水利工程施工截流课程设计说明书.doc

大渡河截流
课程设计说明书
姓名：坏痞乖男
日期：2017年2月19日
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
18

《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
流 量（m3/s）
250
317
410
500
1000
水位(m)
952。15
952.71
953.48
954。00
955。87
951.5
952
952.5
953
953.5
954
954.5
955
955.5
956
956.5
0
200
400
600
800
1000
1200
流量（m3/s）
高程（m）

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）
0
150
300
410
800
1400
上游水位（m）
953。00
955。40
957.03
958。00
960。66
964.12
952
954
956
958
960
962
964
966
0
500
1000
1500
流量（m3/s)
上游水位（m）

图3 上游水位—导流隧洞泄流量关系曲线
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
截流设计流量,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，
3.1.2戗堤顶部高程的确定
截流设计流量为，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.
表3 水位与下泄流量跟龙口流量的关系
上游水位（m)
设计流量（m3/s）
下泄流量(m3/s）Qd
龙口流量Qg
953
273
0。00
273。00
953.5
273
31.25
241。75
954
273
62。50
210.50
954。5
273
93。75
179。25
955
273
125。00
148.00
955.4
273
150。00
123.00
955。5
273
159.20
113.80
956
273
205。21
67.79
956.5
273
251.23
21.77
956。74
273
273.00
0.00
图4上游水位与下泄流量关系曲线
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:，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:
式中 ——流量系数
当，为淹没流，
当，为非淹没流，
——龙口平均过水宽度
梯形断面：
三角形断面：
-—龙口上游水头
梯形断面：
三角形断面：
其中：——龙口上下游水位差
——戗堤高度
—-戗堤端部边坡系数，取
——龙口上游水位
-—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：
式中:——龙口底板以上的下游水深
非淹没流时:
式中 ：—-龙口断面的临界水深
I即淹没出流时：
①对于梯形断面：
②对三角形断面:。
II非淹没出流时：
①对于梯形断面:
②对三角形断面:；
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：
式中,Q——龙口流量；
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:。
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4B=46。5m流量落差计算表
B
Z
H0
Z/H0
m
B
Qg
46。5
0
1.34
0。00
0.000
31.308
0。00
0。5
1。84
0.27
0。380
31。308
131.33
1
2。34
0。43
0。385
31.572
192。63
1。5
2.84
0。53
0。385
31。972
260。82
2
3.34
0。60
0。385
32。372
336。81
2。5
3。84
0。65
0.385
32。773
420.34
3
4。34
0.69
0.385
33.173
511。21
3。5
4。84
0。72
0.385
33.573
609.32
4
5。34
0.75
0。385
33.973
714.55
表5B=41。5m流量落差计算表
B
Z
H0
Z/H0
m
B
Qg
41。5
0
1。34
0
0.000
26。608
0.00
0.5
1。84
0。27
0。380
26.608
111。62
1
2。34
0。43
0.385
26。608
162。34
1.5
3.84
0.39
0.385
27。808
356。66
2
3。34
0.60
0。385
26。608
276.83
2。5
3。84
0。65
0.385
26。608
341.27
3
4。34
0。69
0。385
26。608
410。05
3.5
4。84
0.72
0.385
26.608
482。91
4
5.34
0.75
0。385
26。608
559。65
表6B=36.5m流量落差计算表
B
Z
H0
Z/H0
m
B
Qg
36。5
0
1。34
0.00
0
21.31
0.00
0。5
1。84
0.27
0。38
21.31
89。38
1
2。34
0。43
0。385
21。57
131。62
1.5
2。84
0.53
0。385
21.97
179.24
2
3。34
0.60
0.385
22.37
232。77
2。5
4。84
0。52
0.385
23。57
427.82
3
4。34
0。69
0.385
23。17
357。11
3.5
4。84
0。72
0。385
23.57
427.82
4
5。34
0.75
0.385
23。97
504.22
表7B=31。5m流量落差计算表
B
Z
H0
Z/H0
m
B
Qg
31。5
0
1。34
0。00
0。000
16.31
0。00
0。5
1。84
0.27
0。380
16。31
68。41
1
2.34
0。43
0.385
16。57
