2013水利工程施工课程设计说明书

《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

当

?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

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