导流底孔设计大纲范本

1FCD71040FCD水利水电工程初步设计阶段导流底孔设计大纲范本水利水电勘测设计标准化信息网1998年6月2工程初步设计阶段导流底孔设计大纲主编单位主编单位总工程师参编单位主要编写人员软件开发单位软件编写人员勘测设计研究院年月3目次1引言42设计依据43基本资料44主要设计任务与设计假定75导流底孔布置及体形设计86水力设计97导流底孔结构设计128工程量计算169专题研究及模型试验1610应提交的设计成果1741引言水电站工程位于省市县的江河干支流上，是河段梯级水电站规划的第个水电站，是一座以等综合利用的型水利水电枢纽工程。电站枢纽主要由等建筑物组成。其拦河坝正常蓄水位M，最大坝高M，坝顶长度M，总库容亿M3，电站总装机容量MW，保证出力MW，多年平均发电量KWH，灌溉面积万亩。水电站工程前期施工采用导流方案，后期采用底孔导流方案。导流底孔是期导流的主要泄水建筑物之一。它负担着宣泄期枯水时段流量，汛期与一起参与联合渡汛，以确保大坝安全施工。在工程完建期，导流底孔下闸封堵是工程按期蓄水发电的关键项目之一。2设计依据21有关本工程的文件1初步设计阶段的设计任务书或项目设计大纲；2工程可行性研究阶段的技术研究成果及有关的审查文件；3工程初步设计阶段导流方式设计大纲；4业主或建设单位提出的有关书面要求。22主要设计规范1SL502193水利水电工程初步设计报告编制规程；2SDJ33889水利水电工程施工组织设计规范（试行）；3SDJ2178混凝土重力坝设计规范（试行）及其补充规定；4SD13484水工隧洞设计规范试行。3基本资料31工程等级及设计标准根据SDJ33889的有关规定及导流规划安排，本工程导流底孔为临时（与永久提示文中填空代号含义根据项目设计大纲确定的枢纽工程等级如“大（）型”；指电站的主要建筑物如混凝土重力式拦河坝、坝后式厂房、溢洪道、泄水底孔等；指导流方式如“明渠或隧洞”等；指临时或永久底孔；指汛期与导流底孔一起联合渡汛的泄水建筑物如坝体缺口、永久底孔等。5孔结合的永久）建筑物，其设计级别为级建筑物。导流底孔设计洪水标准为年一遇洪水重现期，相应的河道上游来水流量为M3/S。32导流规划及其技术指标本工程推荐选用导流方案，初期导流建筑物为围堰挡水，岸导流泄水，后期采用导流底孔过流，坝体（临时断面）挡水。整个导流及渡汛共分期，导流底孔是第期导流的主要泄水建筑物。导流规划的各期技术特性见表1。表1导流技术特性表序号项目单位第一期第二期第三期第四期1导流时段2导流标准3设计流量4挡水建筑物5泄水建筑物6上游水位7下游水位33坝区地形、地质资料1坝址区地形图（1/10001/2000）；2坝址区地质平、剖面图（1/10001/2000）；3导流底孔轴线地质纵、横剖面图（1/5001/1000）；4坝址区基岩顶板等值线图（1/5001/1000）；5导流底孔基岩及地质条件1导流底孔的地质条件，从进口到出口所分布的岩层主要有，其中进口座落于岩层上，出口座落于岩层上。穿经地段主要地质构造有。各岩层的岩石物理力学指标见表2。表2岩石物理力学指标表项目岩石编号岩石名称重度KN/M3抗压强度MPA变形模量MPA泊桑比允许压应力MPA2）导流底孔基岩与混凝土的抗剪指标见表3。表3基岩与混凝土的抗剪指标表剪断强度序号基岩名称抗剪强度FFC，MPA提示设计洪水应根据拦河坝的类型、级别及其临时挡水的断面型式确定，其相应的来水流量为坝体的挡水流量，导流底孔的设计泄量应根据所有参与泄洪的泄水建筑物与挡水建筑物的调洪计算成果确定。