水利水电施工课程设计

水利工程施工课程

计算说明书

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《水利工程施工》课程设计计算书

一、基本资料

某工程截流设计流量Q=4150 m3/s，相应下游水位为39.51m，采用单戗立堵进占，河床底部高程30m，戗堤顶部高程是44m，戗堤端部边坡系数n=1，龙口宽度220m，合龙中戗堤渗透流量按如下公式计算，Qs=220z/z0(Z

为上下游落差，

Z0为合龙闭气前最终上下游落差)，请设计该工程在河床在无护底情况下的截流方案。此外，上游水位～下泄流量关系曲线见表1。截流材料为容重26KN/m3的花岗岩，截流戗堤两侧的边坡为1:1.5。

表1 上游水位～下泄流量关系曲线 Qd（m3/s） 700 1220 1620 1700 2160 2670 3420 3930 41.28 41.45 41.75 42.05 42.35 42.74 H上（m） 40.85 41.04 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。

二、 截流的水力计算

本设计采用三曲线法计算

1、作Q～Z关系曲线，

将已知的泄流水位Qd～△H上转化为Qd～Z关系，其中： 戗堤渗透流量Qs220z/z0220z/3.23，

Qd可根据Z值在Qd～Z曲线上查得；

由Q0=Q+Qd+Qs绘制龙口流量与下游落差Q～Z关系曲线，曲线由以下表1绘

制：

表1 龙口流量与下游落差Q～Z关系表

Qd 700 830 960 1190 1420 1520 1620 1660 1700 1815 1930 2045 2160 2288 2415 23 2670 2858 3045 3233 3420 38 3675 3803 3930

由表1绘制龙口流量与下游落差Q～Z关系曲线，如图一所示

△H上△H下（m） （m） 40.85 39.51 40.90 39.51 40.95 39.51 41.06 39.51 41.16 39.51 41.22 39.51 41.28 39.51 41.37 39.51 41.45 39.51 41.53 39.51 41.60 39.51 41.68 39.51 41.75 39.51 41.83 39.51 41.90 39.51 41.98 39.51 42.05 39.51 42.13 39.51 42.20 39.51 42.28 39.51 42.35 39.51 42.45 39.51 42.55 39.51 42.65 39.51 42.74 39.51 Z 1.34 1.39 1.44 1.55 1.65 1.71 1.77 1.86 1.94 2.02 2.09 2.17 2.24 2.32 2.39 2.47 2. 2.62 2.69 2.77 2.84 2.94 3.04 3.14 3.23 Qs 141.70 144.13 146.56 151.85 157.14 160.00 162.86 166.68 170.50 173.68 176.86 180.04 183.21 186.18 1.15 192.12 195.09 197. 200.69 203.49 206.29 209.72 213.15 216.58 220.00 Q0 Q 4150 3308.30 4150 3175.88 4150 3043.45 4150 2808.16 4150 2572.87 4150 2470.01 4150 2367.14 4150 2323.32 4150 2279.50 4150 2161.33 4150 2043.15 4150 1924.97 4150 1806.79 4150 1676.32 4150 15.85 4150 1415.38 4150 1284.91 4150 1094.61 4150 904.31 4150 714.01 4150 523.71 4150 392.79 4150 261.86 4150 130.93 4150 0.00

3.532.52Z1.510.500500100015002000250030003500QQ-Z关系曲线图Q-Z图

图1 龙口流量与下游落差Q～Z关系图

2、计算ZB和ZC （1）、B点为非淹没流梯形断面与三角形断面分界点。

g2Q1422/5

ZB=（）-hs 224n2g 其中，α为断面动能修正系数，常取1.0；

为流量系数，为0.85—0.95；此时取0.95； n为戗堤端部边坡系数，取n=1;

hs=39.51-30=9.51m； g取9.81m/s2；

先假设Q=500m3/s,带入上面公式求得ZB，再分别假设Q值求ZB。

表2 Q- ZB 关系表 Q(m3/s) 500 600 700 800 900 1000 ZB 将以上数据绘成Q ～ ZB曲线，与Q～ Z曲线交于一点。

1.9736 2.494012 3.257479 3.957963 4.607667 5.21536

63Q-Z曲线 Z210050010001500Q2000250030003500Q-ZB曲线

图2 Q-ZB 曲线与Q-ZC 曲线相交图

(2) C点为三角形断面分界点。

g2Q12/5

ZC=（）

4n22g2先假设Q=500 m3/s,带入上面公式求得Zc，再分别假设Q值求Zc。

表3 Q- Zc关系表 Q(m3/s) 500 600 700 800 900 1000 ZC 2.420767 2.603907 2.769518 2.921467 3.062401 3.194221 将以上数据绘成Q～ZC 曲线，与Q～Z曲线交于一点。

