黑河大坝设计开题报告.doc

03级西安理工大学水电学院毕业设计（论文）.开题报告毕业设计（论文）开题报告题 目 黑河水水利枢纽工程布置及 坝体渗流有限元计算 专 业 水利水电工程 班 级 工032 学 生 指导教师 工程师 2007年 一、毕业设计(论文)课题来源、类型 黑河水水利枢纽布置及坝体渗流有限元计算课题来源于实际工程，属设计类课题。黑河水利枢纽工程位于西安市周至县马召镇黑河干流秦岭峪口处，北距周至县城约12千米，由拦河坝、泄洪洞、溢洪洞、引水洞、坝后电站、古河道防渗与副坝，下游护岸等建筑物组成,总库容2.0亿m3,是具有城市供水、灌溉、发电、生态、防洪等综合性能的大型水利工程。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 毕业设计是我们综合应用在校所学知识，结合工程实际，进行一次系统的有机的解决工程实际问题的实践性环节，也是完成工程师基本训练的重要教学环节。通过对该水利水电枢纽工程的设计与研究，以达到以下目的： 1. 巩固加深所学专业知识，扩大专业知识面，使所学知识系统化。 2. 培养运用所学知识解决实际工程问题的能力，要求我们掌握基本的设计原则、设计方法和步骤。 3.培养独立思考的工作能力，通过毕业设计加强中外文资料查阅、翻译、设计计算、绘图、编写设计报告、使用规范手册以及计算机应用能力的培养； 4.培养正确的设计思想和观点，严谨负责、实事求是、刻苦钻研和勇于探索、创新的工作作风和学风，贯彻国家有关建设方针、政策的科学态度。黑河水利枢纽工程任务多，坝址工程地质条件复杂，以此作为毕业设计对象，不仅能够使我们掌握各种建筑物的设计理论和方法，同时也锻炼了我们解决一些复杂问题的能力。 土石坝工程施工简便、地质条件要求低、造价便宜，并可就地取材且料源丰富 ，因此是水利水电工程中极为重要的一种坝型。土石坝工程的建设历史久远，并经久不衰。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、土工膜防渗等类型。我国各地气候、地质和经济等条件存在 巨大差异，因而土石坝工程在不同地区的建设中所遇到的技术问题也大不相同。对这些问题在逐步改进施工工艺采取有针对性措施的同时，还应结合当地情况研究使用新材料、新结构，很好地吸收国内外多方面实践经验和教训，在理论上深入开展有益的科研工作和探索。目前，土石坝工程建设水平和技术不断提高和发展，特别是20世纪90年代以来，随着我国社会经济的发展，水利水电工程建设突飞猛进，土石坝坝高开始向300米级高度研发和建设。筑坝技术难题的攻克，使我国积累了大量的工程建设经验，并在理论上有所突破。因此以土石坝为毕业设计题目，在老师的指导下完成毕业设计任务，将会为未来工作打下一个良好的基础。三、本课题在国内外的研究状况及发展趋势土石坝在实践中被广泛采用并得到不断发展，与自身的优越性是密不可分的。同混凝土坝相比，它的优点主要体现在以下几方面： 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。 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。 构造简单，施工技术容易掌握，适应于大型机械化施工。 运用管理方便，工作可靠，寿命长，维修加固和扩建均较容易。土石坝工程的建设历史久远，并经久不衰。 随着科学技术的进步，今天的土石坝工程按坝体高度可分为：高坝、中坝、低坝。其中，低坝的高度为30m以下，中坝的高度为3070m，高坝的高度为70m以上。按施工方法可分为：碾压式土石坝，抛填式土石坝，水力冲填坝和定向爆破堆石坝等。其中应用最为广泛的是碾压式土石坝。按土料在坝体中的配置和防渗体所用的材料又可分为：均质坝、分区坝、人工防渗材料坝。土石坝具有造价低、结构简单、对自然条件适应性强、抗震性能好、工作可靠、寿命长、施工管理简便等优点，因而被广泛采用。日前，国外土石坝所占比重达62%以上，在我国己建成的8万多座大坝以及河道堤防工程中，土石坝也占据很大的比例。但由于填筑土石坝的土料和坝基的砂砾是散粒体结构，颗粒间存在大量的孔隙，都具有一定的透水性，在水压力的作用下，水流必然会沿着坝身土料、坝基土体、坝端两岸地基中的孔隙渗向下游，造成坝身、坝基和绕坝的渗漏，影响坝体稳定。