(完整版)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
指导教师
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，榆靖高速公路无定河大桥以上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。

按照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、拦沙和灌溉等综合利用。

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
本次毕业设计是对大学四年所学知识的总结和运用，通过对王圪堵水库的了解和个人知识的掌握，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知识及专业知识，结合毕业设计的任务进行思考、分析应用，提高我们独立思考与独立工作的能力，同时也加强了计算、绘图、编写设计文件、使用规范、手册能力的培养，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控制工程，按照《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矛盾，向14.6万亩农田灌溉补水，提高灌区灌溉保证率，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、减少入黄泥沙，为治黄大业作贡献。

按照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、拦沙和灌溉等综合利用。

在工程建设过程中主要存在以下几个问题：水库区存在淹没农田、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，水库蓄水后预计塌岸总方量约9259万m3，塌岸问题较为突出；坝址区河床
覆盖层厚度8～13m，河床宽度350～700m，左岸坝肩、河床覆盖层属中等-强透水土层，存在严重的渗漏问题，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，但应采取防渗措施。

两岸斜坡堆积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一定的影响。

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，开挖后需及时采取保护措施；右岸地下洞室岩性为侏罗系砂岩夹泥岩，岩体较完整—较破碎，弱～微风化，地下水位于洞顶以上，围岩类别为稳定性差的Ⅲ～Ⅳ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足稳定要求，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足强度要求。

它具有：相对安全可靠,耐久性好，抵抗渗漏、洪水漫溢、地震等性能较强；设计、施工技术简单，易于机械化施工；对不同的地形和地质条件适应性强，任何形状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、本课题在国内外的研究状况及发展趋势
(1)我国水利枢纽工程的发展现状及发展趋势
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变化。

在借鉴国外先进的管理经验和工程技术的同时，我们依靠自己的力量，在深山峡谷、大流量河流、复杂地形地质条件、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、运行管理和安全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
等水电工程的成功建设，标志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，在开发模式上具有一定的共性。

如在上游建以发
电为主要目标、对河流径流进行调节的高坝水库，上中游水库蓄洪可减少下游洪水；在下游地区，则建设多利用目标的水库。

尽量减少淹没损失等。

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，远比国内河流复杂，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保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、工业革命开始至二次世界大战前、二次世界大战后至20世纪70年代中期、20世
纪70年代中期至80年代末、20世纪90年代以后五个阶段。

(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年代到80年代，我国
的重力坝大多采用实体重力坝、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，均采用了混凝土重力坝，而且在建的
许多大型工程，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成功建设表
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.大坝安全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安全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，其安全问题实际上还关系到下
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开始的，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kσ=f 式中：σ为实际拉、剪或压应力；f为实际抗拉、抗剪或抗压强度；k为
实际安全系数。

以拱坝为例，实际应力可表示如下σ=σ
1+σ
2
+σ
3
+σ
4
+σ
5
+σ
6
+σ
7
+
σ
8式中：σ
1
为坝体自重引起的应力；σ
2
为作用于坝体表面的水荷载引进的应力；
σ
3为运行期坝体平均温度和等效线性温差引起的应力；σ
4
为施工期温度变化引起
的应力；σ
5为非线性温差引起的应力；σ
6
为运行期温度场边界条件的变化(主要
为上游水位变化)所引起的应力；σ
7为库区水荷载变化引起的应力；σ
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、配合比、拌制、运输等原因引起的混凝土质量问题一般都可以得到较好的控制，但入仓以后，由于平仓、振捣而引起的质量问题，很难检测，实际上难以控制，特别是夜间浇筑混凝土，如现场监理稍有松懈，很容易出问题，如某重力坝，在纵缝灌浆时，耗浆量异常，经钻孔检查，发现坝内大范围因欠振而不密实，只得采取钻孔灌浆补强，坝体实际上吸纳了大量水泥浆液。

如果没有发现问题，其后果是比较严重的。

目前在碾压混凝土坝施工中，已普遍采用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，急需进行研究[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年代，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，但实际上仍然是“无坝不裂”，Dworshak、Revelstoke 等坝的裂缝还相当严重。

经较深入研究发现，主要原因是人们对表面保护在认识
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保护，而忽略后期的表面保护。

