土石坝设计

郭庄水利枢纽设计任务书（附：指导书及设计资料）

题目：郭庄水利枢纽设计

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指导老师：

郭庄水利枢纽设计任务书

一、毕业设计的目的

1、总结学生在校期间的学习成果，使所学的理论知识得到巩固、扩大、深入和系统化。

2、培养综合运用所学知识，独立解决实际工程问题的能力，初步掌握水利工程设计的内容、方法和步骤。

3、训练和提高编写设计文件，进行各种计算和绘制水利工程图的能力和技巧。

4、提高独立钻研问题的能力，培养学生严肃认真，实事求是，刻苦钻研的工作作风。

二、毕业设计的任务：

题目：郭庄水利枢纽设计

本枢纽是以灌溉为主的综合利用水利工程，规划总库容为5030万m3，灌溉下游农田11万亩，水电站装机两台，总装机容量为2000千瓦，设计年发电300万度。

设计内容，根据所给水文、地形、地质等资料及水利经济计算成果，进行坝型选择和水利枢纽布置，主要建筑物设计和施工组织设计。

(一)坝型选择和水利枢纽布置

1、根据枢纽的任务和有关资料，确定枢纽建筑物的组成、工程等别及建筑物级别，选择大坝、溢洪道、灌溉引水洞及泄洪隧洞的轴线位置和电站的位置。

2、根据当地材料情况，选定坝型，拟定坝的断面尺寸及细部构造（坝顶高程、坝顶宽度、防浪墙尺寸，上下游边坡及马道，防渗设施、排水设备和护坡型式尺寸等）。

3、通过水力计算确定溢洪道的引水渠、控制段、泄槽、消能建筑物及尾水渠型式及主要尺寸。

4、根据运用要求，选择泄洪洞的型式，进出口高程，拟定进口建筑物及组成部分，洞身、出口段、消能建筑物和尾水渠的型式和尺寸。

根据以上成果及施工，运用条件和其他资料，通过必要的计算及定性分析，选定一个较好的枢纽布置方案。草绘枢纽布置图，待建筑物设计后，逐步完成选定方案的枢纽布置图。

(二)建筑物设计：

1、大坝：确定坝体布置及主要尺寸，拟定大坝结构，计算坝体渗流及坝坡稳定校核，做地基处理和细部构造设计。

2、泄洪洞：确定布置及主要尺寸，进行水力学计算，选择洞身某一代表性断面作结构设计，并做细部构造设计。

3、溢洪道：确定溢洪道各组成部分的型式、布置，作必要的水力计算，确定其主要尺寸拟定主要细部构造，泄槽边墙结构设计。

(三)施工组织设计（机动）

1、导截流设计

2、拟定主体工程施工方法及编制控制性进度计算

3、施工总布置

三、设计成果及要求

设计成果包括设计图纸及设计说明书，其要求如下：

(一)说明书（包含计算书内容），要求打印后装订成册

说明书按下述原则编写：

1、按章节叙述，要先拟好提纲，然后编写。

2、包括基本资料和基本数据。

3、说明设计标准、设计情况及依据。

4、阐述设计思想、原则及方法（包括所采用的基本理论及公式说明、采用条件及原因，以及考虑问题的条件及因素）。

5、对具体设计要说明设计的前提、设计原理、方法、主要过程及阶段成果，最后成果（不必把详细的计算内容、过程写入，成果尽量以表格形式给出）。

6、对成果的分析及结论。对成果一定要有分析论证和判断，给以评价、分析存在问题的原因和改进措施。

7、一律用A4纸打印，要求简要明确，文理通畅，字迹工整，问题阐述要概念明确，说理简明扼要，公式、数据注明来源，既有计算数据，又有分析论证，并绘制必要的插图和附表。

(二)设计图纸（提倡计算机绘图）

一律铅笔绘制或CAD图，要求制图规范正确，图面饱满，绘制清晰，比例适当，尺寸标注齐全。图幅尺寸、规格、图的比例、线条、标注高程、尺寸符号和说明等均按工程制图标准。

