土石坝-开题报告.doc

土石坝-开题报告

毕业设计（论文）
开 题 报 告

题 目 南沟门水库枢纽布置
及粘土心墙坝设计
专 业 水利水电工程
班 级 工113
学 生 胡健
指导教师 王瑞骏

2015 年
一、 毕业设计(论文）课题来源、类型
根据专业培养要求和毕业设计的目的，本设计的课题来源于南沟门水库枢纽的工程实际,本设计的课题类型属于设计类。

二、 选题的目的及意义
1.选题目的:
（1) 本设计主要解决南沟门枢纽布置，以及粘土心墙坝的设计；
（2） 培养综合运用所学的基础理论，专业知识和掌握基本技能，创造性的分析和解决实际问题的能力；培养严肃认真的科学态度和严谨求实的工作作风，全面提高综合素质，培养出具有水利水电工程规划、设计、施工和管理能力的全面人才。
2.选题意义：
（1) 南沟门水利枢纽主要向延安石油化学工业基地及当地城乡生活用水,改善灌溉条件，并利用供水进行发电；南沟门水库工程工程位于陕西省延安市黄陵县境内,由葫芦河南沟门水库、洛河引洛入葫马家河引水枢纽和输水隧洞三部分组成，该水利枢纽工程为Ⅱ等大（2）型工程，其永久泄水建筑物导流泄洪洞、溢洪道按2级建筑物设计,设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为5000年一遇。南沟门水库位于洛河支流葫芦河下流，距黄陵县城约20公里。水库坝址距河口3km，控制流域面积5443平方千米，占全流域面积约99。9％，工程由拦河坝、泄洪洞、引水发电洞、泄洪道组成。
马家河引水枢纽位于洛河中游洛川县西北约12km的马家河村，距下游交口河水文站约38km，坝址以上流域面积11548平方千米，占洛河流域总面积的42。9％。引洛入葫输水隧洞洞长6.115km。
（2) 由于延安市境内石油、煤炭等矿产资源丰富，是陕西省最大的石油工业基地，规划建设的延安石油化学工业区是陕北能源化工基地的重要组成部分。然而随着延安石油工业发展和石油化学工业区建设步伐加快，水资源供需矛盾也日益尖锐，修建南沟门水利枢纽工程，不仅可以解决延安石油工业区用水问题、灌溉条件等问题，而且促进地方经济社会可持续发展；
（3) 通过本次毕业设计，要求学生在教师的指导下，独立完成设计课题所规范的全部内容；一方面培养了学生综合运用已学过的理论知识和技能，分析和解决本专业范围内的实际工程问题的能力，树立正确的设计思想,掌握现代设计方法，培养我们勇于创新和开拓进取的精神；另一方面通过调查研究，查阅文献资料,陪养了学生严肃认真的科学态度和严谨求实的工作作风,使学生综合能力全面升高，为我国以后的水利工程事业发挥更大的价值.

