开题报告-南沟门常态混凝土重力坝及溢流坝段设计.doc

毕业设计（论文） 开题报告题 目 南沟门常态混凝土重力坝 及溢流坝段设计 专 业 水利水电工程 班 级 工115班 学 生 指导教师 2015年1 毕业设计课题来源、类型南沟门水利枢纽工程位于陕西省延安市黄陵县境内，水库坝址位于葫芦河河口上游3公里处的南沟门附近，距黄陵城约25公里，距洛川县城约17公里，距延安市约120公里，距西安市约180 公里。该水利枢纽工程主要任务是向延安石油化学工业基地及当地城乡生活供水，改善其灌溉条件，并利用供水进行发电。南沟门水库枢纽总库容2.006亿立方米，为等、大（2）型工程，枢纽主要建筑物由拦河坝、导流泄洪洞、引水发电洞、坝后电站等五部分组成。其中大坝、导流泄洪洞、为2级建筑物；引水发电洞电因供水对象的重要性也定为2级建筑物，坝后电站属5级建筑物。本课题属于工程设计类。 2 选题的目的及意义毕业设计是我们在校期间最后也是最重要的一个总结性、全面性、实践性的教学环节。它是对我们在校期间所学基础课、专业基础课以及专业课知识的复习、巩固和提高，是培养我们初步独立分析问题和解决实际工程问题的一个重要过程，是对我们的能力与素质的综合检验，也是我们完成本科学习、正式走上工作岗位前的一次实战演练，还是毕业资格与学位资格认定的重要依据。 （1）巩固、加深所学知识，并使之系统化，提高综合运用能力（2）理论联系实际，提高学生解决实际问题的能力 (3)掌握资料的收集和分析方法、相关规范的选择和运用能力，并初步掌握设计水利枢纽工程及其建筑物的内容、原则、方法和步骤（3）进一步提高学生设计、计算、绘图和编写设计文件等方面的能力（4）巩固和提高学生的计算机基础知识，提升学生对办公软件、CAD制图软件的熟练程度（5）扩大专业词汇量，提高专业外文翻译的能力（6）培养学生树立正确的设计思想；树立热爱社会主义祖国、热爱水利水电建设事业的高尚情操；树立严肃认真、谦虚谨慎、实事求是、认真负责、勇于创新的工作作风。 (7)通过水利水电枢纽工程设计的综合训练，为顺利走向工作岗位，从事水利水电工程设计、施工、科研及管理等工作奠定坚实的基础。3 本课题在国内外的研究状况及发展趋势3.1 重力坝的发展重力坝是世界上出现最早的一种坝型。人类修建重力坝的历史可追溯到数千年前。公元前2900年埃及美尼斯王朝在首都孟斐斯城附近的尼罗河上，建造了一座高15m长240m的挡水坝。1中国于公元前3世纪在连通长江与珠江流域的灵渠工程上，修建了一座高5m的砌石溢流坝，迄今已运行2000多年，是世界上现存的，使用历史最久的一座重力坝。早期的重力坝都是凭经验建造的，由于坝断面越大坝体就越安全这详一个简单的道理，早期建造的重力坝其断面都较大，又由于没有统一的理论作指导，坝体断面形状千差万别1。18世纪，在法国和西班牙用浆砌石修建了早期的重力坝，横断面都很大，接近于梯形。1853年以后，在筑坝实践中，设计理论逐步发展，法国工程师们开始拟出一些重力坝的设计准则，如抗滑稳定、坝基应力三分点准则等，出现了以三角形断面为基础的重力坝断面。20世纪初，由于混凝土工艺和施工机械的迅速发展，在美国建造了阿罗罗克坝和象山坝等第一批混凝土重力坝。1930年以后，美国修建了高183m的沙斯塔坝和高168m的大古力坝以后，重力坝的设计理论和施工技术有了一个飞跃12。重力坝在水压力及其他荷载作用下，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。它之所以得到广泛的采用，是因为它有以下几方面的优点：（1）结构作用明确，设计方法简单，安全可靠；（2）对地形、地质适应性较强； (3)枢纽泄洪问题容易解决；（4） 便于施工导流。在施工期可以用坝体导流，一般不需另设导流隧洞；（5） 施工方便3。