水利工程施工截流课程设计说明书

姓名：坏痞乖男

日期：2017年2月19日

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目录

1、课程设计目的 ............................................................................................................................. 3 2 基本资料....................................................................................................................................... 3 3、截流的水力计算 ......................................................................................................................... 5

3.1计算步骤............................................................................................................................. 5

3.1.1计算下游水位

H下 .................................................................................................. 5

3.1.2戗堤顶部高程的确定 .............................................................................................. 5 3.1.3戗堤高度、顶长与顶宽 .......................................................................................... 5 3.2截流过程分析与水力计算 ................................................................................................. 7 3.3合龙设计流量组成 ............................................................................................................. 8 3.4 图解法................................................................................................................................ 9 4.流态判别...................................................................................................................................... 13

4.1求水深............................................................................................................................... 13 4.2求断面平均流速 ............................................................................................................... 14 5截流过程的水力参数及抛投料的计算 ...................................................................................... 15

5.1计算截流过程水力参数 ................................................................................................... 15 5.2抛投料的计算 ................................................................................................................... 16 5.2抛投料尺寸的计算 ........................................................................................................... 16 5.3抛投量计算 ....................................................................................................................... 17

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《水利工程施工》课程设计说明书

1、课程设计目的

课程设计的主要目的是巩固和掌握课堂所学知识，培养学生运用本课程的知识解决实际问题的能力。本次课程设计的主要内容是水利水电工程施工截流设计。

2 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=1.2，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。该工程坝址处天然水位~流量关系见表1，施工导流采用左、右岸各布置一条导流隧洞导流，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

3流 量（m/s） 250 317 410 500 1000 3

水位（m） 952.15 952.71 953.48 954.00 955.87

956.5 956 955.5 955 954.5 954 高程（m） 953.5 953 952.5 952 951.5 0 200 400 600 流量（m3/s） 800 1000 1200

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（m/s） 上游水位（m） 30 953.00 150 955.40 300 957.03 410 958.00 800 960.66 1400 964.12

966 964 962 960 上游水位（m） 958 956 954 952 0 500 31000 1500 流量（m/s) 图3 上游水位—导流隧洞泄流量关系曲线

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3、截流的水力计算

截流设计是施工导流设计重要组成部分，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。其设计内容分为：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10%～20％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，截流水力计算如下。

3.1计算步骤

3.1.1计算下游水位

H下

3 截流设计流量Q0(2703*1)273m/s，计算时不考虑戗堤渗透流量和

上游槽蓄流量。根据坝址处天然水位与流量关系曲线，由内插法可知,

H下952.34m

3.1.2戗堤顶部高程的确定

截流设计流量为273m3/s，对上游水位~导流隧洞泄流量关系曲线使用内插法，可得设计流量对应水位高程为956.74m，故取戗基高程为957m。

3.1.3戗堤高度、顶长与顶宽

截流戗堤处河床底部高程为951m，可求得戗堤的设计高度为7m。若取河谷两侧坡比为1:1，由河谷在高程957m处宽度为46.9m，可求得戗堤顶部长为48.9m，计算时按约为49m进行计算，戗堤宽度取20m。通过对表3进行表上作业，可得分流流量与上游水位关系曲线与龙口泄水曲线如图4和图5所示。

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表3 水位与下泄流量跟龙口流量的关系 上游水位（m） 953 953.5 954 954.5 955 955.4 955.5 956 956.5 956.74 设计流量(m3/s) 273 273 273 273 273 273 273 273 273 273 下泄流量（m3/s）Qd 0.00 31.25 62.50 93.75 125.00 150.00 159.20 205.21 251.23 273.00 龙口流量Qg 273.00 241.75 210.50 179.25 148.00 123.00 113.80 67.79 21.77 0.00 Qd—Z上游水位（m）9579569559549539520.0050.00100.00150.00200.00250.00300.00下泄流量（m3/s） 图4 上游水位与下泄流量关系曲线

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Qg—Z上游水位9579569559549539520.0050.00100.00150.00200.00250.00300.00龙口流量 图5 上游水位—龙口流量关系曲线

3.2截流过程分析与水力计算

随着戗堤进占，河床断面不断束窄，上下游落差亦逐渐增大，其断面及流态变化过程如下：1）梯形淹没流 2）梯形非淹没流 3）三角形淹没流 4）三角形非淹没流

梯形断面与三角形断面的分界点的确定：HB958-9517m，即当龙口宽度大于14m时为梯形断面，当龙口宽度小于14m时为三角形断面。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

