水利工程施工课程设计计算-大渡河某水利工程立堵截流设计x.docx

水利工程施工课程设计计算说明书大渡河某水利工程立堵截流设计1.基本资料大渡河上的一水电工程采用单戗立堵截流进占，河床剖面图见图1，戗堤处天然水位流量关系曲线如表1和图2，戗堤顶部边坡系数n=1.25，截流戗堤两侧的边坡为1:1.5，龙口宽度48m。截流材料采用当地的中粒黑云二长花岗岩，容重为26KN/m3，工程采用左右岸各布置一条导流洞，左右岸导流隧洞联合泄流。上游水位下泄流量关系曲线如下表2和图3。图1流量（m3/s)2503173604105001000水位（m）952.15952.71953.00953.48954.00955.87表1 坝址处天然水位流量关系 图2表2 上游水位导流隧洞泄流流量关系导流流量（m3/s)050100150200250300350360410上游水位H上（m）953.00953.83954.61955.40955.94956.50957.03957.47957.56958.00图3截流设计在施工导流中占有重要地位，如果截流不能按时完成，就会延误河床部分建筑物的开工日期，如果截流失败，失去了以水文计算的良好截流时机，则可能拖延工期达一年，所以在施工导流中，常把截流看做一个关键性问题，它是影响施工进度的一项控制项目。截流之所以被重视，还因为截流本身无论在技术上和施工组织上都具有相当的艰巨性和复杂性，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，此次设计采用立堵截流设计。其设计分为截流水利计算、截流水利分区和截流备料量设计。截流设计流量的确定，通常按频率发确定，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。该设计采用的设计流量为Q=300+2*30=360m3/s。再根据坝址处天然水位流量关系曲线表1和图2可查得相应下游水位为H下=953.00m，由河床剖面图可查得河床底部高程951.00m，即下游水深H下=953.00-951.00=2.0m。172.戗堤高度的确定已知上游水位泄流量关系，上游水位减去河床高程即可得上游水深，H上=Z上-951，上下游落差Z=H上-H下，继而可得出落差与泄流量之间的关系。一般情况下合龙中戗堤设计流量Q0由四部分组成，即Q0=Q+Qd+Qs+Qac式中 Q龙口流量 Qd导流洞分流量Qs戗堤渗透流量Qac上游河槽中的调蓄流量其中上游河槽中的调蓄流量Qac和戗堤渗透流量Qs可以忽略不计，即Q0=Q+Qd由Q0=Q+Qd可得到落差Z与龙口流量Q之间的关系表如表3。表3 上游水位与相应流量关系H上（m）H下（m）落差Z(m)设计流量Q0（m3/s)下泄流量Qd（m3/s)龙口流量Q（m3/s)953.009530.00 3600360953.839530.83 36050310954.619531.61 360100260955.409532.40 360150210955.949532.94 360200160956.509533.50 360250110957.039534.03 36030060957.479534.47 36035010957.569534.56 3603600由表3和图3可得龙口流量为360m3/s时最大落差为4.56m，由此可得戗堤高程为951+2.0+4.56+0.5=958.06m，为了方便施工取戗堤高程为958.00m，即戗堤高为HB=7.00m。由表3可得导流下泄流量和龙口下泄流量与上游水位之间的关系图如图4。图4 导流下泄流量和龙口流量与上游水位关系图由上表3可得落差与导流洞下泄流量和落差与龙口流量关系图5图5 落差与导流洞下泄流量和龙口流量关系图由图3和图4可知，随着落差的增大，导流隧洞分流量是逐渐增大的，直到增大到设计流量，而龙口流量是逐渐减小的直到最后落差最大时龙口流量降为0但龙口流量和导流洞分流量之和始终保持不变均为设计流量。3.截流水利计算（图解法）立堵截流进占过程中，龙口水流呈淹没堰流获非淹没堰流的形式，通常是由淹没流过渡到非淹没流直到合龙。戗堤进占分为两个阶段：第一阶段戗堤进占直至坡脚接触龙口对岸形成三角形断面为止，由B=b+2nHB可知，即当b=0时龙口断面为三角形断面，即B2*1.25*7=17.5m；第二阶段戗堤坡脚已接触龙口对岸形成三角形断面直至最后合龙，即B2*1.25*7=17.5m。3.1计算龙口流量Qf(B,Z) 龙口泄水能力计算按照宽顶堰公式计算：由公式可知，计算龙口流量需要知道未知量：龙口平均过水宽度和龙口上游水头。分别对4种情况进行分析讨论，讨论龙口平均过水宽度，龙口上游水头和龙口计算断面水深。在立堵截流中，常常规定：当出现淹没流时，为龙口底部（或护底）以上的下游水深；当出现非淹没流时，为龙口断面的临界水深。（1）梯形断面淹没流：,为常数Z落差HB戗堤高度,前面已算出HB=7m;n戗堤端部边坡系数，此处取n=1.25.（2）梯形断面非淹没流：由于变形得到：将其代入临界水深中，可得：其中为计算断面动能修正系数，常取计算。