E江水利枢纽工程毕业设计指导书

毕业设计指导书

一、毕业设计一般说明

(一) 教学目的

毕业设计是学生函授期间最后的、总结性的重要教学环节，其目的是：

    1．巩固、加深、扩大学生所学的基本理论和专业知识，并使之系统化；

    2．培养学生运用所学的理论知识解决实际技术问题功能力，初步掌握设计原则、方法和步骤；

    3．培养学生具有正确的设计思想，树立严肃认真、实事求是和刻苦钻研的工作作风；

4．锻炼学生独立思考、独立工作的能力，并加强计算、绘图、编写说明书及使用规范、手册等技能训练。

(二)基本内容

毕业设计的题目是河川水利枢纽工程设计。以坝工为重点的设计应包括下列表1所列几个组成部分。

表1中组成部分II—V为毕业设计基本内容。要求学生在规定时间内独立完成。但考虑到教学计划的时间限制，如第一建筑物设计工作量较重，经指导教师同意后可免作第二主要建筑物设计。

 

表1  以坝工为重点的设计应包括的组成部分

 (三)设计成果

    毕业设计成果包括大图、说明书两部分，并附有计算书，具体要求如下：

1．设计大图内容与张数

表2  设计大图内容与张数

    

每个学生要求至少应有大图3~4张。绘图是一项重要的基本训练，学生必须通过毕业设计，使自己的制图能力有所提高。

    工程设计图是表达设计成果的主要方式。应力求做到表达正确、完整；图面布置匀称；比例尺选择适当；线条、字体、图中符号符合工程图的规定。以铅笔绘制，采用2号图幅，其高×宽为50×70（cm×cm）。

2．设计说明书与计算书

说明书是毕业设计的一项主要成果，编写说明书也是学生一项重要的基本训练。学生应按设计任务书所给的原始资料、基本数据，阐述自己的设计方案、考虑因素、计算原则和方法、设计成果等。说明书要求章节分明、条理清楚、文句通顺、字体端正，并恰当地使用插图及附表。表3为说明书的参考页数，平均约40~50页。

    计算书是说明书的附件，它应反映计算过程和成果。但在整理要求上可以较说明书稍低。

 

(四)时间分配

    为了使学生能按计划完成设计任务，在进行各阶段设计工作时，可参照表4建议的时间分配。

表3  说明书的参考页数

 

表4  （建议）时间分配表

 

(五)注意事项

    1．毕业设计是在教师指导下，由学生独立进行的。在设计过程中要注意培养学生独立工作的能力。学生和教师讨论设计问题时，应先提出自己的看法和意见，教师则加以启发引导，指出解决问题的途径，介绍必要的参考文献。

    2．为保证按时完成毕业设计工作，在各阶段设计开始时，学生应先了解本阶段设计任务和要求，详细考虑工作进行的步骤和方法。拟出设计提纲，有计划、有步骤地进行设计。同时，在完成每阶段设计时，应及时写好相应的说明书初稿和绘制设计底图。这样可以提高毕业设计的质量和提高整理设计成果的工作效率。

    3．在设计中，计算和理论分析固然是必要和重要的，但建筑物的选型与布置更是导致设计安全可靠、经济合理的关键，学生对此必须重视，提高论据，认真做好结构选型和结构布置的设计工作。

    4．指导教师对设计指导工作应事先有充分准备，定期对学生设计工作逐个地进行检查和指导，一般先听取学生汇报设计进展情况、存在问题以及下一步的打算，再针对具体问题进行指导。

    5．指导教师应对学生全面关心，严格要求。毕业设计过程中，要贯彻德、智、体全面发展的教育方针，加强政治思想工作，开展体育锻炼，注意劳逸结合。

    6．学生应认真对待设计基本资料，不得擅自增减或修改，如发现资料有问题，需要补充或修改时，必须征得指导教师的同意。所有原始资料和地形、地质图，学生要负责保存，不得遗失，待设计结束时，随成果交回。

 

二、设计各阶段要求

    设计阶段的具体要求与大致做法如下：

(一)了解任务书与熟悉、分析原始资料

    本阶段要求学生全面了解设计任务书，掌握设计意图，明确设计任务，初步熟悉河流的一般自然地理条件，河流及枢纽水文气象特征，枢纽任务，坝址及库区的地形、地质条件、当地建筑材料，对外交通以及经济概况等资料。通过对这些资料的分析，应对本工程设计和基本特征初步形成全面的概念。初步掌握自然条件、经济资料等对设计和施工有较大影响的主要方面和关键性问题，为以后各阶段的设计工作打下基础。

