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开题报告

山东科技大学

本科毕业设计（论文）开题报告

题目心墙土石坝设计

学院名称土木建筑学院

专业班级水利水电工程2007

学生姓名

学号

指导教师

填表时间：

2011年3月27日

填表说明

1.开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。

2.此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期完成，经指导教师签署意见、相关系主任审查后生效。

3.学生应按照学校统一设计的电子文档标准格式，用A4纸打印。

4.参考文献不少于8篇，其中应有适当的外文资料（一般不少于2篇）。

5.开题报告作为毕业设计（论文）资料，与毕业设计（论文）一同存档。

设计（论文）

题目

心墙土石坝设计

设计（论文）

类型（划“√”）

工程实际

科研项目

实验室建设

理论研究

其它

√

一、本课题的研究目的和意义

1、土石坝的合理设计有利于调节当地降水在时空上的不均匀性，缓解旱涝灾害。

2、土石坝的合理设计有利于在特定的地质条件下解决其他坝型无法布置施工的问题。

3、通过此次对土石坝的合理设计有利于培养综合运用所学理论知识和技能，分析和解决本专业范围内的实际工程问题的能力。

4、通过严谨的设计过程可以树立正确的设计思想，掌握科学的设计方法。

5、通过本设计的实施，培养严肃认真的科学态度和严谨求实的工作作风。

二、本课题的主要研究内容（提纲）

1、根据地质、地形条件和枢纽建筑物的作用进行坝线、坝型的选择，枢纽布置方案比较通过初步分析确定。

绘制枢纽平面布置及下游立视图。

2、进行泄水建筑物的剖面设计，内容包括：

拟定断面，水力计算稳定应力分析等，并绘制设计图纸。

3、进行挡水建筑物的剖面设计，内容包括：

拟定挡水坝剖面，稳定应力分析等，并绘制设计图。

4、进行细部构造设计和地基处理设计，内容包括：

混凝土标号分区、分缝、止水、廊道、排水以及开挖、清理、灌浆、断层处理等，并绘制有关设计图。

三、文献综述（国内外研究情况及其发展）

土石坝是土坝、堆石坝和土石混合坝的总称，是人类最早建造的坝型，具有悠久的发展历史，在各国使用都极为普遍。

由于土石坝是利用坝址附近土料、石料及砂砾料填筑而成，筑坝材料基本来源于当地，故又称当地材料坝。

（一）土石坝的特点

土石坝在实践中之所以能被广泛采用并得到不断发展，与其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个方面：

1、筑坝材料能就地取材，材料运输成本低，还能节省大量“三材”。

2、适应地基变形的能力强。

土石坝的散粒体材料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。

3、构造简单，施工技术容易掌握，便于机械化施工。

4、运用管理方便，工作可靠，寿命长，维修加固和扩建均较容易。

另一方面，同其它的坝型类似，土石坝自身也有不足的一面：

1、施工导流不如混凝土坝方便，因而相应地增加了工程造价。

2、坝顶不能溢流。

受散粒体材料整体强度的限制，土石坝坝身通常不允许过流，因此需在坝外单独设置泄水建筑物。

3、坝体填充工程量大，土料填筑质量受气候条件的影响大。

（二）土石坝的类型

按施工方法的不同，土石坝可分为：

碾压式土石坝、抛填式堆石坝、定向爆破坝、水力冲填坝和水中倒土坝，其中应用最广的是碾压式土石坝。

1、碾压式土石坝

碾压式土石坝按坝体横断面的防渗材料及其结构，可划分为以下几种主要类型。

1）均质坝

坝体绝大部分由一当种抗渗性能较好的土料筑成。

坝体整个断面起防渗和稳定作用，不再设专门的防渗体。

均质坝结构简单，施工方便，当坝址附近有适合的土料且坝高不大时可优先采用。

值得注意的是：

对于抗渗性能好的土料（如粘土），因其抗剪强度低，且施工碾压困难，在多雨地区受含水量影响则更难压实，因而高坝中一般不采用此种型式。

2）分区坝

与均质坝不同，在坝体中设置专门起防渗作用的防渗体，采用透水性较大的砂石料作坝壳，防渗体多采用防渗性能好的粘性土，其位置可设在坝体中间（称为心墙坝）或稍向上游倾斜（称为斜心墙坝）；或将防渗体设在坝体上游或接近上游面（称为斜墙坝）。

