施工导流课设.doc

目录
1 课程设计的目的2
2 课程设计题目的描述和要求2
2。1 课程设计题目的描述2
2.1。1 工程的基本概况2
2。1.2 水文地质资料2
2。2课程设计的要求3
3 课程设计内容4
3。1 导流方案的选择4
3.1。1导流标准和导流时段的选择4
3。1。2导流方案的选择4
3。1。3方案分析论证6
3。1。4导流设计流量的推求6
3。2 导流建筑物的设计9
3.2。1导流明渠的设计9
3。2。2导流底孔的设计11
3.2。3围堰的平面布置及堰顶高程11
4 设计感悟16
5 参考文献资料17

14

1 课程设计的目的
课程设计对于工科的学生，是个综合性的实践教学环节.通过课程设计，使学生将在课堂所学的知识融会贯通,提高学生提出问题、分析问题并解决问题的能力。通过课程设计，培养学生利用所学知识,独立工作、创造性地工作的能力。通过课程设计,使学生熟悉现行水利水电工程建设项目实施的基本程序、基本规则和项目设计的基本要求与基本内容。通过课程设计培养学生应用技术规范与规程、查阅文献资料、体会协作共事的能力。
2 课程设计题目的描述和要求
2。1 课程设计题目的描述
2。1。1 工程的基本概况
拟建的宁国社坞坑水电站位于宁国市西南部，坝址位于水阳江主源西津河上游一级支流浣汐河上.宁国是全国工农业产值百强县之一，有着便利的铁路、公路交通和丰富的小山核桃、茶叶、蚕茧、水果、药材等物产资源.市内工业主要以生产宣纸、水泥、铝合金型材、机械、仪表、化工行业为主，农业以水稻、小麦、油菜为主。
浣汐河流域面积约170km2，主河道长约35km,河道平均坡降4.9‰,主河道宽约50～60m，天然落差约150m，河床及河岸岩石多裸露,且岩性较好，可开发水力资源约1.4万kW。在二十世纪九十年代初,浣汐河上游旌德县兴建了丁家山水库，装机800kW,宁国市辖区的浣汐河水力资源开发程度较低。
根据《宁国市水电农村电气化规划》，浣汐河采取五级开发方式，除上游旌德县丁家山水库已装机800kW以外，中间各级均是装机不超过300kW的坝后式径流电站，下游社坞坑站是第五级开发，拟建装机约2×800kW的长隧洞引水发电站,坝址初步选定在河口以上约3～4km处黄金山弯道附近。
2。1.2 水文地质资料
经计算，该流域多年平均降雨约1535mm，多年平均气温15.5℃，极端最高气温41.1℃，极端最低气温-14.5℃。年日照时数约1955h，年降水日平均157天，年平均蒸发量1464.4mm，平均无霜期为218天。
经计算社坞坑上、中、下坝址多年平均径流量分别为1。387亿m3、1.394亿m3、1。397亿m3；多年平均流量分别为4。4m3/s、4。42m3/s、4.43m3/s；多年平均径流深均为885mm。上、中、下坝址10％设计丰水年径流量分别为2。04亿m3、2。05亿m3、2.05亿m3；50%的平水年径流量分别为1。32亿m3、1。32亿m3、和1.33亿m3；90％的枯水年径流量均为0.83亿m3.
依据坝址日平均流量计算相应逐日流量历时曲线,相应中坝址15％、50％、85%保证率的日平均流量分别是6。37m3/s、1.36m3/s和0。44m3/s.