(二)洪水调节计算

    本阶段设计要求在给定正常高水位（或汛前限制水位）的条件下，按一拟定的调洪方式，用图解法或试算法确定防洪库容、设计（校核）洪水位与相应的下泄流量，为确定大坝高度和下游消能防冲措施提供设计依据。调洪演算必然要涉及泄洪建筑物和过水能力问题，因此必须注意与阶段IV、V中有关设计工作的配合，有时甚至需要交叉进行设计。一般可先拟定几组泄洪建筑物的孔口尺寸，进行调洪计算得出几组相应的上游洪水位和下泄流量，在满足防洪要求的前提下，经分析比较选定合理的设计方案。

(三)主要建筑物型式选择与水利枢纽布置

    本阶段是河川水利枢纽设计中一项极为重要而复杂的工作，对选定的坝型和枢纽布置方案，要作技术可能性和经济合理性的论证，一经决定，即基本上确定了水利枢纽的技术经济特性。毕业设计中，这一阶段工作，着重培养学生树立正确的设计思想和锻炼综合运用所学知识解决实际问题的能力，以及初步掌握水工设计中一项重要的工作方法——技术经济比较法。

    本阶段设计的具体内容如下：

    1．确定坝址、坝轴线，决定枢纽等别与组成建筑物的型式；

    2．通过对几种可能方案的定性分析，选定两个比较方案；

    3．进行比较方案的水工布置和粗略的施工设计，以确定各方案的主要技术经济指标；

    4．对各方案进行技术综合比较，选定最后方案。

    本阶段设计的深度、广度和工作量的大小，主要控制在对比较方案中技术经济指标的项目和精度要求上。比较方案主要是对不同坝型与枢纽布置而言。水电站厂房型式的选择，对坝工重点的学生可不做具体的分析比较，只须直接引用设计资料给定的型式和尺寸，确定其在枢纽中的相对位置。水利枢纽布置的确定，要与选择泄洪方式和坝型同时进行，视具体情况而定。

    技术经济指标项目，除了技术条件以外，一般应包括：主要工程项目的工程量、土建投资、主要建筑物材料用量，以及施工导流问题的合理解决等。在这一阶段中，水工设计的要求是正确地拟定两个比较方案中主要建筑物的基本型式、结构布置与轮廓尺寸，不必对建筑物进行具体设计，一般可参考已有工程或有关经验数据，择其条件相近者斟酌决定，必要时略加复核即可；对工程量、材料及投资等项目的计算，允许用粗略的方法估算；对施工设计，一般只须考虑导流方案，概略地说明施工程序，从施工角度论证方案的现实性和合理性。

    建筑物型式选择与水利枢纽布置要涉及很多因素，必须十分重视原始资料，一切决定都须以地形、地质、水文等条件为依据。注意克服主观片面，努力做到从实际出发，有的放矢。方案比较时，基础要一致。

(四)第一主要建筑物——拦河坝设计

    本阶段工作为毕业设计重点的深人部分，设计工作量与时间都占很大比重，但具体要求随坝型不同而不同，一般应首先决定大坝结构布置与构造，然后进行校核计算。

    对土石坝的具体设计要求如下：

    1．方案比较，选定坝的结构型式（防渗体与排水布置、土料分布等）；拟定坝基防渗处理的型式以及坝的主要尺寸（坝顶高程、坝顶宽度、上下游坝坡、防渗体尺寸等）。

    2．进行土料设计，包括对坝身不同高程的透水料与不透水料的分区规划布置以及压实标准的确定。

    3．渗流验算，计算正常、校核情况下的浸润线位置，确定总渗流量与逸出坡降，必要时对渗流变形作校核。有时要绘制坝或防渗体的渗透流网图。

    4．静力稳定计算，通过定性分析，选定上、下游坝坡稳定的计算情况。用折线法或圆弧滑动法求出上、下游坝坡，在某一危险水位情况下的最小稳定安全系数或接近最小稳定安全系数 值，以论证选用坝坡的合理性。

    5．拟定坝身构造，包括防渗、排水反滤层设备、坝顶、护坡、马道以及坝体与坝基、岸坡及其他建筑物的连接等。

 

(五)第二主要建筑物——坝外泄水道或坝内管道设计

    本阶段设计深度一般与第一主要建筑物有区别，一般包括下列设计内容：

    1．确定结构型式与主要尺寸，进行建筑总体布置。

    2．进行必要的水力计算（如泄流能力、水面曲线、下游消能等）和静力计算，以验证建筑物的轮廓尺寸和各部分的结构尺寸是否合理。

    3．拟定细部构造，包括排水、锚筋加固、灌浆等等。

 

毕业设计任务书

 

 

一、枢纽任务

本工程同时兼有防洪、发电、灌溉、渔业等综合作用。

1. 发电

装机   24  MW，多年平均发电量为   1.05  亿度。

本电站装  3  台  8  MW机组。正常蓄水位为  2821.4m，汛期限制水位可取与正常蓄水位相等，死水位为 2796.0 m， 3 台机组满发时的流量为  44.1 m3/s，尾水位为  2752.2  m。 

