河北工程大学水利工程施工课设.doc

水利工程施工课程设计
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一、工程概况
本水库坝址位于某城镇上游3km处，控制流域面积317km2,坝址处多年平均流量11.1m3/s，年径流总量3.5×108m3。本工程是兼有防洪、发电、灌溉的水利枢纽。工程总库容为1。6×108m3,死水位112.0m,设计洪水位130.74m，校核洪水位132。4m，水库有效库容达1.0×108m3.
该工程拦河坝为混凝土重力坝，电站布置在河床右侧的非溢流坝段的后面,为坝后式,坝顶全长为315m，坝顶高程为135m，其中左非溢流坝坝段长度为100m,溢流坝段长48m，右非溢流坝段长167m，溢流坝段布置在河床中部偏左岸，设有三孔6m×12m的弧形工作闸门，堰顶高程124m,坝底最大宽度为54m，消能方式为挑流消能。非溢流坝段最大底度为46.6m,厂房最大宽度为13。7m,厂坝联结段为4m。
电站装机容量为2×3200KW.引水压力钢管设在非溢流坝段内，进水口底板高程为95。0m，管径1。75m，采用单元供水的布置方式。水轮机安装高程85.0m,设计工作水头36.0m,最大工作水头45.0m，最小工作水头27。0m.
工程枢纽处地形及工程布置见图1。
图
图1
二、其他基本资料
1.工程水文资料
该水库库容在1×108m3以上，主坝为二级建筑物，各设计频率洪水过程线、施工设计洪水等水文资料见表1~表5。
表1 坝址设计洪水过程线 单位：m3/s
频率
时间
1%
2％
5%
10％
20％
0
10
10
10
5
5
6
178
152
184
146
112
12
660
600
438
368
276
18
1160
1340
996
723
504
24
923
780
634
474
366
30
482
415
340
309
240
36
675
588
529
423
343
42
342
406
308

253
208
48
209
276
218
175
133
54
211
180
163
118
88
60
138
107
106
81
59
66
87
72
61
57
41
72
50
44
42
30
28
78
35
27
26
18
17
84
25
19
15
12
11
90
20
14
10
5
5
96
10
10

