毕业设计开题报告

毕业设计（论文）

开题报告

题目榆神供水工程沉沙库枢纽

工程设计

专业 农业水利工程

班级农水111

学生 高景灏

指导教师 张建丰教授

二零一五年

一、设计课题来源、类型

1. 课题来源：本课题来源于实际生产工程资料，由指导教师提供。

2. 课题类型：本课题设计类型属于工程设计。

二、选题的目的及意义

（一）本课题毕业设计的目的及意义

为加快国家级陕北能源化工基地建设，陕西省政府在原神府经济开发区的基础上进一步扩大范围、创新体制机制设立了新型工业区——榆神工业区。榆神工业区的功能定位是榆林能源化工基地的核心载体、榆林市重要的经济增长区、国家级循环经济示范区。其产业框架体系包括煤炭、煤电、煤盐化工、装备制造、物流、现代特色农业和文化创意等七项。该工业区由锦界工业园、清水工业园、大保当装备制造和新材料产业带组成。清水工业园以其为煤化工产业的主导方向成为榆神工业区的核心，其发展速度直接决定着榆神工业区的发展速度，其产业价值是榆神工业区支柱，因此，保证清水工业园的建设和发展成为决定榆神工业区中心任务。

目前清水工业园内，大量企业正在如火如荼建设之中。但规划的大泉引水方案、天桥地下水应急引水方案工程由于线路长、投资大、建设周期长和调引水线路占地、压覆煤炭资源等因素的制约，近期内难以实现供水。若园内企业建成后没有水资源的供给，则会使企业无法正常生产，给入园企业带来巨大损失，也同时严重影响榆神工业区的发展。因此，供水问题成为制约工业区规划实施的头号障碍。

为了保证工业区的正常建设和生产运行，由榆神工业区管理委员会会同有关专家进行广泛深入的考察和初步的勘察后提出了建设万镇引水工程的方案。万镇引水工程以黄河漫滩水和黄河干流地表水为取水水源，以榆神工业区清水工业园为供水对象，所供水量主要用于煤化工工业生产，同时兼顾工业园内居民生活用水及园区生态用水。工程地表水取水口位于黄河中游上段、黄河干流万镇境内，抽取黄河水中含有大量泥沙，如何有效的处理地表水中泥沙是该工程顺利运行的重中之重，分析来水泥沙特性，设计出有效解决泥沙问题沉沙库，沉沙库应满足正常运行、经济效益高、防洪、环境保护等要求。

毕业设计是农业水利工程工程专业综合训练的实践性教学环节,毕业设计时间为17周。主要目的:

1. 巩固、加深、扩大所学的基础理论和专业知识，并使之系统化；

2. 培养运用所学知识解决实际工程技术问题的能力，要求能初步掌握工程设计原则、设计方法和步骤；

3. 提高学生独立思考、独立工作的能力及钻研问题、分析问题和解决问题的能力。

4. 通过毕业设计加强中外文资料查阅、设计计算、绘图（手工及计算机）、编写设计报告、使用规范手册以及计算机应用能力的培养；具有初步的科学研究和实际工作的能力。

5. 使学生进一步掌握工程地质、泥沙动力学、水工水力学的基本方法，将理论联系到实际中，巩固所学具有从事水利工程规划、勘测、设计和管理的基本能力。

通过此次毕业设计的综合训练，为学生顺利走向工作岗位，胜任工作，从事农业水利工程系统设计、施工、科研及管理奠定坚实的基础。

（二）设置沉砂池的目的及作用

设置沉砂池的目的和作用是利用自然沉降作用，去除河流或液体中砂粒或其他比重较大颗粒.，以达到沉砂净水的目的。

1) 污水在迁移、流动和汇集过程中不可避免会混入泥砂。污水中的砂如果不预先沉降分离去除，则会影响后续处理设备的运行。最主要的是磨损机泵、堵塞管网，干扰甚至破坏生化处理工艺过程。

2) 沉砂池主要用于去除污水中粒径较大的砂粒，以保护管道、阀门等设施免受磨损和阻塞。

3) 其工作原理是以重力分离为基础，故应控制沉砂池的进水流速，使得比重大的无机颗粒下沉，而有机悬浮颗粒能够随水流带走。

本课题是榆神供水工程沉沙库枢纽工程设计，是要在榆林市附近黄河取水修建供水工程为神木县提供水资源的工程设计，然而，黄河水泥沙含量极高，不能直接用于饮水、灌溉、工业用水、生活用水等方面。而且，国家规定，从黄河取水又不能只取走黄河净水而把其中的大量泥沙弃于黄河中。因此，设置修建沉沙库利用自然沉降作用，去除黄河水中砂粒或其他比较重大的颗粒是必要的。

（三）修建拦水坝的作用和意义

拦水坝是蓄水枢纽中的主要建筑物。拦水坝的作用是拦截河道水流以积蓄来水、抬高上游水位，形成一定库容的水库，以满足防洪、灌溉、发电、沉砂等要求。

按照筑坝材料与坝型的不同，可将坝分为：用土料、石料修建的土石坝；用混凝土、浆砌石修建的重力坝和拱坝；用混凝土、浆砌石以及钢筋混凝土修建的大头坝和轻型支墩坝等。各种坝的小分类、特征、适应条件及设计要点将在下文中提及。

本课题是榆神供水工程沉沙库枢纽工程设计，是要在适当位置修建拦水坝，将从黄河中取出的水积蓄起来，形成一个中型水库，利用自然沉降作用，沉淀水中泥沙，达到沉砂的作用。因此，分析各种坝型的特征，适应条件及设计要点，选择适合的坝型至关重要。

二、国内外的研究状况及发展趋势

（一）国内外沉砂池的研究状况及发展历史

近年来，随着国外先进水处理设备的引进，新型沉砂池工艺在国内也得到了越来越多的应用。对于一座运行良好的沉砂池，应该具备以下两方面的功能：除砂功能和洗砂功能。沉砂池是采用物理原理实现上述两个功能的，按照沉砂池所采用的物理原理和结构形式的差别，沉砂池可分为平流式沉砂池、曝气沉砂池和旋流沉砂池等型式。