43.532.521.510.50050010001500Q

Q-Z曲线 Q-Zc曲线 Q-Z曲线Q-Zc曲线Z2000250030003500图3 Q～ZC 曲线与Q～Z曲线交图

63210050010001500Q

Q-ZbQ-ZcQ-ZZ2000250030003500图4 三曲线相交图

由图可知

由于ZB 综上所述，可知当无护底时，只需计算V1、V3。

3、求V1、V3。

（1）V12gZ，其中，为流速系数，取0.95。假设不同的Z值，求出其相应的V1值，再作V1～Z曲线。

1g2Q)5假设不同的Z值，求出其相应的V3值，再作V3～Z曲线。(2)求V3：V3(24n计算过程列为下表：

表4 V1 V3计算表 γγ2gK2sγQ1/5 V1 V3 5.06 1. 4.87 5.02 1. 4.96 4.97 1. 5.05 4. 1. 5.24 4.81 1. 5.41 4.77 1. 5.50 4.73 1. 5.60 4.71 1. 5.74 4.69 1. 5.86 4. 1. 5.98 4.59 1. 6.08 4. 1. 6.20 4.48 1. 6.30 4.41 1. 6.41 4.34 1. 6.51 4.27 1. 6.61 4.19 1. 6.71 4.05 1. 6.81 3.90 1. 6.90 3.72 1. 7.00 3.50 1. 7.09 3.30 1. 7.22 3.05 1. 7.34 2.65 1. 7.46 0.00 1. 7.56 Z 1.34 1.39 1.44 1.55 1.65 1.71 1.77 1.86 1.94 2.02 2.09 2.17 2.24 2.32 2.39 2.47 2. 2.62 2.69 2.77 2.84 2.94 3.04 3.14 3.23 Q 3308.30 3175.88 3043.45 2808.16 2572.87 2470.01 2367.14 2323.32 2279.50 2161.33 2043.15 1924.97 1806.79 1676.32 15.85 1415.38 1284.91 1094.61 904.31 714.01 523.71 392.79 261.86 130.93 0.00 9.55 9.48 9.40 9.25 9.09 9.02 8.94 8.91 8.87 8.78 8.68 8.58 8.47 8.34 8.21 8.07 7.91 7.66 7.37 7.03 6.61 6.24 5.76 5.01 0.00 根据以上两个表格计算所得结果可绘制V1～Z和V3～Z曲线。绘制结果如下图所示：

3.503.002.502.00Z1.501.000.500.000.002.004.006.00V8.0010.0012.00

图5 V1～Z和V3～Z曲线图

最终可得曲线即为无护底时的V～Z曲线。 由图可知：Vmax=7.001m/s。

4、算出V-B关系表 (1)梯形断面淹没流: BQnhs2nHB hsV1(2)梯形断面非淹没流: Bb2nHB

n(1y2)[(142)y21](hsZ)其中b= 221(12)y(3)三角形断面淹没流：B2n(HBhs(4)三角形断面非淹没流：

Q) nV11422Q21/5B2n[HB(hsZ)()]

42gn2其中，戗堤高度HB =44-30=14m，Zc=2.8m

由前面计算可知在C点前流速用V1计算,为梯形淹没流。C点后流速用V2计算,为三角形非淹没流

表5 V-B关系表

Z 1.34 1.39 1.44 1.55 1.65 1.71 1.77 1.86 1.94 2.02 2.09 2.17 2.24 2.32 2.39 2.47 2. 2.62 2.69 2.77 2.84 2.94 3.04 3.14 3.23 V-B曲线8.007.006.005.004.003.002.001.000.000.00Q V1 3308.30 3175.88 3043.45 2808.16 2572.87 2470.01 2367.14 2323.32 2279.50 2161.33 2043.15 1924.97 1806.79 1676.32 15.85 1415.38 1284.91 1094.61 904.31 714.01 523.71 392.79 261.86 130.93 0.00 V3 4.87 4.96 5.05 5.24 5.41 5.50 5.60 5.74 5.86 5.98 6.08 6.20 6.30 6.41 6.51 6.61 6.71 6.81 6.90 7.00 6.61 6.24 5.76 5.01 0.00 B .91 85.80 81.87 74.85 68. 65.69 62.95 61.06 59.39 56.49 53.81 51.14 48.66 45.99 43.48 40.99 38. 35.39 32.27 29.21 26.04 23.37 20.13 15.76 2.52 V-B曲线B20.0040.00V60.0080.00100.00

