2013水利工程施工课程设计说明书

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《水利工程施工》课程设计说明书

1 前言

根据培养计划和《水利工程施工》教学大纲的规定,水利水电工程专业的学生有一周半的《水利工程施工》课程设计。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,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 河床剖面图

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

图2 戗堤处水位~流量关系曲线

表1 戗堤处水位~流量关系

流 量(m3/s) 水位(m) 966964250 952.15 317 952.71 410 953.48 500 954.00 1000 955.87 上游水位(m)96296095895695495205001000流量(m3/s)1500系列1

图3 上游水位~泄流量关系曲线 表2 上游水位~泄流量关系 泄流流量(m3/s) 上游水位(m) 0 953.00 150 955.40 300 957.03 410 958.00 800 960.66 1400 964.12 每位同学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。按以下公式确定截流设计流量Q=(300+3×学号的最后两位) m3/s,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。

3 截流的水力计算

3.1图解法

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什公式,即

V?k2g????s?????d ---《水利工程施工》P41-----(1) ???? 符号意义说明见P41 合龙中截流设计流量的组成:

一般情况下,截流设计流量Q0由四部分组成

Q0= Q+ Qd+ Qs+ Qac (2)

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。

如Qac Qs不计算,则有:

Q0= Q+ Qd------------- ----------(3) 龙口泄水能力计算按照宽顶堰公式计算:

1.5Q?mB2gH0------------(4)

式中 m——流量系数

?ZZ?Z ?0.3,为淹没流,m??1??H0HH0?0?Z?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

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:

对于梯形断面: h?hs

对三角形断面:h?hs?非淹没出流时:

对于梯形断面:h?hc

nHB?0.5B。

n2Q2 对三角形断面:hc?52;

ng图解法截流水力计算步骤:

为绘制曲线方便,可不考虑上游河床调蓄流量和戗堤渗流量。计算按照如下步骤进行 (1)绘制分流曲线Qd??HB。

(2)绘制龙口泄水曲线Qg?f(?HB)。

(3)按照图解法求出几组相应的B,?H,Qg和Qd值,并绘制曲线簇。 (4)判断流态,求水深。 (5)按照??Q计算合龙过程中的断面平均流速 Bh(6)列表计算截流过程中的诸水力参数,如上下游落差Z,龙口平均流速v等。 确定抛投块最大粒径,计算出流速分区。

3.2三曲线法计算龙口流速

推导龙口流速公式分两步进行。先推导龙口流速与上下游落差的关系,然后再推导龙口流速与龙口宽度的关系。在推导公式之前,先对计算断面进行假定:C—C断面为龙口流速计算断面,并假设出现淹没流时,该断面水位与下游水位相同,若出现非淹没流,C—C断面水深为临界水深。

(一)龙口流速V与上下游落差Z的关系 在立堵截流过程中,龙口断面由梯形断面逐渐过渡到三角形断面,水流流态又从淹没流过渡到非淹没流。下面,将龙口流速分别按淹没流、梯形非淹没流以及三角形非淹没流推导流速公式。

1)流速V1。C—C断面落差与下游落差Z相同,则C—C断面淹没流流速为:

V1??2gZ (5)

式中?——流速系数, ?=0.85~0.95; Z——下游落差。 2)梯形断面非淹没流

V2??2gZC??2gZCHH (6)

由于H?hs?Z,令y?ZCH,则上式可写为

V2??y2g(hs?Z) 式中ZC——C—C断面临界落差;

H——上游水头(护底顶部高程以上);

Y——相对临界落差的平方根,按下式计算:

Qng(hs?Z)2.521.5??3y3(1?y2)2 (7) ?221?(1?2??)y11 ?y?221?2??1?4??式中 ?——C—C断面动能修正系数。常取 =1.0;

Q——龙口流量,按(2)式计算;

n——戗堤端部边坡系数。 其余符号同前。 3)三角形断面非淹没流

g2Q15V3?(2) (8)

4?n由(5)~(8)式可绘制V~Z曲线(图4)。由(5)式可绘淹没流V~Z线(曲线①)。由(6)和(7)式,可绘梯形断面非淹没流V~Z线(曲线②)。由(8)式可绘实际断面非淹没流V~Z线(曲线③)。显然,曲线①是一条上升曲线,曲线③是一条下降曲线,曲线②是先上升而后下降。这是由于y随Z的增加而减小,对于矩形断面,y?1;对

1?2??2于三角形断面,y?1,随着戗堤进占到三角形断面(Z增加),y将减小到21?4??1。

1?4??2

图4 最大流速出现规律

三条曲线有三种组合方式:当三条曲线相交于一点时(图4a),最大流速Vmax出现在三角形断面刚形成时;当曲线②在C点之下时,Vmax出现在梯形断面(图4b);当曲线在