径流年内分配不均，如中坝址多年平均枯水期10～1月,径流仅1670万m3，而丰水期4~7月为8300万m3，平水期的2、3、8、9月为4250万m3,枯水期径流只占丰水期的20。1%，占平水期约39。3％。经计算，中坝址200年一遇、50年一遇洪峰流量分别为1533 m3/s和1031m3/s。
按具体施工布置要求，经计算中坝址施工时段11～2月、11～12月、1~2月及3月5年一遇洪峰流量分别为43.2 m3/s、20。7 m3/s、35。9 m3/s和90。2m3/s,厂址施工时段11~3月、11～4月、10～4月、3月5年一遇洪峰流量分别为376.8 m3/s、535.9 m3/s、570。1 m3/s和347。2m3/s。
经计算多年平均含沙量0.48kg/m3,多年平均侵蚀模数424。8吨/km2.多年平均入库沙量约0。46万m3，按20年运行期计算为9。2万m3，相应淤沙高程为154m
本阶段共进行了三个坝址的勘探，分别为上、中、下三个坝址，上、下坝址直线距离约700m,河道长约2000m，中坝址位于上下坝址之间,三坝址相距较近，工程地质条件无明显差异，均属构造侵蚀低山地貌，坝址处河谷较狭窄,呈“U”型,宽约60m.河床中部基岩出露，滩地有冲洪积砂卵石覆盖层.
坝址基岩为志留系石英细砂岩，硅质、泥质胶结，主要矿物为石英，含量约占85％左右，其它矿物为长石和绢云母。
2。2课程设计的要求
（1）在课程设计期间，严格遵守纪律，在指导教师指定的地点进行设计.刻苦钻研,勇于创新，尊敬老师，团结合作，虚心接受指导。因事、因病离岗，应事先向指导老师请假，否则作为旷课处理。凡院、系随即抽查两次不到者,评分降低一级,累计旷课时间达到或超过全过程1/3者，按“不及格”处理.
（2）独立完成课程设计任务，不得弄虚作假、严格抄袭他人设计和已发表的成果或请他人代替完成，违反者按作弊论处。保质保量的完成《课程设计任务书》所规定的任务。主动向指导教师汇报设计的进展情况，主动接受指导教师的检查和指导.
(3）保持良好的工作环境，定期打扫卫生。注意安全用电，离开工作现场时必须及时关闭水、电、门、窗。
（4)完成设计相关任务后，应按有关规定将设计整理好，交指导教师评阅。将本人设计的所有成果整理好并送交指导教师，由指导教师交教研室或学院存档。
（5)根据课程设计任务书所规定的内容，收集相关参考资料，查阅或收集有关的现行国家行业的技术标准、规程和规范。
3 课程设计内容
3.1 导流方案的选择
3。1。1导流标准和导流时段的选择
社坞坑水电站以发电为开发目的，无其它综合利用要求。根据国标《防洪标准》（GB50201—94）以及部颁标准《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2000），确定工程等别为Ⅳ等,其主要建筑物：大坝为4级建筑物，发电引水隧洞、发电厂房及变电站等为5级建筑物.根据《水利水电工程施工组织设计规范》（SL303—2004）,相应导流建筑物为Ⅴ级建筑物,导流建筑物设计标准选用相应时段重现期为5年的洪水。根据社坞坑水库历年（1958~2001年）逐月平均流量表资料做图1,显示10月至次年1月径流量较小，截流和导流施工都较易解决，工程量较小、造价较低.因此，导流时段选为10月至次年1月。
3.1。2导流方案的选择
根据坝址处地形、地质、水文条件及细石混凝土砌块石重力坝型式的特点，拟定3个导流比较方案：全段围堰隧洞导流;利用发电隧洞导流;左岸大明渠加主坝底孔分期导流;右岸束窄河床、坝体底孔导流。现对四种方案进行比较.
