《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