截流设计说明书

截流设计计算说明书

1．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，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。该工程采用左右岸各布置一条导流洞导流，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1-1 河床剖面图

956.5956955.5955高程（m）954.5954953.5953952.5952951.50200400600流量（m3/s）80010001200系列1

流 量（m3/s） 水位（m） 图1-2 戗堤处水位~流量关系曲线 表1-1 戗堤处水位~流量关系 250 317 410 500 952.15 952.71 953.48 954.00 1000 955.87 966964上游水位（m）96296095895695495205001000流量（m3/s)1500系列1

图1-3 上游水位~泄流量关系曲线 表1-2 上游水位~泄流量关系 3泄流流量（m/s） 0 150 300 410 800 1400 上游水位（m） 953.00 955.40 957.03 958.00 960.66 964.12 截流设计流量Q=300+3×10=348 m3/s ,通过内插法由图2和表1可得下游水位为952.97m,按不同的设计流量进行无护底情况下截流水力计算，并确定相应的截流设计方案。计算时不考虑戗堤渗透流量和上游槽蓄流量。

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。

截流的水力计算中龙口流速的确定一般采用图解法（详细见《水利工程施工》P39~42），以下对于图解法及图解法的量化法----三曲线法做如下介绍。

2. 截流的水力计算

立堵截流进占过程中，龙口水流呈淹没或非淹没堰流的形式，通常是由前者过渡到后者直至合龙。戗堤进占划分为两个阶段：①第1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，即B≥2 mshB；②第2阶段——戗堤坡脚已接触龙口对岸而形成三角形断面后直至最后合龙，即B＜2 mshB。

2.1作Q-▽H上关系曲线

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；

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。 其中，计算时不考虑戗堤渗透流量和上游槽蓄流量。。 于是有： Q0= Q+ Qd

说明：这样的计算结果偏于安全，所以可以采用上式来进行截流设计。 由Q0= Q+ Qd可计算上游水位与相应流量的关系，于是可绘制得到下表： 下游水上游水位位▽H下▽H上(m) (m) 952.97 953.00 952.97 953.80 952.97 954.60 952.97 955.40 952.97 955.94 952.97 956.49 952.97 957.03 952.97 957.45 表2-1上游水位与相应流量表 落差Z(m) 设计流下泄流量量Q(m3Qd(m3/s) /s) 0.03 348 0 0.83 348 50 1.63 348 100 2.43 348 150 2.98 348 200 3.52 348 250 4.06 348 300 4.49 348 348 龙口流量Qg(m3/s) 348 298 248 198 148 98 48 0 根据上表可绘制上游水位和下泄流量与龙口流量关系曲线：

957.50957.00956.50956.00955.50955.00954.50954.00953.50953.00952.50050100150200250300348下泄流量Qd(m3

上游水位▽H上

图2-1上游水位与下泄流量关系曲线

957.50957.00956.50上游水位▽H上956.00955.50955.00954.50954.00953.50953.00952.5034829824819814898480龙口流量Qg(m3

图2-2上游水位与龙口流量关系曲线

由以上计算可得合拢后上游水位为957.97m，上下游最终落差为4.49，由图1 可得采用单戗立堵双向进占，河床底部高程951.00m，戗堤顶部高程是（957.97+安全超高1m）=958.97m，则戗堤高度为7.97m, 取整为8m. 戗堤端部边坡系数n=1，龙口宽度为戗顶高程959m对应的河口宽度B=48m.

2.2. 计算Qg～f(B,Z)

水流通过束窄河床，其进口由于竖向收缩（有坎）或横向收缩（无坎）而形成宽顶堰流时，视其出流是否淹没，分别按下式计算其泄流能力Q。

1.5龙口泄水能力按宽顶堰公式计算： Q?mB2gH0

式中 m——流量系数

当

?ZZ?Z ?0.3，为淹没流，m??1??H0?H0?H0Z?0.3，为非淹没流，m?0.385 H0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

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

龙口平均过水宽度B?H0 。(各参数的取值参照设计任务书)

Z为上下游水位差，B为龙口宽度。当龙口宽度B>2×1×8=16m时，龙口断面为梯形断面，当B<16m时，龙口断面为三角形断面。假设戗堤顶部宽度B为不同值时，龙口流量与水位和龙口宽度的函数关系，利用excel计算结果如下表：