三、 本课题在国内外的研究状况及发展趋势
1．土石坝的建设现状
土石坝是一种应用最广的坝型，在具有适宜的地形、地质和建筑材料的前提下,土石坝极可能是一种结构简单、较为经济和对地基要求较宽松，施工简单方便,适应性强,抗震性能良好,工作可靠、寿命长、管理简便的坝型，因此，在水工设计的坝型比较中，土石坝往往是不可缺少的.同时土石坝也是世界上最古老的坝型之一,有着悠久的建造历史.据统计,全世界超过15m的土石坝共有29000余座,仅在中国就有15000余座［1]。土石坝也是当今世界建造数量最多(据1986年统计,坝高15m以上的土石坝占总数的82。7%,坝高100米以上的土石坝占总数的46％）、体积最大、高度最高的坝型。20世纪以来，土石坝工程在发达国家(如美国、加拿大、前苏联等）和部分发展中国家得到快速的发展，并出现了300m以上的高土石坝。美国建设的高土石坝最多,己建和在建的高于150米的土石坝就有12座 [2］。我国也建成了大量的土石坝,但绝大多数为70m以下的中低坝,建成的少数高坝其最大高度仅在180m以下。截止2000年底,我国共兴建各类水库8.5万余座,其中土石坝占90％以上［3］.进入21世纪后，随着我国水利水建设的快速发展和实施“西电东送”水电工程的要求，众多高土石坝的建设被提上议程，特别在深厚覆盖层河谷、地质条件较差、地震烈度较高、坝高较大（尤其250m以上）的坝址，多数选择了或拟选择土石坝。
土石坝工程的建设，历史悠久，有丰富的成功经验。自混凝土坝出现后,似乎总认为高坝大库最适合混凝土坝,其枢纽布置即方便，又安全可靠。其实上从多数方面因素来衡量，土石坝仍有其特定优势，有更经济合理的枢纽布置条件,国际最高的坝则是土石坝［4］。同混凝土坝相比，它的优点主要体现在以下几方面：
（1) 筑坝材料来源直接、方便，能就地取材，能节省大量的钢材、水泥和木材等建筑材料。
(2) 适应地基变形的能力强.土石坝为土料或石料填筑的散粒结构，能较好地适应地基的变形，对地基的要求在各种坝型中是最低的。
(3） 构造简单，施工技术容易掌握，适应于大型机械化施工.
（4) 运用管理方便，工作可靠，寿命长,维修加固和扩建均较容易.
另一方面，同其它的坝型类似，土石坝自身也有不足的一面：
  （1） 施工导流不如混凝土坝方便，因而相应地增加了工程造价。 
(2） 坝顶不能溢流。受散粒体材料整体强度的限制，土石坝坝身通常不允许过流，因此需在坝外单独设置泄水建筑物。 
（3） 坝体填充工程量大,土料填筑质量受气候条件的影响大。 
土石坝的发展，一直经久不衰.随着科学技术的进步，今天的土石坝工程,涵盖了土料防渗、混凝土面板防渗、沥青混凝土防渗、土工膜防渗等土石坝工程,在我国，简单而有效地处理了宽达105米的断层破碎带[5.6]。施工较简便，费用较省的泥浆防渗槽已被采用。化学材料灌浆也被引入土石坝的坝基处理工程中。在深厚的淤泥地基上,采用沙井加固或其他措施,也建成许多土坝。其他种种新颖的施工工艺也还在不断地被发明创造.
按施工方法的不同，土石坝可分为:碾压式土石坝、抛填式堆石坝、定向爆破坝、水力冲填坝和水中倒土坝，其中应用最广的是碾压式土石坝. 其中碾压式土石坝按坝体横断面的防渗材料及其结构，可划分为以下几种主要类型［7]: 
1。 均质坝 
坝体绝大部分由一种抗渗性能较好的土料筑成.坝体整个断面起防渗和稳定作用,不再设专门的防渗体.均质坝结构简单，施工方便，当坝址附近有适合的土料且坝高不大时可优先采用。值得注意的是：对于抗渗性能好的土料（如粘土），因其抗剪强度低,且施工碾压困难,在多雨地区受含水量影响则更难压实，因而高坝中一般不采用此种型式。 
2. 土石坝防渗透分区坝 
与均质坝不同,在坝体中设置专门起防渗作用的防渗体，采用透水性较大的砂石料作坝壳,防渗体多采用防渗性能好的粘性土，其位置可设在坝体中间（称为心墙坝)或稍向上游倾斜(称为斜心墙坝）；或将防渗体设在坝体上游或接近上游面（称为斜墙坝）。作为本次研究设计的心墙坝由于心墙设在坝体中部，施工时就要求心墙与坝体答题同步上升，因而两者相互干扰大，影响施工进度.又由于心墙料与坝壳料的固结速度不同,心墙内易产生“拱效应”而形成裂缝；斜墙的抗震性能和适应不均匀沉降的能力不如心墙。斜心墙坝壳不同程度克服心墙坝斜墙坝的缺点，故我国154m高的小浪底水利枢纽即采用斜心墙型式。 
3。 非土质材料防渗体坝 
防渗体采用混凝土、沥青混凝土、钢筋混凝土、土工膜或其他人工材料制成，其余部分用土石料填筑而成。防渗体设在上游面的称为斜墙坝（或面板坝)，防渗体设在坝体中央的称为心墙坝。采用复合土工膜防渗的土石坝，坝坡可以设计得较陡，使土石工程量减小，从而降低工程造价.这种坝施工方便工期短、受气候因素影响小，是一种很有发展前景的新坝型。 
2。 土石坝发展趋势
目前，土石坝是世界大坝工程建设中应用最为广泛和发展最快的一种坝型。土石坝筑坝技术自20世纪50年以后得以飞速发展，并促成了一批高坝的建设,也使高土石坝发展成为一种趋势。同时在设计和施工方面也有了新的发展和突破:
1. 坝基覆盖层的防渗处理有重大突破 
坝基的防渗处理时土石坝工程设计的关键问题，它与坝体的设计、施工、安全可靠性、工期和造价有密切关系，甚至直接影响到工程方案的选择。早期在深透水坝基上建土石坝,常在坝基打设钢板桩防渗,由于常出现桩尖卷刀、板状倾斜、槽口撕开等问题，效果不是很理想。1954年法国在坝高128m的谢尔·帮松土石坝对其110m厚砂卵石坝基进行了著名的覆盖层灌浆试验,随后埃及的阿斯旺大坝对深达225m的覆盖层采用深达174m的帷幕灌浆进行地基防渗处理，使其承受110m的水头，是世界上最深的基础防渗工程。建成后的实测资料表明防渗帷幕承担96％的深透水头，工程运转良好。实践证明深帷幕灌浆是处理深覆盖层防渗问题的一项有效措施，60年代中叶兴起的混凝土防渗墙、泥浆固壁、冲击钻造孔，防渗效果更加经济可靠，加拿大尼克3号土石坝水头为105m，防渗墙墙深131m，为最深的防渗墙.从工程建成后实际运行情况看,防渗效果均良好。当覆盖层深度较小时，还可以采用造价低廉的泥浆截水槽[16］。坝基的各种防渗技术的发展和工程经验的积累为在不良的坝址上修建高土石坝开拓了广阔的前景，许多不宜修建混凝土坝的坝址经过适当的地基处理都能够修建土石坝[8]。
  2. 施工导流设计和施工技术的改进 
河流峡谷高土石坝的泄洪方式通常是岸坡溢洪道配合泄洪隧洞.由于土石坝施工导流，尤其是采用大型导流隧洞施工导流，因工期长，造价高，其经济和理性往往被否定[12]。综合分析国内外的高土石坝的工程实践,结合先进的科学技术,在施工导流设计和技术上进行如下的改进［9-10］: 
（1）抢筑较高的施工围堰作为坝体的组成部分，简化土石坝的施工导流。按一般水位库容曲线，随着施工围堰高度的增加,防洪库容迅速增大，从而有效地减小下泄流量，降低对导流隧洞泄洪能力的要求,也就是降低了导流隧洞的施工工程量，最终降低了导流隧洞的工程造价,从而降低整个土石坝枢纽建设的总工程造价。 
（2）大型土石坝枢纽的施工导流流量很大，因而导流建筑物工程量比较庞大，减少导流建筑物的工程量和造价将是降低土石坝枢纽总造价的重要一环,设计和实施坝体临时溢洪断面，让部分施工期导流洪水从坝体临时断面上溢流，从而替代或减小造价昂贵的大型施工导流隧洞.目前最成功和最节省的临时溢洪断面是采用加筋堆石护面，使钢筋网能够承担堆石压力和水的拖曳力，施工简单，不干扰正常施工，溢洪后无需进行处理即可继续填筑坝体。 
（3）大断面、高流速、大泄量的导流隧洞的快速施工为修建土石坝创造了良好条件，近十多年来，由于地下工程设计和施工技术的迅速发展，出现了“新奥法"快速掘进、喷锚支护等新工艺、新方法,大大加快了隧洞的施工进度,从而加速了土石坝的施工进度，降低了土石坝工程造价，改变了大江大河上建筑高土石坝不安全不经济的传统观念。 
以上所述的土石坝在设计和施工上的改进，使得土石坝这种坝型在施工导流上的弱点在一定程度上得以克服，使得土石坝更具生命力。 
3。 高土石坝的计算理论和计算技术不断完善 
20世纪30年代以来，土力学的进展，大型计算机的出现和数值计算方法的发展，使土石坝的许多问题能在多种复杂情况下被模拟,诸如坝体的应力应变分析，边坡稳定、地震荷载作用下的动力分析，非均匀介质的坝体坝基渗流计算等课题均被深入研究［13]。同时,计算技术的发展加快了设计进度，提高了设计质量，使土石坝可采用较陡的坝坡，并可在烈度为9度的强震区建设。 
4。充分利用当地材料 
高土石坝需要的土石放量很大，通常为混凝土坝体的4~6倍左右，故充分利用一切材料筑坝，尽可能利用开挖的土石料上坝，使挖填方平衡，是土石坝设计能否经济合理的关键[15］。随着土力学理论和重型振动碾压机的发展，对高土石坝的筑坝材料也放宽了要求，只要正确设计和精心施工，几乎所有的土石料均可用来筑坝［11]。 
此外,为使心墙与坝壳材料的弹性模量尽可能协调，防止和降低坝壳对心墙的拱效应，防止水平裂缝和纵向裂缝，采用粘土和砾石掺合而成的人工混合料作为防渗材料［14].通过大量研究，劣质土料也能用于实际工程。如红黏土、湿陷性黄土，膨胀土，各种含砾土、黏质的砾石土，风化料、残积冰积，洪积的碎石土等，只要有正确的土料设计，合适的机械施工设备，科学的压实参数，均可以作为防渗土料。在建的瀑布沟工程（坝高186m)采用冰积洪积成因的碎石土做心墙,小浪底工程（坝高154m)以制备砾石土（砾石土，与黄土人工掺和料)等作防渗材料［20]。
在坝工技术不断发展的环境下，其填筑量大、工期长的问题又使其面临新的挑战.加快土石坝的施工进度是土石坝坝型发展的必然趋势。混凝土重力坝、拱坝技术不断提高,橡胶坝等新型坝型不断运用,而传统土石坝填筑量大、工期长,如何在充分发挥土石坝本身的技术要求低、对坝基适应性强,当地材料使用充分的传统优势下加快施工进度，成为坝型选择的一个重要方面,在确保填筑施工质量及安全运行的前提下能快速施工是土石坝最关心的问题[18］。快速施工,可以使土坝提前发挥经济效益，对建设单位来说至关重要。随着水利工程投资多元化的发展，水利建设的投资逐渐以企业为主，无需置疑，从企业追求利润最大化及提高内部收益率方面考虑，大坝加快施工进度,缩短建设周期，提前发挥效益，是每个业主考虑的重点［19]。因此，如何提高施工强度、快速施工成为施工单位赢得市场从而生存下来的法宝。
新型施工设备及材料的拓展是快速施工的基础，同时需要重视设备及人力资源的投入，对填筑前的准备工作及坝面填筑控制，也需要高度重视，只有这样才能达到快速施工的目的［17］。石坝快速施工已成为潮流,也是未来发展的方向，但从多个已施工或完建工程的情况来看，土石坝的快速施工水平,主要依据坝高、填筑工程量、实际施工工期、平均月升高速度及平均月上坝强度等施工技术指标来综合分析、平价，而不是简单的一味求快及迫求上升速度。快速施工必须在进行科学论证及安全评审后方可实施,否则，将有可能带来不可预料的后果。
快速施工应是业主及施工单位正确对待的问题，如沉降及拱效应问题，可采用有限元分析及埋设原型观测仪器进行实际量测,以监控大坝应力及变形情况;重视坝料级配控制，良好的级配能够在施工期尽量冲填密实而降低后期沉降；采用大坝、重型的震动碾压机具，提高压实度而降低孔隙率等;要做到均衡施工，各方均应从科学的角度，全面、正确的分析合理工期,以实现资源利用量最大化的目标。

