2016届水工(本)毕业设计任务书及指导书(南山).doc

2016届水工(本)毕业设计任务书及指导书南山水库大坝工程初步设计编写：彭友文 刘卫林南昌工程学院水利与生态工程学院2015年10月南山水库大坝工程设计任务书一、工程概况及工程目的南山水库位于江西省南康市东山街办南山村老虎坑，坝址座落于章江水系二级支流老虎坑河，坝址距离南康市城区4km，地理位置东经11444，北纬2538。坝址以上控制集水面积1.2km2，坝址多年平均流量0.0293m3/s，多年平均径流量92.4万m3，多年平均径流深770mm。南山水库是一座以应急供水为主，兼有城市日常生活供水等综合效益水利枢纽工程。根据水库的工程规模及其在国民经济中的作用，枢纽定为等工程。大坝、溢洪道、引水涵管等永久性建筑物为4级，临时建筑物为5级。二、设计基本资料(一)流域概况南山水库位于南康市东山街办南山村老虎坑，坝址座落于章江水系二级支流老虎坑河，坝址以上控制集水面积1.2km2，主河长1.63km，河床平均坡降43，属山区性溪河。坝址以上流域呈扇形，右侧较宽，流向自南向北，流域内峰峦重叠，河谷狭窄，地形地貌为中低山丘陵区，植被良好。 (二)水文及气象特性1.径流（1）径流系列由于坝址无实测径流资料，流域内也未曾设立水文测站，故本阶段坝址设计径流分析采用水文比拟法进行计算。径流分析选择樟斗水文站为设计参证站。坝址径流系列根据参证站实测径流系列（1982年2006年）按流域面积比的一次方进行转换，但考虑到小流域的区域径流存在一定的差异，据本工程周边流域南康雨量站资料统计，南山水库多年平均降水量为1556.7mm，而樟斗站多年平均降水量为1608.8mm，两区域多年平均径流深也会有所差异，因此对径流系列经面积比换算后并加以雨量修正，由此可推求坝址历年径流系列。（2）径流特性本流域径流的年内、年际变化较大，径流系列中最大年平均流量为0.061m3/s(1984年),为多年平均流量的2.1倍,最小年平均流量为0.013m3/s(1991年)，为多年平均流量的44.8%，丰、枯水年年平均流量相差4.7倍。38月径流量占全年径流总量的71.9%，9月次年2月的径流量仅占全年总量的28.1%，最大月平均流量0.066m3/s（5月），占该年径流总量的18.9%，最小月径流为0.0037m3/s（12月），占该年径流总量的1.06%。各月径流分配见表1。根据坝址径流特性，划分3月至次年2月为水文年，9月至次年2月为枯水期，由此可统计坝址水文年及枯水期径流系列。表1坝址各月径流分配表月份一二三四五六占年径流(%)2.814.278.8611.018.817.6月份七八九十十一十二占年径流(%)10.68.96.44.553.572.66（3）径流计算根据坝址日历年1982年2006年、水文年1982年3月2006年2月、枯水期历年92月径流系列，分别进行频率计算，采用P型曲线适线法确定统计参数。坝址多年平均流量0.0293m3/s，多年平均径流量92.4万m3，多年平均径流深770mm。坝址径流计算成果见表2。表2 南山水库坝址设计径流成果表时段均值CvCs/CvP（%）10205075809097日历年0.02920.442.50.04640.03880.02690.01980.01830.01500.0115水文年0.02930.442.50.04660.03890.02700.01980.01840.01500.0116枯水期9-2月0.01410.442.50.02240.01870.01300.00960.00840.007230.00557由于工程坝址下游无实测水位流量资料，本阶段根据实测河道纵、横断面及河床比降等资料，采用水力学计算方法求得坝址水位流量关系。水面比降，根据本次实测确定；河床糙率则根据河床质组成，岸壁特性、水流流态等因素综合选定在0.0550.06之间。水位流量关系见表3。