重力坝毕业设计开题报告

毕业设计（论文）开 题 报 告题 目 榆林王圪堵水库枢纽 布置及重力坝设计 专 业 水利水电工程 班 级 学 生 指导老师 2013 年一、 毕业设计(论文)课题来源、类型 本设计题目来源于王圪堵水库工程实际，属设计类课题。王圪堵水库坝址位于 榆林市横山县城关镇西北12km，榆靖高速马路无定河大桥以上2.5km、芦河入无 定河口以上5.5km处的无定河干流上，距榆林市区60km。依据榆林能源化工基地 建设要求及治黄大局的拦沙要求，确定水库任务是供水、拦沙和浇灌等综合利用。在本次设计中所用到的主要工程相关资料都来源于实际工程的设计资料。 二、 选题的目的及意义 1. 选题目的 本次毕业设计是对高校四年所学学问的总结和运用，通过对王圪堵水库的了解和个人学问的驾驭，本次毕业设计选择榆林王圪堵水库枢纽布置及重力坝设计作为题目。本课题主要解决a.水库的枢纽布置，包括坝址选择，电站厂房的选址，各种水工建筑物的选型等一系列布置问题。b.混凝土重力坝的专题设计，包括坝型的选择比较，大坝尺寸的设计，抗滑稳定的计算，大坝结构图的绘制等。通过本次设计，运用几年来所学的理论学问及专业学问，结合毕业设计的任务进 行思索、分析应用，提高我们独立思索与独立工作的实力，同时也加强了计算、绘图、编写设计文件、运用规范、手册实力的培育，使我们成为合格的水利人才。 2. 选题意义 (1).王圪堵水利枢纽主要由大坝、泄洪洞、溢洪道、放水洞、坝后电站等建筑物组成。它是无定河中游的一项水沙限制工程，依据陕西省水资源开发利用规划、陕西省榆林能源化工基地供水水源规划和黄河治理开发规划纲要对 无定河开发治理的要求，项目开发的目标是在流域水土保持综合治理基础上，河 流生态基流不受影响的前提下，调蓄无定河水资源，并经优化配置，以供定需就 近向榆横煤化学工业区、鱼米绥盐化学工业区供水，缓解工业区近中期用水冲突， 向14.6万亩农田浇灌补水，提高灌区浇灌保证率，改善农业生产条件，支撑榆林能源化工基地建设和发展，拦蓄泥沙、削减入黄泥沙，为治黄大业作贡献。依据无定河开发治理要求以及项目开发目标，王圪堵水库的建设任务是供水、拦沙和浇灌等综合利用。在工程建设过程中主要存在以下几个问题：水库区存在沉没农田、村庄、道路、桥梁等现象，浸没面积约756亩，库区两岸不存在永久性渗漏 问题，水库蓄水后预料塌岸总方量约9259万m3，塌岸问题较为突出；坝址区河床 覆盖层厚度813m，河床宽度350700m，左岸坝肩、河床覆盖层属中等-强透水 土层，存在严峻的渗漏问题，需进行防渗处理；坝基河床层（Q42-3al）细砂层干 密度为1.59g/cm3，相对密度为0.52，易于压密固结，可考虑利用，但应实行防渗措施。两岸斜坡积累的坡积和漫滩冲积层应予以清除或进行工程处理，坝基基 岩应进行防渗灌浆处理；溢洪道位于右坝肩冲积台地，基础位于弱风化基岩之上， 地下水对工程施工开挖有肯定的影响。开挖最大坡高13m时，开挖坡比砂土层为1： 1.5，基岩强风化为1：0.5，弱风化为1：0.3，泥岩易风化、崩解，开挖后需及 时实行爱护措施；右岸地下洞室岩性为侏罗系砂岩夹泥岩，岩体较完整较破裂， 弱微风化，地下水位于洞顶以上，围岩类别为稳定性差的类。 （2）重力坝是在世界上最早出现的一种坝型，它是由混凝土或浆砌石修筑的大体积挡水建筑物，其基本剖面是三角形，整体是由若干坝段组成。重力坝在水压力和其他荷载作用下主要依靠坝体自重产生的抗滑力来满意稳定要求，同时依 靠坝体自重产生的压力来抵消由于水压力所引起的拉应力以满意强度要求。