634水文、气象资料341坝址分期洪水工程是江（河）梯级规划的第个梯级水电站，其坝址以上控制流域面积KM2，占全流域面积的。本工程上游已建有水电站，其下泄洪水流量的构成主要由组成，一般以月份作为汛期，为枯水期，各期洪水流量成果见表4。表4分期洪水最大流量成果表单位M3/S频率，时段1251020342设计洪水过程线见表5表5设计洪水过程线表流量，M3/S序号时间P1P2P5P101N343坝址水位流量关系曲线见表6表6坝址水位流量关系曲线表水位，M流量，M3/S344枯水期月平均流量及其构成见表7表7坝址枯水期月（旬）平均流量表单位M3/SP5P10序号时间上游库泄量区间流量入库流量上游库泄量区间流量入库流量1N345坝址典型年来水量及分月流量见表8表8坝址典型年来水量及分月流量表单位M3/S保证率月份提示如果导流底孔基础存在不利的结构面或底孔基础有断层、软弱带等不利的地质条件时，还应给出其断层裂隙带的组成、产状及力学参数等。7123456789101112P75P85346坝址区气象资料见表9表9坝址区气象资料表月份项目123456789101112平均平均气温，平均水温，平均降雨量MM雨日，D平均风速，M/S347泥沙资料（1）坝址多年平均输沙量万T；（2）坝址汛期平均输沙量万T；（3）坝址最大年输沙量万T；（4）坝址多年平均含沙量KG/M3；（5）坝址汛期平均含沙量KG/M3；（6）坝址汛期最大含沙量KG/M3。35水工建筑物资料1枢纽总平面布置图（1/10001/2000）；2各泄水建筑物平、剖面图（1/5001/1000）；3各泄水建筑物的泄流能力曲线；4各单项建筑物体形图及工程量；5各泄水建筑物采用的闸门及启闭机设备情况。36分部位混凝土材料1分部位的混凝土标号、龄期、级配要求；2混凝土配合比的试验资料。37其它有关资料1下游地区的工农业用水综合要求及允许断流天数；2有关通航、过木、排冰的要求；3有关施工总进度的资料；4有关坝址下游抗冲和防护的要求。84主要设计任务与设计假定41设计任务1导流底孔布置方案与导流底孔体形设计；2底孔导流水力设计；3结构及稳定分析；4施工规划；5工程量计算。42基本假定421导流底孔按其结构特点分以下三部分进行设计（1）坝前进水口或进水塔；（2）坝体内的导流底孔段；（3）出口的导流底孔消能段。422导流底孔设计包括其施工期、运行期及完建期的各种工况。423导流底孔按临时建筑物设计与永久孔结合情况除外，不考虑地震等意外情况。5导流底孔布置及体形设计51导流底孔布置原则52导流底孔平面布置提示导流底孔布置原则根据具体条件可考虑1导流底孔布置应结合工程后期导流及渡汛要求，结合永久水工建筑物和其他渡汛设施统一考虑。2导流底孔设置数量、其进出口高程及断面尺寸，除满足工程后期渡汛的条件外，尚宜兼顾导流、截流、过木、排冰等要求来综合确定。3导流底孔布置应尽量与永久泄水建筑物结合。与永久建筑物结合的部分，除满足施工导流的需要外，还应满足永久建筑物的要求。4导流底孔与明渠结合时，应尽量避免在底孔上部设置缺口或梳齿形成双层过流，如无法避免时应通过水工模型试验验证。5导流底孔进、出口布置时，应考虑有利于底孔下闸及封堵施工的要求。6布置导流底孔时，应尽量做到进口入流畅顺，出口归槽平稳。