1. 平流式沉砂池

平流式沉砂池是根据颗粒自由沉淀理论进行设计的：污水经整流后进入池子，沿水平方向流至末端后经堰板流出，沉降时间小于污水在池内停留时间的那部分砂粒沉淀至池底，实现与污水的分离。影响平流沉砂池除砂效果的工艺参数主要是污水的停留时间和水平流速，这两个参数随进水流量的变化而变化，因此当进水波动较大时，平流式沉砂池的除砂效果不稳定。

2. 曝气沉砂池

曝气沉砂池是在平流沉砂池的基础上发展起来的，通过在沉砂池侧墙上设置曝气器，使污水在池内形成旋流，以加强洗砂作用。曝气沉砂池的特点是污水在池内呈螺旋前进，螺旋速度的大小决定了除砂和洗砂效果。在实际运行中,尽管水平流速会随进水流量的波动而波动，只要上升流速维持一定，螺旋速度即可维持在合适的范围内，因此曝气沉砂池具有良好的抗冲击能力，适用于水量变化较大的场合。

3. 旋流沉砂池

旋流沉砂池为圆形，池中心设有旋转搅拌桨。进水以切线方向流入沉砂池，出水则沿径向或切线流出，通过桨板的搅拌作用，在沉砂池内形成强制涡流而达到沉砂的目的。与传统的平流式曝气沉砂池相比，近年来应用日益广泛的圆形沉砂池的共同优点是占地面积小、能耗低、上建费用低、管理方便。目前，在国内得到广泛应用的旋流沉砂池主要为1984年专利产品钟式沉砂池和60年代开发的比氏沉砂池。

（二）国内外水坝的研究状况及发展历史

早在新石器时代，人们就认识到洪涝灾害虽然会毁坏庄稼，但是也能提供更加肥沃的土壤，给庄稼更好的土力肥力。因此，人们开始修建水坝，不仅可以起到防止洪涝灾害，而且可以用来灌溉农田。人类利用建造水坝挡水、建造水利工程已有几千年的历史。从中国最著名的李冰主持修建的都江堰引水灌溉到古罗马的城市供水系统，通过修渠建坝成功的控制洪水和利用水利资源已经成为人类几千年文明史的重要组成部分。世界工业化以后，特别是发明了电以后，利用水力发电造福人类，成为人类文明进步的象征。到20世纪初，建筑大型水坝就和经济发展和社会进步的密切相关，仅以美国20世纪30-40年代建成的不少重要水坝和水电站纷纷以总统的名字命名的事件，就不难看出当时的国际社会对大型水坝的仰慕和对能够建成大型水电站的自豪。由于建坝被视为是现代化和利用自然资源能力的象征，水坝建设风靡一时，到70年代达到顶峰时，全世界几乎每天都有2、3座新建的水坝竣工使用。根据统计，至20世纪末，世界上有24个国家的90%电力来自水电，有三分之一的国家的水电比重超过一半。有75个国家主要依靠水坝来控制洪水，全世界约有近40%的农田是依靠水坝提供灌溉。不容置疑，水坝建设、水力发电已经成为当今人类社会文明的重要组成部分。尤其是现代社会水资源的矛盾十分突出，水坝建设更是解决水资源问题的重要途径。

早期人们多以土石材料建造的土石坝，19世纪后期随着水泥生产工艺的成熟和质量的提高，混凝土越来越多地用来筑坝，逐渐形成混凝土坝。19世纪中叶以前人们多凭实践经验建坝，随着科学技术和人类文明的发展，国际筑坝技术的日渐成熟，大坝家族也日益枝繁叶茂。

以上都是国外的重力坝发展历史与成果。而在我国，大坝的发展虽然起步较晚，但是发展速度之快与发展成果之辉煌可谓无可比拟。公元前250年，由李冰负责在四川泯江上主持修建了著名的都江堰工程，创建了沟通长江、珠江水系的灵渠工程。都江堰工程和灵渠工程，迄今为止，已经运行了两千多年的时间，成为世界上运行时间最长的两大水利工程，可见，我国的水利工程发展早，质量好。另外，于1994年12月14日正式动工修建，20##年5月20日全线修建成功的三峡大坝位于中国湖北省宜昌市境内，距下游葛洲坝水利枢纽工程38公里，三峡大坝工程包括主体建筑物及导流工程两部分，全长约2309m，坝高185m，工程总投资为4954.6亿人民币，是当今世界上最大的水利工程。三峡工程不仅是我国水利行业的骄傲，同时，也是我们每一个中国人的骄傲！

大坝类型繁多，分类没有统一模式，可按不同的方式进行分类：按工作性态，可分为刚性坝、柔性坝和半刚半柔坝三大类；按筑坝材料，可分为混凝土坝、浆砌石坝、土坝、堆石坝等；按受力方式，可分为重力坝、拱型重力坝、重力拱坝、拱坝、支墩坝、均质坝、面板坝、心墙坝、重力墙堆石坝等；按防渗形式，可分为混凝土防渗、沥青混凝土防渗、土防渗、土工膜防渗、橡胶防渗、钢板防渗等；按结构形式，可分为整体式、宽缝式、空腹式等重力坝，单曲、双曲等拱坝，连拱、大头、平板等支墩坝，均质、分区等土坝，土质、混凝土、沥青混凝土、土工膜、钢板等心墙堆石坝，混凝土、沥青混凝土、土工膜、喷混凝土等面板堆石坝，还有橡胶坝等；按坝身是否过水，可分为溢流坝、非溢流坝；按施工工艺，可分为浇筑混凝土坝、碾压混凝土坝、砌石坝、水力冲填式土石坝、抛填式土石坝、定向爆破土石坝、碾压式土石坝等。此外，还有土--混凝土组成的混合坝，以及近年新兴的溶合混凝土坝、胶凝砂砾石坝和堆石混凝土坝等。