（3）三角形断面淹没流： 由几何关系：得到：（4） 三角形断面非淹没流：同三角形断面淹没流，求出：由水力学知识：得到：由于 ， 将其代入临界水深中，可得：根据以上四种情况， 给定龙口宽度，假定一系列落差，求得龙口宽度一定，不同上下游水位差和龙口流量的关系，以此类推，给定一系列龙口宽度，得到一系列的关系。此处龙口宽度B17.5m时，龙口断面为梯形断面，当B17.5时龙口断面为三角形断面，未束窄前龙口宽度为48m，由B=b+2nHB可得b=B-2*1.25*7，假设龙口宽度为以4m为一段分为若干段，即B=48、44、40、8、4、0，则龙口流量与水位落差Z之间的函数关系依次如表4至表15。3.2流速分区与抛投料的确定3.2.1由连续方程可得龙口流速计算公式为式中，v龙口计算断面平均流速；h龙口计算断面水深3.2.2根据伊兹巴什公式：确定块体粒径d：其中为石块的极限抗冲流速，为石块化引为球形时的粒径，为综合稳定系数，取0.9 ，为水容重，取，为石块容重，取。将以上求得的 、 h代入 求得龙口断面平均流速，从而建立龙口宽度与断面平均流速之间的关系，从而将抛投粒径与龙口宽度对应起来，有粒径变化情况可对进占区段进行分区，各区段抛投物料的比例均不一样。计算成果如下表16。表 4 B=48时上游水位和龙口流量关系下游水位Z下（m）落差Z（m）上游水位Z上（m）龙口上游水头H0(m)Z/H0流量系数m龙口断面水深h(m)B(m)龙口平均过水宽度B龙口流量Q（m3/s)9530.5953.52.500.200.35824833.63210.6395319543.000.330.38524834.25303.419531.5954.53.500.430.3852.334834.88389.4295329554.000.500.3852.674835.50484.319532.5955.54.500.560.3853.004836.13588.0795339565.000.600.3853.334836.75700.689533.5956.55.500.640.3853.674837.38822.1195349576.000.670.3854.004838.00952.399534.56957.566.560.700.3854.374838.701108.85表 5 B=44时上游水位和龙口流量关系下游水位Z下（m）落差Z（m）上游水位Z上（m）龙口上游水头H0(m)Z/H0流量系数m龙口断面水深h(m)B(m)龙口平均过水宽度B龙口流量Q（m3/s)9530.5953.52.500.200.35824429.63185.5795319543.000.330.38524430.25268.059531.5954.53.500.430.3852.334430.88344.7695329554.000.500.3852.674431.50429.749532.5955.54.500.560.3853.004432.13522.9695339565.000.600.3853.334432.75624.419533.5956.55.500.640.3853.674433.38734.1395349576.000.670.3854.004434.00852.149534.56957.566.560.700.3854.374434.70994.24表 6 B=40时上游水位和龙口流量关系下游水位Z下（m）落差Z（m）上游水位Z上（m）龙口上游水头H0(m)Z/H0流量系数m龙口断面水深h(m)B(m)龙口平均过水宽度B龙口流量Q（m3/s)9530.5953.52.500.200.35824025.63160.5295319543.000.330.38524026.25232.609531.5954.53.500.430.3852.334026.88300.0995329554.000.500.3852.674027.50375.179532.5955.54.500.560.3853.004028.13457.8495339565.000.600.3853.334028.75548.159533.5956.55.500.640.3853.674029.38646.1495349576.000.670.3854.004030.00751.89表7 B=36时上游水位和龙口流量关系下游水位Z下（m）落差Z（m）上游水位Z上（m）龙口上游水头H0(m)Z/H0流量系数m龙口断面水深h(m)B(m)龙口平均过水宽度B龙口流量Q（m3/s)9530.5953.52.500.200.35823621.63135.4695319543.000.330.38523622.25197.169531.5954.53.500.430.3852.333622.88255.4395329554.000.500.3852.673623.50320.609532.5955.54.500.560.3853.003624.13392.7395339565.000.600.3853.333624.75471.889533.5956.55.500.640.3853.673625.38558.1695349576.000.670.3854.003626.00651.649534.56957.566.560.700.3854.373626.70765.02表8 