1、枢纽平面布置图

2、上游或下游立视图

3、坝体特征剖面图及部分平面放大图

4、溢洪道及隧洞平面布置图、纵剖面图及配筋图

5、细部构造图与结构断面图等

郭庄水利枢纽工程设计资料

一、枢纽概况及工程目的

郭庄水库位于王家河中游平阳县内，坝址位于郭庄村，距县城18km，控制流域面积160km2，占总流域面积的68%，流域为以安山岩为主的石山区，耕地所占比重极小还不到10%，流域内植被较好，植被度达70%以上，王家河干流全长41.8km，平均纵坡1/98.3。

本地区多年平均降雨量为950mm，但年内及年际的分配极为不均，多集中在雨季，7、8月份降雨量占全年降雨量的68%，多年平均径流深336mm，多年平均径流量5920万m3，根据实测暴雨资料，利用综合单位线，结合历史洪水调查推算求得坝址百年一遇洪水为2080m3/s，千年一遇洪水为2710m3/s，洪水特点是峰高而历时短，持续时间不到一天，主要集中在汛期发生。

王家河上目前尚无骨干水利工程，根据国民经济发展需要为解决灌溉、防洪等问题，有关单位对本工程进行了初步查勘和规划设计工作，选择并规定了本枢纽的任务与有关数据。

由于水量在年内及年际的分配极不平均，必须兴建控制性工程进行调节，使水资源得到充分利用。郭庄水库主要任务是调节水量，供平阳县的生活用水，以灌溉为主，结合引水发电、水面养殖、洪水错峰等，可得到综合利用的效果。水库总库容5030万m3，多年调节水库，在保证率75%的情况下，可灌溉王家河下游南岸农田11万亩，灌溉最大引水量10m3/s，由于来水较大，除利用灌溉用水发电外，还可利用丰水年的弃水发电，电站装机两台，总装机容量2000千瓦，全年可发电300万度，郭庄水库的修建可使五十年一遇的洪水洪峰流量由1840m3/s削减到1320m3/s，千年一遇洪水洪峰流量由2710m3/s削到1980m3/s，减轻下游洪水灾害。水库养鱼水面2130亩，库区淹没移民304户1550人，1590间房及土地赔偿1490亩，王平公路线10km，603通讯线路6km。

二、水文气象

1、年径流：王家河流域水量丰沛，年径流由年降雨产生，年径流在地区与时间上的分布与年降水基本一致。

年径流在年际间变化悬殊，郭庄水库实测资料1963~1982年20年资料中，丰水年1976年达1.34亿m3，枯水年1985仅1238万m3，相差1.2亿m3，约合10.8倍。且丰枯水年连续发生。多年平均径流量为5920万m3。

2、洪水：王家河洪水由暴雨形成，本地区暴雨历史短，强度大，地面坡度陡，洪峰陡涨陡落，一次洪水一般历时1~2天。

本流域洪水多发生在七、八两月，出现在七月占42%，出现在八月占58%，王家河多年平均6~9月洪量占年径流量的70%左右，一天洪量占六天洪量的80%以上，大水年尤为集中，如1972年最大三天洪量占年径流量达68%。

(1)根据暴雨分析计算算得各频率洪峰流量如下表：

(2)设计洪水过程线

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全流域属于季风大陆性气候，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨，年平均降水量约950毫米，且多集中在夏季的七、八两月。

流域多年平均气温为摄氏14℃，年最低气温－12℃，但延续时间不长，最高气温可达40℃，夏秋多东南风，冬春多北风。全年无霜期180天，结冰期约90天，河道一般十二月封冻，次年三月上旬解冻，冰厚0.2~0.5米，岸边可达1米。多年平均最大风速V max=12m/s，水库最大吹程：1.2km。温升率2.5摄氏度/时。

(1)水库年蒸发损失深度400mm，年渗损失深度500mm。

4

5、水库面积、容积与水位关系见附图

三、地形、地质

坝址处河谷较窄，宽约120m，坝基和两岸均为安山岩，所属时代为震旦纪岩层，风化较重，一般风化深1～3m，两岸岩石裸露，高出河床50～100m，河床部分基岩埋深一般5～15m，河床质为砂卵石，砂