表3 水位流量关系成果表Z(m)133134135136Q(m3/s)04.782867.62.洪水（1）洪水特性与成因分析本流域的洪水主要由暴雨形成，洪水出现季节与暴雨发生季节相一致。洪水多出现在46月，其年最大洪水多出现在6月。由于流域内河床坡降较陡，集流时间短，洪水来势猛，涨落急剧，降水至洪峰出现时间一般为24h，一次洪水历时约为1d。（2）洪水推求方法南山水库地处章江水系二级支流老虎坑河，流域内无水文测站，因此本工程设计洪水计算采用暴雨资料来间接推求设计洪水，并假定暴雨和洪水的频率相同。采用江西省水文局编制刊印的江西省暴雨洪水查算手册（以下简称手册）提供的方法计算。根据手册的使用范围规定：结合我省具体情况，集水面积小于30km2的流域，一般采用推理公式法计算设计洪水。本工程坝址以上集雨面积为1.2km2，结合具体情况，本次洪水计算采用推理公式法推求坝址设计洪水过程线。（3）坝址设计洪水根据手册及有关规定采用推理公式法推求30年一遇设计洪水和300年一遇校核洪水过程线。通过调洪演算得到水库设计洪水位及校核洪水位。南山水库溢洪道为涵洞式无闸控制自由泄流，溢流堰净宽4m，为克奥型堰型，水库调洪计算原则为当库水位高于正常蓄水位181.00m时，溢洪道自由泄洪。水库起调水位为181.00m。3.泥 沙流域内无实测泥沙资料，本次设计水库泥沙借用邻近水库泥沙淤积资料比拟估算。由于坝址无实测泥沙资料，而流域内植被良好，自然地理和下垫面与上犹江水库相似，所以，本阶段水库泥沙淤积参照上犹江水库实测泥沙资料用类比法估算，据上犹江水库多年实测泥沙淤积资料统计，多年平均淤积量为0.0124万m3/km2，水库使用年限按30年计，计算得水库泥沙淤积量约为0.446万m3，查库容曲线水库可能的淤积高程为146.50m。4.气象水库流域区属副热带季风气候区，春夏秋冬四季分明：春秋季短，夏冬季长；无霜期长。春秋时常寒暖交替，天气多变，常有阴雨低温天气出现。盛夏和秋伏，太平洋副高控制本流域，天气炎热干燥，有时受台风影响，出现台风雨或雷阵雨；冬季受西伯利亚冷高压控制，天气晴朗。本流域降水充沛，但在年际、年内分配极不均衡。据南康气象站多年资料统计，多年平均降水量 1556.7 mm,年最大降水量2083.9mm,年最小降水量914.9mm，多年平均气温19.2 C ，历年最高气温40.1 C ，历年最低气温-4.6 C ，多年平均蒸发量1288.1mm。多年平均风速18m/s，吹程1000m。 (三)工程地质本区域内为构造剥蚀侵蚀低山丘陵地貌和河流冲积堆积地貌，章水总体流向自西南向东北，河道弯曲，河床宽度100200m，地面高程一般在130200m之间，山顶高程250500m，山体走向蜿蜒曲折，山坡植被发育良好。区域内出露地层岩性主要有震旦系上统变质岩、白垩系上统泥质粉砂层和第四系冲积层及残坡积层。本区域地质构造发育，断裂构造以北东向为主，并发育有北西向构造。据中国地震动参数区划图（GB183062001）查得，区域内地震动峰值加速度小于0.05g，相应地震基本烈度小于6度。区域内水文地质条件简单，地下水类型主要有第四系松散堆积层孔隙潜水和基岩裂隙水两种，前者在章水流域，水量较丰富，在南山水区内水量较贫乏，后者水量则相对较贫乏，两者均接受大气降水补给，短途径流，近源排泄，受季节性影响明显。拟建坝址属低山丘陵剥蚀地貌。河谷呈不对称“V”型，河道较窄，宽约30m，河道弯曲，河床底高程为132.98136.43m左右。坝址两岸山高体厚，大部分基岩裸露，左、右岸下部为I级阶地，地表为农田、庄稼地。坝区内未发现有大的崩塌、滑坡等不良物理地质现象，仅在右岸石英脉陡坎处有崩坍现象。坝区出露地层有震旦系上统变质岩和第四系堆积层。据区域地质资料，坝区地质构造主要受北东向构造影响，位于大余西华山至赣县王母渡断裂带附近。构造线走向主要为北东向，岩层受挤压较严重，该断裂带走向NENW，长约4050km，碎裂岩充填，两侧有石英脉。