参考文献：
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四、 本课题主要研究内容
1. 设计阶段
(1）可行性研究阶段:论证南沟门水库枢纽工程在技术上的可行性、经济上的合理性以及开发上的迫切性；
(2）初步设计阶段:研究确定该工程的等别和主要建筑物的级别,选定各种特征水位，选定坝址、输水路线、主要建筑物的形式、轮廓尺寸及枢纽布置以及装机容量等；
(3)施工设计阶段包括建筑物地基的开挖、地基的处理、施工方法及施工进度的问题.
2。 设计标准
（1)根据该工程的工程规模、效益和在国民经济中的重要性,研究确定工程的等别;
(2)根据建筑物所属工程等别及其在工程中的作用，研究确定主要建筑物的级别；
(3)根据地形、地质、水文条件，查阅设计手册，研究确定建筑物的设计、校核洪水标准.
3. 设计内容
(1）枢纽布置设计
1) 首先选定坝址、坝轴线,并对不同的坝型方案进行分析和选择；
2） 选定坝型方案后，对泄水建筑物孔口布置方案进行拟定，针对粘土心墙坝坝型方案，要分析确定各泄水建筑物（溢洪道、泄洪洞等）的布置型式和确定泄水建筑物孔口布置（工程、孔口尺寸）方案;接着拟定枢纽其他建筑物布置型式，包括进水、引水、电站厂房、上坝道路等建筑物的布置型式、位置及轮廓尺寸；
3） 进行调洪计算，择优选定泄水建筑物孔口布置方案,针对初拟的各种泄水建筑物孔口布置方案,分别进行设计洪水和校核洪水工况的调洪计算；根据调洪计算结果，比较并择优选定泄水建筑物孔口布置方案，由此确定各泄水建筑物的孔口布置（高程、孔口尺寸）、水库设计洪水位和校核洪水位及水库总库容等;
4） 对泄水建筑物纵、横断面设计，拟定各种泄水建筑物（溢洪道、泄洪洞等)的流道(包括消能工)纵、横断面尺寸；进行各工况的水力计算(包括水面线或压坡线、建筑物下游消能防冲计算等）,根据计算结果，校核或调整后确定各泄水建筑物的纵、横断面；
5) 初步绘制枢纽总平面布置图，此时水库枢纽的布置任务基本完成,接下来要完成专题设计;
（2） 粘土心墙专题设计：
1)根据设计基本资料及前期设计的成果，进行各种工况的坝顶超高计算，分析确定坝顶高程；
2）坝顶高程确定以后，再对坝体横断面进行设计。拟定坝体最大断面轮廓尺寸，分析确定坝体断面材料分区以及分区材料的使用,画出基本轮廓图；再进行坝基处理（开挖、防渗、加固等）设计,根据初拟坝体断面尺寸，进行各工况的渗流分析和坝坡稳定分析,校核初拟坝体断面尺寸合理性；对初拟坝体断面尺寸进行必要调整、重新计算分析后，确定坝体横断面。然后根据确定的坝体最大断面，结合两岸地形地质条件,进行坝体纵断面的坝基处理（开挖、防渗、加固等）等设计，确定坝体的纵断面尺寸。最后对坝顶、坝坡及岸坡排水、大坝排水体、上坝道路等构造进行设计.
3）根据以上设计成果,补充、完善枢纽总平面布置图。最后绘制大坝设计图（包括:大坝横剖面图（最大断面、岸坡断面），沿坝轴线纵剖面图，坝体构造设计图等,并撰写《毕业设计报告》.