B=32时上游水位和龙口流量关系下游水位Z下（m）落差Z（m）上游水位Z上（m）龙口上游水头H0(m)Z/H0流量系数m龙口断面水深h(m)B(m)龙口平均过水宽度B龙口流量Q（m3/s)9530.5953.52.500.200.35823217.63110.4195319543.000.330.38523218.25161.729531.5954.53.500.430.3852.333218.88210.7695329554.000.500.3852.673219.50266.039532.5955.54.500.560.3853.003220.13327.6195339565.000.600.3853.333220.75395.629533.5956.55.500.640.3853.673221.38470.1795349576.000.670.3854.003222.00551.399534.56957.566.560.700.3854.373222.70650.41表9 B=28时上游水位和龙口流量关系下游水位Z下（m）落差Z（m）上游水位Z上（m）龙口上游水头H0(m)Z/H0流量系数m龙口断面水深h(m)B(m)龙口平均过水宽度B龙口流量Q（m3/s)9530.5953.52.500.200.35822813.6385.3595319543.000.330.38522814.25126.279531.5954.53.500.430.3852.332814.88166.1095329554.000.500.3852.672815.50211.469532.5955.54.500.560.3853.002816.13262.5095339565.000.600.3853.332816.75319.369533.5956.55.500.640.3853.672817.38382.1995349576.000.670.3854.002818.00451.139534.56957.566.560.700.3854.372818.70535.80表10 B=24时上游水位和龙口流量关系下游水位Z下（m）落差Z（m）上游水位Z上（m）龙口上游水头H0(m)Z/H0流量系数m龙口断面水深h(m)B(m)龙口平均过水宽度B龙口流量Q（m3/s)9530.5953.52.500.200.3582249.6360.2995319543.000.330.38522410.2590.839531.5954.53.500.430.3852.332410.88121.4395329554.000.500.3852.672411.50156.899532.5955.54.500.560.3853.002412.13197.3895339565.000.600.3853.332412.75243.099533.5956.55.500.640.3853.672413.38294.2095349576.000.670.3854.002414.00350.889534.56957.566.560.700.3854.372414.70421.19表11 B=20时上游水位和龙口流量关系下游水位Z下（m）落差Z（m）上游水位Z上（m）龙口上游水头H0(m)Z/H0流量系数m龙口断面水深h(m)B(m)龙口平均过水宽度B龙口流量Q（m3/s)9530.5953.52.500.200.3582205.6335.2495319543.000.330.3852206.2555.389531.5954.53.500.430.3852.33206.8876.7795329554.000.500.3852.67207.50102.329532.5955.54.500.560.3853.00208.13132.2795339565.000.600.3853.33208.75166.839533.5956.55.500.640.3853.67209.38206.2295349576.000.670.3854.002010.00250.639534.56957.566.560.700.3854.372010.70306.58表12 