坝址位于该断裂带下盘，受其影响，断裂构造比较发育，岩体较破碎，风化较深。坝区节理裂隙发育。坝基第四系松散堆积层较薄，上部粉土质砂（砾）层，下部岩体为强风化震旦系变质砂岩夹板岩、砂质板岩，节理裂隙发育，岩体破碎，裂隙面大部分呈闭合微张状，透水性较强。地表水主要为河水，水质较清，对砼具有溶出型和一般酸性型中等腐蚀，地下水水质清澈，对砼具有一般酸性型和溶出型中等腐蚀。左岸边坡为岩质边坡，坡度3040，呈强风化，岩性为变质砂岩夹板岩，局部覆盖薄层残坡积土，分布不连续，岩层倾向下游偏山体方向，无不利结构面及其组合，边坡基本稳定。河床段宽度约30m，坝基表层为冲积层，冲积层厚度为05m，阶地土土质成分为粉土质砾，河床为砂砾土层。下部基岩岩性为震旦系变质砂岩夹砂质板岩，夹较多540cm厚度不等的石英岩脉，岩体节理裂隙比较发育，较破碎。岩层倾向下游，倾角陡，未发现较大缓倾角结构面，坝基岩体较稳定。河床上部强风化基岩为中等透水岩体；下部风化岩体为弱透水岩体。坝基存在渗漏问题，透水层厚度为25.125.8m。右岸坝基出露基岩为震旦系变质砂岩夹板岩，坝基上部地表基岩出露，边坡下部为残坡积层，下部基岩岩性为变质砂岩夹板岩，夹较多540cm厚度不等的石英岩脉，其中高程149157m左右夹一宽度为8m的石英脉，石英脉呈碎块、碎粒状，属软弱岩体，岩体内节理裂隙较发育，岩体较破碎。上部强风化层为中等透水地层。下部强风化岩体为弱透水层，存在渗漏问题。 (四)当地建筑材料据料场调查，天然建筑材料其储量与质量均可满足工程设计要求。土料场有：库内上游井孜头山沟土料场，运距约3km；井孜头山坡土料场，开采运输方便，运距约2.0km；老虎坑土料场，运距约1.5km；库区内老虎坑公路旁土料场，开采运输方便，运距约2.0km；库内公路旁土料场，运距约1.5km；横坑里料场，运距约3.0km；毛丛岭土料场，运距约1.5km；下涧土料场，运距约3.0km。块石料场有：川坑石料场，运距12km；苏访贤石料场，运距11km。砂砾石料场有：浮石砂砾石料场运距约13km，可根据工程需要购买使用；龙岭砂砾石料场，运距约10km，可根据工程需要购买使用。(五)交通条件坝顶无重要交通要求。交通布置方面，进库公路利用现有左岸公路进行适当改建，上坝公路布置在坝址左岸。(六)水库水位与库容关系曲线南山水库水位面积、容积关系曲线系根据2008年6月实测1/1000库区地形图量算而得，成果如下表4。表4 南山水库水位与面积、容积关系曲线Z(m)143.8150155160165170175180185A(万m2)00.771.873.394.868.1511.515.319.7V(万m3)02.398.9922.142.775.2124191279(七)工程效益水库正常蓄水位181m，库容为207万m3。南山水库建成后将是一座以应急供水为主，兼有城市日常生活供水等综合效益的水利枢纽工程，水库设计水平年2010年，以满足城区18.5万人规模应急供水为要求；水库规划水平年为2020年，以满足城区30万人规模应急供水为要求。(八)水库规划及建筑特性指标表5 工 程 特 性 表序号名 称单位数 量备 注一水 文1坝址以上流域面积km21.22多年平均年径流量万m392.43代表性流量正常运用(设计)洪水标准及流量m3/s24.8P=3.33%非常运用(校核)洪水标准及流量m3/s37.3P=0.333%施工导流标准及流量(P=20%)m3/s0.56102月施工度汛标准及流量(P=10%)m3/s18.9全年4泥 沙多年平均淤积量万t0.446估算二水 库1水库水位校核洪水位(P=0.333%)m设计洪水位(P=3.33%)m正常蓄水位m181.00供水死水位m150.00泥沙淤积高程146.502水库容积总库容(校核洪水位以下库容)万m3226正常蓄水位以下库容万m3207调节库容万m3204.61供水死库容万m32.393调节特性年调节三下泄流量及相应下游水位1设计洪水位时最大泄量m3/s相应下游水位m2校核洪水位时最大泄量m3/s相应下游水位m表6 