101。11
1。5
2。84
0。53
0。385
16.97
138.46
2
3.34
0。60
0。385
17。37
180.75
2.5
3。84
0。65
0。385
17。77
227.95
3
4。34
0。69
0。385
18.17
280.05
3。5
4。84
0.72
0。385
18。57
337。08
4
5.34
0。75
0。385
18。97
399。05
表8B=26。5m流量落差计算表
B
Z
H0
Z/H0
m
B
Qg
26。5
0
1。34
0。00
0.000
11.31
0。00
0。5
1.84
0。27
0。380
11。31
47。44
1
2.34
0。43
0。385
11.57
70.60
1.5
2。84
0。53
0。385
11.97
97。67
2
3.34
0。60
0.385
12。37
128。73
2.5
3.84
0.65
0。385
12。77
163。82
3
4。34
0。69
0.385
13.17
203。00
3.5
4.84
0.72
0。385
13.57
246。33
4
5.34
0.75
0。385
13.97
293。89
表9B=21。5m流量落差计算表
B
Z
H0
Z/H0
m
B
Qg
21。5
0
1。34
0。00
0。000
6。31
0.00
0。5
1.84
0。27
0。380
6。31
26.46
1
2。34
0。43
0。385
6.57
40。10
1。5
2。84
0.53
0。385
6.97
56。88
2
3.34
0.60
0。385
7。37
76。70
2。5
3.84
0。65
0。385
7.77
99.69
3
4。34
0。69
0.385
8.17
125.95
3。5
4。84
0。72
0。385
8。57
155。59
4
5。34
0.75
0.385
8。97
188.72
表10B=16。5m流量落差计算表
B
Z
H0
Z/H0
m
B
Qg
16。5
0
1.215
0。00
0。000
1。608
0。000
0。5
1.715
0。29
0.383
1。608
6。116
1
2。215
0.45
0。385
2.233
12.547
1.5
2。715
0.55
0。385
2。737
20。870
2
3。215
0.62
0。385
3。241
31。846
2。5
3.715
0。67
0。385
3。745
45。708
3
4.215
0。71
0。385
4。249
62。675
3.5
4。715
0。74
0。385
4.753
82.947
4
5。215
0。77
0。385
5。257
106.717
表11B=11。5m流量落差计算表
B
Z
H0
Z/H0
m
B
Qg
11。5
1
0。132
7.595
0。385
0。133
0。011
1.5
0。632
2。375
0。385
0。637
0。545
2
1。132
1.767
0.385
1。141
2。341
2。5
1。632
1。532
0.385
1.645
5。844
3
2。132
1.407
0.385
2。149
11。400
3。5
2.632
1.330
0.385
2.653
19。305
4
3.132
1。277
0。385
3。157
29.822
4.5
3。632
1。239
0.385
3.661
43。188
表12B=6.5m流量落差计算表
B
Z
H0
Z/H0
m
B
Qg
6。5
3
0。048
62。069
0.385
0。049
0。001
3。5
0.548
6。383
0。385
0。553
0。383
4
1.048
3.816
0.385
1.057
1。934
4。5
1。548
2。906
0。385
1.561
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：
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
龙口泄流量Qd
上游水位H
46。5
233。5
953.63
41.5
222。3
953.81
36。5
204.8
954。09
31。5
185。8
954。4
26.5
160。5
954。8
21。5
126。4
955。35
16。5
82.7
955。84
11.5
31
956。4
6。5
4.13
956。69
表13不同龙口宽度下的上游水位和龙口泄流量
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
Z
H0
Z/H0
液态
断面类型
h
46.5
1。29
2.63
0。49
非淹没流
梯形
1.754
41。5
1.47
2。81
0。52
非淹没流
梯形
1。874
36。5
1。75
3。09
0。57
非淹没流
梯形
2。060
31。5
2。06
3。4
0.61
非淹没流
梯形
2。267
26。5
2。46
3。8
0。65
非淹没流
梯形
2。534
21.5
3。01
4.35
0.69
非淹没流
梯形
2。901
16。5
3.5
4。72
0.74
非淹没流
三角形
3。961
11。5
4.06
3。19
1.27
非淹没流
三角形
2。681
6.5
4。35
1。40
3。11
非淹没流
三角形
1。175
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：
式中,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。
为过水断面平均宽度，按如下方法计算。
当断面为梯形时，，
当断面为三角形是，，
为戗堤高度（7m），为戗堤端部边坡系数（取1.0）。
（1)梯形断面淹没流,,由于进占过程中，龙口底部高程不变,为常数.
(2）梯形断面非淹没流，，按下式计算,
式中，——戗堤端部边坡系数;
——计算断面动能修正系数，常取计算.
按上式计算需要进行试算。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
(3）三角形断面淹没流,
(4）三角形断面非淹没流，
表15戗堤各宽度下龙口流速
龙口宽度B
龙口泄流量
h