方案一：全段围堰隧洞导流.在河流右岸挖掘新的隧洞，用以作为导流阶段的过水建筑物，然后采用全段围堰拦截河水,使上游来水经隧洞宣泄到下游，待工程主体具备防洪度汛后采取封堵法将隧洞封堵。该方案的优点是利用上游已建成的丁家山等水库进行径流调节,保证工程在导流阶段内的来水满足新开隧洞的泄流要求,这样能设计较为经济的隧洞，节省隧洞的造价。同时主体工程可以进行全面的浇筑,保证大坝的施工质量，省去因分期施工而必须修建的纵向围堰工程。隧洞布置在河流右岸，进出口与河流流向夹角为30°，距上下游围堰70m远。其缺点是隧洞开挖工程费用高，施工条件复杂，而且对开挖地层的岩性要求高.结合本工程主坝坝址位置要求隧洞的开挖长度过长，对于整个工程施工预计11个月的工期，导流时期只有4个月的要求来说，开挖这样的隧洞导流显然不经济,而且还很费时。
方案二：利用发电隧洞导流。采取低进水口的导流隧洞和高进水口的发电隧洞相结合的布置方式,即“龙抬头”的布置方式。具体施工是第一个枯水期围堰施工发电隧洞和发电厂房，第二个枯水期围堰施工溢流坝,坝址上游来水利用已建好的发电隧洞导流，整个工程跨三年，总工期约为24个月.此种方法的优点是利用结合布置的方式，减少了许多不必要的工程量和费用。其缺点是在浣汐河和西津河上分别修建弧形围堰保证进水口、电站厂房及出水口的干地施工，待到第二个枯水期在浣汐河上修建全段围堰来保证主体工程的干地施工。既增加了施工工期又增加了工程量.
方案三：左岸明渠、主坝底孔分期导流。一期(第一年10～11月）施工采用布置于左岸的明渠导流，导流明渠右侧填筑纵、横向围堰形成一期施工基坑;二期（第一年12月至次年1月)在导流明渠位置填筑横向围堰并利用一期纵向围堰形成二期基坑，并部分拆除一期上、下游横向围堰,坝址上游来水改由一期施工时在坝体中预留的底孔导流.此种导流属于二段二期工程，优点是适用于河床宽、流量大、工期较长的工程,而且明渠施工方便，整个导流建筑物费用也较低,对主坝的施工不产生太大的干扰。其缺点是对于两岸陡峻河谷地区不适用，另一个是导流期间来水量较小时修建明渠费工费钱。
方案四：采右岸束窄河床、坝体底孔导流.一期(第一年10~11月)施工采用束窄右岸的河床导流，束窄河床左侧填筑纵、横向围堰形成一期施工基坑;二期(第一年12月至次年1月）在束窄河床位置填筑横向围堰并利用一期纵向围堰形成二期基坑，并部分拆除一期上、下游横向围堰,坝址上游来水改由一期施工时在坝体中预留的底孔导流.此种导流属于二段二期工程,优点是利用束窄原河床泄水，通过上游已建梯级水库进行径流量调节，保证束窄河床段的平稳泄水，费用小，施工方便。其缺点是束窄段的水流流速过大，对河床冲刷严重，对纵向围堰危害也很大,且右岸基岩强风化层厚约5。0m，一旦冲刷严重对二期工程主坝的修建带来很大的地基处理工程。
3。1.3方案分析论证
经过分析比较，考虑坝址处河谷呈“U"型，左岸基岩强风化层厚约0。5～1.4m,右岸厚约5.0m；左岸弱风化层厚约2.0m,河床处缺失，右岸厚约6。0m。这样在左右岸修建隧洞都不能满足地质要求;而利用发电隧洞导流的施工期太长、施工条件复杂；右岸基岩强风化严重,不适宜束窄泄水；再结合枢纽布置，施工期紧及各种导流建筑物投资等因素，拦河坝施工导流方式选用方案三。
3.1。4导流设计流量的推求
根据导流方案采用二段二期导流，一期工程施工采用的导流方式是左岸明渠,施工期为第一年10～11月；二期工程的施工则采用一期施工时在坝体中预留的底孔导流,施工期为第一年12月~1月.洪水重现期取为5年,由1958—2001年社坞坑历年逐月平均流量资料经调洪演算推出各月的导流设计流量,即采用P—Ⅲ型分布求取频率P=20％的10、11、12、1月的导流设计流量计算如下：
10月份导流设计流量的推求过程见图3—1：
图3—1 10月份流量P-Ⅲ型分布曲线图
从图中我们可以得出从1958-2001年10月份的流量均值X10=2.0m3/s，变差系数Cv=1.25，偏态系数Cs与变差系数Cv比值,即Cs/Cv=2。0.对应P=20％的设计流量为3.28m3/s。
11月份导流设计流量的推求过程见下图:
图3—2 11月份流量P—Ⅲ型分布曲线图
从图中我们可以得出从1958—2001年11月份的流量均值X11=1。6m3/s，变差系数Cv=1.02,偏态系数Cs与变差系数Cv比值,即Cs/Cv=2.0。对应P=20%的设计流量为2.60m3/s。
12月份导流设计流量的推求过程见下图:
图3—3 12月份流量P-Ⅲ型分布曲线图
从图中我们可以得出从1958—2001年12月份的流量均值X12=1。1m3/s，变差系数Cv=0。80，偏态系数Cs与变差系数Cv比值,即Cs/Cv=3。0。对应P=20％的设计流量为1。60m3/s.