坝基岩石（体）物理力学指标建议值表 岩石风化级别项 力目 学指标变质砂岩夹板岩、砂质板岩全风化强风化板岩强风化砂岩夹砂质板岩弱风化砂岩容重（KN/m3）22.5232425饱和抗压强度(MPa)678103040弹性模量(Gpa)0.40.70.60.834抗剪断强度(岩体)0.450.500.550.6C(MPa)0.070.080.25砼/基岩抗剪(断)强度0.400.450.550.450.550.65C(MPa)0.070.090.25泊松比0.400.350.28承载力标准值k（KPa）2004004501000表7 大坝各区渗透系数建议采用值表部位上游坝壳土下游坝壳土心墙土排水棱体渗透系数2.2810-4cm/s4.33010-4cm/s6.010-6cm/s2.010-1cm/s部位帷幕防渗体坝基渗透系数1.010-6cm/s3.010-4cm/s表8 各土层分区物理力学参数建议值表 土 层 分 区参数指标上游坝壳土下游坝壳土心墙土排水棱体帷幕防渗体坝基天然容重（g/cm3）1.992.01.951.752.352.3饱和容重（g/cm3）2.12.112.051.792.52.4总应力指标粘聚力（kPa）10.88.118.1015090内摩擦角（）23.52519324029有效应力指标粘聚力（kPa）8.86.116.85015090内摩擦角（）25.52720.95324029(九)坝址地形图、地质图(见附件一)(十)其它施工期下游无供水要求，无须考虑通航、过木问题。 三、设计任务和基本要求：(一)设计任务：1.确定工程等别、建筑物级别及洪水标准。2.进行水文分析计算，确定坝址处设计洪水、校核洪水流量及过程线。 3.根据地形地质、建筑材料、施工条件和枢纽建筑物的作用等进行坝轴线、坝型的选择，枢纽布置方案比较通过初步分析确定。绘制枢纽平面布置图。 4.进行大坝坝体设计，内容包括：确定断面型式，断面尺寸的拟定、各区筑坝材料选择和填筑要求、大坝渗流计算分析和大坝坝坡稳定计算分析等，并绘制设计图纸。 5.进行溢流道设计，内容包括：确定溢洪道布置位置、采用型式和拟定溢洪道各部分尺寸等，以及溢洪道水力计算、堰体稳定计算、消力池设计，并绘制设计图。6.进行地基处理设计，主要为渗流控制设计，并绘制设计图。7.进行大坝安全监测设计。包括监测项目、监测方法选择与监测设施布置，以及监测设施的设计等。8.投资估算。 (二)基本要求： 1、设计者必须发挥独立思考能力，创造性的完成设计任务，在设计中应遵循技术规范，尽量采用国内外的先进技术与经验。 2、设计者对待设计计算绘图等工作，应具有严肃认真一丝不苟的工作作风，以使设计成果达到较高水平。绘图要求布置合理、工艺性好、表达完整清晰，符合GB规定，体现CAD绘图能力。 3、设计者必须充分重视和熟悉原始资料，明确设计任务，在规定的时间内圆满完成要求的设计内容，成果包括：设计说明书、计算书各一份、设计图纸45张。南山水库大坝工程初步设计指导书根据任务书提出的设计内容，对本次毕业设计的方法、步骤和要求以及时间安排等具体指导如下： 一、了解规划任务、分析原始资料首先要了解工程规划的概况、意图、规划特点和主要数据以及设计任务，并熟悉和分析枢纽地区地形、地质、水文、气象、建筑材料等一般情况。通过对工程概况的了解和对基本资料的分析，为后面各阶段设计工作打下基础。二、工程等别、建筑物级别及洪水标准确定根据水库库容及相关规范，确定工程等别、建筑物级别及洪水标准。三、水文分析与计算(一)水库坝址设计洪水计算：根据水库坝址的水文资料， 采用江西省水文局编制刊印的江西省暴雨洪水查算手册提供的方法计算。根据手册的使用范围规定：结合我省具体情况，集水面积小于30km2的流域，一般采用推理公式法计算设计洪水。 (二) 水库设计洪水位计算： 通过洪水调节计算确定水库设计洪水位。 