根据1981年的统计资料，我国由渗流引起的破坏事故率约占31.7%，至1981年，全国有2 391座水库失事，其中渗漏导致垮坝占29. l,匕II.,黄河堤防存在的工程隐患，说明土石坝渗漏问题相当严重。在土石坝设计中，渗流计算的任务可归纳为: 1.计算通过建筑物及其地基的渗流量，以确定建筑物上游水库的渗漏损失水量，分析其对水库蓄水的影响，以及是否需要采取其它防渗措施，以减少渗漏损失。 2.计算十石堤坝坝体内的浸润线，以便分析土石堤坝坝坡的稳定性。 3.计算建筑物及其地基内各点处的水头和压力，以确定在建筑物及其地基内的分布和变化，预测产生渗透变形的可能性。 4.计算作用在建筑物底面上的扬压力，以便分析建筑物的稳定性及应采取的防惨、排渗措施。 5.计算建筑物及其地基内各点处的渗透流速和水力坡降，特别是渗流逸出处的渗透流速和水力坡降，以便分析建筑物及其地基的渗透稳定性及所应采取的防渗、排渗措施。 渗流学科的发展原来是作为很多学科领域的边缘学科向前发展的。渗流既是水力学又是岩土力学所不可缺少的组成部分，也是水工结构、水文地质、地下水文、农田水利、灌溉排水、地下水资源开发利用和石油开采以及矿床疏干等学科中的部分内容。但由于各有关学科的不断发展和生产实践中提出的渗流问题日益广泛复杂，现在，渗流已逐渐发展成为具有自己的理论、方法和应用范围的独立学科。从本世纪20年代开始，渗流对建筑物的影响逐渐为工程界所重视，许多学者相继进行了研究，并取得了重大的成果。随着近代科学技术的不断发展，渗流力学在基本理论、计算方法和应用方面都得到了极大的发展，己能用来解决多种复杂的工程问题。渗流与水工建筑物的安全和正常工作有着密切的关系，这使得它对水工建筑物安全和经济合理性的影响为工程界所普遍重视，也使得渗流力学在基本理论、计算分析方法和应用等方面都得到了极大的发展。在大坝总量上占有绝对优势的土石坝，山于筑坝材料的特性，受渗流影响最为严重，其渗流分析技术也最为成熟。渗流计算方法有很多，但归纳起来有两大类，即理论分析方法和试验分析方法。解析法、理论分析法、直接解法、复变函数法、组合法、水力学法、数值方法、有限单元法、差分法、渗流计算分析方法、试验分析法、图解法、砂槽(土槽)模型法、粘滞流模型法、水力网模型法、电模拟试验法、电阻网模拟法。 理论分析方法可分为流体力学法和水力学法两类。流体力学法是根据流体力学原理及渗流边界条件直接解渗流问题的一种方法，计算结果比较精确，可以计算渗流场中任意一点的渗流要素(如渗流水头、渗透压力、渗透坡降、渗透流速和通过任意截面的渗流量)，但是这种方法计算比较复杂，目前只能对几种比较简单的渗流边界有解答。水力学法是建立在对渗流条件作某些简化基础上的一种方法。该法主要是对上和下游坝段及流线作一些假定，将渗流域简化，一般对上游三角形坝段有平均流线法和矩形替代法，对下游有垂直等势线法、圆弧形等势线法、折线等势线法等。水力学法计算比较简单，能用于计算各种实际渗流问题，但这种方法只能得出渗流场中某一渗流截面的平均渗流要素，同时由于其基本假定与实际情况有一定出入，所以计算结果存在一定误差。为了弥补这一缺陷，目前采取的方法是由流体力学和试验方法对水力学法进行局部修正，以提高其计算精度。 从计算技术上看，理论分析法又可分为解析法、数值方法和图解法。其中解析法又可分为直接解法、复变函数法、组合法和水力学法;数值方法又分为有限单元法和差分法。 直接解法是直接采用渗流基本微分方程的方法来计算渗流要素的一种方法。该法计算精度较高，但计算比较复杂，适用于求解渗流通过区域较为单一、边界简单以及当对某些截面处水头或流量给定模型假定时不会引起较大误差的情况。 复变函数法是利用复变函数的保角变换理论，将实际渗流问题变换为一个已有解答的区域，从而使问题获得解答。通常要选择若干个可能的复势进行计算，从中挑选一个符合边界条件的复势作为实际解的依据，但这种试算的工作量很大，并且仅适用于二维渗流计算。 组合法是将复杂渗流区域划分为几个简单的渗流区段来进行计算的一种方法。它将整个渗流区域划分为几个形状简单的渗流区段或基本部件，而这些渗流区段或部件均已有理论解答，因此利用这些区段或部件已有的解答即可解决这个渗流区域的渗流的问题。