7导流底孔体形及结构布置，应与下闸封堵设计、施工及运行统一考虑，达到封堵施工方便，造价低，运行安全可靠。8底孔封堵闸门应尽量利用本电站工程其它孔口的闸门。提示导流底孔平面布置根据具体条件可考虑1导流底孔的位置应尽量靠近主河槽或将导流底孔布置在溢流坝段内，可充分利用永久泄水建筑物护坦作为导流底孔的消能设施。2导流底孔如不直接与永久泄水建筑物结合，一般应将其进、出口段建筑物贴靠在大坝上。3对于出口下游有防冲要求时，导流底孔应在其出口设置消力戽或其它消能设施。导流底孔出口消能工的设计，除满足下游防冲要求外，同时应考虑避免不利的流态对电站厂房尾水的淤积影响。4导流底孔沿纵轴线方向的布置应尽量呈直线形。953导流底孔的进、出口高程及体形设计54导流底孔的尺寸和断面形式55出口及消能段的设计要求6水力设计61水力设计的内容和基本假定提示导流底孔的进、出口高程及体形设计根据具体条件可考虑1在不影响截流、封堵的条件下，导流底孔的进口高程不宜选择太低，一般应略高于河床床面。2有过木要求的导流底孔，其进、出口高程应基本平顺，并使之在设计过木流量范围内保持明流流态。3导流底孔进口要求在设计水头范围内，选取合适的进口形式，一般宜采用顶部椭圆曲线，侧壁及底坎采用圆弧曲线。4导流底孔进口设置进水塔或其它形式的建筑物时，应考虑下闸封堵时沉放闸门的工作平台。该平台高程应以不受下闸及底孔封堵施工期上游水位的影响为前提，以及闸门启闭机回收与否等因素综合考虑确定。5导流底孔运行时，应禁止产生闸门井或门槽串水的情况。6底孔进口的闸门后应设通气孔，并保证其有良好的通气条件。通气孔尺寸根据通气量计算确定。提示导流底孔的尺寸和断面形式根据具体条件可考虑1导流底孔的设置数目与断面尺寸，应通过渡汛方案的综合水力计算确定。导流底孔宽度不宜超过该坝段宽度的一半。2导流底孔的断面形式可采用城门洞形或矩形断面，但采用矩形断面时，因其结构要求四个角需作斜坡贴角。3导流底孔按有压流设计时，其出口可采用洞顶压坡或收缩断面的形式，以保证在设计条件下，底孔内形成稳定的压力流态，采用洞顶压坡的坡度一般为18112。4采用明流设计的导流底孔，其洞内应保持足够的通气空间，并使之在各种上游水位条件下，都能限制明满流交替的流态发生。提示出口及消能段的设计要求根据具体条件考虑1如无特殊要求，导流底孔按临时建筑物设计时，一般在其出口下游可不设专门的消能工。2在下列条件下，应研究导流底孔的下游消能问题，并结合模型试验研究消能工的形式1）导流底孔设计运行水头较高，底孔出口流速较大时（流速大于10M/S）；2）导流底孔出口下游河床地质条件不好，有可能因底孔出流的冲刷危及坝基下游、岸坡及底孔本身稳定的；3导流底孔紧靠厂房尾水渠时，可能因其出流冲刷造成尾水渠淤积。10611水力设计的内容（1）导流底孔的泄流能力计算；（2）在设计条件下的调洪演算并确定上游水位；（3）导流底孔在设计条件下的压力分布及通气孔计算；（4）截流、通航、过木等条件下的各级水位及洞内流态分析；5）完建期导流底孔下闸封堵的水力计算；6）导流底孔出口的消能防冲水力设计。612基本假定（1）计算底孔泄流能力时，不考虑双层过水及底孔进口前的立轴漩涡挟气串入孔内对底孔泄流能力的影响；（2）在进行导流底孔参与坝体临时渡汛的调洪演算时，所有泄流孔口均按无控制敞泄计算下泄量；（3）对于上游有梯级水库的情况进行调洪演算时，不考虑本工程的调洪作用对上游梯级联调的影响。