1月份导流设计流量的推求过程见下图:
图3—4 1月份流量P-Ⅲ型分布曲线图
从图中我们可以得出从1958-2001年12月份的流量均值X1=1。5m3/s,变差系数Cv=0。97,偏态系数Cs与变差系数Cv比值，即Cs/Cv=3。0。对应P=20％的设计流量为2。10m3/s.
通过计算比较得出一期工程导流设计流量为3。28m3/s，二期工程导流设计流量为2。10m3/s。但参考社乌坑可研总报告中坝址施工时段11～2月、11～12月、1～2月及3月5年一遇洪峰流量分别为43.2 m3/s、20。7 m3/s、35。9 m3/s和90.2m/s的数据,结合具体导流方案和导流时段的划分，取一期工程导流设计流量为20.7 m3/s,二期工程导流设计流量为35.9 m3/s.
3。2 导流建筑物的设计
3.2.1导流明渠的设计
一期明渠布置于河床左岸浅滩，中心线长140m，呈近似直线布置，底宽6。0m,进、出口明渠底高程分别为149。5m、149。1m，渠底纵坡为2.8‰,粗糙系数n查水力学教材取为0。035，渠道断面采用梯形断面，边坡系数m应为1.51~2.0。渠中最大水深按明渠恒定均匀流公式试算得出，计算原理如下:
; (3-1)
； （3—2）
; （3—3）
; (3—4)
（3—5)
通过对坡度m和水深h的改变,试算出与导流设计流量相接近的导流流量所对应的水深即为所推求的水深。
具体试算过程见附表，下表3-1为试算所求得的导流流量与导流设计流量相接近的计算过程：
表3—1 明渠水深试算过程（m=1.8)
m
b
n
h
A

R
i
C
Q0
Q
Vc
1。8
6
0。035
1
7。80
10。12
0.77
0。0028
27.36
9.91
20.70
1.27
1.8
6
0。035
1.1
8.78
10.53
0.83
0.0028
27。72
11.75
20.70
1.34
1。8
6
0。035
1。2
9.79
10.94
0.89
0。0028
28.05
13。75
20。70
1。40
1。8
6
0.035
1。3
10.84
11.35
0.95
0。0028
28。35
15.90
20。70
1.47
1.8
6
0。035
1.4
11.93
11.77
1。01
0.0028
28.64
18。20
20。70
1.53
1。8
6
0.035
1。5
13.05
12。18
1。07
0。0028
28.90
20.66
20。70
1。58
1。8
6
0。035
1.6
14.21
12。59
1.13
0。0028
29.15
23.28
20。70
1.64
1。8
6
0。035
1。7
15.40
13.00
1.18
0。0028
29。39
26。07
20。70
1。69
1。8
6
0。035
1。8
16.63
13。41
1。24
0。0028
29。61
29。02
20.70
1。74
1。8
6
0。035
1。9
17。90
13。82
1。29
0。0028
29。83
32。14
20。70
1.80
1。8
6
0。035
2
19.20
14。24
1.35
0。0028
30。03
35。43
20.70
1。85
1。8
6
0.035
2.1
20。54
14。65
1.40
0。0028
30。23
38。90
20。70
1。89
1。8
6
0。035
2。2
21。91
15。06
1。45
0.0028
30.41
42。54
20.70
1。94
当坡度为1。8，底宽为6m，糙率为0.035,水深为1。5m时导流流量与导流设计流量最接近，此时平均流速为1。58m/s,属于不充不於流速。为了使水流平顺进出明渠，在进出口部位做成水平喇叭形,并降低0.5m的高程已修建倾斜护坡。为防止水流对进出口与河床连接部位的直接冲刷，修建钢筋混凝土护坦。明渠过水面采用M7.5的水泥浆勾缝护面，增大过水系数。明渠纵向每隔10m设置沉降缝，防止因地基的不均匀沉降而对明渠的破坏.明渠底部要预留排水孔，用来排出河道地下渗水，减轻明渠渠底受到的扬压力,保护明渠的稳定。