心墙坝由于心墙设在坝体中部，施工时就要求心墙与坝体答题同步上升，因而两者相互干扰大，影响施工进度。

又由于心墙料与坝壳料的固结速度不同，心墙内易产生“拱效应”而形成裂缝；斜墙的抗震性能和适应不均匀沉降的能力不如心墙。

斜心墙坝壳不同程度克服心墙坝斜墙坝的缺点，故我国154m高的小浪底水利枢纽即采用斜心墙型式。

3）人工防渗材料坝

防渗体采用混凝土、沥青混凝土、钢筋混凝土、土工膜或其他人工材料制成，其余部分用土石料填筑而成。

防渗体设在上游面的称为斜墙坝（或面板坝），防渗体设在坝体中央的称为心墙坝。

采用复合土工膜防渗的土石坝，坝坡可以设计得较陡，使土石工程量减小，从而降低工程造价。

这种坝施工方便工期短、受气候因素影响小，是一种很有发展前景的新坝型。

2、抛填式堆石坝

抛填式堆石坝施工时一般先建栈桥，将石块从栈桥上距填筑面10~30m高处抛掷下来，靠石块的自重将石料压实，同时用高压水枪冲射，把细颗粒碎石冲填到石块间孔隙中去。

采用抛填式填筑成的堆石体孔隙率较大，所以在承受水压力后变形量大，石块尖角容易被压裂或剪裂，抗剪强度较低，在发生地震时沉降量更大。

随着重型碾压机械的出现，目前此种坝型已很少采用。

3、水力冲填坝

借助水力完成土料的开采、运输和填筑全部工序而建成的坝。

典型的冲填坝是用高压水枪在料场冲击土料使之成为泥浆，然后用泥浆泵将泥浆经输泥管输送上坝，分层淤填，经排水固结成为密实的坝体。

这种筑坝方法不需运输机械和碾压机械，功效高，成本低；缺点是土料的干容量较小，抗剪强度较低，需要平缓的坝坡，坝体土方量较大。

4、水中倒土坝

这种坝施工时一般在填土面内修筑围埂分成畦格，在畦格内灌水并分层填土，依靠土的自重和运输工具压实及排水固结而成的坝。

这种筑坝方法不需要有专门的重型碾压设备，只要有充足的水源和易于崩解的土料都可采用。

但由于坝体填土的干容量较低，故要求坝坡平缓，使得坝体工程量增大。

5、定向爆破坝

在河谷陡峻、山体厚实、岩性简单、交通运输条件极为不方便的地区修筑堆石坝时，可在河谷两岸或一岸对岩体进行定向爆破，将石块抛掷到河谷坝址，堆筑起大部分坝体。

然后修整坝坡，并在抛填堆石体上加高碾压堆石体，直至坝顶。

最后在上游坝坡填筑反滤层、斜墙防渗体、保护层和护坡等，故得名定向爆破坝。

（三）世界土石坝发展历史回顾

随着坝工技术的发展，本世纪初首先出现了超过百米的混凝土重力坝和拱坝；而具有悠久历史的土石坝经过不断的工程实践，坝体结构和施工方法逐渐完善，达到了既经济又安全的程度，从而在本世纪30年代也出现坝高超过百米的高土石坝。

由于人们对于土石料压实理论的研究不断深入，提高了对土石坝安全性的认识，进一步加快了土石坝的发展进程。

70年代末，土石坝的数量而后高度终于全面的超过混凝土坝，使其在坝工建设中占有明显的优势。

各项经济技术指标体现出土石坝的广阔发展前景，使其成为世界坝工建设中发展最快的坝型。

60年代后期随着重型振动碾压机械的发展促进了混凝土面板堆石坝的迅速发展，解决了防渗体土料缺乏和多雨地区防渗体施工困难的一系列问题，使混凝土面板堆石坝重获新生，是一种很有发展前途的坝型。