卵石粒径一般为0.1～10cm，大的可达30cm，含中粗砂，基岩透水性不大。

坝址处东岸山坡高峻，岩体完整，风化作用较轻，西岸山坡相对低矮平缓，岩石风化较重河床东边宽度30m，中上部坡积层厚数米，下部为褐红粘土胶结的砂卵石厚10m，不含泥，基岩表面有较多的裂隙，情况不如东边，但仍是良好的地基，河床中部约90m范围内的砂卵石厚5～15m，内部夹有薄层灰色淤泥，使砂卵石的力学性质有所降低，下部基岩表层节理发育，钻探所得岩心多为碎块，风化层厚0.6～3.5m，但钻进中不漏浆，说明基岩透水性不大，河床中有垂直方向的断层，走向约为北45°东，属受挤压产生的，破碎带宽数米，裂隙闭合。

坝址处沿I――I轴线地形地质剖面图见附图2

该地区地震烈度为7度

安山岩物理力学性质指标如下：

重度26.5kN/m3，坚固系数8～10

单位弹性抗力系数60～80MPa

弹性模量1.6×104MPa

四、当地建筑材料

(一)土料

共有七个土料区，除林场在库区外，其余都在库区，各土料区的土料性质和储量详见下表：

(二)砂卵石

砂卵石分布在大坝上下游河滩，枯水季节河水位降低，上游在坝脚100m以外，1500m以内，平均取深1.5m，约45万m3，下游在坝脚100m以外，2000m以内取深1.2m，约40万m3，休止角经现场试验最小32°，最大40.7°

石料来源于溢洪道开挖的安山岩。坝体430m高程以上堆石粒径建议不小于300mm，小于300mm的用于上下游坝坡，430m高程以下，孔隙率不得超过30％。

(四)风化料

在左岸坝头有可供筑坝的风化片麻岩。储量68万m3，其自然休止角37.5°-39.1°，自然含水量9％。夯实后干重度平均达18.1KN/m3(铺厚25cm)。

(五)土石料的物理力学指标

根据现场和室内试验结果，筑坝土石料可按下表所列数据进行设计计算。

五、交通条件

对外交通计划新建从平阳县经郭庄村到达工地的公路，坝顶无交通要求。

六、施工条件

采用低围堰、底孔导流、分期施工的导流方法进行施工。各项施工辅助企业，仓库及生活等临建设施布置在坝址下游两岸。

七、效益（以1982年价格水平及费用标准计算）

水库建成后除了满足平阳县城市用水及王家河下游农业用水外，还可获得发电、防洪、养鱼等效益，总效益是显著的。

(1)灌溉效益

(2)

按平阳县总净产值中水的效益分摊系数以10%计，则每立方米水量的效益为0.50元/立米。

(3)防洪效益：

防洪效益按建库以后，在消峰、错峰过程中减少对王家河下游地区的洪水灾害计算，水库的年平均效益为44.16万元/年。

(4)发电效益：

以水电价格代替水电的效益按0.08元/度计算。

八、水利规划计算成果

淤积高程421.0m

死水位427.0m

正常蓄水位443.0m

设计洪水位（P=1%）450.0m，相应的泄量1470m3/s(溢洪道泄量1350m3/s，泄洪洞泄量120m3/s) 校核洪水位（P＝0.2%）451.0，最大泄量2095m3/s，(溢洪道泄量1950m3/s，泄洪洞泄量145m3/s) 正常蓄水位、设计洪水位时下游水位405m

校核洪水位时下游水位407m

郭庄水利枢纽设计指导书

一、了解任务书、熟悉和研究原始资料

全面了解设计任务，熟悉原始资料。经过对资料的了解、整理和分析，应达到对设计题目有一全面的概念，掌握自然条件及水利经济计算成果等对设计和施工有较大影响的主要因素和关键问题，分析它们对枢纽布置、建筑物设计、施工组织设计的影响，了解每一项资料在设计中的用处，把必需用的资料及分析所得结论写入说明书。