研究结果表明，如果在
严格控制基础温差、做好水平浇筑层面和接缝面的短期表面保护外，还能做好上
下游表面的长期表面保护，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一直是坝工界非常关心的复杂课题，如对拱坝的分析[10-12]和对重力坝的分析[13-16]。

就研究性质而言，大体可分为两类：(1) 研究坝型、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
是需要进一步推敲的。

岩体为高度非均质材料，工程中采用的岩体质量分级方法
将岩体视为均匀连续的材料，由此给出岩体力学参数。

显然，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，适用于应力变化平缓的岩体区域，对坝踵区所处的高梯度应力区，显然不太合适。

一尤其是节理岩体的裂隙扩展很
大程度受节理网络控制。

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，随着大规模计算能力的发展和成熟，在坝踵附近可布置
远低于岩体代表性体积的精细网格，此时能否继续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控制
当重力坝和地基温度变化时，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
变化及其产生的温度应力，是自混凝土浇筑一直至运行期未了都始终长时间存在、
经常作用的，所以温度荷载属于基本荷载。

但它随着温度变化而不断地变化，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变化的。

混凝土重力坝进行温度控制设计，是保证混凝土浇筑、合理选择施工方案及温控标准、消除大坝裂缝的重要步骤。

根据大体积混凝土裂缝发生的原因及规律，温度控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。

对坝块实施表面保护，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,并根据规范和结合工地实际情况，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能力由一般的6℃提高到9℃，可使表面裂缝发生的机率减少75％[16]。

3.混凝土重力坝深浅层抗滑稳定分析
实践证明，如果坝基岩体坚固完整，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用极限分析的方法，即设法使系统达到极限平衡状态，再根据平衡条件或其与正常状态的比较来研究其整体安全性。

为了更好地反映岩体沿软弱结构面破坏的主要特点，更好地描述岩体结构面的特性，采用一种能较好研究非连续变形的弹塑性块体单元法研究多裂隙复杂基岩的变形、应力分布，并采用间接法研究坝基岩体的深浅层抗滑稳定性和破坏演变过程，从而重力坝的整体稳定安全性作出综合评价。

在水利工程的重力坝深层抗滑稳定分析中，除去广泛采用的有超载法、强度储备法与综合法以外，近几年来，可靠度理论也渐渐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可靠性分析，故既可以与刚体极限平衡法结合，也可以与有限元法结合使用[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，即模型实验法、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
“5．12”汶川大地震以后，大坝抗震安全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吸收国际大坝抗震设计与震后评价先进经验及坝上和抗
震专家建议的基础上，在水电规计[2008]24号文《水工工程防震抗震研究设研究
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
况下的抗震安全复核[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。

按照（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入、设计理论的完善、施工方法的改进，混凝土
筑坝技术取得了飞快的发展。

就当前国内已建和在建的工程而言，结合我国气候
特征及当前研究成果，仍有一些问题需要深入研究探索，部分工程技术问题需要
解决。

针对严寒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，研究其温度场及温度应力的时空分布变化规律，就干旱条件下水分散失理论
进行深入研究，以确定现场混凝土的各项指标满足实验室的设计要求。

目前针对
混凝土重力坝施工期及运行期的温度、徐变应力仿真计算研究的框架已基本建立，
但仿真计算参数的选取存在不稳定性，尚待深入研究。

解决上述问题能为我工已
建、在建混凝土坝工程提供可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
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四、本课题主要研究内容
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，根据所给水文资
料，按照双辅助曲线或单辅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，决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，参加毕业设计答辩。

3.根据《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Ⅱ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用95%，农业灌溉设计保证率采用50%。

五、完成论文的条件和拟采用的研究手段（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，存在严重的渗漏问题；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，灌浆施工按照SL62O94 《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》进行(主要按照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。

我们大学期间所学的《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，是顺利完成本次毕业设计的基本保障。

另外，要完成此次设计还需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，认真听取指导老师的意见，和同学们相互交流，进行工程类比，工程借鉴，才能最终顺利完成此次毕业设计。

六、本课题进度安排、各阶段预期达到的目标
本课题主要分为四个阶断进行，各阶段主要任务安排如下：
第一阶段，1-4周（2.25-3.24）：主要为本次设计做前期准备工作，包括熟悉毕业设计内容及要求；熟悉工程基本资料；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。

第二阶段，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后阶段，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加最后的毕业设计（论文）答辩。

七、指导教师意见。