62水力设计方法及设计参数621有压底孔的泄流能力计算6211设计假定有压底孔设计应满足以下条件（1）在设计水位及设计流量下，其底孔是在有压流的情况下运行，不允许出现负压；（2）在常遇洪水的情况下，应避免底孔内处于半有压流的情况下运行。6212导流底孔内的流态判别（1）当下游水位低于洞顶高程时，按自由出流情况考虑H/A12为无压流；12H/A15为半有压流；H/A15为有压流。式中A底孔过水断面高度，M；H从底孔进口底板高程算起的上游水深，M。（2）当下游水位高于洞顶高程时，按淹没流情况考虑。6213导流底孔泄流能力计算（1）无压流情况的计算公式式中H从底孔进口底坎算起的上游水头，M；V0底孔进口前的行进流速，M/S；2/30HGBQS1GA20011B底孔宽度，M；M流量系数，M032036；S淹没系数。（2）半压力流的计算公式2式中底孔过水断面面积，M2；A底孔高度，M；流量系数，0576067；底孔出口水流收缩系数，0735。（3）有压流的计算公式3式中流量系数；底孔过水断面面积，M2；T0从底孔出口底板算起的上游水头；HP底孔出口水流收缩系数，自由出流时HP（08510）A淹没出流时HPHSHS从出口底板算起的下游水深。6214流量系数对有压流情况，流量系数受进口体形、各种局部水头损失以及沿程水头损失的影响，可由下式计算4式中I各种局部水头损失系数；L导流底孔长度；R过水断面的水力半径；C谢才系数。622导流底孔下闸封堵的水力计算1导流底孔的封孔闸门型式，应根据底孔进口形式、孔口尺寸、总水压力并结合工程可能提供的启闭设备及吊装设备的容量进行技术经济比较选取。2当采用钢闸门时，应尽量将封孔闸门与永久泄水孔的闸门结合使用，并注意可能采取的闸门回收措施。0AHGQPHTGQ0RCGLI21提示对于进口有压而洞内为明流的导流底孔设计，可参见进口有压短管的体形设计及基本的水力计算。123导流底孔封堵下闸的设计流量，可采用下闸封堵时段的5年10年重现期的月或旬平均流量，或按实测水文统计资料分析确定。4导流底孔下闸封堵的时间应满足以下条件1）下闸封堵流量及上游水位不影响闸门沉放施工；2）满足水库蓄水要求；3）满足导流底孔封堵混凝土施工的要求；4）满足下游供水要求，或不因下闸期间短期断流对下游用水造成较大的损失。5导流底孔封堵闸门的挡水总水头，应根据水库蓄水、初期发电、底孔封堵施工及坝体渡汛等要求综合确定。7导流底孔结构设计71导流底孔结构设计的主要内容1底孔进水口段的整体稳定计算；2底孔进水口段的结构内力分析；3底孔坝体段的应力分析；4底孔出口段的整体稳定计算；5底孔出口段的建筑物结构计算；6底孔封堵段的稳定及结构计算；7底孔进出口的闸门估算。72基本假定721导流底孔结构设计，根据其结构部位分别按以下三种情况考虑（1）底孔进水塔结构及稳定计算，应考虑其结构物施工期及运行期的荷载组合情况；（2）坝内孔口结构应力分析按设计运行期的荷载组合设计，同时应满足永久建筑物的设计要求；（3）导流底孔出口消能段的结构及稳定计算，应考虑底孔运行期及封堵期的各种不利荷载组合。722导流底孔进出口建筑物均贴靠在大坝上，为岸塔式建筑物。其整体稳定主要受地基应力及塔体的抗倾稳定控制，计算中作为临时建筑物可不考虑地震力的作用。723底孔进出口的基础渗径小，基础扬压力采用全水头，不考虑折减因素。