3.2 混凝土重力坝的分类重力坝按筑坝材料的不同分为:混凝土重力坝和浆砌石重力坝。重力坝按其结构形式分为:实体重力坝;宽缝重力坝；空腹重力坝。重力坝按泄水条件可分为非溢流坝和溢流坝两种剖面。实体重力坝因横缝处理的方式不同可分为三类。悬臂式重力坝：横缝不设键槽，不灌浆；铰接式重力坝：横缝设键槽，但不灌浆；整体式重力坝：横缝设键槽，并进行灌浆。按照混凝土的施工方式，分为常态混凝土重力坝、碾压混凝土重力坝。其中碾压混凝土重力坝由于施工方便，技术经济指标优越，近年来得到了迅速的发展。碾压混凝土是一种干硬性贫水泥的混凝土，使用硅酸盐水泥、火山灰质掺合料、水、外加剂、砂和粗骨料拌制成无坍落度的干硬性混凝土，采用与土石坝施工相同的运输及铺筑设备，用振动碾分层压实4。碾压混凝土筑坝技术于20 世纪70年代兴起，我国80年代初开始研究。碾压混凝土坝具有混凝土体积小、工艺简单、上坝强度高、防渗性能好、坝身可溢流、工期短、造价低、适应性强、可使用大型通用机械等优点，能产生巨大的经济和环境效益，已广泛运用于道路、机场、大坝中。但碾压混凝土坝也存在自身的问题：沿层面低抗剪强度和强透水性5。对于低坝，这些问题尚不突出，但对高碾压混凝土重力坝，层面的抗滑稳定是大坝剖面设计的制约因素，包括浅层和深层抗滑6。3.3考虑纵缝影响的混凝土重力坝结构分析混凝土重力坝的纵向接缝是顺着坝顶轴线方向的铅直面,从河谷的左岸至右岸,并与各横向接缝正交。通过纵、横缝便可把各坝段分割成为许多柱状块体,以利于混凝土浇注和散热。纵缝的形式有连续的和间断的两种,但均是临时性缝面;等到一定的施工阶段,所有的纵缝必须进行压力灌浆,使接缝严密结合,恢复横断面的整体性,以保持坝体的应有强度,并符合设计要求,从而保证大坝的安全。但是,由于历史原因,一些现役的老坝,其纵缝在建造初期没有设置键槽、灌浆不善甚至没有进行灌浆处理。这些老坝的实测资料表明,纵缝在随着外界环境的变化而变化,使原本成为整体的坝体被这些未经处理的纵缝分割开来,使坝体应力分布与整体坝体截然不同,甚至出现承载状态的恶化。3.4 大坝安全是混凝土重力坝高坝的关键问题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,特高混凝土坝的安全问题是当前坝工技术的焦点【7】【8】【9】【10】。我国特高混凝土坝不但水头高,而且库容大,其安全问题实际上还关系到下游数座水库的安全,因此,特高混凝土坝的安全问题是当前坝工技术中的一个重要课题。3.4.1 混凝土坝破坏条件混凝土坝的破坏是从局部破坏开始的,局部破坏之后,坝体应力重新分布,破坏范围是否进一步发展,也取决于应力状态。混凝土坝的破坏条件可表示为 (1)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为实际安全系数。由于施工期间有大量机口取样和少量仓面取样的试验资料,混凝土拌合运输阶段质量系数是唯一可以用统计理论进行计算的系数,只要给出失效概率,根据试验资料可以计算相应的质量系数值,但正是由于现场有大量抽查试样,因此一般情况下系数不致于太小。混凝土平仓振捣质量在施工中很难检验, 混凝土平仓振捣质量系数的数值可能在较大范围内变化,如果平仓振捣质量优良,其值应接近或略小于110,如果平仓振捣质量很差,从国内过去实际工程经验来看,可能出现大范围不密实、甚至蜂窝狗洞等架空现象, 混凝土平仓振捣质量系数就可能降至很低甚至接近于零。3.4.2混凝土重力坝裂缝问题到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,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【11】【12】【13】【14】。