水利水电工程施工课程设计

一、基本资料

大渡河上某水电工程采用单戗立堵进占，河床的剖面图见图1。戗堤处水位~流量关系见表1和图2。戗堤端部边坡系数n1，截流戗堤两侧的边坡为1:1.5。截流材料采用当地的中粒黑云二长花岗岩，容重为26KN/m3。该工程采用左右岸各布置一条导流洞导流，左、右导流隧洞联合泄流的上游水位和泄流流量关系见表2和图3。

图1：河床剖面图

表1 坝址处天然水位~流量关系 流 量（m3/s） 水位（m） 250 952.15 317 952.71 410 953.48 500 954.00 1000 955.87 坝址处天然水位-流量关系956水位-流量955.5955954.5水位(m) 954953.5953952.5952 200300400500600流量m3/s7008009001000 图2：坝址处天然水位~流量关系曲线

表2 上游水位~导流隧洞泄流量关系

泄流流量（m3/s） 上游水位（m）

作图如下

上游水位~导流隧洞泄流量关系966水位-流量964 0 953.00 150 955.40 300 957.03 410 958.00 800 960.66 1400 964.12 962上游水位(m)960958956954952 0200400600800100012001400泄流流量m3/s 图3：上游水位~导流隧洞泄流量关系曲线

每位同学按不同的设计流量进行无护底情况下截流水力计算，并确定相应的截流设计方案。按以下公式确定截流设计流量Q(3002学号的最后两位)m/s，计算时不考虑戗堤渗透流量和上游槽蓄流量。

截流设计是施工导流设计重要组成部分，其设计过程比较复杂，目前我国水利水电工程截流多采用立堵截流，本次设计按立堵截流设计，有多种设计方法。其设计分为：截流水力计算、截流水力分区和备料量设计。

截流设计流量的确定，通常按频率法确定，也即根据已选定的截流时段，采用该时段内一定频率的某种特征流量值作为设计流量。一般地，多采用截流时段5%～10％的月平均或者旬平均流量作为设计标准。

截流的水力计算中龙口流速的确定一般采用图解法（详细见《水利工程施工》P39~42），以下对于图解法及图解法的量化法，三曲线法做如下介绍。

3二、截流的水力计算

1、计算下游水位H下、戗堤高度HB、戗堤水深H0

3由Q030028316m/s，根据戗堤处水位~流量关系曲线，由内插法可知，

H下953.28m;

安全超高1.0m

由Q0Q,H上957.79m，HBH上1.0mH底8m；

H0ZH下H底2.28mZ.

2、根据已知的泄流量Qd与上游水位H上关系绘制Qd~Z曲线

泄流量Qd(m3/s) 150.00 955.40 2.12 300.00 410.00 800.00 957.03 958.00 960.66 3.75 4.72 7.38 1400.00 964.12 10.84 上游水位H上(m) 上下游落差Z(m) 作图如下

上下游落差-泄流量1400落差-流量1200 1000泄流流量m3/s8006004002000 234567上下游落差(m)891011图4：龙口泄水曲线Q~Z

