土石壩-開題報告

畢業(yè)設論題目南溝門水庫樞紐布置及粘土心墻壩設計專業(yè)水利水電工程班級工113學生胡健指導教師王瑞駿年畢業(yè)設計(論文)課題來源、類型根據專業(yè)培養(yǎng)規(guī)定和畢業(yè)設計的目的，本設計的課題來源于南溝門水庫樞紐的工程實際,本設計的課題類型屬于設計類。選題的目的及意義1.選題目的：(1)本設計重要解決南溝門樞紐布置，以及粘土心墻壩的設計；(2)培養(yǎng)綜合運用所學的基礎理論，專業(yè)知識和掌握基本技能，發(fā)明性的分析和解決實際問題的能力；培養(yǎng)嚴肅認真的科學態(tài)度和嚴謹求實的工作作風，全方面提高綜合素質，培養(yǎng)出含有水利水電工程規(guī)劃、設計、施工和管理能力的全方面人才。2.選題意義：(1)南溝門水利樞紐重要向延安石油化學工業(yè)基地及本地城鄉(xiāng)生活用水，改善澆灌條件，并運用供水進行發(fā)電；南溝門水庫工程工程位于陜西省延安市黃陵縣境內，由葫蘆河南溝門水庫、洛河引洛入葫馬家河引水樞紐和輸水隧洞三部分構成，該水利樞紐工程為Ⅱ等大（2）型工程，其永久泄水建筑物導流泄洪洞、溢洪道按2級建筑物設計，設計洪水原則為1一遇，校核洪水原則為50一遇。南溝門水庫位于洛河支流葫蘆河下流，距黃陵縣城約20公里。水庫壩址距河口3km，控制流域面積5443平方千米，占全流域面積約99.9%，工程由攔河壩、泄洪洞、引水發(fā)電洞、泄洪道構成。馬家河引水樞紐位于洛河中游洛川縣西北約12km的馬家河村，距下游交口河水文站約38km，壩址以上流域面積11548平方千米，占洛河流域總面積的42.9%。引洛入葫輸水隧洞洞長6.115km。(2)由于延安市境內石油、煤炭等礦產資源豐富，是陜西省最大的石油工業(yè)基地，規(guī)劃建設的延安石油化學工業(yè)區(qū)是陜北能源化工基地的重要構成部分。然而隨著延安石油工業(yè)發(fā)展和石油化學工業(yè)區(qū)建設步伐加緊，水資源供需矛盾也日益鋒利，修建南溝門水利樞紐工程，不僅能夠解決延安石油工業(yè)區(qū)用水問題、澆灌條件等問題，并且增進地方經濟社會可持續(xù)發(fā)展；(3)通過本次畢業(yè)設計，規(guī)定學生在教師的指導下，獨立完畢設計課題所規(guī)范的全部內容；首先培養(yǎng)了學生綜合運用已學過的理論知識和技能，分析和解決本專業(yè)范疇內的實際工程問題的能力，樹立對的的設計思想，掌握當代設計辦法，培養(yǎng)我們勇于創(chuàng)新和開拓進取的精神；另首先通過調查研究，查閱文獻資料，陪養(yǎng)了學生嚴肅認真的科學態(tài)度和嚴謹求實的工作作風，使學生綜合能力全方面升高，為我國后來的水利工程事業(yè)發(fā)揮更大的價值。本課題在國內外的研究狀況及發(fā)展趨勢1．土石壩的建設現狀土石壩是一種應用最廣的壩型，在含有適宜的地形、地質和建筑材料的前提下，土石壩極可能是一種構造簡樸、較為經濟和對地基規(guī)定較寬松,施工簡樸方便,適應性強,抗震性能良好,工作可靠、壽命長、管理簡便的壩型，因此，在水工設計的壩型比較中，土石壩往往是不可缺少的。同時土石壩也是世界上最古老的壩型之一,有著悠久的建造歷史。據統(tǒng)計,全世界超出15m的土石壩共有29000余座,僅在中國就有15000余座[1]。土石壩也是當今世界建造數量最多(據1986年統(tǒng)計,壩高15m以上的土石壩占總數的82.7%,壩高100米以上的土石壩占總數的46%)、體積最大、高度最高的壩型。20世紀以來，土石壩工程在發(fā)達國家（如美國、加拿大、前蘇聯(lián)等）和部分發(fā)展中國家得到快速的發(fā)展，并出現了300m以上的高土石壩。美國建設的高土石壩最多,己建和在建的高于150米的土石壩就有12座[2]。我國也建成了大量的土石壩，但絕大多數為70m下列的中低壩，建成的少數高壩其最大高度僅在180m下列。截止底,我國共興建各類水庫8.5萬余座,其中土石壩占90%以上[3]。進入21世紀后，隨著我國水利水建設的快速發(fā)展和實施“西電東送”水電工程的規(guī)定，眾多高土石壩的建設被提上議程,特別在深厚覆蓋層河谷、地質條件較差、地震烈度較高、壩高較大（特別250m以上）的壩址，多數選擇了或擬選擇土石壩。