五、 完成论文的条件和拟采用的研究手段(途径）
1。 本次设计要解决南沟门水库枢纽布置及粘土心墙坝的设计，其中包括了地形、地质、水文条件的分析,各建筑物的布置型式的拟定，调洪计算、渗流稳定计算及各种工况下的水力计算，地基处理等问题。因此学生需熟悉设计题目的要求,借助图书馆、电子阅览室、网络等资源及时搞懂自己不懂的知识点，丰富自己的专业技能，在老师的指导下完成设计任务.
2。 有南沟门水利枢纽工程概况、水文气象、工程地质、工程规模和任务、建筑材料等基本资料，还有大量相关的国内外著作、科技论文、学术报告等参考资料；还可以利用学校的计算机机房做水力计算、作图等;同时我们还学习、掌握了大量的专业知识:水工建筑物、水电站、结构力学、材料力学、理论力学、土力学、水力学、水利工程造价、工程经济学、水工钢筋混泥土结构、监理理论、弹性力学、工程水文学、水工CAD制图等专业课程.
3. 结合毕业任务书，先熟悉并收集相关的基本资料,完成《开题报告》和《外文翻译报告》的撰写；接着分析资料,选定坝址，坝型，拟定建筑物的布置型式，再进行调洪计算以及泄水建筑物纵、横断面设计;最后完成粘土心墙坝的专题设计，完成《毕业设计报告》的撰写,完成毕业设计答辩。在完成毕业设计的过程中,参阅相关的工程实例以及国内外著作、科技论文、学术报告，以《毕业设计手册》为指南，积极主动地去完成设计，听从老师的指导和安排，按时完成各阶段的设计任务。

