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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
2025 年
03 级西安理工大学水电学院毕业设计〔论文〕.开题报告
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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 亿 m3,是具有城市供水、浇灌、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学问，结合工程实际，进展一次系统的有机的解决工程实际问题的实践性环节，也是完成工程师根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争论，以到达以下目的：
稳固加深所学专业学问，扩大专业学问面，使所学学问系统化。
培育运用所学学问解决实际工程问题的力量，要求我们把握根本的设计原则、设计方法和步骤。
培育独立思考的工作力量，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、使用标准手册以及计算机应用力量的培育；
，严谨负责、实事求是、刻苦钻研和勇于探究、创的工作作风和学风，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，坝址工程地质条件简单，以此作为毕业设计对象，不仅能够使我们把握各种建筑物的设计理论和方法，同时也熬炼了我们解决一些简单问题的力量。
土石坝工程施工简便、地质条件要求低、造价廉价，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长远，并经久不衰。随着科学技术的进步，今日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一样。对这些问题在逐步改进施工工艺实行有针对性措施的同时，还应结合当地状况争论使用材料、构造，很好地吸取国内外多方面实践阅历和教训，在理论上深入开展有益的科研工作和探究。目前，土石坝工程建设水平和技术不断提高和进展，特别是 20 世纪 90 年月以来，随着我国社会经济的进展， 水利水电工程建设突飞猛进，土石坝坝高开头向 300 米级高度研发和建设。筑坝技术难题的攻克，使我国积存了大量的工程建设阅历，并在理论上有所突破。因此以土石坝为毕业设计题目，在教师的指导下完成毕业设计任务，将会为将来工作打下一个良好的根底。
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三、本课题在国内外的争论状况及进展趋势
土石坝在实践中被广泛承受并得到不断进展，与自身的优越性是密不行分的。同混凝土坝相比，它的优点主要表达在以下几方面：
①筑坝材料来源直接、便利，能就地取材，能节约大量的钢材、水泥和木材等建筑材料。
②适应地基变形的力量强。土石坝为土料或石料填筑的散粒构造， 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构造简洁，施工技术简洁把握，适应于大型机械化施工。
④运用治理便利，工作牢靠，寿命长，修理加固和扩建均较简洁。土石坝工程的建设历史长远，并经久不衰。 随着科学技术的进步，
今日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30～70m，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、构造简洁、对自然条件适应性强、抗震性能 好、工作牢靠、寿命长、施工治理简便等优点，因而被广泛承受。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构造，颗粒间存在大量的孔隙，都具有肯定的透水 性，在水压力的作用下，水流必定会沿着坝身土料、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。依据 1981 年的统计资料，我国由渗流引起的破坏事故率约占 %， 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
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II.,黄河堤防存在的工程隐患，说明土石坝渗漏问题相当严峻。在土石坝设计中，渗流计算的任务可归纳为:
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，以及是否需要实行其它防渗措施，以削减渗漏损失。
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。
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，推测产生渗透变形的可能性。
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实行的防惨、排渗措施。
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实行的防渗、排渗措施。
渗流学科的进展原来是作为很多学科领域的边缘学科向前进展的。渗流既是水力学又是岩土力学所不行缺少的组成局部，也是水工构造、水文地质、地下水文、农田水利、浇灌排水、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局部内容。但由于各有关学科的不断进展和生产实践中提出的渗流问题日益广泛简单，现在，渗流已渐渐进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 年月开头，渗流对建筑物的影响渐渐为工程界所重视，很多学者相继进展了争论，并取得了重大的成果。随着近代科学技术的不断进展，渗流力学在根本理论、计算方法和应用方面都得到了极大的进展，己能用来解决多种简单的工程问题。
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渗流与水工建筑物的安全和正常工作有着亲热的关系，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，也使得渗流力学在根本理论、计算分析方法和应用等方面都得到了极大的进展。在大坝总量上占有确定优势的土石坝，山于筑坝材料的特性，受渗流影响最为严峻，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。流体力学法是依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，计算结果比较准确，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简单，目前只能对几种比较简洁的渗流边界有解答。水力学法是建立在对渗流条件作某些简化根底上的一种方法。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洁，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，同时由于其根本假定与实际状况有肯定出入，所以计算结果存在肯定误差。为了弥补这一缺陷，目前实行的方法是由流体力学和试验方法对水力学法进展局部修正，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
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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。
直接解法是直接承受渗流根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，但计算比较简单，适用于求解渗流通过区域较为单一、边界简洁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状况。
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。通常要选择假设干个可能的复势进展计算，从中选择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。
组合法是将简单渗流区域划分为几个简洁的渗流区段来进展计算的一种方法。它将整个渗流区域划分为几个外形简洁的渗流区段或根本部件，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。依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、根本部件法以及阻力系数法。组合法的求解依靠于外形简洁的渗流区段或根本部件的解，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。差分法是将渗流根本方程转变为差分方程，并承受逐步靠近的计算方法来求得渗流场中各点处的水头。差分法原理简洁易懂、算式简洁、有简洁的理论根底，但往往局限于规章的差分网格，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。
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图解法是承受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。
目前常用的试验方法有: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根本方程，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洁的渗流状况有效，而且所得的解特别简单。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， 因此它也是渗流根本方程的解。土石坝渗流存在渗流自由面随时间变化的问题，另外，土石坝渗流场的外形和边界条件都比较简单，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肯定的制约。基于上述缘由，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，因此需要找到更简洁有效的方法。
近代计算技术的进展和计算机的应用为土石坝渗流计算开拓犷的途径。各种简单状况下的土石坝渗流，都可以在计算机上模拟出来。依据肯定的数学模型，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简单条件的土坝渗流问题，虽然得到的解是近似的，然而却是满足的解答，己根本上可以取代渗流试验。实际上，利
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用计算机依靠数值法对土坝渗流问题进展一次计算，也就相当于进展一次模拟试验，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快速进展，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，
这种算法得到快速进展。文献承受适体坐标变换与有限差分相结合的方法，抑制了一般差分法只能应用于简洁边界条件的缺陷，对简单几何边界进展准确模拟，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展。
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、渗流场特性参数确实定、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外形及边界后，承受合理的单元格式离散计算域，猎取有限单元法计算所需的网格数据;后处理技术是指依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争论已比较成
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熟，而在有限元的前处理方面则仍有很多问题有待较好的解决。
有限元法的根本思想是将构造离散化，用有限个简洁分析的单元来表示简单的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后依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。它既吸取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摸索函数，并对区域进展积分的合理做法，充分考虑了单元对节点参数的奉献。有限单元法将实际的渗流场离散为有限个以节点相互联系的单元体，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敏捷性。因此，有限元法是古典变分法实质性的革和进展。
有限元法是 40 多年来很多工程师、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 年月电子计算机的快速进展和广泛应用，供给了有限元进展的物质根底。克劳夫()1960 年首先使用“有限元”这样的名称， 以表示和“有限差分”法有所区分。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构造分析， 后来才引进流体力学领域。 1965 年津克维茨 ()和张
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