截流课程设计

截流设计计算说明书

1 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 41.28 1700 41.45 2160 41.75 2670 3420 3930 42.74 ?H上（m）41.04 40.85 42.05 42.35 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（图解法）

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 mshs；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 mshs。 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，戗堤最大渗透流量Qs和上游河槽中的调蓄流量Qac可以忽略。 于是有： Q0= Q+ Qd

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：

表2上游水位与相应流量表

上游水位▽H上(m) 40.85 41.04 41.28 41.45 41.75 42.05 42.35 42.74

落差Z(m) 1.34 1.53 1.77 1.94 2.24 2.54 2.84 3.23 设计流量 Q0 (m3/s) 4150 4150 4150 4150 4150 4150 4150 4150 下泄流量Qd(m3/s) 700 1220 1620 1700 2160 2670 3420 3930 龙口流量Q(m3/s) 3450.00 2930.00 2530.00 2450.00 1990.00 1480.00 730.00 220.00 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：

图1上游水位与下泄流量关系曲线

图2上游水位与龙口流量关系曲线

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。

龙口泄水能力按宽顶堰公式计算：

式中 B––龙口平均过水宽度；

Q?mB232 g0H

H0––龙口上游水头；

m––流量系数，按下式计算： Z／H0＜0.3，淹没流， m?(1?ZH0)ZH0 Z／H0≥0.3 ，非淹没流 ，m = 0.385, Z––上下游落差；

Z0––合龙后闭气前最终上下游落差，为14m。 其中，对于梯形断面，龙口上游水头

H0?Z上?Z底?H上-30=Z+39.51-30=Z+9.51

龙口平均过水宽度B?B?2nHB?nH0=B?H0?28; 对于三角形断面，龙口上游水头

H0?Z上?Z底??nHB?0.5B?n=H0?9.51?Z??14?B/2? 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×(44-30)=28m时，龙口断面为梯形断面，当B<28m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，龙口流量与水位落差Z的函数关系，利用excel计算结果如下表：

表3 龙口流量、龙口宽度及上游水位表

▽H Qg B 220 150 120 90 70 60 50 42 34 28 20 13 6 39.61 2686 1753 1354 954 687 554 421 315 208 128 43 6 0 39.81 4656 3041 2349 1657 1195 965 734 549 365 226 78 11 0 40.01 6017 3932 3038 2145 1549 1251 953 715 477 298 104 16 0 40.21 7127 4660 3602 2545 1840 1488 1135 853 571 360 127 20 0 40.41 8089 5291 4093 2894 2094 1695 1295 975 656 416 148 25 0 40.61 8951 5859 4533 3208 2324 1883 1441 1087 734 469 169 29 0 40.81 9741 6379 4938 3497 2536 2056 1576 1192 807 519 190 34 0 41.01 10474 6862 5314 3767 2735 2219 1703 1290 878 568 210 39 0 41.21 11161 7316 5669 4021 2922 2373 1824 1385 945 616 229 45 0 41.41 11811 7746 6004 4262 3101 2521 1940 1475 1011 663 249 52 0 41.61 12429 8156 6325 4493 3273 2662 2052 1563 1075 709 269 58 0 41.81 13020 8548 6632 4715 3438 2799 2160 1649 1138 754 289 66 1 42.01 13588 8926 6927 4929 3597 2931 2265 1732 1200 800 310 74 2 42.21 14135 9290 7213 5137 3752 3060 2368 1814 1260 845 329 82 3 42.41 14663 9642 7490 5338 3903 3186 2468 1895 1321 890 350 91 4 42.61 15175 9984 7759 5534 4050 3309 2567 1974 1380 935 371 101 6 42.81 15672 10318020 5725 4194 3429 2664 2052 1439 980 393 111 8 6 2.3. 根据列表的结果绘制各曲线图如下：

图3龙口流量、龙口宽度及上游水位关系曲线

2.4. 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：

对于梯形断面： h?hs

nHB?0.5B。 n 对三角形断面：h?hs? 非淹没出流时：

对于梯形断面：h?hc

22Q 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4 图解法计算成果表

龙口宽度 220 150 120 90 70 60 50 42 34 28 20 13 6 上游水位 落差 龙口流量 4100 3800 3700 3300 2700 2400 1930 1550 1150 800 360 110 10 上游水头 9.70 10.00 10.28 10.75 11.15 11.35 11.70 11.90 12.10 12.28 8.52 三角形非淹没5.30 流 2.20 梯形淹没流 流态 平均宽度 龙口流速 抛石粒径d 0.10 0.20 0.32 0.50 0.63 0.75 0.80 0.88 0.99 1.04 0.67 0.42 0.14 39.70 0.19 40.00 0.49 40.28 0.77 40.75 1.24 41.15 1.64 41.35 1.84 41.70 2.19 41.90 2.39 42.10 2.59 42.28 2.77 42.52 3.01 42.80 3.29 43.20 3.69 201.70 2.14 132.00 3.03 102.28 3.80 72.75 4.77 53.15 5.34 43.35 5.82 33.70 6.02 25.90 6.29 18.10 6.68 12.28 6.85 8.52 5.30 2.20 5.51 4.35 2.49 2.5.根据以上数据绘制V—B及Qg—B曲线如下：

图4龙口流速与龙口宽度关系曲线

图5龙口流量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4。于是可绘制龙口宽度与抛填粒径关系曲线如下：

图6龙口宽度与抛填粒径关系曲线

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5材料分区

分区 龙口水面宽度B(m) 最大流速(m/s) 材料粒径d(m) 材料重量（KN） 材料的储备量（万KN）

Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅰ

220-90 90-60 60-15 15-0 4.50 5.80 6.85 5.80 0.48 0.78 1.07 0.48 1.50 139.34 11.92 47.51 16.67 70.72 1.50 2.60 3、成果分析

把龙口的的宽度分成四个部分，材料分为三个区，如表5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16m，边度系数取1.5，则下底长57m，戗堤高14m，求得断面积504㎡；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1.5，三区为2.0.

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，忽略Qs则可得到Q0=Q+Qd。

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。

关于截流的水力条件很复杂，上述计算只能作为初步依据，为了增加安全度，可做模型试验来进行进一步的分析。

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