要求较低。由于闸墙与底板刚性连接，两侧闸墙相对位移较小，无需考虑闸墙的滑移稳定问题，同时底板也可适应不均匀沉降，但刚性连接对其工作不利，若产生不均匀沉降，将在底板内产生附加应力。与悬臂式结构和双铰底板式结构相比，底板承受的墙后土压力和弯矩较大，厚度一般较厚。坞式 结构适用于水头较大、闸墙较高、对抗震要求较高以及软弱地基和复杂地基的情况。 目前对坞式闸室结构的计算方法主要有二类：传统的计算方法与有限元法。 4.1 传统的计算方法 传统的弹性地基基础梁计算方法目前仍然是软基上船闸等结构底板设计的规范方法。周慧[2]介绍了弹性地基梁的计算方法，包括初参数法、变截面法、链杆法、有限差分法等。潘美元[3]指出了坞式船闸的闸室结构目前采用最广泛的设计计算方法为：在各种工况荷载下，采用简化的计算方法，即将土压力、地下水压力等荷载作用在边墙上，边墙视为嵌固在底板上的悬臂粱，底板则视为弹性地基梁分别计算，用温开尔法、郭氏法或链杆法求解。黄伦超、曹周红等[4]采用葛氏法查表计算船闸坞式结构时，将闸墙所受荷载简化到底板上，对不同荷载简化方式进行了计算，并与有限元方法计算结果比较分析。 然而传统弹性地基梁的计算方法都做了近似简化，都有这样或那样的缺陷。比如温开尔法使用范围很受限制；郭氏法在荷载较为复杂时，须将荷载近似简化后再叠加，计算工作量很大，而且查梁的柔度系数表时需要近似取整，这样带来很大的误差；链杆法的精度较差而且工作量很大。为了设计出结构更为合理并且能充分发挥材料性能比的闸室结构，就要求有一个通用性强，并能全面反映闸室结构和地基真实受力特点和位移特点的计算方法或程序。 4.2 有限元法 自20世纪40年代有限元法提出以来，有限元法在理论研究和应用上都取得了巨大的发展，由于有限元法的通用性，它已经成为解决各种问题的强有力和灵活通用的工具。特别是近些年来，随着计算机科学与技术的发展，在计算机程序的编制方面，出现了大量大型通用的计算机程序和软件，其中比较常用的有：SAP、ANSYS、NASTRAN、COSMOS和MARC等。 作为最大用户群的有限元分析软件ANSYS，使用便捷，具有极强的分析功能，所建模型能较全面地反映真实的工作状态。利用ANSYS有限元法对坞式闸室进行建模，分析在各工况下闸室和地基受力和位移变形特点，可以弥补常规计算方法的误差和烦琐等不足，为闸室结构计算方法提供了一个更为简便通用的方法，解决了许多常规法无法解决或难以解决的问题。 4.3 有限元方法的运用 潘美元、郑英[5]依托嘉陵江红岩子电航枢纽工程船闸相关资料，在坞式闸室结构常规计算基础之上，利用APDL语言进行编程，在ANSYS平台上开发了坞式船闸闸室结构有限元计算模块，分析了闸室及地基的应力和位移特性，并与常规计算法进行了分析比较。建模过程和研究成果为ANSYS软件在水工结构工程中的若干应用起了抛砖引玉的作用。于忠陶、刘军[6]结合3个船闸工程，利用有限元分析软件ADINA对土基上闸首的不同底板厚度、不同边墩高度、不同回填土参数的各种工况计算成果进行分析，得出了土基上闸首底板的受力、变形趋势，供船闸闸首底板在设计和计算时参考。代礼红，卢文蕾等[7]针对船闸水工结构中大体积混凝土施工期温度及温度应力问题，通过对有限元软件ANSYS进行二次开发，利用VB语言设计出方便的图形化参数输入界面，结合软件自带的APDL语言，自动完成分析全过程，使得复杂的全过程仿真分析趋于简洁化、高效化、实用化，能更好地应用于工程实践，解决实际工程问题。并对一典型坞式闸室的温度及温度应力进行了计算分析，为工程技术人员提供了参考。唐杰文[8]以长沙综合枢纽为工程背景，用Compaq Yisum Fortran 6．6C语言编制了混凝土徐变温度应力场的有限元计算程序，并在ANSYS中调用该程序，实现了混凝土徐变的有限元计算，后用于长沙综合枢纽船闸底板温度应力施工仿真分析。刘晓平[9]指出一些调查报告表明，许多采用坞式结构形式的船闸底板在施工期或施工完建期都出现了不同程度的裂缝，有的是细小的表面裂缝，有的则是较大、较深的裂缝，甚至是一些严重影响船闸正常使用和安全的贯穿性裂缝。他针对坞式结构船闸底板容易出现裂缝这一问题，以株洲船闸工程为背景，拟定底板预留宽缝的施工方法，结合非线性有限元仿真分析方法，考虑重力、温度等荷载，计算分析了船闸结构底板预留宽缝施工方法的效果。 5. 多线船闸研究 航运的发展促使枢纽中的单线或复线船闸向多线船闸转变。增建多线船闸的平面布置方案受到水利工程、航运规划、征地拆迁、工程投资以及实施难易等众多因素制约，设计必须综合考虑，进行深入细致的调研与论证，对于水域复杂的区域必要时要采取数值计算、模型试验等手段对设计效果进行预测，以达到工程建设的最佳效果。 5.1 三线船闸闸位选址考虑因素 （1）从今后船闸的管理方便出发，在保证施工期一、二线船闸正常通航情况下，三线船闸应尽可能靠近一、二线船闸。