根据计算中对渗流区域划分方式和解题方式的不同，组合法又可分为分段法、基本部件法以及阻力系数法。组合法的求解依赖于形状简单的渗流区段或基本部件的已知解，故而该方法的实际应用范围有限。 数值法主要有差分法和有限单元法。差分法是将渗流基本方程转变为差分方程，并采用逐步逼近的计算方法来求得渗流场中各点处的水头。差分法原理简单易懂、算式简单、有简单的理论基础，但往往局限于规则的差分网格，对曲线边界和渗透介质的各向异性模拟比较困难。有限单元法是将实际的渗流场离散为有限个单元体，并首先求得单元体节点处的水头，同时假定在每个单元内的渗透水头成线形变换，因此可求得渗流场中任一点处水头和其它渗流要素。 图解法是采用渗流区的流线和等势线的网状图形，并据以计算渗流要素的方法。 目前常用的实验方法有:砂槽(土槽)模型法、粘滞流模型法(缝隙水槽法)、水力网模型法和水力积分仪法、电模拟试验法和电阻网模型法等。长期以来，渗流计算法可以概括为流体力学解法和水力学解法两类。流体力学解法是一种严格的解析法，它在满足定解条件下求解渗流基本方程，然后得到解的解析表达式。它能给出渗流场中任何一点的值，但这种方法只是对简单的渗流情况有效，而且所得的解异常复杂。水力学解法是一种近似的解析法，它基于对土坝渗流做某些假定以及对局部急变渗流区段，应用流体力学解析解的某些成果而求得渗流问题的解答，因此它也是渗流基本方程的解。土石坝渗流存在渗流自由面随时间变化的问题，另外，土石坝渗流场的形状和边界条件都比较复杂，而且小同程度地具有非均质的各向异性，因此用解析法来解实际工程问题常受到一些条件的限制。而水力学解法由于对土坝渗流做了某些假定，在实际工程应用上也同样受到一定的制约。基于上述原因，对于实际的土石坝工程，以往大多是借助于模拟试验来求解土坝渗流问题，而模拟试验又很费时费力，因此需要找到更简单有效的方法。 近代计算技术的发展和计算机的应用为土石坝渗流计算开辟犷新的途径。各种复杂情况下的土石坝渗流，都可以在计算机上模拟出来。根据一定的数学模型，在数字计算机上用数值模拟十坝渗流状态的过程为渗流数值模拟。实践证明，利用计算和依靠数值法求解均质或非均质、各向同性或各向异性以及复杂条件的土坝渗流问题，虽然得到的解是近似的，然而却是满意的解答，己基本上可以取代渗流试验。实际上，利用计算机依靠数值法对土坝渗流问题进行一次计算，也就相当于进行一次模拟试验，而计算程序就相当于试验模型，因此，数值模拟在土石坝渗流计算中占有越来越重要的位置，也越来越受到人们的重视。随着计算机和计算机技术的迅速发展，各种数值计算方法在渗流计算中得到越来越广泛的应用。目前渗流数值分析常用方法主要包括:有限差分法(FDM ) l、有限单元法(FEM )、边界元法(DEM )、无单元法(NEM )、数值流形法(NMM)等，这些方法都基于连续介质渗流理论。对于最常见的有自由面的渗流，其作为渗流域边界的自由面位置是待求的，需要迭代才能求出，因此自由面的求解也是渗流数值分析的重点与难点。 有限差分法使用比较早，在工程中应用比较广泛，当计算机普遍应用以后，这种算法得到迅速发展。文献采用适体坐标变换与有限差分相结合的方法，克服了普通差分法只能应用于简单边界条件的缺陷，对复杂几何边界进行精确模拟，问题的数值求解过程均在变换后固定的矩形正交网格系统中进行。 在将有限单元法应用于渗流场求解问题时，会涉及到不少求解理论及求解技术，其中包括建模理论、有限元网格前处理技术和计算结果的后处理技术、渗流场特性参数的确定、计算域边界模拟技术等。前处理技术是指在确定计算域的实际形状及边界后，采用合理的单元格式离散计算域，获取有限单元法计算所需的网格数据;后处理技术是指根据网格数据和计算的结果，绘制相应的等水头线、等压线、流场分布图形，以利于工程应用。目前，大多数商业计算程序(如ANSYS )都有比较完善的前后处理技术。在有限元渗流场求解所涉及的理论和技术中，后处理技术、数学模型方程及大型线形矩阵方程组的求解技术的研究已比较成熟，而在有限元的前处理方面则仍有许多问题有待较好的解决。 有限元法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。由于单元的数目是有限的，节点的数目也是有限的，所以称为有限元法(FEM，Finite Element Method)。 