四、坝线、坝型选择和枢纽布置方案比较 (一)坝轴线的选择： 根据坝址的地形地质条件、建筑物布置和施工条件，通过定性分析确定坝轴线位置。 (二)坝型选择：根据坝址的地形、地质、建筑材料，宣泄洪水的能力等特点，通过定性分析，初步选择两种坝型进行较详细的技术经济比较，选取既满足工程要求又比较经济的坝型。推荐大坝坝型采用土坝。(三)枢纽布置方案比较： 首先根据枢纽的任务及要求确定枢纽建筑物的组成(包括大坝、溢洪道、引水建筑物等)，然后根据建筑物对地质、地形的要求及运行方便等因素，确定枢纽布置方案，并画出草图。 本阶段坝线、坝型选择及枢纽布置是水工设计中具有战略意义的一项重要工作，综合性强，涉及面广，但由于所给资料及时间有限，内容从简，但仍要求做尽可能详细的定性分析。 五、大坝坝体设计 (一)坝剖面的拟定1、确定断面型式：根据坝址附近建筑材料特性，确定大坝防渗、排水型式，进行大坝分区；2、断面尺寸的拟定：参照已建工程，结合本工程实际，初步确定坝顶高程、坝顶宽、坝顶长、最大坝高、上下游坝坡(若设置了防渗心墙和排水体，同样需拟定相应型式和尺寸)。 3、各区筑坝材料选择和填筑要求：根据建筑材料分布情况和大坝各区防渗等要求，选择各区筑坝材料、开采位置以及填筑要求。 (二)大坝渗流计算分析 1、渗流计算原理和控制标准。渗流计算原理要求论述计算方法基本假设和采用公式，说明公式来源和符号意义，控制标准则根据工程等级和计算情况按有关规范规定指标选取。 2、计算断面和计算工况。建议渗流计算选取河床最大坝高断面，具体的计算工况如下：(a)工况1，水库为正常蓄水位稳定渗流期；(b)工况2，水库为设计洪水位稳定渗流期；(c)工况3，水库为校核洪水位稳定渗流期；(d)工况4，库水位自校核洪水位降至正常蓄水位时；(e)工况5，库水位自正常蓄水位下降至死水位时。 3、渗流计算：计算各工况下，大坝浸润线以及大坝防渗排水渗流稳定状况。4、成果分析：根据以上计算结果，进行大坝渗流安全评价。(三)大坝坝坡稳定计算分析1、大坝坝坡稳定计算原理和控制标准。稳定计算原理要求论述计算方法基本假设和采用公式，说明公式来源和符号意义，控制标准则根据工程等级和计算情况按有关规范规定指标选取。2、计算断面和计算工况。同渗流计算。3、成果分析。根据个工况计算结果，评价坝坡的稳定性，分析所拟断面是否安全可靠、经济合理，是否需要修改断面，最后确定坝体断面。六、溢洪道设计1、溢洪道布置。根据坝址地形、地质条件，确定溢洪道布置位置，采用型式。拟定溢洪道堰体控制段、泄槽段、跌水消能段、出水渠段等各部分尺寸。2、溢洪道水力计算。根据采用的溢流堰堰型，计算泄流能力，并推求泄槽水面线及边墙高度。3、堰体稳定计算。应用抗剪或抗剪断强度公式进行稳定计算，评价堰体稳定性。4、消力池设计。进行消力池槛高、池长计算及底板抗冲验算。 七、坝基处理 坝基处理应满足渗流控制(包括渗透稳定和渗流量控制)、静力和动力稳定、允许沉降量和不均匀沉降量等方面要求。主要根据地质条件、水头大小、覆盖层厚道、防渗要求等选择渗流控制的型式，进行渗流控制设计。八、安全监测设计1.监测项目、监测方法选择与监测设施布置。根据工程等级、规模、结构型式及其地形、地质条件和地理环境等因素，设置监测项目及其监测方法和相应设施。2.监测设施的结构设计。九、投资估算工程估算费用构成及计算标准执行江西省水利厅赣水建管字(2006)242号颁发的江西省水利水电工程设计概（估）算费用构成及计算标准（试行）；定额按江西省水利厅赣水建管字(2006)242号颁发的江西省水利水电建筑工程概算定额（试行），江西省水利水电设备安装工程概算定额（试行），江西省水利水电工程施工机械台班费用定额（试行）。江西省建设厅赣建价20069号颁发的江西省市政工程消耗定额及单位估价表；限于时间和资料，只估算主体工程投资，不包括建设征地和移民安置部分投资、水土保持工程投资、环境保护投资等。 十、设计成果： 设计成果包括：说明书、计算书、设计图纸。 (一)