102
7

洪 量（亿m3）
1。26
1。09
0.87
0。69
0。53
表2 施工设计洪水成果 单位：m3/s
频率(%）
分期
2
5
10
20
全年施工
1340
996
732
504
7月～次年4月
1150
860
600
400
9月～次年3月
316
235
175
119
10月～次年3月
263
186
133
86
10月～次年4月
319
252
206
157
表3 水文站实测历年月平均流量 单位:m3/s
月
年
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
合计
年
平均
1962
5.78
8。42
20.2
11。4
3。38
15.1
8.81
8。57
16。4
7.51
3.09
2.97
142。25
11。8
1963
4。73
5。87
18。8
11。6
1.87
24。6
11。2
6。76
12.3
12。5
19.4
8。02
154。48
12。9
1964
17.5
12。2
10.8
15。9
45。8
74.2
51.3
20.9
6。13
4.15
3。20
3。97
266。05
22。2
1965
3.05
4。19
8。40
16.8
21.6
59.3
11.1
11。2
5.79
3.30
3.07
2.72
150.49
12。5
1966
2.92
3。76
10.5
13.6
35.5
17。5
8。42
5.99
3。35
3.05
2.52
2。30
107.41
8.95
1967
4。30
5。62
7.28
19.2
30。8
10。3
8。12
14。8
3。92
5。15
3。71
3.46
114.66
9。55
1968
3.12
4。20
8。68
23.3
47.9
21。4
11.5
5。05
4。27
4.77
3。15
2。71
140.05
11.7
1969
3.07
16.3
6.91
7。55
12.0
27.7
8.42
5。21
2.58
2。30
4。68
3。40
100.2
8。34
1970
5。05
3。11
8。40
12。1
22。0
28。0
7.22
6.80
5.64
3。55
4。16
3.38
109。38
9。11
1971
3。36
905
15.9
15.2
12。8
27.0
8.32
10。8
16。0
4。98
6。26
4.30
131.97
11。0
1972
3.85
2.95
5.25
14。6
30.4
44。8
15。9
5。20
4。52
6.69
5.90
3.58
143。37
12。0
1973
2.75
2.62
2。68
4.21
21。3
12。8
11.0
7。08
3.62
3。27
5.36
3。33
80.02
6。67
1974
6。39
6.77
7。61
14。2
10.9
228
8.60
9。27
3。01
3。82
2。89
2。62
96。88
8.07
1975
2.24
3.26
4。35
15.6
8.79
13.3
8.11
6。91
6。42
5.78
5.84
6。39
86.89
7.24
1976
5。13
7.94
8.05
26.6
13.5
25.1
32。7
7。45
3。13
4。36
3。45
3。07
140.48
11。7
1977
2。52
4.75
10.3
13。8
50.0
36.2
16.8
13。0
5.10
4。06
5。19
3.37
165。09
13.8
1978
2。81
3.02
9.06
12.3
14。8
7.88
7。44
5。35
4。04
3。97
2.98
4。50
78.15
6。51
1979
6.90
6。70
10。8
17.8
26.5
29.6
31。9
22.1
9.25
7。63
5.59
3.86
178。63
14.9
1980
3.24
4.20
13.5
18.5
29。7
26。4
36.6
11。1
19.6
8.85
7.71
7。99
187.39
15.7
1981
4。61
6.56
7。50
9.71
21。9
38。2
8.59
7。62
4.60
3.34
2.35
2。33
115.79
9。65
1982
1。98
8.62
4.64
5.56
15.2
17.7
7.59
18。1
10。9
7.06
13。6
6。98
117。93
9。83
合计
95.0
130。11
200.06
299.53
523.89
579.88
309.54
209。29
150。57
110。09
114。07
85.25
2807。28
234。12

平均
4。52
6.20
9。52
14。3
24。94
27.61
14。74
9.59
7。17
5.24
5.44
4.06
133。68
11.14
表4 坝址水位—流量关系曲线
水位（m）
84.3
84.6
85.0
86。0
87。0
88.0
89.0
90。0
91。0
92.0
93.0
流量（m3/s）
0
5
50
220
500
855
1280
1730
2370
2990
3630
表5 水库容积曲线
高程（m）
90
95
100
105
110

