截流课程设计

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） 40.85 41.04 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) 落差设计流量 下泄流量Qd(m³/s) 龙口流量40.85 41.04 41.28 41.45 41.75 42.05 42.35 42.74

Z(m) 1.34 1.53 1.77 1.94 2.24 2.54 2.84 3.23 Q0 (m³/s) 4150 4150 4150 4150 4150 4150 4150 4150 700 1220 1620 1700 2160 2670 3420 3930 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mB2gH023

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 10316 8020 5725 4194 3429 2664 2052 1439 980 393 111 8 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

对三角形断面：hhs 非淹没出流时：

nHB0.5B。 n 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 上游水位 落差 龙口流量 上游水头 220 150 120 90 70 60 50 42 34 28 20 13 6 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 4100 3800 3700 3300 2700 2400 1930 1550 1150 800 360 110 10 9.70 10.00 10.28 10.75 11.15 11.35 11.70 11.90 12.10 12.28 8.52 2.20 梯形淹没流 流态 抛石粒径平均宽度 龙口流速 d 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 2.20 5.51 4.35 2.49 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 5.30 三角形非淹没流 5.30 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 龙口水面宽最大流速度B(m) (m/s) 材料粒径d(m) 材料重量材料的储备（KN） 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。