2012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《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施工截流设计。

2 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

(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2.6KN/m3的花岗岩，截流戗堤两侧的边坡为1:1.5。

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：

1.5

Q0------------(4)

式中 m——流量系数

当

ZZ

0.3，为淹没流，m1H0

H0Z

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

。

n

对三角形断面：hc

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2g由于HhsZ，令y

ZCH

H （6）

ZC

，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)2.5

21.53y3(1y2)2

（7） 

1(122)y2

11

y

122142

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

g2QV3(2) （8）

4n

由（5）~（8）式可绘制V~Z曲线（图一）。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2

1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

142

1

。

142

图一 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（图一a），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（图一b）；当曲线在A点之上时，Vmax出现在三角形断面形成之后（图一c）。

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；

1

s1

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（图二b）

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

1(122)y2

3）三角形断面淹没流 （图二c）

B2n[HB(hsh)]2n(HBhs4）三角形断面非淹没流（图二d）

Q

) （11） nV1

B2nHBhsZH

2Q2()hc1422Q2gn2

() 由于 Hc4242gn2

142

1422Q2() （12）因此 B2n[HBhsZ 42gn2

（三）Vmax出现位置的判断 （图一）

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。由图一我们可以看出：

（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

g2Q y2g(hsZ)(2)

4n

对于三角形断面， y

1

， 代入上式可得： 2

14

142g2QZ(2)hs (13) 2

2g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：

g2n) 2gZ(

42n

1g2Q Z(2) (14)

2g24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，此时可由图二看出

B2nHB （15） 或 Bnhs

__

Q

nhs0 hsV1

由于 V12gZ 因此 Z

Q22gnhs

2

2

4

(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计算成果及分析

设计成果应提交：

（1）设计说明书（包括计算书一份）； （2）计算附图附表； （3）成果分析。

成果提交时间：

第19周周五下午5点。 分组情况：见分组表

答疑老师电话：蔡启龙：[1**********] 燕 乔：[1**********] 赵春菊：[1**********] 孟永东：[1**********] 王林伟：[1**********]

《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《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施工截流设计。

2 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

(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2.6KN/m3的花岗岩，截流戗堤两侧的边坡为1:1.5。

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：

1.5

Q0------------(4)

式中 m——流量系数

当

ZZ

0.3，为淹没流，m1H0

H0Z

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

。

n

对三角形断面：hc

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2g由于HhsZ，令y

ZCH

H （6）

ZC

，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)2.5

21.53y3(1y2)2

（7） 

1(122)y2

11

y

122142

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

g2QV3(2) （8）

4n

由（5）~（8）式可绘制V~Z曲线（图一）。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2

1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

142

1

。

142

图一 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（图一a），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（图一b）；当曲线在A点之上时，Vmax出现在三角形断面形成之后（图一c）。

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；

1

s1

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（图二b）

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

1(122)y2

3）三角形断面淹没流 （图二c）

B2n[HB(hsh)]2n(HBhs4）三角形断面非淹没流（图二d）

Q

) （11） nV1

B2nHBhsZH

2Q2()hc1422Q2gn2

() 由于 Hc4242gn2

142

1422Q2() （12）因此 B2n[HBhsZ 42gn2

（三）Vmax出现位置的判断 （图一）

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。由图一我们可以看出：

（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

g2Q y2g(hsZ)(2)

4n

对于三角形断面， y

1

， 代入上式可得： 2

14

142g2QZ(2)hs (13) 2

2g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：

g2n) 2gZ(

42n

1g2Q Z(2) (14)

2g24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，此时可由图二看出

B2nHB （15） 或 Bnhs

__

Q

nhs0 hsV1

由于 V12gZ 因此 Z

Q22gnhs

2

2

4

(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计算成果及分析

设计成果应提交：

（1）设计说明书（包括计算书一份）； （2）计算附图附表； （3）成果分析。

成果提交时间：

第19周周五下午5点。 分组情况：见分组表

答疑老师电话：蔡启龙：[1**********] 燕 乔：[1**********] 赵春菊：[1**********] 孟永东：[1**********] 王林伟：[1**********]