它具有：相对平安牢靠,耐久性好，反抗渗漏、洪水漫溢、地震等性能较强；设计、施 工技术简洁，易于机械化施工；对不同的地形和地质条件适应性强，任何形态河 谷都能修建重力坝，对地基条件要求相对来说不太高；在坝体中可布置引水、泄 水孔口，解决发电、泄洪和施工导流等问题的优点。因此本次毕业设计选择混凝 土重力坝作为题目，在老师的指导下完成设计任务，将会为我之后走上工作岗位 有很大帮助。 三、 本课题在国内外的探讨状况及发展趋势(1)我国水利枢纽工程的发呈现状及发展趋势 水利兴天下定，天下定人心稳。60年来，一项项重点水利工程发挥效益，一 片片绿洲奇迹般诞生，一个个民生水利工程润泽山峁，水利为农业乃至经济发展 奠定了坚实的基础，成为促进国家协调可持续发展的重要举措，成为造福人民群 众的历史丰碑。60年的成就充分说明，水利是国民经济和社会发展的基础地位不 可动摇。 新中国成立以来，尤其是改革开放的二十多年来，长江、黄河、乌江、澜沧 江、红水河等大江大河和一大批中、小型河流的水电开发状况发生了巨大的改变。 在借鉴国外先进的管理阅历和工程技术的同时，我们依靠自己的力气，在深山峡 谷、大流量河流、困难地形地质条件、恶劣气候条件、高地震烈度和高海拔地区， 建起了一座座高坝和大型水电站，解决了设计和施工中的技术难题；建立了从勘 测、规划、设计、科研到施工、运行管理和平安监测的一整套标准化技术体系， 形成了具有中国特色的水电建设技术。尤其是三峡、二滩、小浪底、天生桥一级 等水电工程的胜利建设，标记着我国水电技术已经迈上新的台阶，达到世界先进 水平。 (2)国外水利枢纽工程的发展趋势 国际河流与国内河流一样，在开发模式上具有肯定的共性。如在上游建以发 电为主要目标、对河流径流进行调整的高坝水库，上中游水库蓄洪可削减下游洪 水；在下游地区，则建设多利用目标的水库。尽量削减沉没损失等。然而，由于 国际河流流域跨越了国界，其开发利用所产生的社会、生态、环境影响将呈国际 化，远比国内河流困难，国界作为最高级别的行政界线对流域整体的分割，各国 间难以形成国际河流开发与爱护共识或达成共识的时间较长1。 各国水利都在随 社会经济进步而不断发展，大致可以按以下几个阶段进行划分，即：工业化之前、 工业革命起先至二次世界大战前、二次世界大战后至20世纪70年头中期、20世 纪70年头中期至80年头末、20世纪90年头以后五个阶段。 (3)我国混凝土重力坝的建设现状 在我国的大坝建设中，混凝土重力坝是主要的坝型之一，因为它的枢纽布置 较为紧凑，对基础地质条件要求比拱坝、支墩坝低一些。50年头到80年头，我国 的重力坝大多采纳实体重力坝、宽缝重力坝和空腹重力坝等3种坝型。我国的丹 江口电站，丰满工程的大坝，三峡大坝等，均采纳了混凝土重力坝，而且在建的 很多大型工程，如龙口水电站、向家坝、锦屏二级水电站等大坝也是混凝土重力 坝。其中已建成的三峡大坝是世界第一大的水电工程，三峡水利枢纽大坝为混凝 土重力坝，其挡水前沿总长2345米，最大坝高181米，坝体总混凝土量为1700 万立方米，其大坝总方量居世界第一。三峡工程是迄今世界上综合效益最大的水 利枢纽，在发挥巨大的防洪效益和航运效益外，其2240万千瓦的装机容量为世界 第一，1000多亿千瓦时的年发电量居世界第一。三峡水利枢纽工程的胜利建设表 明我国混凝土重力坝的设计、建设以经达到国际先进水平。 (4)当前混凝土重力坝建设中的几个问题 1.大坝平安是混凝土重力坝的关键问题 1975年，板桥、石漫滩两水库的溃决，给人民的生命财产造成了巨大损失。从 统计资料来看，混凝土重力坝的失事率比土石坝要低一些，但混凝土重力坝的安 全问题也是大坝建设中的一个核心问题。