我国的大坝建设起步较晚，筑坝技术发展可大致分为四个阶段，即艰难起步阶段（新中国建立之前）、自主创业阶段（新中国建立—改革开放前）、借鉴学习阶段（改革开放后—新世纪初）、突破发展阶段（新世纪以来）。据统计，截至20##年，中国约有87000座大坝，约占世界的一半，其中200米以上的超级高坝多在20##年后建成。经过数十年发展，我国在大坝数量、类型、坝高和筑坝技术上均有了突飞猛进的发展，重力坝、拱坝和土石坝等多种坝型都有了很大发展，新材料、新结构也在坝工建设中得到了发展和应用。在不断研究和实践中，人们总结出控制大坝安全的主要因素，如抗滑稳定、抗渗稳定、应力稳定、变形稳定和耐久稳定等，坝型不同，稳定控制的重点也不同，目前已形成了相应规范体系，为大坝安全保驾护航。

1、重力坝

重力坝是世界上最早出现的一种坝型之一，也是迄今为止应用最为广泛的坝型之一。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，这应该是世界上最早的重力坝。而在中国，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。

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。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。1950年以后，重力坝继续得到发展，在瑞士修建了当今世界上最高的重力坝──大迪克桑斯坝，坝高285m；在印度修建了高226m的巴克拉坝和高192m的拉克华坝；在美国修建了高219m的德沃夏克坝。在中国，60年代初建成高106m的三门峡重力坝和高105m的新安江宽缝重力坝；70年代建成了高 147m的刘家峡重力坝和高90.5m的牛路岭空腹重力坝。80年代又建成了高165m的乌江渡拱形重力坝。1970年以后，世界上创造出碾压混凝土坝筑坝技术，这是筑坝技术大家庭又得到进一步的突飞猛进的发展。我国从1949--1985年，在已建成的坝高30m以上的1130座混凝土坝中，重力坝达58座，占总数的51%。而于1994年12月14日正式动工修建，20##年5月20日全线修建成功的世界上最大的水利工程三峡大坝即为重力坝，坝高达175m。

重力坝是由砼或浆砌石修筑的大体积挡水建筑物，其基本剖面是直角三角形，整体是由若干坝段组成。重力坝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。

在水压力及其他外荷载作用下，主要依靠坝体自重来维持稳定的坝。重力坝的断面基本呈三角形，筑坝材料为混凝土或浆砌石。据统计,在各国修建的大坝中,重力坝在各种坝型中往往占有较大的比重。在中国的坝工建设中,混凝土重力坝也占有较大的比重,在20座高100m以上的高坝中，混凝土重力坝就有10座。

重力坝之所以得到广泛应用,是由于有以下优点：①断面尺寸大，抵抗渗漏、漫顶、地震破坏力强，失事率最低；②对不同的地形地质条件适应性强；③泄流问题容易解决；④施工导流容易解决；⑤体积大，便于机械化施工；⑥结构作用明显。

但是，重力坝也有明显的缺点：①由于坝体体积大，材料强度不能充分利用；②底部扬压力大，对稳定不利；③由于体积大，水热化不易散发，温控要求高。

1.1 重力坝设计的主要内容

①总体布置，坝轴线，组成建筑物的相对位置；②剖面设计；③稳定分析；④应力分析；⑤构造设计；⑥地基处理；⑦溢流坝或泄水孔设计；⑧监测设计。

    1.2 重力坝分类
    按照泄水条件分类：有溢流重力坝，非溢流重力坝。有溢流重力坝可以在坝顶溢流的重力坝，相反，坝顶不能溢流的重力坝称为非溢流重力坝。
    按照筑坝材料分类：混凝土重力坝，浆砌石重力坝。两种重力坝的筑坝材料不同。
    按照重力坝的结构形式分类：1.实体重力坝2.宽缝重力坝3.空腹重力坝4预应力锚固重力坝5装配式重力坝。其实宽缝重力坝就是将实体重力坝横缝中间部分拓宽成空腔的重力坝，空腹重力坝就是坝体内有一个空腔，有了这个空腔，能够适应温度变形，可以节省部分材料，减小扬压力对坝体的影响，对发挥坝体材料的强度有利。预应力锚固重力坝，就是用一个锚索把坝体穿起来连接到地下，增加了坝体向下的力，使坝体产生足够的抗滑力。装配式重力坝你可以理解为坝体各个部分在工厂都已经生产结束，再把各个部分运到坝址组装起来。
    按照施工方法分类：浇筑式混凝土重力坝，碾压式混凝土重力坝。

1.3 重力坝的荷载

作用于重力坝上的主要荷载有：①坝体及坝上永久设备的自重；②上、下游坝面上的静水压力及溢流坝溢流面上的动水压力；③扬压力；④淤积与坝前的淤沙压力；⑤浪压力；⑥冰压力；⑦土压力；⑧地震作用所产生的地震惯性力、地震动水压力和地震动土压力；⑨温度作用。

1.4 重力坝的稳定分析

由于坝体和地基岩体的接触面是两种材料的结合面，加之该面所受水平推力较大，所以滑动易沿着该接触面发生，故在重力坝设计中，都要验算沿坝基面的抗滑稳定性。

以一个坝段或取单宽作为计算单元。计算公式有抗剪强度公式和抗剪断公式两种。

1）抗剪强度公式

此法是把滑动面看成是一种接触面。在滑动面上的阻滑力只考虑摩擦力，不考虑凝聚力。

当滑动面水平时，其抗滑稳定安全系数K可按下式计算

式中：为作用于滑动面以上的力在铅直方向投影的代数和;为作用于滑动面以上的力的渗透压力（滑动面为水平时，即为扬压力，若在下游以下，尚应包括浮托力）；为坝体与坝基岩接触面的抗剪摩擦系数。

当滑动面为倾向上游的倾斜面时，其计算公式为

式中：为滑动面与水平面的夹角，其余符号同前。

由于上述抗剪强度公式未考虑凝聚力的作用，而是将其作为一种安全储备，因此取用了较低的安全系数。此法虽不能完全反映坝的实际工作状态，但由于公式简单，使用方便，在选择值方面又积累了丰富的经验，故在国内外得到广泛的应用。