115
120
125
130
135
面积（km2）
0.146
0.955
1。768
2.632
3。440
4.350
5。281
6.287
7。206
8.088
容积（万m3)
0
275
956
2060
3574
5522
7935
10830
14200
18020
2。坝址地形地质条件
（1）：地形自然坡度为1：1。5~2.0,覆盖层2～3m，全风化带厚3~5m，强风化加弱风化带厚5m,微风化厚4m.
(2）河床:岩面较平整。冲积沙砾层厚约0~1.5m,弱风化层厚1m左右，微风化层厚3~6m.河床纵剖面地形中,迎水面坝踵处岩面高程约在83.6m左右，背水面坝趾处岩面高程约在83。5m左右。距坝趾下游15m处有一深潭,高程约81m,整个河床皆为微、弱风化的花岗岩组成，致密坚硬，强度高，抗冲刷能力强。
（3）右岸:地形自然坡度为1：2左右，覆盖层4~6m，全风化带厚6～8m，强风化带厚2~4m，弱风化带厚2～4m，微风化厚1～12m.
（4)基岩利用线及坝基开挖：强风化层要全部挖除。坝基的开挖范围应与建筑物的底部轮廓尺寸相适应，开挖的深度按坝底应力和坝基强度而定.
(5）坝后厂房基础:厂房设于坝后靠右岸的河床处,设计最低开挖高程为79~83m之间，全部处于微风化新鲜基岩内。
3.主要施工条件
(1)对外交通：目前已有两条三级公路分别从两岸经过坝首和坝区。
（2)施工电源：目前已有35KV输电线路，电源充足可靠.
（3）主要建筑材料：本枢纽主坝为混凝土重力坝，坝体混凝土所需的卵石，在坝址上下游1～2km均可开采,河砂在距坝址10km处的下游采集。库内盛产竹木。
5。施工期限
本工程主体部分的大坝和电站厂房，施工工期为两年左右，准备工程在第一施工年度的4～7月份完成，水库在第三施工年度的汛后开始蓄水，并在10月1日并网发电。
三、施工导流设计过程
（一）施工导流设计标准选择
1.施工导流建筑物级别的选定
本工程根据《水利水电工程施工组织设计规范》（SDJ338—89），以及本工程的级别和围堰工程规模，选定施工导流建筑物为Ⅳ级。
2.施工导流设计洪水标准的选择
根据《水利水电工程施工组织设计规范》（SDJ338—89），以及导流建筑物的级别，选定导流建筑物的洪水标准为：20年一遇（P=5％)。
(二)施工导流时段选择
根据本工程的特征条件采用分段围堰法导流，中后期用临时底孔泄流来修建混凝土坝。划分为三个时段:第一时段，河水由束窄河床通过，进行第一期基坑内施工；第二时段，河水由导流底孔下泄,进行第二期基坑内施工；第三时段，坝体全面升高,可先由导流底孔下泄河水,底孔封堵以后,则河水由永久泄水建筑物下泄，也可部分或完全拦蓄在水库中,直到工程完建。
(三)施工导流设计流量及坝址处河床水位的选择
根据导流设计洪水标准和围堰施工分期，选定施工导流设计流量为Q=235 m3/s.根据坝址水位—流量关系曲线，采用内插法得到Q=235 m3/s时的水位为86。05m，由于观测点距坝址有300m远,考虑到坡降，选择坝址处水位为86。35m.
(四)施工导流方案的选择
根据枢纽的自然条件及坝体的结构特点及工程的导流施工标准，选择采用分段围堰法施工，分为两段两期。第一期先围左岸，包括左岸非溢流坝段和溢流坝段,进行一期基坑内施工；第二期围河床右岸部分，包括右非溢流坝段（含厂房坝段），进行二期基坑内施工。本工程所在地，河流流量小，河床滩地宽,两岸坡度缓,采用两段两期的施工导流方式完全可以满足要求.
（五）第一期导流设计
1。河床水面宽度及束窄度
河床水面宽度由所示确定为64m，束窄度取K=60%。
图2 单位（m)
2。水利计算
束窄度取K=60%，抗冲流速
(1）一期束窄段河床过流能力设计
则过水断面面积：ｗ=Q／v ＝235／4=58.75
（2)过水断面为梯形：假设边坡为1：1，，,出口处渠底高程。
假定水深为3m
则：63.96 29.49 2。17 37。93 225.9
假定水深为2。89m时,。
束窄段河床平均流速:

（3）束窄河床段上游水位壅高：
采用试算法,即先假设上游水位H，算出Z值，以Z+t与所设H比较，逐步修改H，直到接近Z+t值。（已知下)
Z
h

v
v2/2g
/2g
Z
0.9
3。79
241。363
0.973637
0.048366
1。068575666
1.02021
1
3.89
247.699
0.948732
0.045923
1。068575666
1。022653
1.01
3。9
248.3325
0。946312
0。045689
1.068575666
1。022887
1。02
3.91
248966
0。943904
0.045457
1。068575666
1。023119
Z取1。02m.
（4）上、下游一期横向围堰堰顶高程
86.39+0。70=87.09
86。39+1.02+0.8=88.21
3.纵向围堰长度的拟定及围堰轴线布置
根据施工要求及场地条件，拟定纵向围堰长度为150m。纵向围堰轴线位置在河床中部偏右岸约29m处,如图1.
4。围堰断面设计
（1）纵向围堰断面构造及尺寸
图3 单位：mm
围堰主体采用块石、砂砾土料堆石体，防渗层为粘土斜墙，在粘土斜墙迎水位采用浆砌石护面.
(2）上、下游横向围堰断面尺寸
①上游横向围堰断面构造及尺寸
图4 单位：mm
堆石体采用块石、砂砾土石料堆砌，防渗层为粘土斜墙，防冲采用浆砌石护面.
②下游横向围堰断面构造及尺寸
图5 单位:mm
5。围堰工程量的估算
上游横向围堰长度：36m
0.5×(3+18.75)×3.5×3。6=1370。25
下游横向围堰长度:68m
0。5×（3+16.5）×3×68=1989
纵向围堰方量：长150m
0。5×（3+17)×3.5×150=5250
1370。25+1989+5250=8609。25
（六)第二期导流水力计算
本工程二期采用底孔导流，为了确保泄流能力，拟定采用2个底孔.
1.底孔的布置及断面尺寸的选择
根据水利水电工程设计规范选定:底孔底板距基岩面的距离T≥2m，坝段内底孔过水净宽b≤(1/2~1/3）溢流坝段宽,底孔高度h≤(1/5~1/3)溢流坝高度，底孔一般布置在主河床的溢流坝段中。
由此底孔进口高程选定83。6m，出口高程83。5m，底孔全长57。5m.拟定四种方案进行比较.先采用有压自由出流进行计算，其后进行底孔水流流态的校核.其泄流能力计算公式为：，式中，（a为出口断面洞高）。底孔糙率n=0。014,进水口水头损失系数为，闸门槽水头损失，沿程水头损失。时，出口处下游水位高程为86.22m
(m）

(m)

断面
（m2）

（m）

(m)

(m)

(m）

（m)

(m3/S)

尺寸
（m×m）
90
6。5
3×3.5
9.53
11.71
0.814
3.484
69.018
0。272
0.819
2。962
3。538
65。002
3×4.5
12.53
13.71
0。914
3.995
70.365
0.228
0。831
3。396
3。104
81。190
4×4
14.28
14.28
1.000
4。265
71.429
0.207
0。839
3.625
2。875
89.923
4×5
18.28
16.28
1。123
4。826
72.821
0。176
0。848
4.102
2.398
106，330
93
9。5
3×3。5
9.53
11。71
0。814
3。484
69。018
0。272
0.819
2。962
6.538
88.361
3×4.5
12。53
13.71
0.914
3.995
70。365
0.228
0。831
3.396
6。104
113。853
4×4
14。28
14。28
1.000