坝的应力水平与坝的高度大体成正比， 坝体越高，应力越大，特高混凝土重力坝的平安问题是当前坝工技术的焦点2-5。 我国特高混凝土重力坝不但水头高，而且库容大，其平安问题事实上还关系到下 游数座水库。 2.混凝土重力坝破坏条件 混凝土重力坝的破坏是从局部破坏起先的，局部破坏之后,坝体应力重新布 , 破坏范围是否进一步发展，也取决于应力状态。混凝土重力坝的破坏条件可表示 为k=f 式中：为实际拉、剪或压应力；f为实际抗拉、抗剪或抗压强度；k为 实际平安系数。以拱坝为例，实际应力可表示如下=1+2+3+4+5+6+7+ 8式中：1为坝体自重引起的应力；2为作用于坝体表面的水荷载引进的应力； 3为运行期坝体平均温度和等效线性温差引起的应力；4为施工期温度改变引起 的应力；5为非线性温差引起的应力；6为运行期温度场边界条件的改变(主要 为上游水位改变)所引起的应力；7为库区水荷载改变引起的应力；8为其他因 素如地应力、基础开挖与处理等引起的应力6。 3.混凝土重力坝振捣密实度的无损检测 由于大量机口取样和少量仓面取样，在人仓以前由于原材料、协作比、拌制、运输等缘由引起的混凝土质量问题一般都可以得到较好的限制，但入仓以后，由 于平仓、振捣而引起的质量问题，很难检测，事实上难以限制，特殊是夜间浇筑 混凝土，如现场监理稍有松懈，很简洁出问题，如某重力坝，在纵缝灌浆时，耗 浆量异样，经钻孔检查，发觉坝内大范围因欠振而不密实，只得实行钻孔灌浆补 强，坝体事实上吸纳了大量水泥浆液。假如没有发觉问题，其后果是比较严峻的。目前在碾压混凝土坝施工中，已普遍采纳无损探测方法检查混凝土密实度，常态 混凝土因浇筑层厚度较大，目前还缺乏有效的现场无损检测方法，急需进行探讨6。 4.做好全面温控、永久保温、结束“无坝不裂”历史 到20世纪50年头，混凝土重力坝温控措施包括分缝分块、水管冷却、预冷 骨料及表面保温已相继提出，但事实上仍旧是“无坝不裂”，Dworshak、Revelstoke 等坝的裂缝还相当严峻。经较深化探讨发觉，主要缘由是人们对表面爱护在相识 上存在误区，由于施工中往往是一次大寒潮后出现一批裂缝，因此长期以来人们 只重视混凝土早期的表面爱护，而忽视后期的表面爱护。探讨结果表明，假如在 严格限制基础温差、做好水平浇筑层面和接缝面的短期表面爱护外，还能做好上 下游表面的长期表面爱护，就能防止裂缝的出现，结束“无坝不裂”的历史7-9。 (5)混凝土重力坝施工中的关键技术问题 1.坝踵区岩体非均质性对重力坝坝踵应力的影响 混凝土重力坝坝踵应力及其开裂分析始终是坝工界特别关切的困难课题，如对 拱坝的分析10-12和对重力坝的分析13-16。就探讨性质而言，大体可分为两类：(1) 探讨坝型、坝体和坝基相对弹模等要素对坝踵应力的影响。(2)寻求可表征坝踵应 力开裂的应力代表值以克服坝踵应力的奇异性，如应力强度因子、线性等效应力 或按某种规则确定的等效应力10-13等。这些方法尽管着眼点有所不同，但都假定坝 踵处混凝土和岩体为均质材料。这一假定对混凝土来说是合适的，但对坝踵岩体 是须要进一步推敲的。岩体为高度非均质材料，工程中采纳的岩体质量分级方法 将岩体视为匀称连续的材料，由此给出岩体力学参数。明显，这种方法及参数只 是对大范围岩体(代表性体积)的一个平均描述，适用于应力改变平缓的岩体区域，对坝踵区所处的高梯度应力区，明显不太合适。一尤其是节理岩体的裂隙扩展很 大程度受节理网络限制。早期的有限元分析由于计算内力有限，网格粗略，这一 问题不太突出；近年来，随着大规模计算实力的发展和成熟，在坝踵旁边可布置 远低于岩体代表性体积的精细网格，此时能否接着沿用均质性假定问题就凸现出 来。 2.