厂房型式为  引水式厂房 ，厂房平面尺寸为  32×13  m×m，发电机高程为 2760.0 m，尾水管底高程为 2748.0 m，厂房顶高程为 2772.0 m。副厂房平面尺寸为 36×6  m×m。开关站尺寸为 30×20  m×m。

2. 灌溉

增加保灌面积   10  万亩。

3. 防洪

可减轻洪水对下游城镇、厂矿和农村的威胁。根据防洪要求，设计洪水时最大下泄流量限制为  900  m3/s。

4. 渔业

正常蓄水位时，水库面积为 15.16 km2，为发展养殖业创造了有利条件。

5．其它

引水隧洞进口底高程为 2789.00 m，出口底高程为 2752.30 m；引水隧洞直径为 4 m，压力钢管直径为2.3 m，调压井直径为12.0m；放空洞直径为2.5m。可放空水库至水位2770.00m。

 

二、设计要求

在明确设计任务及对原始资料进行综合分析的基础上，要求：

1. 根据防洪要求，对水库进行洪水调节计算，确定坝顶高程及溢洪道尺寸；

2. 通过分析，对可能的方案进行比较，确定枢纽组成建筑物的型式、轮廓尺寸及水利枢纽布置方案；

3. 详细做出大坝设计，通过比较，确定大坝的基本剖面和轮廓尺寸，拟定地基处理方案与坝身构造，进行水力、静力计算；

4. 对  泄水建筑物 （待坝型选定后确定）进行设计，选择建筑物的型式及轮廓尺寸，确定布置方案；拟定细部构造，进行水力、静力计算。

5. 决定枢纽的施工导流方案，安排施工的控制性进度。

 

三、E江水利枢纽设计资料说明

(一) 流域概况

E江位于我国西南地区，流向自东南向西北，全长约122km，流域面积2558km2，在坝址以上流域面积为780km。

本流域大部分为山岭地带，山脉和盆地交错于其间，地形变化剧烈，流域内支流很多，但多为小的山区流河流，地表大部分为松软的沙岩、页岩、玄武岩及石灰岩的风化层，汛期河流的含沙量较大。冲积层较厚，两岸有崩塌现象。

本流域内因山脉连绵，交通不便，故居民较少，全区农田面积仅占总面积的20％，林木面积约占全区的30％，其种类有松、杉等。其余为荒山及草皮覆盖。

(二) 气候特性

1. 气温：年平均气温约为12.8℃，最高气温为30.5℃，发生在7月份，最低气温为－5.3℃，发生在1月份。各月平均气温见表1，平均温度的天数见表2。

表1  月平均气温统计表

 

表2  平均温度日数

 

2. 湿度：本区域气候特征是冬干夏湿，每年11月至次年和4月特别干燥，其相对湿度为51~73％之间，夏季因降雨日数较多，相对湿度随之增大，一般变化范围为67~86％。

3. 降水量：最大年降水量可达1213mm，最小为617mm，多年平均降水量为905mm。各月降雨天数见表3。

表3  各月降雨日数统计表

4. 风力及风向：一般1~4月风力较大，实测最大风速为19.1 m／s，相当于8级风力，风向为西北偏西。水库吹程为15km。

(三) 水文特性

E江径流的主要来源为降水，在此山区流域内无湖泊调节径流。根据实测短期水文气象资料研究，一般是每年五月底至六月初河水开始上涨，汛期开始，至十月以后洪水下降，则枯水期开始，直至次年五月。

E江洪水形状陡涨猛落，峰高而瘦，具有山区河流的特性，实测最大流量为700 m3/s，而最小流量为0.5 m3/s。

1．年日常径流：坝址附近水文站有实测资料8年，参考临近测站水文记录延长后有22年水文系列，多年年平均流量为17 m3/s。

2．洪峰流量：经频率分析，求得不同频率的洪峰流量如表4。各月不同频率的洪峰流量见表5。

表4  不同频率洪峰流量

 

表5  各月不同频率洪峰流量（单位：m3/s）

 

3．固体径流：E江为山区性河流，含沙量大小均随降水强度及降水量的大小而变化，平均含沙量达0.5kg/m3。枯水极少，河水清澈见底，初步估算30年后坝前淤积高程为2765m。

 

(四) 工程地质

1．水库地质：库区内出露的地层有石灰岩、玄武岩、火山角砾岩与凝灰岩等。经地质勘探认为库区渗漏问题不大，但水库蓄水后，两岸的坡积与残积等物质的坍岸是不可避免的，经过勘测，估计可能坍方量约为300万立米。在考虑水库淤积问题时可作为参考。