有限元法是解数学物理问题的一种数值方法。有限单元法是对古典近似计算的归纳和总结。它既吸收了有限差分法中离散处理的内核，又继承了变分计算中选择试探函数，并对区域进行积分的合理做法，充分考虑了单元对节点参数的贡献。有限单元法将实际的渗流场离散为有限个以节点互相联系的单元体，并首先求得单元体节点处的水头。同时假定在每个单元体内的渗透水头呈现性变化，因而可求得渗流场中任一点处的水头和其它渗流要素。有限单元法在模拟曲线边界和各向异性渗透介质方面比差分法具有较大的灵活性。因此，有限元法是古典变分法实质性的革新和发展。有限元法是40多年来许多工程师、力学家、数学家共同努力的产物，1943年柯朗(Courant)提出了第一篇有现代有限元思想的数学论文，但由于没有电子计算机，这种方法没有引起重视。60年代电子计算机的迅速发展和广泛应用，提供了有限元发展的物质基础。克劳夫(R.W.Clough)1960年首先使用“有限元”这样的名称，以表示和“有限差分”法有所区别。几乎在同一时期内，其他数学家也都提出了各种各样的有限元思想和方法。有限元法最早应用于结构分析，后来才引进流体力学领域。1965年津克维茨(O.C.Zienkiewicz)和张(Y.K.Cheung)首先用有限元法求解拟调和方程，使他在渗流领域内逐渐得到推广应用。到70年代有限元又扩展到用来求解随时间变化的非稳定渗流问题，这些研究大部分是属于大区域地下水渗流问题。恩芬(W.D.Lian Finn) 、泰勒(R.L.Tay Lor) 、布朗(C.B.Brown) 、川本等研究了具有自由面的土坝稳定渗流，沃尔克(R.E.Volker)研究了不符合达西定律的有自由面的稳定渗流，麦克科代尔(J.A.Mc Cor-quodal) 、牛曼(S.P.Neuman) 、德塞(C.S.Desai) 、饭田隆一等进行了渗流自由面随时间变动的非稳定渗流的研究。早期主要采用移动网格法求解，虽然取得了许多成功的经验，但也表现出方法本身的缺陷: (1)当初始自由面与最终自由面相差较大时，网格过分变形导致单元畸形;(2)渗流域内有结构物时，网格移动会改变结构边界;网格变形改变了渗流域内不同介质的边界;(4)无法计算自由面以上区域的其它物理量，因此无法进行祸合分析。为了解决这些问题，己经出现了多种固定网格法，如剩余流量法，单元渗透矩阵调整法，初流量法，虚单元法等。边界单元法是在近代有限单元法发展的基础上兴起的新的计算方法。它的基本思想是把边界离散为单元，从而可把边界积分方程转换为线性代数方程组以获得问题边界值数值解，然后通过解析公式求得计算区域的任一点的解。其特点在于将数值方法与解析解有机的结合起来，把求解问题的维数降低了一维，减小了计算量，计算精度较高且具有一定的普遍应用型。文献提出了采用边界元方法确定渗流自由面的改进迭代方法，其基本思想是:先初步估计渗流自由面的位置，并假定渗流自由面上法向渗流梯度为0，然后根据边界采用边界元法求解渗流场，根据求解结果再调整自由面的位置，反复迭代直到渗流自由面和自由面渗流梯度满足精度为止。最近国内外对具有自由面边界的渗流问题采用变分不等式求解，收到一定成效。奥登(Oden)对均质矩形坝的自由边界问题采用变分不等式数值解来一次求解自由边界问题，伯瑞泽斯(H.Brezis)和阿克得(C.R.Acad)在方法上又有所发展，考虑任何坝型非均质问题的自由边界问题，有限元法是一门比较新的学科，目前仍在发展之中。近些年来，国内有限元法在渗流领域中也得到了广泛的应用，已有不少二维的稳定渗流问题和非稳定渗流问题的程序，还研制了四面体单元和等参数六面体单元的三维渗流程序以及具有专门功能的渗流程序。南京水利科学研究院、黄委会水利科学研究院、上海计算研究院以及高等院校均做了不少工作。水利水电科学研究院也先后编制了两个渗流程序：一个是与北京大学数学系协作编制的三维等参数六面体单元的渗流、程序。该程序最近又发展为多种单元形态多功能的二维、三维的通用程序，即STSA程序。另一个是SEEP渗流程序。同时，对浸润面的调整、各向异性渗透性的模拟、排水井和沟的考虑、薄断层模拟问题以及水利比降和流量计算、非线性渗流问题都作了一些探讨。