施工导流计算.doc

某水利枢纽工程施工导流建筑物为5级，根据《水利水电工程施工组织设计规范》SL303-2004初步确定导流标准为5年一遇（P=20%）,5年一遇枯水期洪峰流量为80m3/s，洪水历时为24小时；
采用全段围堰（挡枯水期洪水）泄洪洞导流围堰为不过水土石围堰,初步确定泄洪洞底高程663m宽4-6m，高5-7米，洞长400米；
试根据拟定的泄洪洞尺寸计算堰前最高水位及最大下泄流量。
假设泄洪洞底坡为0.005，出口为自由出流。
分析：Z-V关系曲线（或Z-F关系曲线）；
洪水标准及相应设计洪水过程线；
拟定的泄洪建筑物型式与尺寸，并推求q-V关系；
水库汛期的控制运行规则；
初始边界条件（包括起调水位、初始库容、初始下泄流量）。
水位～库容关系曲线表
库水位
库容
库水位
库容
(m)
（万m3）
(m)
（万m3）
661.2
1
680
556
662
1.5
681
633
663
2
682
718
664
4
683
809
665
8
684
907
666
14
685
1011
667
24
686
1125
668
37
687
1248
669
54
688
1382
670
75
689
1526
671
100
690
1680
672
131
691
1770
673
166
692
2035
674
206
693
2240
675
251
694
2462
676
301
695
2701
677
357
696
2968
678
418
697
3268
679
484

0

查魏璇主编《水利水电工程施工组织设计指南》中隧洞导流水力计算水位-泄量关系。

解：1.根据题意及条件绘制Z-V关系曲线如下图

2.洪水标准及洪水过程线
洪水标准（P=20%）
T（h）
Q(m3/s)
T（h）
Q(m3/s)
T（h）
Q(m3/s)
0
0
9
78
18
16
1
5
10
66
19
11
2
15
11
56
20
8
3
30
12
48
21
5
4
43
13
42
22
3
5
53
14
34
23
2
6
65
15
28
24
1
7
75
16
24

8
80
17
20

3. 拟定的泄洪建筑物型式与尺寸及相应得水力计算，并推求q-V关系
该泄洪建筑物为矩形泄洪洞，拟定其宽为5m，高为5m，泄洪洞底高程663m，过水面积A=25m²。因为隧洞为自由出流判别式如下：
无压流 H/D<1.2
有压流 H/D>1.5
半有压流或半有压与有压交替的不稳定流 1.2<H/D<1.5
式中 H----从隧洞进口断面底部算起的上游水头，m。
D----洞径（圆形）或洞高（矩形），m。
上述判别条件仅供初步判别时参考使用，重要的工程应通过实验验证。
临界底坡的计算可由均匀流方程和临界水深水力关系式联立求解而得。当h0=hc时，A0=Ac，C0=Cc，R0=Rc，i=hc。
Q=AcCcRcic
αQ2g=Ac3Bc
以上两式联解可得：
ic=gαCc2χcBc=9.81×151×83.792×5=4.19×10-3
又i=0.005>ic=0.004 则底坡为陡坡，泄洪能力不受洞长的影响，
（1）水力计算：
① 当0﹤H﹤6m时，H/D<1.2此时为无压流；
短洞水力计算：
Q=δsmb2gH32 (δs=1,m=0.33)
式中b----矩形断面宽度（当过水断面为非矩形时，b=ωkhk）,m;
hk----临界水深，m；
ωk----相应临界水深时的过水断面面积，m2；
H----从隧洞进口断面底板高程算起的上游水头，m；
m----流量系数(一般取0.32~0.36)；
δs----淹没系数。
短洞水力计算结果见下表：
H（m）
1
2
3
4
5
6
Q(m3/s)
7.31
20.67
37.98
58.47
81.71
107.41

② 当6＜H＜7.5m时，1.2<H/D<1.5此时半有压流或半有压与有压交替的不稳定流；
过水能力的计算式：
Q=μω2g(H-ηD) (μ=0.576,η=0.715)
式中ω----为隧洞断面面积，
D-----为隧洞高度，m；
μ、η----流量系数和洞口收缩系数，见下表。
隧洞流量系数和洞口水流收缩系数
隧洞进口形式
μ
η
隧洞进口形式
μ
η
走廊式
0.576
0.715
锥体边墙的喇叭式
0.625
0.735
衣领式
0.591
0.726
潜没边墙喇叭式（θ=30o）
0.670
0.740
计算结果见下表：
H（m）
6.5
7
7.5
Q(m3/s)
109.09
118.04
126.37

③ 当H﹥7.5m时，H/D>1.5此时为有压流。
自由出流：
Q=μω2g(H-hp) (μ=0.68,hp=0.5D)
式中μ----流量系数；
ω----隧洞出口断面面积，m2
H----上游水头，m；
hp----隧洞出口断面水流平均势能，m。
令hp=βD , β=0.5～0.85，若出口水流直接入大气，则β=0.5，若出口是水平扩散段，则
β=0.85，若出口是斜坡扩散段，则β=0.5～0.85。
当隧洞沿程不变，流量系数为：
μ=11+ξ+2gC2L4R=11+1+2×9.81×40083.792×4×1.67=0.68
C=1nR1/6=10.013×1.671/6=83.79m1/2/s
式中ξ----从进口到出口局部损失系数之和，可查有关的水力计算手册或根据模型实验确定；
C----谢才系数；
R----水力半径，m；
L----隧洞总长，m。

计算结果见下表：
H（m）
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
Q(m3/s)
176.60
191.98
206.22
219.54
232.09
244.00
255.36
266.23
276.67
286.74
296.46

根据有压流，无压流，半有压的状态，得出不同水头对应的相应出流量q。某水力枢纽
的q=f(V)关系计算表如下：
某水库q=f（v）关系计算表
库水位Z(m)
663
664
665
666
667
668
669
总泄量q(m3/s)
0
7.31
20.67
37.98
58.47
81.71
107.41
库容(万m3)
2
4
8
14
24
37
54
库水位Z(m)
669.5
670
670.5
671
672
673
674
总泄量q(m3/s)
109.09
118.04
126.37
176.60
191.98
206.22
219.54
库容(万m3)
65
75
86
100
131
166
206
库水位Z(m)
675
676
677
678
679
680
681
总泄量q(m3/s)
232.09
244.00
255.36
266.23
276.67
286.74
296.46
库容(万m3)
251
301
357
418
484
556
633
-
由于泄洪隧洞无闸控制，起调水位与防洪限制水位取与洞底齐平，663.00m。相应的库容为2万m3，下泄量与为零。
通过洪水过程线计算时段平均的入库流量和时段平均入库水量。又根据
12Q1+Q2∆t-12q1+q2∆t=V2-V1 和 q=f(v) 逐时段试算下泄过程q-t。

从上表中第1栏，第2栏，可绘制入库洪水流量过程线Q-t; 第1栏，第5栏,可以绘制下泄流量过程线。最大下泄流量发生在t=9.5h的时候正好Q-t,q-t,曲线有交点，即满足条件。

某水库设计洪水过程线与下泄流量过程线
由水库的调洪计算表（P=20%）中可以得到个时段末的库容值V，相应的水位为Z设=667.68m。