六、 本课题进度安排、各阶段预期达到的目标
第一阶段(1～3周）: 参加由学校组织的毕业设计动员大会；熟悉工程基本资料，毕业设计内容及要求，查阅与设计内容相关的国内外文献资料、《毕业设计手册》，撰写并提交《开题报告》和《外文翻译报告》。
第二阶段（4～5周）: 分析并选择坝址、坝轴线方案,拟定可用的坝型方案，进行坝型方案的选择与分析，拟定泄水建筑物孔口布置方案以及枢纽其他建筑物布置型式。
第三阶段(6～9周）: 调洪计算，择优选定泄水建筑物孔口布置方案，并对泄水建筑物纵、横断面设计,初步绘制出枢纽总平面布置图，然后确定坝顶高程.
第四阶段（10～12周）: 进行坝体横、纵断面设计和坝体构造设计，补充完善枢纽总平面布置图。
第五阶段（13～15周）： 绘制大坝设计图纸并撰写《毕业设计报告》,整理并提交毕业设计初步成果（设计报告及设计图纸)电子版，作进一步修改和完善设计成果.
第六阶段(16～17周）： 做好毕业设计答辩准备,完成整个毕业设计。

七、 指导教师意见
对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计(论文）结果的预测：

指导教师：
年 月 日
八、 所在专业审查意见

负责人:
年 月 日

9