土石壩工程的建設，歷史悠久，有豐富的成功經驗。自混凝土壩出現后，似乎總認為高壩大庫最適合混凝土壩，其樞紐布置即方便，又安全可靠。其實上從多數方面因素來衡量，土石壩仍有其特定優(yōu)勢，有更經濟合理的樞紐布置條件，國際最高的壩則是土石壩[4]。同混凝土壩相比，它的優(yōu)點重要體現在下列幾方面：

(1)筑壩材料來源直接、方便，能就地取材，能節(jié)省大量的鋼材、水泥和木材等建筑材料。

(2)適應地基變形的能力強。土石壩為土料或石料填筑的散粒構造，能較好地適應地基的變形，對地基的規(guī)定在多個壩型中是最低的。

(3)構造簡樸，施工技術容易掌握，適應于大型機械化施工。

(4)運用管理方便，工作可靠，壽命長，維修加固和擴建均較容易。另首先，同其它的壩型類似，土石壩本身也有局限性的一面：

(1)施工導流不如混凝土壩方便，因而對應地增加了工程造價。

(2)壩頂不能溢流。受散粒體材料整體強度的限制，土石壩壩身普通不允許過流，因此需在壩外單獨設立泄水建筑物。

(3)壩體填充工程量大，土料填筑質量受氣候條件的影響大。

土石壩的發(fā)展，始終經久不衰。隨著科學技術的進步，今天的土石壩工程，涵蓋了土料防滲、混凝土面板防滲、瀝青混凝土防滲、土工膜防滲等土石壩工程,在我國，簡樸而有效地解決了寬達105米的斷層破碎帶[5.6]。施工較簡便，費用較省的泥漿防滲槽已被采用?；瘜W材料灌漿也被引入土石壩的壩基解決工程中。在深厚的淤泥地基上，采用沙井加固或其它方法，也建成許多土壩。其它種種新穎的施工工藝也還在不停地被發(fā)明發(fā)明。按施工辦法的不同，土石壩可分為：碾壓式土石壩、拋填式堆石壩、定向爆破壩、水力沖填壩和水中倒土壩，其中應用最廣的是碾壓式土石壩。其中碾壓式土石壩按壩體橫斷面的防滲材料及其構造，可劃分為下列幾個重要類型[7]:

1.均質壩

壩體絕大部分由一種抗?jié)B性能較好的土料筑成。壩體整個斷面起防滲和穩(wěn)定作用，不再設專門的防滲體。均質壩構造簡樸，施工方便，當壩址附近有適合的土料且壩高不大時可優(yōu)先采用。值得注意的是：對于抗?jié)B性能好的土料（如粘土），因其抗剪強度低，且施工碾壓困難，在多雨地區(qū)受含水量影響則更難壓實，因而高壩中普通不采用此種型式。