2）抗剪断公式

此法认为坝体与坝基接触良好，直接通过胶结面上的抗剪断摩擦系数和抗剪断凝聚力来计算抗滑稳定安全系数，若坝基与坝体接触面积为，则可按下式计算

工程实践表明，对于上述两种抗滑稳定计算公式，当坝基岩体较好时，采用抗剪断强度公式是合适的。当坝基岩体较差时，则采用抗剪强度公式是合适的。所以设计时应根据工程地质条件选取适当的计算公式。

1.5 提高坝体抗滑稳定的工程措施

1）利用水重增加坝的稳定性；

2）将坝基开挖成向上游倾斜的斜面；

3）当节理面倾向下游时，在坝踵下设齿墙，增加滑动体重力也增大抗力；

4）设排水系统减小扬压力；

5）加固地基；

6）预应力锚固。

1.6 重力坝的应力分析

应力分析的主要目的是：验算拟定坝体断面是否经济合理；确定坝内材料分区；为某些部位的配筋提供依据。

常用的分析方法有理论计算和模型试验两大类。中、小型工程，一般采用理论计算方法即可。理论计算法又包括材料力学法和弹性理论的解析法、有限元法，其中材料力学法是一种简便而较实用的方法。

而对于高坝，尤其是当地质条件复杂时，要采用有限元法计算研究应力，但是，实际工程中有限元计算相当复杂，必须依靠计算机来完成。

1.7 重力坝坝基的防渗处理

重力坝坝基的防渗处理的主要目的是：防止渗透破坏、降低坝基面的渗透压力及减少坝基渗漏量。处理方法是帷幕灌浆和齿墙。当裂隙比较发育时，座混凝土齿墙很有效，但深齿墙施工困难，因而很少采用，通常都采用帷幕灌浆。灌浆材料一般多用普通硅酸盐水泥，灌浆时浆液逐渐变稠。帷幕灌浆压力应通过实验确定，一般不小于1～1.5倍坝前水头；孔底部分不宜小于2～3倍坝前水头。

1.8 混凝土重力坝

用混凝土浇筑的，主要依靠坝体自重来抵抗上游水压力及其它外荷载并保持稳定的坝，叫做混凝土重力坝。世界各国修建于宽阔河谷处的高坝，多采用混凝土重力坝；坝轴线一般为直线，断面型式较简单，便于机械化快速施工，混凝土方量较多，施工中需要严格的温度控制措施；坝顶可以溢流泄洪，坝体中可以布置泄流孔洞。

混凝土重力坝依靠结构自身重量维持稳定，对地形地质条件的适应性较好，便于布置泄水和引水设施，结构受力明确，安全可靠度高，在我国水利水电工程中得到了广泛应用，举世闻名的长江三峡大坝即采用此坝型。

20世纪末，碾压混凝土重力坝技术也得到大力发展，先后建成了世界上最高的龙滩和光照碾压混凝土重力坝。重力坝由于材料强度不能充分发挥，坝体断面尺寸较大，相应水泥用量多，外来材料运输量大，且温度控制难度大，工程投资较高，制约了超高重力坝的大规模发展。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。

碾压混凝土重力坝与常态混凝土坝相比，有施工简单、胶凝材料用量少，不设纵缝（也可少设）、施工导流容易及工程造价低等优点。但在坝体孔口附近及溢流面,由于强度和耐磨的要求,一般仍采用常态混凝土。

2、土石坝

土石坝泛指由当地土料、石料或混合料，经过抛填、辗压等方法堆筑成的挡水坝。当坝体材料以土和砂砾为主时，称土坝、以石渣、卵石、爆破石料为主时，称堆石坝；当两类当地材料均占相当比例时，称土石混合坝。土石坝是历史最为悠久的一种坝型。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。

2.1 土石坝的分类

土石坝按其施工方法可分为：碾压式土石坝；冲填式土石坝；水中填土坝和定向爆破堆石坝等。应用最为广泛的是碾压式土石坝。按照土料在坝身内的配置和防渗体所用的材料种类，碾压式土石坝可分为以下几种主要类型：

1）均质坝。坝体断面不分防渗体和坝壳，基本上是由均一的黏性土料（壤土、砂壤土）筑成。

2）土质防渗体分区坝。即用透水性较大的土料作坝的主体，用透水性极小的黏土作防渗体的坝。包括黏土心墙坝和黏土斜墙坝。

3）非土料防渗体坝。防渗体由沥青混凝土、钢筋混凝土或其他人工材料建成的坝。按其位置也可分为心墙坝和面板坝。

2.2 土石坝优点

1）能最大限度的利用坝址附近可开采的天然土、石材料，与其他坝型相比较，可节省水泥和钢材；

2）较能适应地基变形，对地形、地质条件的要求是所有坝型中最低的；。

3）结构简单，施工工序少，施工技术容易掌握，即可采用简单机具施工，也可高度机械化施工；

4）运用管理方便，寿命长，加高、扩建、维修较容易。

2.3 土石坝缺点

1）不允许坝顶溢流，以土坝为挡水建筑物的水库，必须在河岸上另开溢洪道；

2）在河谷狭窄、洪水流量很大的河道上施工时，导流比较困难；

3）黏性土料的施工受天气的影响较大。

2.4 土石坝的稳定分析

土石坝在自重、水荷载、渗透压力和地震荷载作用下，若剖面尺寸不当或坝体、坝基土料的抗剪强度不足，坝体或坝体连同部分地基发生滑动，造成失稳。坝基内有软弱夹层时，也可能发生塑性流动。饱和细沙受地震作用还可能发生液化失稳。