Z1ZZ，为淹没流，m1 H03H0H0Z1，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

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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：hs——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

Q- BhnHB0.5B。

n2Q2②对三角形断面：hc５2；

ng

3.3合龙设计流量组成

一般情况下，截流设计流量Q0由四部分组成：

Q0QQdQsQac

式中，Q——龙口流量；

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Qd——分流量（分流建筑物中通过的流量）； Qs——戗堤渗透流量；

Qac——上游河槽中的调蓄流量。

由于不考虑戗堤渗透流量和上游槽蓄流量，则有：Q0QQd。 联立上述方程：即可得到龙口处水力参数变化规律。

3.4 图解法

分别取定龙口宽度为B=6.5m，11.5m，16.5m，21.5m，26.5m，31.5m，36.5m，41.5m，46.5m时不同上游水位下的龙口泄流量和隧洞分流量。由截流设计流量358m3/s，坝址处天然水位—流量关系曲线内插得设计流量下的坝址处天然水位为952.34m，设计中截流设计流量为定值，故认为下游水位不变。龙口泄流量计算结果见附录（附表4到附表12）。

表4 B=46.5m流量落差计算表

B Z 0 0.5 1 1.5 46.5 2 2.5 3 3.5 4 H0 1.34 1.84 2.34 2.84 3.34 3.84 4.34 4.84 5.34 Z/H0 0.00 0.27 0.43 0.53 0.60 0.65 0.69 0.72 0.75 m 0.000 0.380 0.385 0.385 0.385 0.385 0.385 0.385 0.385 B 31.308 31.308 31.572 31.972 32.372 32.773 33.173 33.573 33.973 Qg 0.00 131.33 192.63 260.82 336.81 420.34 511.21 609.32 714.55

表5 B=41.5m流量落差计算表 B Z 0 0.5 41.5 1 1.5 2 2.5

H0 1.34 1.84 2.34 3.84 3.34 3.84 Z/H0 0 0.27 0.43 0.39 0.60 0.65 9

m 0.000 0.380 0.385 0.385 0.385 0.385 B 26.608 26.608 26.608 27.808 26.608 26.608 Qg 0.00 111.62 162.34 356.66 276.83 341.27 3 3.5 4 4.34 4.84 5.34 0.69 0.72 0.75 0.385 0.385 0.385 26.608 26.608 26.608 410.05 482.91 559.65

表6 B=36.5m流量落差计算表

B Z 0 0.5 1 1.5 36.5 2 2.5 3 3.5 4 H0 1.34 1.84 2.34 2.84 3.34 4.84 4.34 4.84 5.34 Z/H0 0.00 0.27 0.43 0.53 0.60 0.52 0.69 0.72 0.75 m 0 0.38 0.385 0.385 0.385 0.385 0.385 0.385 0.385 B 21.31 21.31 21.57 21.97 22.37 23.57 23.17 23.57 23.97 Qg 0.00 89.38 131.62 179.24 232.77 427.82 357.11 427.82 504.22

表7 B=31.5m流量落差计算表 B Z 0 0.5 1 1.5 31.5 2 2.5 3 3.5 4 H0 1.34 1.84 2.34 2.84 3.34 3.84 4.34 4.84 5.34 Z/H0 0.00 0.27 0.43 0.53 0.60 0.65 0.69 0.72 0.75

表8 B=26.5m流量落差计算表

B Z 0 0.5 26.5 1 1.5 2 H0 1.34 1.84 2.34 2.84 3.34 Z/H0 0.00 0.27 0.43 0.53 0.60 m 0.000 0.380 0.385 0.385 0.385 B 11.31 11.31 11.57 11.97 12.37 Qg 0.00 47.44 70.60 97.67 128.73 m 0.000 0.380 0.385 0.385 0.385 0.385 0.385 0.385 0.385 B 16.31 16.31 16.57 16.97 17.37 17.77 18.17 18.57 18.97 Qg 0.00 68.41 101.11 138.46 180.75 227.95 280.05 337.08 399.05 10

2.5 3 3.5 4 3.84 4.34 4.84 5.34 0.65 0.69 0.72 0.75 0.385 0.385 0.385 0.385 12.77 13.17 13.57 13.97 163.82 203.00 246.33 293.89