混凝土重力坝温度应力与限制 当重力坝和地基温度改变时，坝体和地基发生变形，由于坝体的变形受到地基 的约束以及坝体各部分混凝土之间的相互约束，就产生了温度应力。这些温度的 改变及其产生的温度应力，是自混凝土浇筑始终至运行期未了都始终长时间存在、 常常作用的，所以温度荷载属于基本荷载。但它随着温度改变而不断地改变，并 非恒定，所以温度应力与其他应力叠加后的总应力也是不断改变的。 混凝土重力坝进行温度限制设计，是保证混凝土浇筑、合理选择施工方案及温控标准、消退大坝裂缝的重要步骤。依据大体积混凝土裂缝发生的缘由及规律，温度限制标准主要归结为限制基础温差、内外温差、上下层温差、相邻块高差、表面保温等几个方面来实现的。坝块受气温骤降冲击将产生表面裂缝，防止表面裂缝主要靠表面保温，以减缓气温骤降在坝块表面产生的降温幅度与梯度。对坝块实施表面爱护，首选要对坝区气温资料进行统计分析，了解气温骤降的规律和特点,并依据规范和结合工地实际状况，提出保温标准和措施。表面保温措施是在表面铺草袋或泡沫塑料。铺设一层草袋，可使坝块遭气温骤降时的表面温度平均提高2一4，相当于坝块的抗御气温骤降的实力由一般的6提高到9，可使表面裂缝发生的机率削减7516。 3.混凝土重力坝深浅层抗滑稳定分析 实践证明，假如坝基岩体坚实完整，重力坝绝少发生整体失稳破坏。对于重 力坝坝基岩体的深、浅层抗滑稳定问题，传统和现行的数值分析方法都是采纳极 限分析的方法，即设法使系统达到极限平衡状态，再依据平衡条件或其与正常状 态的比较来探讨其整体平安性。为了更好地反映岩体沿懦弱结构面破坏的主要特 点，更好地描述岩体结构面的特性，采纳一种能较好探讨非连续变形的弹塑性块 体单元法探讨多裂隙困难基岩的变形、应力分布，并采纳间接法探讨坝基岩体的 深浅层抗滑稳定性和破坏演化过程，从而重力坝的整体稳定平安性作出综合评价。 在水利工程的重力坝深层抗滑稳定分析中，除去广泛采纳的有超载法、强度 储备法与综合法以外，近几年来，牢靠度理论也慢慢应用于重力坝深层抗滑稳定 分析，由于它主要是针对材料物理力学参数进行牢靠性分析，故既可以与刚体极 限平衡法结合，也可以与有限元法结合运用17。因此，目前应用于重力坝深层抗 滑稳定分析的方法可以分为4个体系，即模型试验法、有限元法、刚体极限平衡 法以及有限元法与刚体假设相结合的综合法，其中刚体元法和刚体界面元法均属 于综合法范畴18 。 4.混凝土重力坝在校核地震工况下的评价方法 “512”汶川大地震以后，大坝抗震平安受到社会各界和坝工界的高度重视。 水利水电规划设计总院在汲取国际大坝抗震设计与震后评价先进阅历及坝上和抗 震专家建议的基础上，在水电规计200824号文水工工程防震抗震探讨设探讨 设计及专题报告编制暂行规定中，明确提出了对于重要大坝应进行校核地震工 况下的抗震平安复核19。 美国联邦紧急事务管理局(FEMA)20-21，美国陆军工程师 (USACE)22目前都针对大坝抗震设计提出了新的基于性能的评价方法和体系。国际大坝委员会(ICOLD)欧洲委员会总结了奥地利、意大利、瑞士、罗马尼亚及英国等5个国家的抗震新规范。依据（ICOLD）的要求，明确了对重要大坝要针对MCE进 行设防23。 随着我国各项科研工作的深化、设计理论的完善、施工方法的改进，混凝土 筑坝技术取得了飞速的发展。就当前国内已建和在建的工程而言，结合我国气候 特征及当前探讨成果，仍有一些问题须要深化探讨探究，部分工程技术问题须要 解决。针对寒冷干旱地区的气候条件及寒冷干旱地区混凝土重力坝特殊的施工方 法，探讨其温度场及温度应力的时空分布改变规律，就干旱条件下水分散失理论 进行深化探讨，以确定现场混凝土的各项指标满意试验室的设计要求。