2．坝址地质：坝址位于E江中游地段的峡谷地带，河床比较平缓，坡降不太大，两岸高山耸立，构成高山深谷的地貌特征。

坝址区地层以玄武岩为主，间有少量火山角砾岩和凝灰岩穿过，对其岩性分述如下：

(1) 玄武岩：一般为深灰色、灰色、含有多量气孔，为绿泥石、石英等充填，成为杏仁状构造，并间或有方解石脉、石英脉等贯穿其中，这些小岩脉都是后来沿裂隙充填进来的。坚硬玄武岩应为不透水层，但因节理裂缝较发育，透水性也会随之增加，其矿物成份为普通辉石、检长石，副成分为绿泥石、石英、方解石等，由于玄武岩成分不甚一致，风化程度不同，力学性质也不同，可分为坚硬玄武岩、多气孔玄武岩、破碎玄武岩、软弱玄武岩、半风化玄武岩和全风化玄武岩等，其物理力学性质见表6和表7。

渗透性：经试验得出值为4.14~7.36米 /昼夜。

 

表6   坝基岩石物理力学性质试验表

表7  全风化玄武岩物理力学性质试验表

   

(2) 火山角砾岩：角砾为玄武岩，棱角往往不明显，直径为2~15cm，胶结物仍为玄武岩质，胶结紧密者抗压强度与坚硬玄武岩无异，其胶结程度较差者极限抗压强度低至35MPa。

(3) 凝灰岩：成土状或页片状，岩性软弱，与近似，风化后成为碎屑的混合物，遇水崩解，透水性很小。

(4) 河床冲积层：主要为卵砾石类土，砂质粘土与砂层均甚少，且多呈透镜体状，并有大漂石掺杂其中。卵砾石成分以玄武岩为主，石灰岩与砂岩占极少数。沿河谷内分布：坝基部分冲积层厚度最大为32m，一般为20m左右；靠岸边最少为几米。颗粒组成以卵砾石为主，砂粒和细小颗粒为数很少。卵石最小直径一般为10~100mm；砾石直径一般为2~10毫米；砂粒直径0.05~0.2mm；细小颗粒小于0.1mm。见表8。

冲积层的渗透性能：经抽水试验后得，渗透系数k值为3×10-2cm/s~

1×102 cm/s。

(5) 坡积层：在水库区及坝址区山麓地带均可见到，为经短距离搬运沉积后，形成粘土与碎石的混合物质。

3．地质构造

坝址附近无大的断层，但两岸露出的岩石，节理特别发育。可以分为两组，一组走向与岩层走向几乎一致，即北东方向，倾向西北；另一组的走向与岩层倾向大致相同。倾角一般都较大，近于垂直，裂隙清晰，且为钙质泥质物所充填。节理间距，密者0.5m即有一条，疏者3~5m即有一条，所以沿岸常见有岩块崩落的现象。上述节理主要在砂岩、泥灰岩与玄武岩之类的岩石内产生。

 

表8  冲积层剪力试验成果表

 

4．水文地质条件

本区地形高差大，表流占去大半，缺乏强烈透水层，故地下水不甚丰富，对工程比较有利。根据压水试验资料，玄武岩的透水性不同，裂隙少、坚硬完整的玄武岩为不透水层，其压水试验的单位吸水量小于0.01 l/(min•m)。夹于玄武岩中的凝灰岩，以及裂隙甚少的火山角砾岩都为不透水性良好的岩层。至于节理很发育的破碎玄武岩、半风化与全风化玄武岩都是透水性良好的岩层。正因为这些隔水的与透水的玄武岩存在，遂使玄武岩区产生许多互不连贯的地下水。一般砂岩也是细粒至微粒结构，除因构造节理裂隙较发育，上部裂隙水较多外，深处岩层因隔水层的层数多，难于形成泉水。石灰岩地区外围岩石多为不透水层，渗透问题也不存在。

(5) 本地区地震烈度定为7度，基岩与混凝土之间的摩擦系数取0.65。

(五) 建筑材料

1．料场的位置与储量

各料场的位置与储量见坝区地形图。由于河谷内地地形平坦，采运尚方便。

2．物理力学性质

(1) 土料：（见表9~表12）

(2) 石料：坚硬玄武岩可作为堆石坝石料，储量较丰富，在坝址附近有石料场一处，覆盖层浅，开采条件较好。

(六) 经济资料

1．库区经济

流域内都为农业人口，多种植稻米、玉米等。库区内尚未发现有价值可开采的矿产。淹没情况如下表。

表13  各高程淹没情况

 

2．交通运输

坝址下游120km处有铁路干线通过，已建成公路离坝址仅20km，因此交通尚称方便。

 

表9    粘土的物理力学性质