2.土石壩防滲入分區(qū)壩

與均質壩不同，在壩體中設立專門起防滲作用的防滲體，采用透水性較大的砂石料作壩殼，防滲體多采用防滲性能好的粘性土，其位置可設在壩體中間（稱為心墻壩）或稍向上游傾斜（稱為斜心墻壩）；或將防滲體設在壩體上游或靠近上游面（稱為斜墻壩）。作為本次研究設計的心墻壩由于心墻設在壩體中部，施工時就規(guī)定心墻與壩體答題同時上升，因而兩者互相干擾大，影響施工進度。又由于心墻料與壩殼料的固結速度不同，心墻內易產生“拱效應”而形成裂縫；斜墻的抗震性能和適應不均勻沉降的能力不如心墻。斜心墻壩殼不同程度克服心墻壩斜墻壩的缺點，故我國154m高的小浪底水利樞紐即采用斜心墻型式。

3.非土質材料防滲體壩

防滲體采用混凝土、瀝青混凝土、鋼筋混凝土、土工膜或其別人工材料制成，其它部分用土石料填筑而成。防滲體設在上游面的稱為斜墻壩（或面板壩），防滲體設在壩體中央的稱為心墻壩。采用復合土工膜防滲的土石壩，壩坡能夠設計得較陡，使土石工程量減小，從而減少工程造價。這種壩施工方便工期短、受氣候因素影響小，是一種很有發(fā)展前景的新壩型。

2.土石壩發(fā)展趨勢現在，土石壩是世界大壩工程建設中應用最為廣泛和發(fā)展最快的一種壩型。土石壩筑壩技術自20世紀50年后來得以飛速發(fā)展，并促成了一批高壩的建設,也使高土石壩發(fā)展成為一種趨勢。同時在設計和施工方面也有了新的發(fā)展和突破:1.壩基覆蓋層的防滲解決有重大突破

壩基的防滲解決時土石壩工程設計的核心問題，它與壩體的設計、施工、安全可靠性、工期和造價有親密關系，甚至直接影響到工程方案的選擇。早期在深透水壩基上建土石壩，常在壩基打設鋼板樁防滲，由于常出現樁尖卷刀、板狀傾斜、槽口撕開等問題，效果不是很抱負。1954年法國在壩高128m的謝爾·幫松土石壩對其110m厚砂卵石壩基進行了出名的覆蓋層灌漿實驗，隨即埃及的阿斯旺大壩對深達225m的覆蓋層采用深達174m的帷幕灌漿進行地基防滲解決，使其承受110m的水頭，是世界上最深的基礎防滲工程。建成后的實測資料表明防滲帷幕承當96%的深透水頭，工程運轉良好。實踐證明深帷幕灌漿是解決深覆蓋層防滲問題的一項有效方法，60年代中葉興起的混凝土防滲墻、泥漿固壁、沖擊鉆造孔，防滲效果更加經濟可靠，加拿大尼克3號土石壩水頭為105m，防滲墻墻深131m，為最深的防滲墻。從工程建成后實際運行狀況看，防滲效果均良好。當覆蓋層深度較小時，還能夠采用造價低廉的泥漿截水槽[16]。壩基的多個防滲技術的發(fā)展和工程經驗的積累為在不良的壩址上修建高土石壩開拓了廣闊的前景，許多不適宜修建混凝土壩的壩址通過適宜的地基解決都能夠修建土石壩[8]。

2.施工導流設計和施工技術的改善

河流峽谷高土石壩的泄洪方式普通是岸坡溢洪道配合泄洪隧洞。由于土石壩施工導流，特別是采用大型導流隧洞施工導流，因工期長，造價高，其經濟和理性往往被否認[12]。綜合分析國內外的高土石壩的工程實踐，結合先進的科學技術，在施工導流設計和技術上進行以下的改善[9-10]：