分析目的：分析坝体及坝基在各种不同条件下可能产生的失稳形式，校验其稳定性，确定坝体经济剖面。

失稳特点：坝体由散粒材料组成，不会出现整体滑动或倾覆失稳，只可能发生局部失稳破坏。

2.4.1 稳定破坏形式

滑动破坏：坝或坝基材料的抗剪强度不够，沿某一滑动面向下坍滑。

液化破坏：饱和的松砂受振动或剪切而发生体积收缩，孔隙水不能立即排出，有效应力转化为孔隙应力，砂土抗剪强度降低，砂料随水的流动而流散。

塑性流动：坝体或坝基剪应力超过了土料抗剪强度，变形超过弹性极限值，坝坡或坝脚地基土被压出或隆起，坝体产生裂缝或沉陷。软粘土坝体容易发生。

2.4.2 稳定计算的简化方法

对于均质坝、厚心墙坝和厚斜墙坝，假定滑动面为圆弧时，通常采用瑞典圆弧法和简化毕肖普法。

1）瑞典圆弧法

该法假定滑动面为圆弧，滑动主体绕滑弧圆心转动，则

抗滑稳定安全系数为：

①

式中：为滑弧面上阻滑力对滑弧圆心的力矩，简称阻滑力矩；为作用于滑动土体上的滑动力对滑弧圆心的力矩，简称滑动力矩。

由土条底面法线方向的静力平衡得到作用于土条底面上的法向力为

②

式中:为过土条断面中点的切线与水平面的夹角；

土条底面上的阻滑力

③

土条底面上的滑动力为

④

式中：为水平地震惯性力对圆心的滑动力矩；为水平地震惯性力与圆心的垂直距离。

将以③④代入①得

2）简化毕肖普法

此法假定土条间的竖向力，即土条间作用力与水平面间的夹角。根据摩尔--库伦准则，土条底面的抗剪力为

⑤

由土条的竖向静力平衡得

⑥

将⑤代入⑥得

⑦

建立滑动土体对圆心的力矩平衡方程

⑧

将⑦代入⑤后，再将所得的代入⑧，可得滑动土体的安全系数为

用迭代法求出即可。

2.5 土石坝的渗流分析

2.5.1计算的内容和目

1）确定坝体浸润线及下游出逸点的位置，绘制坝体及坝基内的等势线分布图或流网图；
　　2）确定坝体与坝基的渗流量；
　　3）确定坝体出逸段与下游坝基表面的出逸坡降，以及不同土层间的渗透比降；
　　4）确定库水位降落时上游坝坡内的浸润线位置或孔隙压力；
　　5）确定坝肩的等势线、渗流量或渗透比降。

2.5.2 土石坝的渗流方法

土石坝的渗流分析方法有解析法、数值解法、流网法及试验法等。其中解析法又包括流体力学法和水力学法。

1）流体力学法

假定土石坝渗流区内的渗流满足达西定律及渗流连续方程，其中任意一点的势函数应满足拉普拉斯方程，即

式中：、分别为、方向的渗流系数；为渗流区任一点的渗压水头。

这种解析解只有在边界条件极为简单的少数情况下才能得到，而实际工程中土石坝的边界条件十分复杂，求解上式不容易。

2）水力学法

此法假定渗透水流为渐变流，过水断面上各点渗透坡降和渗透流速都是相等的。这种方法不能准确求出任一点的渗流要素，但一般已能满足工程设计要求的精度，且计算方法简单，易为人们掌握，故用得最多。

过水断面的平均流速和单宽流量分别为

（9）

（10）

将（10）自上游水深至任意断面积分，得到浸润线方程

（11）

（12）

若将边界条件、代入式（12），则得到矩形土体渗流量公式为

3）数值解法

近年来由于计算机及有限元等数值分析方法的发展，基本上已取代解析法。渗流分析的数值计算方法主要有差分法和有限单元法。

差分法是对拉普拉斯方程用差分法求解，一般用于稳定渗流，该法比较复杂。

有限单元法是以变分原理求泛函极小值的方法求解符合边界条件和初始条件的渗流微分方程。有限单元法对边界条件的适应性强，能解决包括空间问题在内的复杂土石坝渗流问题。

4）流网法

该法是用手绘制出流网，然后用流网来求解平面渗流中各个要素，实质上就是渗流基本微分方程式的图解法。由于它简单迅速，可用于解决边界条件较复杂的渗流问题，且能达到足够的精度，故得到广泛的采用。

2.6 均质土坝

用一种筑坝材料筑成的土坝。坝体断面不分防渗体和坝壳，绝大部分由一种透水性较弱的粘性土、壤土、砂壤土等填筑材料。整个坝起防渗作用。均质土坝优点：①材料单一，工序简单，各工序间干扰少；②与坝基、岸坡及混凝土建筑物的接触渗径比较长，可简化防渗处理。缺点：①设计的坝坡常较其他坝型缓，使填筑工程量增加；②由于土料施工受严寒及降雨气候影响，使这种坝型在某些地区的使用受到限制；③如建在弱透水基础上又未采取适宜的坝内排水措施，坝体浸润线较高；④当库水位迅速降落，粘性土孔隙水不易排出；⑤施工期因自重而产生的孔隙压力消散缓慢，对坝坡稳定不利。

2.7 粘土心墙坝

用透水性较好的砂或砂砾做坝壳，以防渗性较好的粘性土作为防渗体设在坝的剖面中心位置，心墙材料可以用粘土，沥青混凝土，钢筋混凝土。

2.7.1 黏土心墙坝优点

坝坡比均质坝要陡些，坝剖面也比较小，工程量少，心墙占总的体积比重不大，因此施工受季节影响相对较小。

用填筑于坝体中心的渗透系数较低的粘性土体作为防渗设备的土石坝。此类坝由心墙或斜心墙防渗; 上下游坝壳支撑心墙保持坝体稳定: 下游坝趾设排水以排除坝体、坝基渗水, 并可保护下游坝脚不受冲刷。

2.7.2 黏土心墙坝适用条件

当坝址附近有大量透水砂砾料和较少的粘性土料, 地基的预估沉陷量偏大时, 采用这种坝型是适宜的。

2.8 黏土斜墙坝

斜墙抗裂性能和对不均匀沉陷的适应性不如心墙，但检修补强较易进行当坝址附近有大量透水料和足够的粘性土料而坝基不均匀沉陷较小时，可选择斜墙坝。当地基差需要处理而工期又较短时，采用此类坝型也是适宜的。

2.9 混凝土面板堆石坝

与心墙坝相比，防渗体在坝体上游面的称为面板坝。而混凝土面板堆石坝是以混凝土作为防渗体材料的面板堆石坝。混凝土面板堆石坝是60年代以后发展起来的，世界上最高的钢筋混凝土面板堆石坝是中国20##年竣工的233m高的水布垭水利枢纽。面板堆石坝，防渗体位于堆石体上游，材料有土料、石料、钢筋混凝土、沥青混凝土、木材等。防渗土体可以放在堆石体上游，也可在土斜墙上设置较厚的堆石层。