图6 V-B关系曲线

5、确定抛投块体半径d。

抛石截流计算的主要任务是确定抛投体的尺寸和重量，而抛投块的稳定计算国内外广泛采用的是伊兹巴仕公式，则根据不同流速分区确定块体半径：

V=K2gds 式中：V为水流流速，m/s;

K为综合稳定系数，取1.2；

g为重力加速度，取9.81m/s2

γs为石块容重，取26KN/m3；

γ为水的容重，取10 KN/m3；

V1为梯形淹没流的速度，V3为三角形非淹没流的速度。具体见表如下表：

表6 抛投块体半径d计算表 γγ2gK2sγB V d .91 4.87 45.2 0.365 85.80 4.96 45.2 0.378 81.87 5.05 45.2 0.392 74.85 5.24 45.2 0.422 68. 5.41 45.2 0.449 65.69 5.50 45.2 0.465 62.95 5.60 45.2 0.482 61.06 5.74 45.2 0.506 59.39 5.86 45.2 0.528 56.49 5.98 45.2 0.550 53.81 6.08 45.2 0.569 51.14 6.20 45.2 0.590 48.66 6.30 45.2 0.609 45.99 6.41 45.2 0.631 43.48 6.51 45.2 0.650 40.99 6.61 45.2 0.672 38. 6.71 45.2 0.691 35.39 6.81 45.2 0.713 32.27 6.90 45.2 0.732 29.21 7.00 45.2 0.7 26.04 6.61 45.2 0.773 23.37 6.24 45.2 0.599 20.13 5.76 45.2 0.509 15.76 5.01 45.2 0.386 2.52 0.00 45.2 0.000 有表7得出龙口宽度B与抛投块体半径d的关系曲线

B-d关系曲线图0.8000.7000.6000.5000.4000.3000.2000.1000.0000.00dB-d关系图20.0040.00B60.0080.00100.00

图7 龙口宽度B与抛投块体半径d关系曲线

6、材料分区

表7 材料分区表 龙口水面宽度B(m) 70-100 60-70 30-60 1月30日 最大平均材料最大备料方量流速(m/s) 粒径d(m) m³ 5.03 5.56 6.4 5.1 0.39 0.48 0.63 0.49 188 6216 188 188 1.2 分区 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 备料系数

图8 材料分区图

表中备料方量的计算：取戗堤的梯形截面上边长16m，高14m，下边长

58m，

则梯形截面面积为S=14×（16+58）×0.5=518m³,备料系数取1.2， I区备料方量V1=（100-70）×518×1.2=188m3， II区备料方量V2=（70-60）×518×1.2=6216m3， III区备料方量V3=（60-30）×518×1.2=188m3，

IV区备料方量V4=30×518×1.2=188m3，具体备料方量见上表。

三、成果分析

立堵法截流是将截流材料，从龙口一端向另一端或从两端向中间抛投进占，逐渐束窄龙口，直至全部拦断。

截流水力计算的目的是确定龙口诸水力参数的变化规律，主要解决两个问题：（1）确定截流过程中龙口各水力参数，如流量Q、落差Z及流速V的变化规律；（2）由此确定截流材料的尺寸、重量或相应的数量等。

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5%～10%的月平均或者旬平均流量作为设计标准。截流设计流量Q0由龙口流量Q、分流量Qd、戗堤渗透流量Qs和上游河槽中的调蓄流量Qac组成。如Qac不计算，则可得到Q0=Q+Qd+Q。

随着截流戗堤的进占，龙口逐渐被束窄，因此分流建筑物和龙口的泄流量是变化的，但二者之和恒等于截流设计流量。其变化规律是：截流开始时，大部分截流设计流量经由龙口泄流，随着截流戗堤的进占，龙口断面不断缩小，上游水位不断上升。当上游水位高出泄水建筑物以后，经由龙口的泄流量越来越小，而经由分流建筑物的泄流量则越来越大。龙口合龙闭气以后，截流设计流量全部由分流建筑物泄流。

截流过程中龙口各水力参数的变化规律可参考Qd～Z曲线、龙口流量与下游落差Q～Z关系曲线、Q～ZB 曲线与Q～Z曲线相交、Q～ ZC 曲线与Q～Z曲线相交、V～Z曲线、B～V1和B～V3曲线等，可以得出流速分区主要有梯形淹没流和三角形非淹没流，且无护底时最大流速为7.27m/s；而在确定抛投体的尺寸和重量时，其稳定计算国内外广泛采用的是伊兹巴什公式，根据各分段落差Z与ZB的大小，确定立堵截流时各分段的截流材料抵抗水流冲动的流速，反过来求出各分段的抛投体的相应粒径。随着合龙时龙口宽度的逐渐减小，抛投块体的粒径逐渐增大，当增大到最大值2.35m以后，粒径随着龙口变窄也会逐渐减小。