目前针对 混凝土重力坝施工期及运行期的温度、徐变应力仿真计算探讨的框架已基本建立， 但仿真计算参数的选取存在不稳定性，尚待深化探讨。解决上述问题能为我工已 建、在建混凝土坝工程供应牢靠的理论支持和技术保障，是推动混凝土筑坝技术 发展的重要内容。 参考文献 1李香云.国外国际河流的主要开发方式 水利发展探讨-2010年1期. 2潘家铮.重力坝设计M.北京：水利电力出版社，1991 3朱伯芳，高季章，陈祖煜，厉易生拱坝设计与探讨M.北京：中国水利水电出版社，2002 4李瓒，陈兴华，郑建波，王光纶混凝土拱坝设计M.北京：中国电力出版社，2000 5朱伯芳中国拱坝建设的成就J.水力发电，1999. 6朱伯芳.当前混凝土坝建设中的几个问题水利学报ISTIC EI PKU -2009. 7朱伯芳拱坝应力限制标准探讨J.水力发电，2000 8SL 2822003，混凝土拱坝设计规范S 9SL 3192005，混凝土重力坝设计规范S. 10周元德，陈观福，尹显俊，等用工程类比分析方法探讨高拱坝坝踵开裂稳定性J.水 力发电学报，2002 11陈胜宏，汪卫明，徐明毅，等小湾高拱坝坝踵开裂的有限单元法分析J.水利学报2003 12杨强，杨晓君，周维垣基于干脆内力法的拱坝建基面等效应力分析J.水力发电学报， 2006 13杨强，吴浩，周维垣基于h-型自适应有限元的大坝应力取值探讨J.水利学报，2005 14杨清平，李俊杰重力坝坝踵主拉应力区分布规律的探讨J水利学报，2000 15邵政权，李胜福，崔宝平，等改善重力坝坝踵区应力分布方法的探讨J东北水利水 电，2003 16满卫东.黑龙江水利科技-2007年2期. 17任青文，钱向东，赵引，等高拱坝沿建基面的破坏和平安度探讨J.水力发电，2002 18熊静，张建海.向家坝水电站重力坝深层抗滑稳定性探讨.四川建筑科学探讨J.2009. 19金峰，周建平.重力坝在校核地震工况下核算方法的建议.水力发电J.2009. 20Federal Emergency Mangement AgencyFederal-Guidelines for Dam Safety：Hazard Potential Classification systems for Dams(FEMA333)S.1998.reprinted 2004. 21Federal Emergency Mangement AgencyFederal-Guidelines for Dam Safety：Earthquake Analyses And Design of Dams(FEMA 65)S.2005. 22U.S.Army Corps of Engineers.Earthquake Design and Evaluation of Concrete Hydraulic Structures .EM 110-2-6053 R.Washington,Dc,2007. 23 ICOLD European Club.Working group on guidelines for the seismic assessment of dams (Final Report) R.2004. 四、 本课题主要探讨内容 本课题是处于可研阶段设计，其主要内容分为两个方面：水库枢纽布置设计和混凝土重力坝专题设计。 1.枢纽布置设计主要包括：分析选择坝址、坝轴线方案；分析并确定大坝、 泄水、引水和电站厂房等枢纽主体建筑物的轴线位置；初步拟定大坝、泄水、引 水和电站厂房等枢纽主体建筑物的型式及尺寸；进行调洪计算，依据所给水文资料，依据双协助曲线或单协助曲线法进行调洪演算，确定下泄流量和水库设计洪水位、校核洪水位等特征水位，确定工程等别和主要永久性建筑物的级别；进行坝顶超高计算，分析确定坝顶高程；进行泄水建筑物水力计算，分析确定各泄水建筑物的纵、横断面尺寸；绘制枢纽总平面布置图及各泄水建筑物的纵、横剖面图。 