由龙口泄水能力计算按照宽顶堰公式计算：

1.5 QmB2gH0式中 m——流量系数

当

ZZZ1，为淹没流，m1 H03HH00Z1，为非淹没流，m0.385 H03当

B——龙口平均过水宽度

梯形断面：BB2nHBnH0 三角形断面：BnH0

H0——龙口上游水头

梯形断面：

H0Z上Z底

三角形断面：H0Z上Z底nHB0.5Bn

其中

Z——龙口上下游水位差

HB——戗堤高度

n——戗堤端部边坡系数，取n1.0 Z上——龙口上游水位 Z底——河道底板高程

由连续方程可得龙口流速计算公式为 ： 淹没流时：hhs 式中

Q- Bhhs——龙口底板以上的下游水深

非淹没流时：hhc 式中

hc——龙口断面的临界水深

I即淹没出流时：

①对于梯形断面： hhs ②对三角形断面：hhsII非淹没出流时：

①对于梯形断面：hhc

nHB0.5B。

n2Q2②对三角形断面：hc５2；

ng以下以假设戗堤顶部B为下列数值时为例，演算B~Q~Z曲线的过程，河床底部无护底。

B=40m流量落差计算表

B(m) Z(m) 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 H0(m) 2.78 3.28 3.78 4.28 4.78 5.28 5.78 6.28 6.78 7.28 7.78 8.28 8.78 Z/H0 0.18 0.30 0.40 0.47 0.52 0.57 0.61 0.64 0.66 0.69 0.71 0.72 0.74 m 0.348 0.383 0.385 0.385 0.385 0.385 0.385 0.385 0.385 0.385 0.385 0.385 0.385 B 26.78 27.28 27.78 28.28 28.78 29.28 29.78 30.28 30.78 31.28 31.78 32.28 32.78 Q(m3/s) 191.34 274.92 348.16 427.03 512.91 605.80 705.71 812.65 926.67 1047.79 1176.07 1311.56 1454.32 40

B=35m流量落差计算表

B(m) Z(m) 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 H0(m) 2.78 3.28 3.78 4.28 4.78 5.28 5.78 6.28 6.78 Z/H0 0.18 0.30 0.40 0.47 0.52 0.57 0.61 0.64 0.66 m 0.35 0.38 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 B 21.78 22.28 22.78 23.28 23.78 24.28 24.78 25.28 25.78 Q(m3/s) 155.63 225.15 285.66 351.71 424.00 502.56 587.45 678.71 776.40 35 5 5.5 6 6.5 7.28 7.78 8.28 8.78 0.69 0.71 0.72 0.74

0.39 0.39 0.39 0.39 26.28 26.78 27.28 27.78 880.58 991.33 1108.72 1232.82 B=30m流量落差计算表

B(m) Z(m) 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 H0(m) 2.78 3.28 3.78 4.28 4.78 5.28 5.78 6.28 6.78 7.28 7.78 8.28 8.78 Z/H0 0.18 0.30 0.40 0.47 0.52 0.57 0.61 0.64 0.66 0.69 0.71 0.72 0.74

m 0.35 0.38 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 B 16.78 17.28 17.78 18.28 18.78 19.28 19.78 20.28 20.78 21.28 21.78 22.28 22.78 Q(m3/s) 119.91 174.62 222.96 276.17 334.85 399.08 468.92 544.48 625.82 713.05 806.25 905.52 1010.94 30 B=25m流量落差计算表

B(m) Z(m) 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 0.5 H0(m) 2.78 3.28 3.78 4.28 4.78 5.28 5.78 6.28 6.78 7.28 7.78 8.28 2.78 Z/H0 0.18 0.30 0.40 0.47 0.52 0.57 0.61 0.64 0.66 0.69 0.71 0.72 0.18

m 0.35 0.38 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.35 B 11.78 12.28 12.78 13.28 13.78 14.28 14.78 15.28 15.78 16.28 16.78 17.28 11.78 Q(m3/s) 84.18 124.10 160.27 200.64 245.71 295.59 350.40 410.25 475.25 545.52 621.17 702.32 84.18 25 B=20m流量落差计算表

B(m) Z(m) 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 H0(m) 2.78 3.28 3.78 4.28 4.78 5.28 5.78 6.28 6.78 7.28 7.78 8.28 8.78 Z/H0 0.18 0.30 0.40 0.47 0.52 0.57 0.61 0.64 0.66 0.69 0.71 0.72 0.74

m 0.35 0.38 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 B 6.78 7.28 7.78 8.28 8.78 9.28 9.78 10.28 10.78 11.28 11.78 12.28 12.78 Q(m3/s) 48.45 73.58 97.57 125.10 156.56 192.10 231.87 276.01 324.68 377.99 436.09 499.12 567.18 20 B=16m流量落差计算表