在三峡三期工程开始前,经过计算分析,建议三峡三期工程在大坝上下游表面用35cm厚聚苯乙烯泡沫板长期保温,在施工中得到执行,加上三期工程中进行了全面的严格的温度控制,竣工验收时,未发现一条裂缝。实践经验表明,温度应力理论是正确的,只要全面温控、长期保温,就可以防止裂缝,结束无坝不裂的历史。目前在建的小湾、锦屏、溪洛渡、拉西瓦等特高拱坝均拟采取这套措施。3.5 重力坝的发展趋势由于碾压混凝土重力坝工艺程序简单，可快速施工，缩短工期，提前发挥工程效益的优点，碾压混凝土重力坝这几年发展迅速，在重力坝中所占比重越来越大。如今碾压混凝土重力坝已由20世纪80年代初期的贫胶凝材料碾压混凝土坝转向中、富胶凝材料碾压混凝土坝。碾压混凝土坝发展方向的变化有以下4方面原因： (1)对碾压混凝土性能的认识更深刻。已建各类碾压混凝土坝钻芯检测发现，富胶凝材料碾压混凝土的性能优良，由此增强了对碾压混凝土材料的信心。 (2)碾压混凝土坝的规模越来越大。到1990年，只建成了一座高度超过lOOm的碾压混凝土坝-Tamagawaf15，199l1996年，建成的碾压混凝土坝中有12座坝高超过100m，且还有5座超过100m的碾压混凝土坝在建。随着建坝规模扩大，对碾压混凝土性能的要求也在提高。与富胶凝材料碾压混凝土相比，贫胶凝材料碾压混凝土的现场性能(粘聚力、抗拉强度等)都要差一些。 (3)碾压混凝土坝的用途发生变化。早期的碾压混凝土坝很少用于水电工程，但到20世纪80年代后期及90年代，越来越多的碾压混凝土坝被用于水电工程，因此碾压混凝土坝要常年蓄水，需提高坝的防渗性和对大坝防渗的信心。(4) 经济性。由于富胶凝材料碾压混凝土的性能比贫胶凝材料碾压混凝土有显著改善，因此重力坝的断面可以减小，特别在地震活动带。虽然富胶凝材料碾压混凝土的材料费用较高，但在安全度相同的情况下，其总体造价(碾压混凝土坝体造价与防渗结构的造价之和)往往低于贫胶凝材料碾压混凝土坝1617。参考文献1 朱诗鳌.坝工技术史M.北京：中国水利电力出版社,1995.2 潘家铮，何璟.中国大坝50年M.北京：中国水利电力出版社，2000.3 林继镛.水工建筑物M.北京：中国水利水电出版社，第5版， 2009.4 韩玙，叶林.水利水电工程学习指导M.西安：陕西人民出版社，2005 5 Dam safety-guidelineseJ.ICOLD Bulletin 59,19876 崔冠英,朱济祥.水利工程地质M.北京:中国水利水电出版社，2008.7 潘家铮.重力坝设计M.北京:水利电力出版社,1991.8 朱伯芳,高季章,陈祖煜,厉易生.拱坝设计与研究M.北京:中国水利水电出版社,2002.9 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,2000.10 朱伯芳.中国拱坝建设的成就J.水力发电,1999,(10):38-41.11 朱伯芳,许平.加强混凝土坝面保护,尽快结束/无坝不裂0的历史J.水力发电,2004,(3):25-28.12 朱伯芳.建设高质量永不裂缝拱坝的可行性及实现策略J.水利学报,2006,37(10):1155-1162.13 朱伯芳.混凝土坝温度控制与防止裂缝的现状与展望J.水利学报,2006,(12):1424-1432.14 朱伯芳,买淑芳.混凝土坝复合式永久保温防渗板J.