2.9.1混凝土面板堆石坝的历史发展

当今世界上，面板堆石坝的发展大致可分为三个时期；

Ø 早期阶段：1940年以前是以抛填堆石为特征，该阶段修建的面板堆石坝坝高一般低于100m，坝体变形较大，面板开裂渗漏问题严重；

Ø 过渡阶段：1940～1965年，从抛填堆石到碾压堆石的过渡，该阶段面板堆石坝的发展基本停滞；

Ø 现代阶段：1965年以后是以碾压堆石为特点，碾压堆石完全取代了抛填堆石，随着薄层碾压施工技术的不断进步和完善，面板堆石坝的数量和高度迅速增加，逐渐成为当今水利水电工程建设的主流坝型之一。

据资料显示，面板堆石坝最早出现在19世纪50年代美国加利福尼亚州内华达山脉的矿区，当时的堆石坝采用木料面板防渗。经过150余年的发展，现代面板堆石坝基本采用混凝土防渗的混凝土面板堆石坝，因其具有造价低、工期短的特点，混凝土面板堆石坝得到了蓬勃的发展和广泛地应用，已成功建设200m级的高坝。中国最高的面板堆石坝为湖北的水布垭，坝高233米的水布垭大坝，建成于20##年，比此前建成的世界最高面板堆石坝——墨西哥阿瓜米尔帕坝高出46米，是目前世界上唯一一座坝高超过200米的大坝。它不仅突破了世界上关于面板堆石坝坝高不得超过200米的理论禁区，而且实现了喀斯特地区建成面板堆石坝的技术突破。由此可见，中国的混凝土面板堆石坝起步虽晚，但起点高，发展快，在十几年的时间里已经在工程数量和规模上居世界前茅。

2.9.2 面板堆石坝的组成

面板堆石坝主要由三部分组成：防渗面板；防渗接地结构；堆石坝体。

1、防渗面板。是堆石坝的防渗部件，材料有土料、石料、钢筋混凝土、沥青混凝土、木材等。

2、防渗接地结构。主要作用是控制地基和两岸坝基的渗流，减少渗水量。

3、堆石坝体。是面板的支撑结构，同时也是大坝的主要构件，要安全排泄面板及其接缝的漏水。

2.9.3 混凝土面板堆石坝的优点

混凝土面板堆石坝的主要优点：适应性强，稳定性强，透水性好，检查维修方便，面板不易开裂，施工迅速，受气候影响小，坝体工程量小，较经济等。

3、拱坝

拱坝是一种建筑在峡谷中的拦水坝，做成水平拱形，凸边面向上游，凹边向下游，坝体两端紧贴着峡谷壁。这种坝型呈曲线形、能把一部分水平荷载传给两岸的山体，是一个空间壳体结构。与重力坝不同，在水压力作用下坝体的稳定不需要依靠自重来维持，主要是利用拱端山体岩石的反作用来支承和受力。另外，拱坝与重力坝相比，拱坝可充分利用筑坝材料的强度。因此，拱坝是一种既经济又安全的坝型。

3.1 拱坝的发展历史

拱坝具有悠久的历史。早在二千多年以前，人类就已意识到拱结构有较强的拦蓄水流的能力，开始修建高10余米较低的圆筒形拱坝。13世纪末，伊朗修建了一座高60米的砌石拱坝。到20世纪初，美国最先开始修建较高的拱坝，如1910年建成的巴菲罗比尔拱坝，高99m。1920--1940年间，又建成若干拱坝，其中有高达221m的胡佛坝。随着大量拱坝的修建，拱坝设计理论和施工技术也有较大的进展。

1950年以后，西欧各国和日本修建了许多双曲拱坝，在拱坝体形、复杂坝基处理、坝顶溢流和坝内开孔泄洪等重大技术上又有新的突破，从而使拱坝厚度减小，坝高加大，即使在比较宽阔的河谷上修建拱坝也能体现其经济性。进入70年代，随着计算机技术的发展，有限单元法和优化设计技术的逐步采用，使拱坝设计和计算周期大为缩短，设计方案更加经济合理。水工及结构模型试验技术、混凝土施工技术、大坝安全监控技术的不断提高，也为拱坝的工程技术发展和改进创造了条件。目前世界上已建成的最高拱坝是前苏联英古里双曲拱坝，高271.5m，坝底厚度86m，厚高比为0.33。其次是意大利的瓦依昂拱坝，高261.6m，坝底厚22.lm，厚高比为0.084。最薄的拱坝是法国的托拉拱坝，高88m，坝底厚2m，厚高比为0.023。

中国的第一座拱坝建造于1927年，为福建厦门的上里浆砌石拱坝，坝高27m。1949年以后，我国开始大规模修建拱坝，近60多年来，修建了许多拱坝。响洪甸重力拱坝是第一座高拱坝，坝高87.5m。流溪河拱坝是我国的第一座双曲拱坝，坝高78m。1999年建成的二滩拱坝，坝高240m，在已建的双曲拱坝中坝高据世界第四位，该拱坝的建成是我国拱坝史上的一个重要标志。

3.2 拱坝的主要特点

1）拱与梁的共同作用；

2）对地质、地形条件及坝基处理要求较高；

3）有利于发挥砼及浆砌石材料的抗压强度；

4）拱坝是超静定结构，潜在的超载能力是很大的；

5）拱坝坝身可以泄水；

6）拱坝是周边与岩基连接的高次超静定结构，不设永久性伸缩缝；

7）抗震能力强；

8）几何形状复杂，施工难度大。

3.3 拱坝的荷载

拱坝的荷载主要有；自重、水压力、温度、扬压力或渗透压力、泥沙压力、浪压力、冰压力、地震作用和其他可能出现的荷载。其中，泥沙压力在少沙河流中可不考虑；浪压力和冰压力一般所占比重也较小，冰压力只在寒冷地区才需考虑。

