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1一、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；2(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3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。42.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5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6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