V
46.5
233.5
1。754
31.804
4.187
41.5
222。3
1。874
26。948
4。403
36。5
204.8
2.060
22.172
4。483
31.5
185.8
2。267
17.420
4.705
26。5
160.5
2.534
12。741
4。972
21。5
126.4
2.901
8.181
5。327
16.5
82。7
3。961
4。753
4.392
11。5
31
2。681
3.218
3。593
6.5
4。13
1。175
1.410
2。494
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
上下游落差Z
V
46.5
1。29
4。187
41。5
1。47
4.403
36.5
1。75
4.483
31.5
2。06
4。705
26.5
2.46
4。972
21.5
3.01
5。327
16.5
3。5
4。392
11。5
4。06
3。593
6。5
4。35
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：
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
式中， 为水流流速，m/s；
为综合稳定系数;0。9
为重力加速度,m/s2;
为石块容重，kN/m3；
为水容重,kN/m3；
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；为石块的容重，取；为水的容重,取；D为石块折算成球体的化引直径，m。
根据伊兹巴公式求得各流速下的抛投料尺寸如下表：
表20 各龙口宽度下抛投块粒径
B
V
粒径d
46。5
4.187
0.668
41.5
4.403
0。739
36。5
4。483
0.766
31。5
4。705
0。843
26。5
4.972
0。942
21。5
5。327
1.081
16。5
4。392
0.735
11。5
3.593
0。492
6.5
2。494
0。237
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：
式中：W：戗堤体积,；
:龙口平均宽度,;
:戗堤断面积，；
式中：:上下游边坡系数;
：戗堤高度，;
b：戗堤顶宽，。
由以上公式计算得W=31.804＊(0.5*2。4＊49+25＊7)=7435。8
进占分区和预计抛投工程量如下表所示：
区段
口门宽度
进占长度
平均流速
预计抛投工程量（m3）
储存备用工程量(m3）
龙口1区
31.5—46.5
15
4.483-4。187
2927.5
3513。0
龙口2区
16。5—31。5
15
4.392—5.327
2927.5
3513.0
龙口3区
0-16.5
16。5
0-4。392
1580。8
1896.9
合计
46.5
7435。8
8922.9
表21 截流戗堤进占分区表
区段
口门宽度
进占长度
石渣
中石
大石
特大石
人工抛投体
合计
龙口1区
31.5—46。5
15
1024。6
731。88
878.25
146.38
146.38
2927。5
龙口2区
16。5—31。5
15
585.5
731。88
1024.6
292。75
292。75
2927.5
龙口3区
0—16.5
16.5
553.28
395.2
474.24
79。04
79。04
1580。8
表22 截流戗堤所需抛投物料数量表
5小结
本次施工截流采用单戗进占的方式，从左岸开始施工，最大流速为5。327m/s,总共分为三个区，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，戗堤宽度取20m，预计抛投工程量为7435。8m3，材料备料系数为1。1,储存备用工程量位8922.9（m3）