3.4 拱坝的应力分析

拱坝是一个空间弹性壳体，其几何形状和边界条件都很复杂，难以用严格的理论计算求解拱坝坝体应力状态。在工程设计中，常作一些必要的假定和简化，使计算成果能满足工程需要。拱坝应力分析的常用方法有纯拱法、拱梁分载法、有限单元法和结构模型试验法等。

1)纯拱法:

假定拱坝由许多互不影响的独立水平拱圈组成，不考虑梁的作用，荷载全部由拱圈承担。计算简单，但结果偏大，尤其对厚拱坝。对薄拱坝和小型工程较为适用。

2) 拱梁分载法:

假定拱坝由许多层水平拱圈和铅直悬臂梁组成，荷载由拱梁共同承担，按拱、梁相交点变位一致的条件将荷载分配到拱、梁两个系统上。梁是静定结构，其应力容易计算；拱的应力则按弹性固端拱进行，计算结果较为合理，但计算量大，需借助计算机，适于大、中型拱坝

拱冠梁法: 最简单的拱梁分载法，可采用拱冠梁作为所有悬臂梁的代表与许多拱圈组成拱梁系统，按拱、梁交点径向线变位一致的条件来建立变形协调方程, 并进行荷载分配, 可大大减少工作量。

3）有限元法

将拱坝看做空间壳体结构或三维连续体，并采用相应的单元来分析。有限元法能解决复杂的边界问题。基础和材料不均匀问题以及坝身开设各种孔口问题等，这些问题用其他方法解决是很困难的。

4）结构模型试验法

拱坝的结构模型试验常用石膏硅藻土混合材料制作整体模型，用应变仪量测加载前后的模型各点应变值的变化，从而求得坝体应力分布。结构模型试验工作量大，花费时间长，往往用来作为计算、分析坝体应力的一种补充验证。

3.5 拱坝的稳定分析

3.5.1 刚体极限平衡法

刚体极限平衡法是一种传统的，比较成熟的拱坝稳定分析方法，也是规范规定采用的方法。刚体极限平衡法假定坝肩岩体可能滑动块为不发生变形的刚体,以抗滑力(矩)与滑动力(矩)之比作为稳定安全系数,以此安全系数判断可能滑动块是否失稳。公式为:

式中:、抗滑稳定安全系数;为垂直于华东面的有效法向应力;为滑动方向的滑动力；为计算滑裂面的面积;为基岩摩擦系数;为基岩纯摩擦系数。

但是刚体极限平衡法引入了一些假定,因而分析结果比较粗糙,尚不能正确反映岩体结构的受力状态,所得到的只能是安全度的近似估算值,而对于具有断裂构造的稳定性已远不是刚体极限平衡法所能解决。

3.5.2 有限元法

自20世纪70年代以来有限元已发展相对比较成熟。有限元法是应用结构力学中的位移法求解结构问题。拱坝是一个超静定结构,利用有限元法进行计算具有优越性。有限元分析，特别是三维非线性有限元分析不仅可以分析岩体的变形和应力分布，还可以了解岩体破坏的机理和过程，把应力、变形和稳定统一起来进行计算，这就为合理分析拱坝稳定提供了有效的途径。

其中，拱坝又分为单曲拱坝和双曲拱坝：

3.6 单曲拱坝

又称为定圆心、等半径拱坝

这种坝型体型简单，无论设计、施工都比较方便，适宜修建在U型河谷上。

特点：施工简单，直立的上游面便于布置进水孔和泄水孔及其设备，但当河谷上宽下窄时，下部拱的中心角必然会减小，从而降低拱的作用，要求加大坝体厚度,不经济。

3.7 双曲拱坝

为了更好地适应河谷断面形状，使坝体断面比较经济，在V型或梯形断面的河谷上，可采用变圆心、变半径拱坝，也称双曲拱坝。

（1）变外半径等中心角

对底部狭窄的“V”字形河谷，宜将各层拱圈外半径，上至下逐渐减小，可大大减少坝体方量。

变外半径等中心角拱的特点：拱坝应力条件较好，梁呈弯曲形状，兼有拱的作用，更经济，但有倒悬出现，设计及施工较复杂，对“V”、“U”型河谷都适用。

（2）变外半径变圆心

让梁截面也呈弯曲形状，因此悬臂梁也具有拱的作用；这种形式更能适应“V”、梯形及其他形状的河谷，布置更加灵活，结构复杂，施工难度大。变外半径变圆心拱的特点：应力状态尽一步改善，节省工程量，结构更加复杂，施工难度更大，被广泛采用为桐坑溪双曲砌石拱坝。

3.8 拱坝布置的原则

根据坝址地形、地质、水文等自然条件以及枢纽综合利用要求统筹布置，在满足稳定和建筑物运用的要求下，通过调整拱坝的外形尺寸，使坝体材料的强度得到充分发挥，控制拉应力在允许范围之内，而坝的工程量最省。因拱坝型式比较复杂，断面形状又随地形地质情况而变化，故拱坝布置需有较多的方案，进行全面技术经济比较，选择最优方案。而最终选定的布置方案，一般需经模型试验论证。拱坝布置的步骤:拱坝布置复杂，需结合地形地质条件，反复修订，作多方案比较，最后定出布置图。

3.9 拱坝的分析方法

拱坝是一个空间弹性壳体，其几何形状和边界条件都很复杂，难以用严格的理论计算求解拱坝坝体应力状态。在工程设计中，常作一些必要的假定和简化，使计算成果能满足工程需要。拱坝应力分析的常用方法有圆筒法、纯拱法、拱梁分载法、壳体理论计算方法、有限单元法和结构模型试验法等。

4、支墩坝

支墩坝是由一排相隔一定距离的支墩和挡水面板组成。挡水面板支撑在支墩上，水压力由挡水面板传给支墩，再由支墩传给地基。

4.1 支墩坝的历史发展

16世纪西班牙修建的埃尔切砌石连拱坝，坝高23m,是世界上第一座支墩坝。进入20世纪以后，连拱坝有较大发展，1968年加拿大修建的马尼克五级连拱坝，坝高214m，是当前世界上最高的支墩坝。中国自1949年以来也建造了很多高支墩坝。1956年建成的梅山连拱坝,坝高88.24m。1958年建成的金江平板坝,坝高54m。1960年建成的新丰江大头坝，坝高105m。1980年建成的湖南镇梯形坝，坝高129m，是中国最高的支墩坝。