（四）世界高土石坝的发展现状

一）坝基覆盖层的防渗处理有重大突破。

坝基的防渗处理时土石坝工程设计的关键问题，它与坝体的设计、施工、安全可靠性、工期和造价有密切关系，甚至直接影响到工程方案的选择。

早期在深透水坝基上建土石坝，常在坝基打设钢板桩防渗，由于常出现桩尖卷刀、板状倾斜、槽口撕开等问题，效果不是很理想。

1954年法国在坝高128m的谢尔·帮松土石坝对其110m厚砂卵石坝基进行了著名的覆盖层灌浆试验，随后埃及的阿斯旺大坝对深达225m的覆盖层采用深达174m的帷幕灌浆进行地基防渗处理，使其承受110m的水头，是世界上最深的基础防渗工程。

建成后的实测资料表明防渗帷幕承担96%的深透水头，工程运转良好。

实践证明深帷幕灌浆是处理深覆盖层防渗问题的一项有效措施，60年代中叶兴起的混凝土防渗墙、泥浆固壁、冲击钻造孔，防渗效果更加经济可靠，加拿大尼克3号土石坝水头为105m。

防渗墙墙深131m，为最深的防渗墙。

从工程建成后实际运行情况看，防渗效果均良好。

当覆盖层深度较小时，还可以采用造价低廉的泥浆截水槽。

坝基的各种防渗技术的发展和工程经验的积累为在不良的坝址上修建高土石坝开拓了广阔的前景，许多不宜修建混凝土坝的坝址经过适当的地基处理都能够修建土石坝。

二）施工导流设计和施工技术的改进

河流峡谷高土石坝的泄洪方式通常是岸坡溢洪道配合泄洪隧洞。

由于土石坝施工导流，尤其是采用大型导流隧洞施工导流，因工期长，造价高，其经济和理性往往被否定。

综合分析国内外的高土石坝的工程实践，结合先进的科学技术，在施工导流设计和技术上进行如下的改进：

1、抢筑较高的施工围堰作为坝体的组成部分，简化土石坝的施工导流。

按一般水位库容曲线，随着施工围堰高度的增加，防洪库容迅速增大，从而有效地减小下泄流量，降低对导流隧洞泄洪能力的要求，也就是降低了导流隧洞的施工工程量，最终降低了导流隧洞的工程造价，从而降低整个土石坝枢纽建设的总工程造价。

2、大型土石坝枢纽的施工导流流量很大，因而导流建筑物工程量比较庞大，减少导流建筑物的工程量和造价将是降低土石坝枢纽总造价的重要一环，设计和实施坝体临时溢洪断面，让部分施工期导流洪水从坝体临时断面上溢流，从而替代或减小造价昂贵的大型施工导流隧洞。

目前最成功和最节省的临时溢洪断面是采用加筋堆石护面，使钢筋网能够承担堆石压力和水的拖曳力，施工简单，不干扰正常施工，溢洪后无需进行处理即可继续填筑坝体。

3、大断面、高流速、大泄量的导流隧洞的快速施工为修建土石坝创造了良好条件，近十多年来，由于地下工程设计和施工技术的迅速发展，出现了“新奥法”快速掘进、喷锚支护等新工艺、新方法，大大加快了隧洞的施工进度，从而加速了土石坝的施工进度，降低了土石坝工程造价，改变了大江大河上建筑高土石坝不安全不经济的传统观念。

以上所述的土石坝在设计和施工上的改进，使得土石坝这种坝型在施工导流上的弱点在一定程度上得以克服，使得土石坝更具生命力。

三）高土石坝的计算理论和计算技术不断完善

20世纪30年代以来，土力学的进展，大型计算机的出现和数值计算方法的发展，使土石坝的许多问题能在多种复杂情况下被模拟，诸如坝体的应力应变分析，边坡稳定、地震荷载作用下的动力分析，非均匀介质的坝体坝基渗流计算等课题均被深入研究。

同时，计算技术的发展加快了设计进度，提高了设计质量，使土石坝可采用较陡的坝坡，并可在烈度为9度的强震区建设。

四）充分利用当地材料

高土石坝需要的土石放量很大，通常为混凝土坝体的4～6倍左右，故充分利用一切材料筑坝，尽可能利用开挖的土石料上坝，使挖填方平衡，是土石坝设计能否经济合理的关键。

随着土力学理论和重型振动碾压机的发展，对高土石坝的筑坝材料也放宽了要求，只要正确设计和精心施工，几乎所有的土石料均可用来筑坝。

此外，为使心墙与坝壳材料的弹性模量尽可能协调，防止和降低坝壳对心墙的拱效应，防止水平裂缝和纵向裂缝，采用粘土和砾石掺合而成的人工混合料作为防渗材料。

四、拟解决的关键问题

1、土石坝坝址及坝型选择；

2、土石坝渗流计算及稳定分析；

3、泄洪隧洞的选线及设计。

五、研究思路和方法

根据地形地质条件以及大坝建设对周边环境的影响，进行坝址选择；根据坝址附近的筑坝材料、水文条件、地质条件以及施工条件等，选择几种比较优越的坝型，拟定剖面轮廓尺寸，进而比较工程量、工期、造价，最后选定技术上可靠、经济上合理的坝型。