表9 B=21.5m流量落差计算表 B Z 0 0.5 1 1.5 21.5 2 2.5 3 3.5 4 H0 1.34 1.84 2.34 2.84 3.34 3.84 4.34 4.84 5.34 Z/H0 0.00 0.27 0.43 0.53 0.60 0.65 0.69 0.72 0.75

表10 B=16.5m流量落差计算表 B Z 0 0.5 1 1.5 16.5 2 2.5 3 3.5 4 H0 1.215 1.715 2.215 2.715 3.215 3.715 4.215 4.715 5.215 Z/H0 0.00 0.29 0.45 0.55 0.62 0.67 0.71 0.74 0.77 m 0.000 0.383 0.385 0.385 0.385 0.385 0.385 0.385 0.385 B 1.608 1.608 2.233 2.737 3.241 3.745 4.249 4.753 5.257 Qg 0.000 6.116 12.547 20.870 31.846 45.708 62.675 82.947 106.717 m 0.000 0.380 0.385 0.385 0.385 0.385 0.385 0.385 0.385 B 6.31 6.31 6.57 6.97 7.37 7.77 8.17 8.57 8.97 Qg 0.00 26.46 40.10 56.88 76.70 99.69 125.95 155.59 188.72

表11 B=11.5m流量落差计算表

B Z 1 11.5 1.5 2 2.5 H0 0.132 0.632 1.132 1.632 Z/H0 7.595 2.375 1.767 1.532 m 0.385 0.385 0.385 0.385 B 0.133 0.637 1.141 1.645 Qg 0.011 0.545 2.341 5.844 11

3 3.5 4 4.5 2.132 2.632 3.132 3.632 1.407 1.330 1.277 1.239 0.385 0.385 0.385 0.385 2.149 2.653 3.157 3.661 11.400 19.305 29.822 43.188

表12 B=6.5m流量落差计算表 B Z 3 6.5 3.5 4 4.5 H0 0.048 0.548 1.048 1.548 Z/H0 62.069 6.383 3.816 2.906 m 0.385 0.385 0.385 0.385 B 0.049 0.553 1.057 1.561 Qg 0.001 0.383 1.934 5.126

由计算结果绘制不同宽度时上游水位与龙口泄流量关系曲线和龙口泄流量与上游水位关系曲线，曲线交点即为龙口在各宽度时的上游水位和泄流量，如下：

957.5957956.5956955.5955954.5954953.5953952.59520.00200.00400.00600.00800.00B=46.5B=41.5B=36.5B=31.5B=26.5B=21.5B=16.5B=11.5B=6.5Q Z 图6:龙口流量与上游水位的关系

从上图可看出，当戗堤宽度较大时，上游水位较低，龙口泄流量较大。随着龙口宽度减小，上游水位逐渐增高，龙口泄流量逐渐减小。当龙口宽度为0时，上游来流全部经由导流隧洞泄流。

根据图表数据求出各交点，结果见下表：

龙口宽度B 46.5 41.5

龙口泄流量Qd 233.5 222.3 12

上游水位H 953.63 953.81 36.5 31.5 26.5 21.5 16.5 11.5 6.5 204.8 185.8 160.5 126.4 82.7 31 4.13 表13 不同龙口宽度下的上游水位和龙口泄流量

954.09 954.4 954.8 955.35 955.84 956.4 956.69

由上表中可看出，当龙口宽度为46.5m时，龙口泄流量小于设计流量，这是因为在截流水力计算中没有考虑戗堤的渗流和上游河床的调蓄流量，实际情况应当是龙口宽度为0时导流隧洞泄流量小于设计流量358m3/s。

4.流态判别 4.1求水深

由表13中计算结果，判断不同宽度下水流流态及堰流类型，并求相应龙口断面水深。计算表及结果见下表：

表14 不同宽度下的流态及水深

B 46.5 41.5 36.5 31.5 26.5 21.5 16.5 11.5 6.5 Z 1.29 1.47 1.75 2.06 2.46 3.01 3.5 4.06 4.35 H0 2.63 2.81 3.09 3.4 3.8 4.35 4.72 3.19 1.40 Z/H0 0.49 0.52 0.57 0.61 0.65 0.69 0.74 1.27 3.11 液态 非淹没流 非淹没流 非淹没流 非淹没流 非淹没流 非淹没流 非淹没流 非淹没流 非淹没流 断面类型 梯形 梯形 梯形 梯形 梯形 梯形 三角形 三角形 三角形 h 1.754 1.874 2.060 2.267 2.534 2.901 3.961 2.681 1.175