（1）搶筑較高的施工圍堰作為壩體的構成部分，簡化土石壩的施工導流。按普通水位庫容曲線，隨著施工圍堰高度的增加，防洪庫容快速增大，從而有效地減小下泄流量，減少對導流隧洞泄洪能力的規(guī)定，也就是減少了導流隧洞的施工工程量，最后減少了導流隧洞的工程造價，從而減少整個土石壩樞紐建設的總工程造價。

（2）大型土石壩樞紐的施工導流流量很大，因而導流建筑物工程量比較龐大，減少導流建筑物的工程量和造價將是減少土石壩樞紐總造價的重要一環(huán)，設計和實施壩體臨時溢洪斷面，讓部分施工期導流洪水從壩體臨時斷面上溢流，從而替代或減小造價昂貴的大型施工導流隧洞?，F在最成功和最節(jié)省的臨時溢洪斷面是采用加筋堆石護面，使鋼筋網能夠承當堆石壓力和水的拖曳力，施工簡樸，不干擾正常施工，溢洪后無需進行解決即可繼續(xù)填筑壩體。

（3）大斷面、高流速、大泄量的導流隧洞的快速施工為修建土石壩發(fā)明了良好條件，近十數年來，由于地下工程設計和施工技術的快速發(fā)展，出現了“新奧法”快速掘進、噴錨支護等新工藝、新辦法，大大加緊了隧洞的施工進度，從而加速了土石壩的施工進度，減少了土石壩工程造價，變化了大江大河上建筑高土石壩不安全不經濟的傳統(tǒng)觀念。

以上所述的土石壩在設計和施工上的改善，使得土石壩這種壩型在施工導流上的弱點在一定程度上得以克服，使得土石壩更具生命力。

3.高土石壩的計算理論和計算技術不停完善

20世紀30年代以來，土力學的進展，大型計算機的出現和數值計算辦法的發(fā)展，使土石壩的許多問題能在多個復雜狀況下被模擬，諸如壩體的應力應變分析，邊坡穩(wěn)定、地震荷載作用下的動力分析，非均勻介質的壩體壩基滲流計算等課題均被進一步研究[13]。同時，計算技術的發(fā)展加緊了設計進度，提高了設計質量，使土石壩可采用較陡的壩坡，并可在烈度為9度的強震區(qū)建設。

4.充足運用本地材料

高土石壩需要的土石放量很大，普通為混凝土壩體的4～6倍左右，故充足運用一切材料筑壩，盡量運用開挖的土石料上壩，使挖填方平衡，是土石壩設計能否經濟合理的核心[15]。隨著土力學理論和重型振動碾壓機的發(fā)展，對高土石壩的筑壩材料也放寬了規(guī)定，只要對的設計和精心施工，幾乎全部的土石料均可用來筑壩[11]。