二、坝型选择及水利枢纽布置

本阶段是水利枢纽设计中一项重要工作，建筑物类型及枢纽布置的选定，在很大程度上决定了水利枢纽的技术经济特性及枢纽设计的合理性，此项设计是一项比较复杂的工作，涉及问题较多，必须用技术经济比较的方法较好地解决这些问题，本阶段的设计内容为：

1、确定枢纽的等别并根据枢纽的任务，确定枢纽组成建筑物及其级别。

2、根据地形、地质、水文条件，并考虑施工导流方案，确定建筑物之间的相互位置，进行枢纽布置方案，根据地形、地质等条件选定坝轴线，根据建筑材料性质、数量，提出可供选择的坝型，从运用、施工等条件进行比较，选定一种合适坝型。

3、根据地形、地质条件，选择溢洪道的轴线布置，确定溢洪道的轴线及型式，并绘纵剖面。

4、隧洞担负灌溉引水、发电、泄洪等任务，根据地形、地质，运用和施工条件，选择轴线、洞型、布置和进出口高程，消能方式，并拟定主要部分的尺寸。

5、根据地形、地质等条件，选择电站厂房位置。

三、建筑物设计

本阶段为重点内容，以大坝、溢洪道和隧洞设计为主，主要设计内容如下：

(一)大坝设计

1、土石坝断面设计，就选定的坝型，经分析论证确定最大断面尺寸，确定坝顶高程、坝顶宽度、上下游坝坡坡比、排水体型式和尺寸、坝基防渗措施。

2、渗流计算：根据本设计的建筑物尺寸，防渗设备类型和材料、坝下游排水设备等，用水力学法计算水库几种工况时坝体浸润线位置、单宽流量、及总渗流量（3种工况，至少3个剖面）。

3、稳定计算：分析稳定破坏型式，按设计规范要求，选择计算工况，如稳定渗流期，设计洪水位工况，不利水位情况等。对上下游坝坡进行稳定分析，计算并校核所拟断面的稳定性。要阐明目的、理由、公式、控制标准，并进行结果分析。

4、细部构造设计

要求根据一般经验并参照已建工程设计坝顶构造，上下游护坡、排水设备型式及尺寸，反滤层，齿墙，截水槽等。

5、坝与地基及两岸的连接处理等。

(二)溢洪道设计

1、工程布置：根据地形、地质运用等条件，拟定溢洪道型式，进口高程。

2、水力计算：核算泄流能力，确定溢洪道断面尺寸，进行消能计算。

3、构造拟定：参考已建工程拟定泄槽衬砌型式及各部细部构造。

4、泄水槽边墙结构设计

(三)隧洞设计

1、工程布置：确定泄洪洞布置型式及进口高程，选定进口建筑物型式，并参照已建工程拟定结构型式及主要尺寸。

2、水力计算：根据拟定的隧洞型式及泄流要求，计算确定洞径，验算泄流能力，绘制库水位与泄流量关系曲线，计算洞身压坡线，出口消能方式选择及消能计算。

3、洞身结构计算（选择洞身代表性部分进行断面结构计算），确定荷载组合，选定衬砌型式，尺寸及有关数据，计算各种作用荷载及各荷载作用下引起的内力，按荷载组合情况进行内力组合，进行配筋并作抗裂校核。绘出所计算断面的配筋图。

4、细部构造设计：参照已建工程拟定进出口及洞身细部构造如分缝、灌浆孔、排水等。

四、施工组织设计(选作)

(一)施工条件分析

1、说明工程地理位置、河系、地形、地质条件、所在地区水文气象特征，当地建筑材料估量及分布，机械和动力供应，劳动力供应及交通运输状况，着重分析对施工组织有影响的资料。避免与水工设计部分的重复。