3。2.2导流底孔的设计
二期利用一期坝体内已建成的3个2.0m×2。0m城门洞型底孔导流，底孔进、出口底板高程分别为150。1m、150.0m,孔壁采用0。3m厚钢筋混凝土衬砌，底孔全长14.2m.底孔的最大水深由试算法推求,按有压恒定流计算，计算的公式如下:
导流流量，;取
假定不同的水深，推求与导流设计流量相接近的导流流量下对应的水深为所推求的水深.具体试算过程如表3-2所示：
表3—2 导流底孔不同水深试算过程
流量系数uc
底宽b
水深h
过水断面面积A
湿周χ
水力半径R
导流流量Q
导流设计流量Q0
平均流速vc
0。6
2
1
6
4
1。50
15。94
35。9
2.66
0.6
2
1.1
6。6
4。2
1。57
18.39
35。9
2.79
0。6
2
1。2
7。2
4。4
1。64
20。95
35.9
2。91
0。6
2
1。3
7。8
4.6
1.70
23.62
35.9
3.03
0。6
2
1。4
8。4
4。8
1。75
26。40
35。9
3。14
0。6
2
1。5
9
5
1。80
29。28
35。9
3.25
0。6
2
1.6
9.6
5。2
1.85
32。26
35。9
3.36
0。6
2
1.7
10。2
5.4
1。89
35.33
35。9
3。46
0。6
2
1。8
10。8
5.6
1。93
38。49
35。9
3.56
0.6
2
1。9
11.4
5。8
1.97
41。74
35.9
3。66
通过试算得出导流底孔的最大过水深度为1。89m，过水流速为3.46m/s.
3。2。3围堰的平面布置及堰顶高程
围堰基坑的面积过大，会增加排水设施的容量;过小则会妨碍主体工程的施工，影响工期；更有甚者,会造成水流宣泄不流畅,冲刷围堰及基础,影响主体工程安全施工。
通常,基坑坡趾与主体工程轮廓之间的距离，不应小于20～30m，以便布置排水设施、交通运输道路及堆放材料和模板等，详见图3—5.
图3-5 围堰布置规定图
堰顶高程取决于导流设计流量及围堰的工作条件。
(1)一期围堰工程：
下游围堰的堰顶高程由下式决定
（3—6）
式中：为下游围堰堰顶高程,m;为下游水位高程,m；为波浪爬高，m；为围堰的安全超高,m。
根据一期工程导流设计流量和中坝址水位-—流量关系表：
表3-3 中坝址水位——流量关系表
高程
(m）
封闭断面面积(m2）
封闭断面周长(m）
截线
线宽
（m）
湿周
（m）
水力
半径
(m)
断面平均流速(m/s)
流量（m3/s）
149。55
0
0
0
0
0
0
0
150
9.9172
61。8915
30。8733
31.0182
0。320
1。100
10.9
151
42。3227
68。6934
33。9376
34.7558
1.218
2。682
113。5
152
77.7924
75.4953
37.0019
38。4934
2。021
3。760
292.5
把一期工程导流设计流量值20。7m3/s 带入公式y = -0.00028 x2 + 0。04428 x + 149.55000 ，得水位为:150。4m。
围堰安全超高依据《水利水电工程施工组织设计规范》(SL303—2004）规定，对于不过水围堰,级别为5级的堰顶安全超高下限值为0.5m，考虑到地基沉降，取=0.8m。波浪爬高=0。3m。
Hd=150。4+0.8+0.3=151。5m。
上游围堰的堰顶高程由下式确定:
（3—7）
式中：Hu为上游围堰堰顶高程，m；z为上下游水位差，m；其余符号意义同式(3—7）。
由于围堰将河床束窄，改变了河床内原来的水流状态，在束窄段前产生了水位壅高,即上下游水位差z,其值可用下式计算：
(3—8)
式中:z为壅高，m；为流速系数;v0为行近流速。
考虑河床束窄引起的水流流速变化，v0 =20。7÷（60×1。7）=0。20m/s；vc在表3—2中计算得1.48m/s；g为重力加速度,g=9.81m/s2；流速系数=0.80。则z=0.17m，取z=0.2m.