2.混凝土重力坝专题设计主要包括：拟定可用的坝型方案，进行坝型方案的 分析与选择；针对混凝土重力坝坝型方案，拟定大坝横断面形式与尺寸，并进行 优化设计，计算坝体稳定、上下游边缘应力和部分截面上的坝体应力。要求至少选择两个典型横剖面进行计算（含最大横剖面及一个典型横剖面）；进行大坝抗滑稳定及应力计算；绘制大坝上、下游立视图及典型横剖面图 ；进行坝顶结构设计，绘制坝顶结构设计图；撰写（绘制）并提交毕业设计报告及设计图纸，参与 毕业设计答辩。 3.依据水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252-2000）规定，王圪堵水库枢纽工程为等大（2）型工程，主要建筑物级别为2级。水库枢纽工程的设计洪水标准取100年一遇，校核洪水标准取2000年一遇。工业及城镇生活供水设计保证率采纳95%，农业浇灌设计保证率采纳50%。 五、 完成论文的条件和拟采纳的探讨手段（途径） 本次设计中主要存在两大问题：左岸坝肩、河床覆盖层属中等-强透水土层，存在严峻的渗漏问题；坝型选择问题。对于渗漏问题，可进行帷幕灌浆处理，为保证堵漏效果 ，灌浆施工依据SL62O94 水工建筑物水泥灌浆施工技术规范进行(主要依据帷幕灌浆的要求进行施工)。在坝型选择问题上，可进行混凝土重力坝和土石坝方案比较，在经济技术和施工工期等方面进行比较选择。 设计中所用到的资料来自于可研阶段的工程实际资料和水工建筑物设计规范等。我们高校期间所学的水工建筑物、水电站、工程施工、水工CAD制图、水利水能规划、结构力学、水力学、土力学、工程测量学、工 程地质、水文学、建筑材料等课程，是顺当完成本次毕业设计的基本保障。 另外，要完成此次设计还须要通过图书馆和网络查找有关水利水电工程枢纽，建 筑物布置及设计等方面的资料，仔细听取指导老师的看法，和同学们相互沟通， 进行工程类比，工程借鉴，才能最终顺当完成此次毕业设计。 六、 本课题进度支配、各阶段预期达到的目标 本课题主要分为四个阶断进行，各阶段主要任务支配如下： 第一阶段，1-4周（2.25-3.24）：主要为本次设计做前期打算工作，包括熟识毕业设计内容及要求；熟识工程基本资料；查阅与设计内容相关的国内外文献资料，撰 写开题报告；分析选择坝址、坝轴线方案；c.分析并确定枢纽主体建筑物的轴线位置。 其次阶段，5-9周（3.25-4.28)：在本阶段主要进行枢纽布置和基本计算任务，包括初步拟定枢纽主体建筑物的型式及尺寸；调洪计算；坝顶超高计算，分析确 定坝顶高程；泄水建筑物水力计算，分析确定各泄水建筑物的纵、横断面尺寸；绘制枢纽总平面布置图；绘制各泄水建筑物的纵、横剖面图。 第三阶段，10-13周（4.29-5.26）:在这个阶段进行重力坝坝型方案的分析与选择，大坝横剖面设计，大坝抗滑稳定及应力计算，绘制大坝上、下游立视图及典型横 剖面图和坝顶结构设计图。 第四阶段，14-17周（5.27-6.23）：这是整个毕业设计的最终阶段，在这个阶段我们要进行整理、校核设计成果，撰写并提交毕业设计初步成果（设计报告及设计图纸电子版），修改毕业设计初步成果，提交毕业设计最终成果和参与最终的毕业设计（论文）答辩。 七、指导老师看法对本课题的深度、广度及工作量的看法和对设计（论文）结果的预料： 指导老师： 年 月 日八、所在专业审查看法 负责人： 年 月 日