724底孔封堵段的形式及长度不但应满足挡水稳定要求，还必须考虑坝体应力、温控及灌浆条件。73荷载及荷载组合731荷载计算导流底孔在其施工期、运行期及封堵期所承受的荷载，主要有自重、水重、内水压力、外水压力（包括扬压力）、动水压力、脉动压力、冲击力、拖拽力、泥沙压力、施工及设备荷载、以及地基反力等13（1）静水压力底孔运行期按设计的上游水位及相应的下泄流量的下游水位计算。（2）动水压力1作用在出口底板上的动水压力出口底板上的动水压力可近似地按静水压力计算，方向垂直板面，其计算公式如下PKAHCOS5式中KA单位换算系数（KA981）；水的密度；H垂直于面板的水深；面板与水平面的夹角。2作用在出口反弧段上的动水压力反弧段上的动水压力，其水平和垂直分力可按下式计算水平分力PXKAQCOS2COS1/G6垂直分力PYKAQSIN2SIN1/G7式中KA单位换算系数（KA981）；水的密度；出口流速；1、2分别为反弧垂直半径上游和下游两段反弧的圆心角。（3）脉动压力设计中脉动压力按不利方向计8式中M脉动压力系数，对直线段M5；对挑坎曲线段M10；对边墙段M5；V计算断面上的流速。（4）冲击力9式中P作用在鼻坎或反弧段上的冲击力；A尾坎迎水面在流速方向上的投影面积；KA阻力系数（KA1220）；V尾坎上的平均流速。（5）拖拽力提示对多泥沙河流汛期的水压力用浑水密度计算。GVKPM2GVAKPAA214TKTRJS10式中R计算板块的水力半径；S计算板块的过水表面积；J板上水流总水头线的平均坡降，在缺乏资料时可按下式计算J（12）H/L；计算段的流速系数（09095）；H计算段始末的水位差；L计算板块长度。（6）水平泥沙压力11式中N泥沙密度，KN/M3；H泥沙淤积高度；泥沙的内摩擦角。732荷载组合导流底孔分部位设计荷载组合，见表10。表10设计荷载组合表项目计算情况荷载自重水重内水压力外水压力扬压力动水压力脉动压力冲击力拖拽力泥沙压力施工荷载设备重温度作用施工期进水塔整体稳定及结构运行期洞身及坝体应力运行期运行期出口段稳定及结构封堵期74计算方法及参数741进出口建筑物及封堵段整体稳定分析进出口整体稳定计算包括抗滑、抗倾稳定和基础应力计算。进口取整个进水塔、出口取结构单元进行计算。（1）抗滑稳定抗剪12抗剪断1324510212TGHKPNPWFKACF15式中K、K分别为抗剪、抗剪断的安全系数；F、F分别为混凝土与岩石的纯摩和剪摩系数；C混凝土与岩石的凝聚力；W计算块体垂直力总和；P计算块体水平力总和；A混凝土与岩石的接触面积。（2）抗倾稳定KMM抗/M倾14式中KM抗倾稳定安全系数；M抗整个计算块体上抗倾力矩总和；M倾整个计算块体上倾覆力矩总和。（3）基础应力15式中N计算块体上垂直力总和；M对计算块体基底断面形心的力矩总和；L计算块体长度。（4）导流底孔稳定计算安全系数，见表11。表11稳定计算安全系数表安全系数项目设计校核抗剪抗滑稳定抗剪断抗倾稳定基础应力，MPA742结构内力计算（1）进水塔结构设计可采用结构力学法或有限元法进行计算，塔座、塔筒均视为由等截面杆件组成的平面构架计算。地基反力假定为均匀直线分布。施工期应考虑温降收缩和温度应力。（2）导流底孔洞身的坝内孔口结构计算，其主要荷载是坝体应力及内水压力，可采用弹性力学法或有限元法进行计算分析。（3）出口边墙及底板计算。出口边墙可按固结于底板上的悬臂梁设计，主要承受底孔泄流时的内水压力