水利水电技术,2006,(4):13-18.15 YAMAUCHI，T，HARADA，J，OKADA，Tand SHIMADA，S .Construction of Tamagawa by the RCD methodJ.1986.16 BOGGS，HI，and RICHARDSON，ATUSBR design considerations for Roller Compacted Concrete dams in R011er Compacte ConcreteJ，ASCE，New York，198517 DUNSTAN.Discussion to Q 62XVhhJ.ICOI，D Congress,V015，San Francisco，19884 毕业设计的主要研究内容毕业设计题目：南沟门常态混凝土重力坝及溢流坝段设计毕业设计的基本内容： （1）了解南沟门水利枢纽的工程概况，熟悉设计所需的地形、地质、水文等资料；并根据设计需要查阅常态混凝土重力坝相关文献资料,特别是水工设计手册和规范。 （2）在外文阅览室或利用网络资源查找近五年与本课题相关的3篇以上外文文献，并将其中的一篇翻译成中文（不少于2000字）。 （3）根据设计内容需要查阅相关文献资料，了解国内外研究现状和发展趋势，并结合设计的意义、目的、内容、要求和具体目标，完成并提交开题报告一份。 （4）进行南沟门常态混凝土重力坝枢纽的整体布置，初步确定坝轴线的位置以及溢流坝段的形式及位置。 （5）根据所给水文资料，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，决定工程等别和永久性主要建筑物的级别，为稳定计算等做好准备。 （6） 拟定南沟门混凝土重力坝的剖面形式及尺寸，选定一个典型坝段（最大剖面坝段）进行坝体稳定分析和渗流计算。 （7）拟定溢流坝段剖面形式及尺寸，进行水力计算，从而确保设计和校核情况下的安全泄洪能力，并对下游进行消能设计与计算。 （8） 进行南沟门混凝土重力坝细部结构设计，并画出相应的草图。 （9） 整理设计成果，编写设计说明书，并按时提交毕业设计成果。5 完成毕业设计的条件和拟采用的手段5.1 完成毕业设计的条件（1）理论基础知识 通过大学三年多时间的学习，我们掌握了CAD画法几何，理论力学，材料力学，结构力学，弹性力学，水力学，土力学，工程地质，工程水文学，建筑材料，水工建筑物，水电站，水利工程施工，建设项目管理，水利水能规划，水利工程造价等有关知识，为我们更好地完成毕业设计打下了坚实的理论基础。 （2）实践经验在校期间学院组织我们参加过多次实习，大二上学期，我们到黑河金盆水库，三原西郊水库进行了参观认识学习；大二下学期，我们在校内进行了工程测量实习，使我们初步掌握了工程测绘的有关基本知识；大三到马渡王水文站进行了水文实习；大四上学期，我们参加了生产及地质实习，实地参观了李家河水库，南沟门水库，亭口水利枢纽工程，引汉济渭工程中的黄金峡和三河口的坝址等等，同时在此期间听了大量具有丰富经验的高级工程师的报告，看了一些工程实例，达到了理论知识与工程实际初步相结合的效果。不仅进一步巩固了所学知识，使我们对理论知识的认识更深刻，而且在实际设计时能够更加全面地运用理论知识。(3） 专业的教学团队与丰富的文献资料 在毕业设计过程中，有老师的专业指导，毕业设计的每一步都会有专题讲座，遇到不懂得问题可以与老师交流。水利水电工程专业核心课程教学团队是国家级教学团队。水工系老师们也有着丰富的教学经验，学院收集了大量的实际工程资料，为毕业设计奠定了良好的基础。同时学校硬件设施齐全，且配有装有全套所需设计绘图软件的机房，为我们提供了良好的画图条件。其次，学校图书馆中有大量的与毕业设计相关的文献资料可供借阅与参考，也有许多的工程实习可作参考，实力雄厚的师资队伍和优越的学习环境给我们提供了良好的受教条件，为我们进行毕业设计打下了基础。5.2 拟采用的手段（1）多方面查阅资料，了解南沟门的工程概况，熟悉设计所须的各种资料；（2）认真阅读DL5108-1999混凝土重力坝设计规范、DL5077-1997水工建筑物荷载设计规范等相关规范以及相关水工设计手册；（3）参考与本枢纽工程相似的工程设计，查阅其设计资料，对比分析，参考其设计经验。（4）听取学校安排的一系列的专题讲座，如枢纽布置、调洪计