另外，為使心墻與壩殼材料的彈性模量盡量協(xié)調，避免和減少壩殼對心墻的拱效應，避免水平裂縫和縱向裂縫，采用粘土和礫石摻合而成的人工混合料作為防滲材料[14]。通過大量研究，劣質土料也能用于實際工程。如紅黏土、濕陷性黃土，膨脹土，多個含礫土、黏質的礫石土，風化料、殘積冰積，洪積的碎石土等，只要有對的的土料設計，適宜的機械施工設備，科學的壓實參數，均能夠作為防滲土料。在建的瀑布溝工程（壩高186m）采用冰積洪積成因的碎石土做心墻，小浪底工程（壩高154m）以制備礫石土（礫石土，與黃土人工摻和料）等作防滲材料[20]。在壩工技術不停發(fā)展的環(huán)境下，其填筑量大、工期長的問題又使其面臨新的挑戰(zhàn)。加緊土石壩的施工進度是土石壩壩型發(fā)展的必然趨勢。混凝土重力壩、拱壩技術不停提高，橡膠壩等新型壩型不停運用，而傳統(tǒng)土石壩填筑量大、工期長，如何在充足發(fā)揮土石壩本身的技術規(guī)定低、對壩基適應性強，本地材料使用充足的傳統(tǒng)優(yōu)勢下加緊施工進度，成為壩型選擇的一種重要方面，在確保填筑施工質量及安全運行的前提下能快速施工是土石壩最關心的問題[18]?？焖偈┕?，能夠使土壩提前發(fā)揮經濟效益，對建設單位來說至關重要。隨著水利工程投資多元化的發(fā)展，水利建設的投資逐步以公司為主，無需置疑，從公司追求利潤最大化及提高內部收益率方面考慮，大壩加緊施工進度，縮短建設周期，提前發(fā)揮效益，是每個業(yè)主考慮的重點[19]。因此，如何提高施工強度、快速施工成為施工單位贏得市場從而生存下來的法寶。新型施工設備及材料的拓展是快速施工的基礎，同時需要重視設備及人力資源的投入，對填筑前的準備工作及壩面填筑控制，也需要高度重視，只有這樣才干達成快速施工的目的[17]。石壩快速施工已成為潮流，也是將來發(fā)展的方向，但從多個已施工或完建工程的狀況來看，土石壩的快速施工水平，重要根據壩高、填筑工程量、實際施工工期、平均月升高速度及平均月上壩強度等施工技術指標來綜合分析、平價，而不是簡樸的一味求快及迫求上升速度?？焖偈┕け仨氃谶M行科學論證及安全評審后方可實施，否則，將有可能帶來不可預料的后果?？焖偈┕菢I(yè)主及施工單位對的看待的問題，如沉降及拱效應問題，可采用有限元分析及埋設原型觀察儀器進行實際量測，以監(jiān)控大壩應力及變形狀況；重視壩料級配控制，良好的級配能夠在施工期盡量沖填密實而減少后期沉降；采用大壩、重型的震動碾壓機具，提高壓實度而減少孔隙率等；要做到均衡施工，各方均應從科學的角度，全方面、對的的分析合理工期，以實現資源運用量最大化的目的。

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2.設計原則(1)根據該工程的工程規(guī)模、效益和在國民經濟中的重要性，研究擬定工程的等別；(2)根據建筑物所屬工程等別及其在工程中的作用，研究擬定重要建筑物的級別；(3)根據地形、地質、水文條件，查閱設計手冊，研究擬定建筑物的設計、校核洪水原則。

3.設計內容（1）樞紐布置設計1)首先選定壩址、壩軸線，并對不同的壩型方案進行分析和選擇；2)選定壩型方案后，對泄水建筑物孔口布置方案進行擬定，針對粘土心墻壩壩型方案，要分析擬定各泄水建筑物（溢洪道、泄洪洞等）的布置型式和擬定泄水建筑物孔口布置（工程、孔口尺寸）方案；接著擬定樞紐其它建筑物布置型式，涉及進水、引水、電站廠房、上壩道路等建筑物的布置型式、位置及輪廓尺寸；3)進行調洪計算，擇優(yōu)選定泄水建筑物孔口布置方案，針對初擬的多個泄水建筑物孔口布置方案，分別進行設計洪水和校核洪水工況的調洪計算；根據調洪計算成果，比較并擇優(yōu)選定泄水建筑物孔口布置方案，由此擬定各泄水建筑物的孔口布置（高程、孔口尺寸）、水庫設計洪水位和校核洪水位及水庫總庫容等；4)對泄水建筑物縱、橫斷面設計，擬定多個泄水建筑物（溢洪道、泄洪洞等）的流道（涉及消能工）縱、橫斷面尺寸；進行各工況的水力計算（涉及水面線或壓坡線、建筑物下游消能防沖計算等），根據計算成果，校核或調節(jié)后擬定各泄水建筑物的縱、橫斷面；5)初步繪制樞紐總平面布置圖，此時水庫樞紐的布置任務基本完畢，接下來要完畢專項設計；