2、根据水力学方法，利用达西定律：

（式中的k为土体的渗透系数），计算土石坝的渗流量。

进行渗流计算时，应考虑水库运行中可能出现的不利情况，常需计算以下几种组合情况：

1）上游正常高水位与下游相应的最低水位；2）上游设计洪水位与下游相应的最高水位；3）上游校核洪水位与下游相应的最高水位；4）库水位降落时对上游坝坡稳定最不利的情况。

对于土石坝的稳定分析计算，对坝体进行荷载正常组合和非正常组合下的稳定分析计算。

3、土石坝稳定计算考虑的荷载主要有自重、渗透力、孔隙水压力和地震惯性力等。

荷载组合分为：

正常运用和非常运用。

目前，土石坝的稳定分析仍基于极限平衡理论，采用假定滑动面的方法。

依据滑弧的不同类型，可分为圆弧滑动法、折线滑动法和复合滑动法。

其计算公式均为：

（式中Kc为坝坡稳定安全系数，Mr为抗滑力矩，Ms为滑动力矩。

对于均质坝、厚斜墙坝和厚心墙坝来说，滑动面往往接近于圆弧，故采用圆弧滑动法进行坝坡稳定分析。

为了简化计算和得到较精确的结果，实践中常采用条分法。

对于粘性土的坝坡，如心墙坝坝坡、斜墙坝的下游坝坡以及斜墙上游保护层连同斜墙一起滑动时，常形成折线滑动面。

当滑动面通过不同的土料时，还会出现直线和圆弧组合的复合滑动面型式。

4、水工隧洞的选线应尽量避开山岩压力很大、地下水位很高或渗水量很大的岩层和可能发生坍滑的不稳定山体，同时要防止洞身距地表太近，在这些前提下再力求缩短路线。

隧洞的布置要示具体的隧洞型式而定，一般都由进口段、洞身段、出口段所组成，进口前和出口后当然还有长短深浅不等的引水渠和尾水渠。

但是，隧洞闸门的布置主要由隧洞的具体运行方式决定。

五、本课题的进度安排

1、了解任务书、指示书及分析原始材料4月11日——4月13日

2、坝轴线选择，确定枢纽布置方案4月14日——4月20日

3、坝型选择，坝的剖面设计及平面布置4月21日——4月25日

4、渗透计算及稳定计算4月26日——5月11日

5、沉陷量计算及裂缝校核5月12日——5月18日

6、细部构造设计，地基处理5月19日——5月25日

8、绘制枢纽及建筑物图纸5月26日——5月31日

9、整理设计说明书和设计计算书，进行答辩6月1日——6月15日

六、参考文献

1.沈长松王世夏林益才刘晓青编著.水工建筑物.北京：

中国水利水电出版社,2008

2.袁光裕主编.水利工程施工第四版.北京：

中国水利水电出版社，2004.3

3.河海大学大连理工大学西安理工大学清华大学合编.水工钢筋混凝土结构学第三版．北京：

中国水利水电出版社，1996.4

4.叶守泽詹道江合编.工程水文学第三版.北京：

中国水利水电出版社，1999.7

5.何俊仕林洪孝主编.水资源规划及利用．北京：

中国水利水电出版社，2006.2

6.王晓松李宝珠著.世界高土石坝发展综述.黑龙江水专学报第三期,1995

7.SccttL.huangKenjiYamasahi.Slopefailureanalysisusinglocalminimumfactorofofsafetyappreach[j].Geotech.Engrg.ASCE,1993（12）:

26-30.

8.SamJobansson.Opticalallusion.Internationalwaterpoweranddamconstruction［M］.2005

指导教师意见

指导教师（签名）：

年月日

所在系（所）意见

负责人（签章）：

年月日