4.2 支墩坝的特点

1）作用于支墩底部的扬压力很小；

2）比重力坝的工程量省；

3）可充分利用材料的强度；

4）对地基要求较高；

5）侧向稳定性较差；

6）设计施工较复杂。

4.3 支墩坝适应条件

由于挡水面板比较单薄，在寒冷地区修建此类坝时应慎重。支墩坝一般适宜修建在较宽的河谷上，两岸山坡不宜太陡。除低坝外，各种类型的支墩坝均要求建造在岩石地基上。

根据面板的形式，支墩坝可分为三种类型：平板坝、连拱坝和大头坝。

4.3.1平板坝

由平板面板和支墩组成的支墩坝。自1903年修建了第一座有倾斜面板的安布生平板坝以后，世界各国修建了很多中、低高度的平板坝。阿根廷在1948年修建的埃斯卡巴平板坝，坝高83m,是世界上最高的平板坝。苏联修建了一些土基上的溢流平板坝。中国在1958及1973年分别建成高54m的金江平板坝和高42m的龙亭平板坝。

4.3.2 连拱坝

由拱形面板和支墩组成的支墩坝。连拱坝一般为钢筋混凝土结构，当坝高不大时，也可采用浆砌石结构，或采用混凝土拱圈、浆砌石支墩的混合结构。由于拱具有较好的承载能力，所以连拱坝是支墩坝中工程量较省的一种坝型。

4.3.3 大头坝

大头坝是利用坝体和坝面水重来维持稳定的一种大体积支墩坝，由一些头部放大而起档水作用的支墩组成。

4.4 支墩坝稳定计算

可取一个坝段进行整体计算，具体计算方法见重力坝。

4.5 支墩坝应力分析

可采用材料力学方法,也可采用二维或三维有限单元法，有限单元法可以更精确地反映结构的几何条件及地基特性对支墩应力的影响。

三、本课题主要研究内容

1. 熟悉设计资料并查阅国内外相关文献，撰写开题报告；

2. 翻译外文文献一篇，完成开题报告；

3. 确定项目设计内容，收集并熟悉当地社会、地理、气象、河流水文等资料；

4. 熟悉地形图，掌握地质特征，比选、确定沉沙库枢纽所在地具体位置；

5. 分析建设需求，调研和查阅资料，通过沉沙运行、经济、防洪、防震、防渗、坝体及库区安全等多方面比较，提出合理布置方案；

6. 结合当地实际工程条件，选择合适坝型，坝体断面设计，确定各部分合理尺寸，细部构造设计，并完成相关部分金属结构设计；

7. 沉沙库水力设计计算，沉沙库必须满足排沙、防洪要求；

8. 坝基处理设计，坝体和坝基抗滑、抗剪断稳定计算；

9. 分析引水含沙特征，计算泥沙沉降，沉沙库枢纽工程运行设计；

10. 坝体及库区防渗设计；

11. 坝体及库区安全设计；

12. 通过造价分析，进行社会经济影响评价及环境影响评价；

13. 制作PPT，绘制相关设计图，完成报告。

四、完成课题的条件与手段

1）基础课与专业课条件

在大学三年多里，作为农业水利工程专业的学生，我们学习了大量的课程，其中主要有水工建筑物，理论力学，材料力学，土力学，结构力学，工程地质，工程水文学，工程造价，建筑材料，水利工程施工，水泵与水泵站，土壤与农作学等课程，为我们做毕业设计和以后的工作打下了坚实的理论基础。

2）实践经验条件

大学四年，学校为我们安排了大量的课程设计、实验课程和实习课程。早在大一大一第一学期，学校组织我们到郑国渠，黑河水库进行了认识实习，让我们认识到我们专业将来所学的知识以及毕业后从事哪方面的工作，让我们对农业水利工程有了第一映像；大二第一学期，学校安排我们在校园内进行了工程测量实习，学会了有关工程测量的一些基础实践知识；大三第一学期，学校安排我们到马渡王水文站进行了水文实习，了解了水资源监测的有关知识，同时也认识到作为一个水利人的重大的责任；大三第二学期末，学校组织我们到李家河水库，桃曲坡灌溉管理局，石头河水库进行了生产实习，在这期间听了大量的报告；与此同时，我们每学期都会有大量的课程设计，如水工建筑物课程设计，水泵与水泵站课程设计，农田水利学课程设计等。这些实践经验为我们的毕业设计和毕业后的工作起到了了不可替代的作用。除此之外，这些实践经验不仅提高了我们的专业素养，也同时提高了我们学习的主动性与积极性，使我们再讨厌学习，而是以学习为自己的乐趣。这将是一笔巨大的财富，其不可磨灭的作用将在我们以后的工作生活中受用终生。

3）学校雄厚的师资力量条件

西安理工大学自1949年建校以来，学校培养的学生数不胜数。我校是国家首批同时获得博士、硕士、学士学位授予权的高校之一，具有教授任职资格审批权。同时，我校还积极开展国际间学术交流与合作，目前已与意大利、日本、德国、美国、俄罗斯等十个国家的近20所大学和科研机构建立了学术交流与合作关系。如此雄厚的师资队伍给我们提供了良好的受教条件，在他们的精心培育下，我们学到很多的知识为我们毕业设计及工作打下了坚实的基础。

4）丰富的文献资料条件

学校图书馆藏书丰富，不管是书籍资料还是电子资料都为我们提供了丰富的文献资料，这使我们的毕业设计有了硬件的支持。另外，学校多年毕业设计积累的经验，为我们提供了大量的参考依据。站在巨人的肩膀上，我们才可能超越巨人。

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六、本课题进度安排、各阶段预期达到目标

毕业设计（论文）进度表

水资源系毕—5

指导教师（签名）：学生（签名）：

年月日年月日

七、指导教师意见

对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：

指导教师：

八、所在专业审查意见

负责人：

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