A点之上时,Vmax出现在三角形断面形成之后(图4c)。

A是曲线①和曲线②的交点; B是曲线②和曲线③的交点; C点为曲线①和曲线③的交点;

走线(1)图OCD (2)OABD(3)OCD。 (二)龙口宽度B与V和Z的关系 1)梯形断面淹没流。由图5a所示,由几何关系和水力学关系可知 图5 龙口宽度计算草图 _B?B?nhs?2nHB?Q?nhs?2nHB (9) hsV1式中 HB ——护底以上戗堤高度,其余符号同前。

2)形断面非淹没流(图5b)

B?b?2nHB (10)

式中 b——龙口底部宽度。按下式计算:

n(1?y2)[(1?4??2)y2?1](hs?Z) b? 221?(1?2??)y3)三角形断面淹没流 (图5c)

B?2n[HB?(hs?h)]?2n(HB?hs?4)三角形断面非淹没流(图5d)

Q) (11) nV1B?2n?HB??hs?Z?H??

2?Q215()2hc1?4??22?Q215gn??() 由于 H?222hc4??4??gnH1?4??21?4??22?Q215() (12)因此 B?2n[HB?hs?Z? 4??2gn2(三)Vmax出现位置的判断 (图4)

设曲线1和曲线2的交点为A,相应的落差为ZA,曲线2和曲线3的交点为B,相应的落差为ZB,曲线1和曲线3的交点为C,相应的落差为ZC。A点称为梯形断面淹没分界点,C点称为三角形断面淹没分界点,B点称为非淹没流梯形断面与三角形断面分界点。由图4我们可以看出:

(1)当ZB>ZC时,Vmax出现在梯形断面,流速过程线为OAEBD,OA段按V1计算,AEB段按V2计算,BD 段按V3 计算。

(2)当ZB≤ZC时,Vmax出现在三角形断面刚形成时或三角形断面形成之后,流速过程线为OCD,OC段按V1计算,CD段按V3计算,此种情况下不需计算V2。

下面来讨论ZB和ZC 的计算方法。 令V2 =V3,则有

g2Q15 ?y2g(hs?Z)?(2)

4?n对于三角形断面, y?1, 代入上式可得:

1?4??21?4??2g2Q25Z?(2)?hs (13) 22g?4?n(13)式中Q为龙口流量;按(2)计算,并转化为Z的函数,则由(13)式可求出

ZB。

令V1=V3,则有:

g2n15) ?2gZ?(24?n1g2Q25 Z??(2) (14) 22g?4?n(14)式可求出ZC。

同样,ZA可令V1=V2求出,或作曲线1和曲线2,其相交点可求出ZA。

此外,当Vmax出现在三角形断面形成之后,还需求出淹没流时梯形与三角形断面分界点,此时可由图5看出

B?2nHB (15) 或 B?nhs?__Q?nhs?0 hsV1由于 V1??2gZ

因此 Z?Q22g?nhs224 (15-1)

由(15—1)式和(2)式联立求解,即为淹没流时三角形断面刚形成时的落差。

4计算步骤

1)将已知的泄流水位关系Qd~?H上(上游水位)转化为Qd~Z关系, Z=?H上+?H下(下游水位);

2)有(2)式绘龙口流量与下游落差Q~Z关系曲线; 3)(13)和(14)式计算ZB和ZC

4)当ZB?Ze时,由(5)~(8)式计算V1 、V2 和V3; 当ZB?ZC时,由(5)和(8)式计算V1 和V3。 5)流态由(9)~(12)式按相应流态计算B值。

6)计算出流速分区,确定各区抛投块最大粒径,截流备料量。 以上各步应列表计算。

5计算成果截流设计方案 成果要求:

1.设计成果应提交:

(1)设计说明书(包含计算过程); (2)计算附图附表;

(3)截流设计方案图,CAD大图至少一张,用A3纸打印,应有正规图框,图中包括戗堤进占分区图、戗堤平、剖面图和截流戗堤进占分区表、截流戗堤所需抛投物料数量表、截流戗堤所需抛投物料数量表等内容。

2.成果提交时间:

第21周周三上午9点至12点,下午3点至5点半。

3.答辩方式:

每位同学按规定时间到分组表中对应的指导教师办公室现场答辩,答辩顺序按表中顺序。每人答辩时间3-5分钟,答辩机会1次。没有按时到场答辩的按缺考处理。

分组情况:见分组表

答疑老师电话:郭红民: 13972002877

蔡启龙:13997662130

燕 乔:13972608620 赵春菊:15926968661 孟永东:13972603234 王林伟:13207215616

本文来源:https://www.bwwdw.com/article/6p3g.html

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