(2)粘土心墻專項設計：1）根據設計基本資料及前期設計的成果，進行多個工況的壩頂超高計算，分析擬定壩頂高程；2）壩頂高程擬定后來，再對壩體橫斷面進行設計。擬定壩體最大斷面輪廓尺寸，分析擬定壩體斷面材料分區(qū)以及分區(qū)材料的使用，畫出基本輪廓圖；再進行壩基解決（開挖、防滲、加固等）設計，根據初擬壩體斷面尺寸，進行各工況的滲流分析和壩坡穩(wěn)定分析，校核初擬壩體斷面尺寸合理性；對初擬壩體斷面尺寸進行必要調節(jié)、重新計算分析后，擬定壩體橫斷面。然后根據擬定的壩體最大斷面，結合兩岸地形地質條件，進行壩體縱斷面的壩基解決（開挖、防滲、加固等）等設計，擬定壩體的縱斷面尺寸。最后對壩頂、壩坡及岸坡排水、大壩排水體、上壩道路等構造進行設計。

3）根據以上設計成果，補充、完善樞紐總平面布置圖。最后繪制大壩設計圖（涉及：大壩橫剖面圖（最大斷面、岸坡斷面），沿壩軸線縱剖面圖，壩體構造設計圖等，并撰寫《畢業(yè)設計報告》。完畢論文的條件和擬采用的研究手段（途徑）1.本次設計要解決南溝門水庫樞紐布置及粘土心墻壩的設計，其中涉及了地形、地質、水文條件的分析，各建筑物的布置型式的擬定，調洪計算、滲流穩(wěn)定計算及多個工況下的水力計算，地基解決等問題。因此學生需熟悉設計題目的規(guī)定，借助圖書館、電子閱覽室、網絡等資源及時搞懂自己不懂的知識點，豐富自己的專業(yè)技能，在老師的指導下完畢設計任務。2.有南溝門水利樞紐工程概況、水文氣象、工程地質、工程規(guī)模和任務、建筑材料等基本資料，尚有大量有關的國內外著作、科技論文、學術報告等參考資料；還能夠運用學校的計算機機房做水力計算、作圖等；同時我們還學習、掌握了大量的專業(yè)知識：水工建筑物、水電站、構造力學、材料力學、理論力學、土力學、水力學、水利工程造價、工程經濟學、水工鋼筋混泥土構造、監(jiān)理理論、彈性力學、工程水文學、水工CAD制圖等專業(yè)課程。

3.結合畢業(yè)任務書，先熟悉并收集有關的基本資料，完畢《開題報告》和《外文翻譯報告》的撰寫；接著分析資料，選定壩址，壩型，擬定建筑物的布置型式，再進行調洪計算以及泄水建筑物縱、橫斷面設計；最后完畢粘土心墻壩的專項設計，完畢《畢業(yè)設計報告》的撰寫，完畢畢業(yè)設計答辯。在完畢畢業(yè)設計的過程中，參閱有關的工程實例以及國內外著作、科技論文、學術報告，以《畢業(yè)設計手冊》為指南，主動主動地去完畢設計，聽從老師的指導和安排，準時完畢各階段的設計任務。

本課題進度安排、各階段預期達成的目的第一階段（1～3周）：參加由學校組織的畢業(yè)設計動員大會；熟悉工程基本資料，畢業(yè)設計內容及規(guī)定，查閱與設計內容有關的國內外文獻資料、《畢業(yè)設計手冊》，撰寫并提交《開題報告》和《外文翻譯報告》。第二階段（4～5周）：分析并選擇壩址、壩軸線方案，擬定可用的壩型方案，進行壩型方案的選擇與分析，擬定泄水建筑物孔口布置方案以及樞紐