2013水利工程施工课程设计说明书.doc

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）2503174105001000水位（m）952.15952.71953.48954.00955.87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）01503004108001400上游水位（m）953.00955.40957.03958.00960.66964.12 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P3942），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 -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：-(4)式中 流量系数当，为淹没流，当，为非淹没流，龙口平均过水宽度梯形断面：三角形断面：龙口上游水头梯形断面：三角形断面：其中 龙口上下游水位差戗堤高度戗堤端部边坡系数，取龙口上游水位河道底板高程由连续方程可得龙口流速计算公式为 ： -淹没流时：，龙口底板以上的下游水深非淹没流时：，龙口断面的临界水深即淹没出流时： 对于梯形断面： 对三角形断面：。非淹没出流时： 对于梯形断面： 对三角形断面：；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。（2）绘制龙口泄水曲线。（3）按照图解法求出几组相应的，和值，并绘制曲线簇。（4）判断流态，求水深。（5）按照计算合龙过程中的断面平均流速（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：CC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，CC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。CC断面落差与下游落差Z相同，则CC断面淹没流流速为： （5）式中流速系数， =0.850.95； Z下游落差。2）梯形断面非淹没流 （6）由于，令，则上式可写为 式中ZCCC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： （7）式中 CC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 （8）由（5）（8）式可绘制VZ曲线（图4）。由（5）式可绘淹没流VZ线（曲线）。由（6）和（7）式，可绘梯形断面非淹没流VZ线（曲线）。由（8）式可绘实际断面非淹没流VZ线（曲线）。显然，曲线是一条上升曲线，曲线是一条下降曲线，曲线是先上升而后下降。这是由于y随Z的增加而减小，对于矩形断面，；对于三角形断面，随着戗堤进占到三角形断面（Z增加），y将减小到。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是曲线和曲线的交点；B是曲线和曲线的交点；C点为曲线和曲线的交点；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 （9）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） （10）式中 b龙口底部宽度。按下式计算： 3）三角形断面淹没流 （图5c） （11）4）三角形断面非淹没流（图5d） 由于 因此 （12）（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ZBZC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ZBZC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 对于三角形断面， ， 代入上式可得： (13)（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： (14)（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 （15）或 由于 因此 (15-1)由（151）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上（上游水位）转化为QdZ关系，Z=上+下（下游水位）；2）有（2）式绘龙口流量与下游落差QZ关系曲线；3）（13）和（14）式计算ZB和ZC4）当ZBZe时，由（5）（8）式计算V1 、V2 和V3；当ZBZC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