参考文献1O.C.Zienkiewicz and Y.K.Cheung, Finite Element in the So- lution of Field problems, The Engineer, Volume 220, No.5710,19652Laurence D.Wesley.Coulomb wedge analysis of cuts in steep Slopes.Canadian Geotechnical Journal,2001.383Sam Jobansson.Optical allusion.International water power And dam construction.20054顾慰慈，渗流计算原理及应用，中国建材工业出版社 2000.65蒋支谅，有限元法基础，国防工业出版社 1980.126杜延龄、许国安，渗流分析的有限元法和电网络法，水利电力出版社 1992.37邓苑苑、刘建军、张小燕，土石坝工程渗流计算的理论发展及方法探析，甘肃农业 2006年第6期8姜帆、张茹，土石坝渗流研究发展综述，水利与建筑工程学报 2006。Vol4(4) 9谢秀荣等译，使用有限单元分析导论，北京人民交通出版社 1980.10郭美英、高贵全，有限元法在土坝浸润线计算中的应用，云南农业大学学报 2006.Vol21(6)11赵尚毅、张黎明等，有限元极限分析法发展及其在岩土工程中的应用，中国工程科学 2006.Vol8(12) 12王柏乐、刘瑛珍，中国土石坝工程建设新发展，水力发电 2005.Vol31(1) 13张爱军、骆亚生、刑义川，高心墙土石坝三向渗流问题研究，人民长江 2004.Vol35(5)14林继镛，水工建筑物，中国水利水电出版社 2006.315朱伯芳,有限单元法原理及应用(第二版),中国水利水电出版社,1998. 16陈乐意，土石坝渗流计算及实测资料分析，郑州大学硕士学位论文，2006.2.20 17冯耀奇，孙秀喜，姚继民，任立民，土石坝渗流计算模型的建立及工程应用， 大坝与安全，2006.6 18林耀生，有限单元法在土坝渗流计算中的应用，甘肃水利水电技术，2004.3四、本课题主要研究内容（1） 个不同的方案进行综合分析比较，最终选定一个方案进行深入设计。（2） 在拟定建筑物基础尺寸和选择有关尺寸的基础上，进行调洪演算，确定下泄流量和水库设计洪水水位，校核洪水位等特征水位，确定特征库容，在此基础上完成枢纽整体布置。确定特征水位时，可根据具体情况采用同倍比（或同频率）放大法，绘制出两条Qt曲线，并采用半图解法求出设计，校核情况下的最高库水位； （3） 根据规范要求,参照已建工程并考虑本工程的具体情况,确定大坝断面尺寸和岸坡坝段的坝型及断面尺寸； （4） 按规范要求工况采用有限元法进行大坝渗流计算，依据渗流计算的结果进行大坝的稳定复核； （5） 进行细部构造设计，包括坝顶、护坡、反滤、坝体及坝基防渗透等； （6） 布置泄水建筑物，对溢洪道和溢洪洞方案进行比较，确定泄洪方案，进行水力计算； （7） 绘制设计图纸。要求设计图纸（大坝典型横剖面图，上下游立视图，溢洪道布置及剖面图，地基处理图等）均采用AutoCAD绘制，枢纽布置平面图采用手绘图； （8） 对设计（论文）成果进行整理，编写设计说明书（或撰写毕业论文）；提交说明书和设计图纸等初步成果； （9） 对指导教师审阅后的说明书和图纸进行修改与完善，提交最终成果，并作好答辩准备。 五、完成设计的条件和拟采用的研究手段（途径）（1） 完成本次设计任务的条件： A. 本人在校期间已经经过三年半的学习，其中有已经完成了水力学、水文学、工程地质、材料力学、画法几何等专业基础课及水工建筑物、水利工程施工等专业课的学习，具备了工程设计的基本理论知识； B. 在校期间我不仅注重理论课程的学习，在实践方面也有一定的经验，努力做到理论与实践的结合。在这个过程中我参加了水工测量实习、水工认识实习、生产实习等。曾到过拉西瓦工程、石头河水库、南秦水库等工程实地考察，这也是我完成此次设计任务的重要条件； C. 西安理工大学水利水电学院创办于1937年，在全国水利界中享有名誉，有较强的教学和科研实力。指导教师也有多年的工程经验及指导设计的经验，对于我们在设计过程中所出现的问题能及时的指出和更正； D. 学校对我们的设计任务在硬件方面也提供了便利，如：水院两个机房百余台计算机为我们的Auto CA