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1、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
2、 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
3、、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
4、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
5、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
6、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 39
7、1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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