B=16时上游水位和龙口流量关系下游水位Z下（m）落差Z（m）上游水位Z上（m）龙口上游水头H0(m)Z/H0流量系数m龙口断面水深h(m)B(m)龙口平均过水宽度B龙口流量Q（m3/s)9530.5953.51.900.260.3781.70162.3810.4195319542.400.420.3852.16163.0019.029531.5954.52.900.520.3852.61163.6330.5395329553.400.590.3853.06164.2545.449532.5955.53.900.640.3853.51164.8864.0395339564.400.680.3853.96165.5086.579533.5956.54.900.710.3854.41166.13113.2995349575.400.740.3854.86166.75144.449534.56957.565.960.770.3855.37167.45184.86表13 B=12时上游水位和龙口流量关系下游水位Z下（m）落差Z（m）上游水位Z上（m）龙口上游水头H0(m)Z/H0流量系数m龙口断面水深h(m)B(m)龙口平均过水宽度B龙口流量Q（m3/s)9530.5953.50.301.670.3850.27120.380.1195319540.801.250.3850.72121.001.229531.5954.51.301.150.3851.17121.634.1195329551.801.110.3851.62122.259.279532.5955.52.301.090.3852.07122.8817.1095339562.801.070.3852.52123.5027.969533.5956.53.301.060.3852.97124.1342.1795349573.801.050.3853.42124.7560.009534.56957.564.361.050.3853.93125.4584.61表14 B=8时上游水位和龙口流量关系下游水位Z下（m）落差Z（m）上游水位Z上（m）龙口上游水头H0(m)Z/H0流量系数m龙口断面水深h(m)B(m)龙口平均过水宽度B龙口流量Q（m3/s)9530.5953.5-1.30-0.3889531954-0.80-1.2589531.5954.5-0.30-5.00895329550.2010.000.3850.1880.250.049532.5955.50.703.570.3850.6380.880.8795339561.202.500.3851.0881.503.369533.5956.51.702.060.3851.5382.138.0395349572.201.820.3851.9882.7515.309534.56957.562.761.650.3852.4983.4526.98表15 B=4时上游水位和龙口流量关系下游水位Z下（m）落差Z（m）上游水位Z上（m）龙口上游水头H0(m)Z/H0流量系数m龙口断面水深h(m)B(m)龙口平均过水宽度B龙口流量Q（m3/s)9530.5953.5-2.90-0.1749531954-2.40-0.4249531.5954.5-1.90-0.7949532955-1.40-1.4349532.5955.5-0.90-2.7849533956-0.40-7.5049533.5956.50.1035.000.3850.0940.130.0195349570.606.670.3850.5440.750.599534.56957.561.163.930.3851.0441.453.09由表4至表15共12个固定龙口宽度时表中的龙口流量Q和上游水位Z上及导流洞下泄流量Qd可绘制出龙口不同宽度下，龙口下泄流量和导流洞下泄流量与上游水位之间的关系图如图6。图6 龙口泄流量、上游水位 龙口宽度曲线表16 龙口宽度与抛投粒径之间的关系表龙口宽度B(m)下游水位Z下（m）上游水位Z上（m）落差Z（m）龙口上游水头H0(m)Z/H0流态龙口断面水深h(m)龙口流量Q（m3/s)龙口平均过水宽度B 龙口流速（m/s)抛石粒径d（m)分区48953954130.33梯形淹没流230034.254.380.75区40953954.41.353.350.40梯形非淹没流1.9827826.695.251.0836953954.61.553.550.442.1026322.945.461.17区32953954.81.833.830.482.2324719.295.751.3028953955.22.154.150.522.3822715.696.091.4624953955.52.524.520.562.5620012.156.441.6320953955.92.94.90.592.771618.626.731.7816953956.53.484.880.71三角形非淹没流5.081126.103.610.51区1295395743.81.054.39614.752.920.348953957.44.372.571.703.45233.212.080.174953957.54.541.143.982.3341.421.200.06 选择截流材料分区当B的范围为48m40m时，选用石渣料和5t重大块石全面进占，配置少量1020t级人工抛投体，为I区；当B的范围为40m20m时，选用大石