=150.4+0。2+0.3+0。8=151.7m
剖面设计：上游围堰的两侧坡度取为1：2，堰顶的宽度取为7m,围堰的长度取为45m；下游围堰的两侧边坡取为1：1.5,堰顶的宽度取为7m,围堰的长度取为45m.围堰中心设置厚度为0.5m的垂直防渗墙，采取贯穿式布置。在上下游围堰的迎水面采用浆砌石护底，防止河水对围堰的冲刷，保证围岩的稳定。
（2）二期围堰工程：
下游围堰的堰顶高程由下式决定
（3—9）
式中：为下游围堰堰顶高程,m;为下游水位高程,m；为波浪爬高,m；为围堰的安全超高，m。
把二期工程导流设计流量值35。90m3/s带入公式y = —0。00028 x2 + 0。04428 x + 149。55000,得水位为150.8m围堰为土石围堰5级建筑物，查规范得围堰堰顶安全超高不得低于0。5m，考虑到地基沉降取为0。5m；波浪爬高取为0。5m。
=150.8+ 0。5+0。5=151.8m
上游围堰的堰顶高程由下式决定
（3-10)
式中：Hu为上游围堰堰顶高程,m；z为上下游水位差，m；其余符号意义同式(3-7)。
由于围堰将河床束窄，改变了河床内原来的水流状态，在束窄段前产生了水位壅高，即上下游水位差z,其值可用下式计算:
（3—11）
式中：z为壅高，m；为流速系数；v0为行近流速。
按有压恒定流计算导流底孔=3.46m3/s;取为0.8；=0.2m3/s，得
Z=0。95m ，Z取1 m。
=150。8+1+0。5+0.5=152.8m
剖面设计:上游围堰的两侧坡度取为1：2，堰顶的宽度取为7m，围堰的长度取为40m；下游围堰的两侧边坡取为1：1。5,堰顶的宽度取为7m，围堰的长度取为30。5m.围堰中心设置厚度为0。5m的垂直防渗墙，采取贯穿式布置.在上下游围堰的迎水面采用浆砌石护底，防止河水对围堰的冲刷，保证围堰的稳定.
（3）纵向围堰:
纵向围堰按修筑材料有很多的类型，在此结合中坝坝址的河床地质、施工工期和各类型围堰的施工速度、拆除的综合考虑，采用土石围堰。中坝坝址处的覆盖层厚度很小,右岸滩地有厚约3。0m的冲洪积砂卵石覆盖层，左岸表面覆盖0。5～2。0m不等的第四系坡残积层，以下为岩石基层。土石围堰对地基适应性强，施工简单，材料可在当地挖去，拆除容易等优点。通过计算和以往的工程经验，纵向围堰上下游高度要与横向围堰齐平,在水流流向上呈降低的布置.具体尺寸：两侧坡度取为1：2，堰顶的宽度取为7m,纵向围堰长度满足一期导流建筑物明渠的长度要求,为140m.围堰中心设置厚度为0。5m的垂直防渗墙，采取贯穿式布置。在围堰的迎水面采用浆砌石护坡,防止河水对围堰的冲刷，保证围堰的稳定.
5 参考文献资料
［1]林继镛,王光纶,水工建筑物［M］。北京：中国水利水电出版社，2010
[2］袁光裕，胡志根,钟登华，水利工程施工[M］.北京：中国水利水电出版社2009
[3］吴持恭.水力学。第四版上册。 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室编
[4］水利水电施工组织设计规范(DL/T5397-2007)［S].北京：中国电力出版社2008