2、根据水文、气象特征，应计算一年内（扣除法定节假日及降雨天气）分月有效的施工天数，其中

3

分部分项计算土坝、溢洪道、导流洞、灌溉洞、发电洞、泄洪洞的工程量，绘制土坝高程～体积累计土方曲线。

(二)施工导流及施工渡汛

选择导流方案，导流时段，导流标准，确定施工分期和施工顺序，推算围堰高程拟定围堰截流日期及截流流量，简述截流方式及过程。在采用坝体拦洪进行施工时，应进行调洪演算，确定拦洪高程，其洪水过程线标准按规定频率选用，必要时可修筑临时断面渡汛。

(三)施工总布置

主要考虑截流前后时的总布置，应根据布置原则及有关计算方法，先确定料场，仓库、辅助企业及临时房屋等，占地面积布置时应先确定对处交通线与场内路线交叉点，场内交通优先考虑土料运输路线及其它必要的交通路线，具体按生产工艺、流程进行布置，使之有利生产，便于管理、方便生活。

辅助企业包括汽车、基地、修配厂、骨料厂混凝土拌合站、钢筋厂、木料加工厂及风水电供应。

总布置应绘于1：1000地形图上，并论述其合理性。

毕业设计注意事项

（1）毕业设计是在教师的指导下，由学生独立进行的，在设计过程中，要师生合作，教师有意识地，学生自觉主动地，注意培养独立工作的能力；

（2）学生和教师研究问题时，应在自己充分研究的基础上，事先提出自己的看法和意见，不能请老师代作决定。教师只向学生提出启发性的问题，指出解决问题的途径，工作方向，介绍参考文献或提出建议等，学生应充分发挥自己动手、动脑潜力；

（3）辅导按规定时间在设计室内进行，对每一阶段性任务，辅导时先由学生汇报工作情况，计划执行情况，存在问题以及下一步工作设想，再由教师对学生的设计工作，每周进行1~2次检查，其中设计能力、钻研精神、阶段性成果、工作表现，累加计入毕业设计总成绩。

（4）所发给的原始资料和图纸，学生要负责保存，不能遗失。设计结束时，须全部随成果交回。

（5）说明书编写形式

封面→个人任务书→评语→摘要、关键词（中、英文）→目录→正文→结束语→致谢→参考文献→附件→封底

毕业设计参考资料

1、土石坝设计规范水利出版社；

2、水工建筑物抗震设计规范DL5073-20 电力出版社；

3、水利水电枢纽工程等级划分设计标准SL252-2000；

4、水工钢筋混凝土结构设计规范SL/T191-96；

5、水工钢闸门

6、水利计算手册，武汉水院水力学教研室，水电出版社；

7、水工设计手册水电出版社；

8、水工建筑物教材，天津大学（第二版）水电出版社；

9、水工建筑物教材黄河水利水利出版社

10、水力学

11、土坝设计（上、下册）水电部五局、东北院

12、水利水电工程制图水利部

13、枢纽布置及坝型选择（毕业设计参考资料）

14、土力学（钱家欢）河海大学出版社

15、水利水电枢纽工程等级划分及设计标准水利电力出版社

16、水利工程施工成都、武汉水院

某土石坝枢纽设计说明书章节目录

第一章总述

第一节概况

枢纽在国民经济中的意义，枢纽的位置与任务，枢纽地区及流域的自然社会经济条件。第二节基本资料

坝址水文资料：枢纽及库区地形地质条件，建筑材料、水库规划及水利动能指标。

第三节工程综合说明

说明工程规模，建筑物组成，主要技术经济指标（见附表一）

第二章枢纽布置

第一节枢纽组成及建筑物级别

第二节建筑物类型及枢纽布置方案比较及选定

第三章土坝设计

第一节坝型选择

第二节地基处理及断面拟定

第三节渗流计算

第四节稳定分析

第五节细部构造

第四章溢洪道设计

第一节线路及型式选择（溢洪道布置）

第二节水力计算

第三节结构计算

第四节细部构造

第五章隧洞设计

第一节隧洞的布置

第二节水力计算

第三节衬砌结构计算

第四节细部构造

第六章施工组织设计

第一节施工条件分析

第二节施工导流

第三节施工方法选择与进度计划

第四节施工总体布置

第五节工程概算（不做）

第七章设计总结及存在问题