B(m) Z(m) 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 H0(m) 2.78 3.28 3.78 4.28 4.78 5.28 5.78 6.28 6.78 7.28 7.78 8.28 8.78 Z/H0 0.18 0.30 0.40 0.47 0.52 0.57 0.61 0.64 0.66 0.69 0.71 0.72 0.74

m 0.35 0.38 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 B 2.78 3.28 3.78 4.28 4.78 5.28 5.78 6.28 6.78 7.28 7.78 8.28 8.78 Q(m3/s) 19.87 33.16 47.41 64.68 85.25 109.31 137.05 168.63 204.22 243.97 288.03 336.55 389.68 16 B=10m流量落差计算表

B(m) Z(m) 1 1.5 2 2.5 H0(m) 0.28 0.78 1.28 1.78 Z/H0 3.56 1.92 1.56 1.40 m 0.39 0.39 0.39 0.39 B 0.28 0.78 1.28 1.78 Q(m3/s) 0.07 0.92 3.17 7.22 10 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 2.28 2.78 3.28 3.78 4.28 4.78 5.28 5.78 1.32 1.26 1.22 1.19 1.17 1.15 1.14 1.12

0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 2.28 2.78 3.28 3.78 4.28 4.78 5.28 5.78 13.40 22.00 33.26 47.41 64.68 85.25 109.31 137.05 B=5m流量落差计算表

B(m) Z(m) 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 H0(m) 0.28 0.78 1.28 1.78 2.28 2.78 3.28 Z/H0 12.44 5.12 3.51 2.81 2.41 2.16 1.98 m 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 0.39 B 0.28 0.78 1.28 1.78 2.28 2.78 3.28 Q(m3/s) 0.07 0.92 3.17 7.22 13.40 22.00 33.26 5 作Q~Z 曲线如下

上下游落差-泄流量1500B=40mB=35mB=30mB=25mB=20mB=16mB=10mB=5m 60501000泄流流量m3/s403050020100 012345上下游落差(m)678 图5：Q~Z曲线

4、绘制B~Q~Qd曲线如下

图6：B~Q~Qd曲线

5、由CAD图，可知交点处相应的Q、Z，并判断流态和求水深h、流速v，并作Z~V、B~V图，列表如下： B(m) Q(m3/s) Z(m) B(m) h(m) V(m/s) 40 35 30 25 20 16 10 5 作图如下

296.83 278.41 255.54 223.54 179.90 129.96 40.31 3.69 1.15 1.44 1.81 2.25 2.73 3.27 4.15 4.47 27.43 22.72 18.09 13.54 9.01 5.55 6.43 6.76 2.29 2.48 2.73 3.03 3.44 3.82 3.19 1.23 4.73 4.93 5.17 5.45 5.81 6.12 1.96 0.45 流态 梯形非淹没流 梯形非淹没流 梯形非淹没流 梯形非淹没流 梯形非淹没流 三角形非淹没流 三角形非淹没流 三角形非淹没流 戗堤顶部宽度-泄流量7B-V6 5泄流量m3/s43210 510152025戗堤顶部宽度(m)303540 图7：B~V曲线

落差-泄流量7Z-V6 5泄流量m3/s43210 11.522.53落差(m)3.544.5 图6：Z~V曲线

6、由Vk2gsd，确定块体粒径d； 式中

V——石块的极限抗冲流速； d——石块化引为球形时的粒径； K——综合稳定系数，取0.9； ——水容重，取10.

s——石块容重，取26.

具体计算如下表：

B(m) 40 35 30 25 20 16 10 5 作图如下 Z(m) 1.15 1.44 1.81 2.25 2.73 3.27 4.15 4.47 V(m/s) 4.73 4.93 5.17 5.45 5.81 6.12 1.96 0.45 d(m) 0.84 0.92 1.01 1.12 1.27 1.41 0.14 0.01 戗堤顶部宽度-块体粒径1.5Z-d 1块体粒径0.50 510152025戗堤顶部宽度(m)303540 图6：Z~d曲线

7、选择截流材料

当B>25m时，选用5t重大块石、大石串或钢筋石笼，为I区； 当16m8、截流设计方案图。 见附图。

9、截流戗堤宽度

为满足可使3辆自卸汽车同时工作，自卸汽车宽度为3.5m左右，安全间距1m，所以取戗堤宽度为15m。