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4.2求断面平均流速

导截流工程中确定材料用料及用量时首先要计算戗堤龙口处的断面流速，龙口流速计算公式为：

vQ Bh式中，h为龙口计算断面水深，根据设计截流方法、断面类型、出流类型根据规范求得。

B为过水断面平均宽度，按如下方法计算。

当断面为梯形时，BB2nHBnH0，H0Z上Z堰 当断面为三角形是，BnH0，H0Z上Z堰(nHB0.5B)/n

HB为戗堤高度（7m），n为戗堤端部边坡系数（n取1.0）。

（1）梯形断面淹没流，hhs，由于进占过程中，龙口底部高程不变，hs为常数。

（2）梯形断面非淹没流，hhc，hc按下式计算，

Q2(Bnhc)gBh33c1

式中，n——戗堤端部边坡系数；

——计算断面动能修正系数，常取1.0计算。

按上式计算hc需要进行试算。有时为了简化计算，常用矩形断面临界水深代替梯形断面临界水深，此时

hc3（3）三角形断面淹没流，hhs hs（4）三角形断面非淹没流，hhc

B nQ2gB2

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2Q25 hc(2)

ng表15 戗堤各宽度下龙口流速

龙口宽度B 46.5 41.5 36.5 31.5 26.5 21.5 16.5 11.5 6.5 龙口泄流量Q d1h 1.754 1.874 2.060 2.267 2.534 2.901 3.961 2.681 1.175 B_ V 4.187 4.403 4.483 4.705 4.972 5.327 4.392 3.593 2.494 233.5 222.3 204.8 185.8 160.5 126.4 82.7 31 4.13 31.804 26.948 22.172 17.420 12.741 8.181 4.753 3.218 1.410

由上表中数据可知，龙口合拢过程中龙口流速变化先增大后减小。最大流速约为5.327m/s。

5截流过程的水力参数及抛投料的计算 5.1计算截流过程水力参数

根据表18中结果列表计算龙口流速、单宽流量变化过程如下表所示：

表19 截流过程水力参数计算表 B 46.5 41.5 36.5 31.5 26.5 21.5 16.5 11.5 6.5 上下游落差Z 1.29 1.47 1.75 2.06 2.46 3.01 3.5 4.06 4.35

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V 4.187 4.403 4.483 4.705 4.972 5.327 4.392 3.593 2.494 由表19中数据可绘制龙口诸水力参数变化规律如下图：

V、Z6.0005.0004.0003.0002.0001.0000.00001020B—V30B—Z4050B 图7 龙口诸水力参数变化规律图

5.2抛投料的计算

抛投料计算主要为抛投块尺寸的计算以及抛投量的计算。

5.2抛投料尺寸的计算

抛投料尺寸计算采用伊兹巴公式，即

Vk2gsd 式中， V为水流流速，m/s；

k为综合稳定系数；0.9

g为重力加速度，m/s；

2

s为石块容重，kN/m3；

为水容重，kN/m3；

d为石块折算成球体的化引直径，m。

其中v为水流流速，m/s; K为综合稳定系数；其中混凝土四方体取0.68-0.72，混凝土立方体取0.76-0.80，块石取0.9；g为重力加速度，取9.8m/s2;

1为石块的容重，取26kN/m；为水的容重，取9.8kN/m；D为石块折算成

33球体的化引直径，m。

根据伊兹巴公式求得各流速下的抛投料尺寸如下表：

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表20 各龙口宽度下抛投块粒径

B 46.5 41.5 36.5 31.5 26.5 21.5 16.5 11.5 6.5 V 4.187 4.403 4.483 4.705 4.972 5.327 4.392 3.593 2.494 粒径d 0.668 0.739 0.766 0.843 0.942 1.081 0.735 0.492 0.237 粒径d1.2001.0000.8000.6000.4000.2000.00001020304050宽度B 图8 戗堤顶部高程宽度与块体粒径的关系

5.3抛投量计算

由《水利水电工程施工组织设计手册》第一卷542页，由上表中求得的截流过程流速及相应的抛投料粒径，根据粒径进行将龙口分为龙口Ⅰ区、龙口Ⅱ区和龙口Ⅲ区，材料备料系数为1.1，龙口流速系数为1.3，立堵法截流材料数量计算如下：

WB

式中：W：戗堤体积，m3； B:龙口平均宽度，m; :戗堤断面积，m2；

12(m1m2)HBbHB 2__

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