表2-2 龙口流量、龙口宽度及上游水位表

Qg B ▽H 953.00 953.50 954.00 954.50 955.00 955.50 956.00 956.50 957.00 957.50 48 43 38 33 28 23 18 16 10 6 116.29 99.19 82.09 64.98 47.88 30.78 13.68 6.84 0.00 0.00 229.35 196.11 162.87 129.63 96.39 63.15 29.91 16.62 0.00 0.00 310.14 265.84 221.53 177.22 132.92 88.61 44.31 26.58 0.00 0.00 396.41 340.57 284.74 228.91 173.08 117.25 61.42 39.08 0.30 0.00 491.14 422.92 354.71 286.50 218.28 150.07 81.86 54.57 1.71 0.00 594.19 512.79 431.39 350.00 268.60 187.21 105.81 73.26 4.70 0.00 705.45 610.12 514.79 419.46 324.13 228.79 133.46 95.33 9.65 0.00 824.87 714.89 604.90 494.92 384.94 274.96 164.97 120.98 16.85 0.30 952.40 827.09 701.77 576.45 451.14 325.82 200.51 150.38 26.58 1.71 1088.03 946.73 805.43 664.12 522.82 381.52 240.21 183.69 39.08 4.70 2.3. 根据列表的结果绘制各曲线图如下：

957.5957.0956.5956.0955.5955.0954.5954.0953.5953.0流量B=48B=43B=38B=33B=28B=23B=18B=16B=10B=6流量1上游水位▽H上(m)-3502.4 由连续方程可得龙口流速

计算公式为 ： ??Q- Bh淹没流时：h?hs，hs——龙口底板以上的下游水深 非淹没流时：h?hc，hc——龙口断面的临界水深 即淹没出流时：

对三角形断面：h?hs?非淹没出流时：

对于梯形断面：h?hc

-300-250 对于梯形断面： h?hs

nHB?0.5B。 n-200图2-3龙口流量、龙口宽度及上游水位关系曲线

-150-100-50050100150200250300350400450Qg(m3/s)500550600 龙口宽度 48 43 38 33 28 23 上游水位 953.80 954.09 954.65 955.10 955.50 956.00 落差 0.83 1.12 1.68 2.13 2.53 3.03 龙口流量 303.00 279.50 264.50 245.00 222.00 188.00 上游水头 2.80 3.09 3.65 4.10 4.50 5.00 流态 梯行非淹没流 平均宽度 龙口流速 34.80 30.09 25.65 21.10 16.50 12.00 3.00 3.20 3.56 4.00 4.64 5.40 抛石粒径d(m) 0.20 0.23 0.28 0.35 0.48 0.65 18 16 10 6 0 956.31 956.35 957.19 957.4 957.45 3.34 3.38 4.22 4.43 4.48 134.00 110.20 30.00 5 0 5.31 5.35 3.19 1.40 6.45 三角形非淹没流 7.31 5.35 3.19 1.40 6.45 6.32 7.10 3.24 1.23 0.00 0.88 1.12 0.23 0.03 0.00 2Q2 对三角形断面：hc?５2；

ng将以上交点所对的Qg值和Z值从上图中读取列表计算，龙口平均流速V的计算如下表:

表2-3 图解法计算成果表

2.5.根据以上数据绘制V—B及Qg—B曲线如下：

300.0250.0200.0150.0100.050.00.0051015202530B(m)35404550Qg(m3/s)

图2-4龙口流量与龙口宽度关系曲线

8.007.006.005.00v(m3/s)4.003.002.001.000.000510152025B(m)3035404550 图2-5 龙口流速与龙口宽度关系曲线

2.6. 确定抛投块体粒径d

根据下式确定块体粒径：

V?k2g?s??d ?式中 V——石块的极限抗冲流速； d——石块化引为球形时的粒径； k——综合稳定系数，取1.2 。 ?——水容重，取10 KN/m3。 ?s——石块容重，取26 KN/m3。

具体计算结果如上表2-3。于是可绘制龙口宽度与抛填粒径关系曲线如下：

1.401.201.000.800.600.400.200.000510152025B(m)3035404550抛石粒径d(m) 图2-6 龙口宽度与抛填粒径关系

2.7. 选择截流材料材料分区

根据上图可对材料进行分区如下：

表2-4材料分区 分区 龙口水面最大流速材料粒材料重量宽度B（m） （m/s） 径d(m) （KN） Ⅰ 48--28 4.64 0.48 1.50 Ⅱ 28--16 7.10 1.12 19.12 Ⅲ 16--0 3.24 0.23 0.17 材料的储备量（万KN) 7.80 69.37 0.74 3．成果分析

把龙口的的宽度分成三个部分，材料分为三个区，如表2-4所示。每个宽度

段中取其最大流速，得到相应的材料粒径。把材料近似的看做为球形，通过球的计算公式得到材料的体积，再乘以容重，得到材料重量。

材料的储备量的计算：首先求得戗堤的断面积，戗堤为梯形断面，其上底取15m，边度系数取1.5，则下底长39m，戗堤高8m，求得断面积216㎡；再乘以相应宽度段的长度及其对应的材料储备系数，就得相应的材料储备量，其中一区的材料储备系数为1.2，二区为1.4，三区为1.3。并附截流设计A3图一张。

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