4.265
71.429
0.207
0。839
3.625
5。875
128.549
4×5
18.28
16。28
1.123
4.826
72.821
0.176
0。848
4.102
5.398
159.528
96
12。5
3×3。5
9。53
11。71
0。814
3.484
69。018
0.272
0。819
2.962
9。538
106.724
3×4.5
12.53
13.71
0。914
3。995
70。365
0。228
0.831
3。396
9.104
139。045
4×4
14.28
14.28
1。000
4.265
71.429
0.207
0。839
3.625
8.875
157。998
4×5
18.28
16.28
1.123
4。826
72。821
0。176
0.848
4。102
8.398
198。978
99
15.5
3×3.5
9.53
11.71
0。814
3.484
69.018
0。272
0。819
2。962
12.538
122。361
3×4.5
12。53
13。71
0。914
3.995
70。365
0。228
0。831
3。396
12.104
160。325
4×4
14.28
14.28
1。000
4。265
71。429
0。207
0.839
3.625
11。875
182。762
4×5
18.28
16.28
1。123
4.826
72.821
0.176
0。848
4.102
11。398
231。808
则底孔泄流量曲线如图6
图6 底孔泄流能力曲线图
考虑到施工强度及防洪要求，选定采用4×5的导流底孔。这样既可以满足施工期间导流的要求,又适当减小混凝土的浇筑强度。
2 缺口布置及断面尺寸选择
从底孔断断面的泄流曲线上可以看出，当导流设计流量全部由底孔下泄时,上游水位高达99.22m，二期上游横向围堰高达16m,土石方填筑量非常大，同时电站引水管进口底板高程95m，工程完工后必须进行二期上游横向围堰拆除。因此采用底孔和缺口联合导流方案。缺口布置在中间溢流坝段，过水断面净宽16m，缺口底板高程为89m。见图7。
图7 缺口布置及尺寸图
2.二期导流水力计算
（1） 缺口泄流水力计算并绘制联合泄流曲线：假定导流设计流量全部由缺口下泄，流态按宽顶堰自由出流计算，然后进行流态校核。 取m=0。34，假设一系列堰顶上的头，即可得相应的下泄量Q缺,并点绘出缺口的水位流量关系曲线同时将底孔泄流流量由线也点绘在图上，然后在图上量得Q孔+Q缺=Q导时的上游水位,再加上安全超高值，便得到二期上游围堰的高程。
（2） 底孔及缺口流态校核：从联合泄流曲线上量得,当通过导流设计流量时，对应的上游水位为91。6m,下游水位为86。22m。
H0(m)
90
92
94
96
98
Q缺（m3/s）
24.1
125.1
269.2
446.1
650.1
Q孔（m3/s）
160.7
144.6
174.4
199.8
222.3

图 8 底孔、缺口联合泄流曲线
底孔流态校核：91.6－83。5）／4.1=1.9＞1。5
为有压流流态.
底孔出口处底板高程83。5m，下游有效水深hs=86。22－83。5=2。72m，hp=0。85D=0.85×4。1=3。49m 〉hs，为自由出流.缺口流态校核，缺口顺水流方向长度为50m，已超过宽顶堰的判别要求,施工中，应对坝体预留缺口在顺水流方向作断面处理，使之符合宽顶堰自由出流流态,即将缺口顺水流方向的长度减少到25m，关短部分要筑成1 m的分级跌水断面.
（2）上下游堰顶高程
91。6+0。80=92.4
86.22+0。78=87.0
3.二期纵向围堰的上、下纵段长度及围堰的轴线平面布置
根据施工布置要求，定出纵向围堰上纵段长54m.纵向围堰下纵段主要靠一期工程时在溢流坝段右边导墙来承担，右导墙长38m，再在右导墙上接24m的土石围堰.
纵向围堰上纵段轴线布置在一期纵向围堰轴线左边14m处，纵向围堰下纵段轴线布置与右导墙轴线重合。
4.围堰断面的结构及尺寸
（1）纵向围堰上纵段剖面
图9 单位（mm）
结构材料与一期一致。
（2）纵向围堰下纵段剖面
图10 单位(mm）
结构材料与一期一致。
（3）上游横向围堰剖面
图11 单位(mm）
二期上游横向围堰采用钢筋石笼护面，粘土斜墙铺盖防渗，围堰长62m.
（4)下游横向围堰剖面
图12 单位（mm)
二期下游横向围堰结构材料与一期下游围堰相同，围堰长28m。
5。围堰工程量计算
纵向围堰上纵段：
0.5×（3+35。40）×9×54=9331。2
纵向围堰上纵段：
0.5×(3+15。60）×3.5×（38+24)=2018.1
上游横向围堰：
0.5×(3+43。5)×9×62+1×20×62=14213。5
下游横向围堰：
0。5×(3+43。5）×9×28+1×20×28=6419
二期围堰总方量:
9331。2+2018。1+14213.5+6419=31981.8
一期纵向围堰部面图 单位：mm
一期上游横向围堰部面图 单位：mm
一期下游横向围堰部面图 单位:mm
二期纵向围堰上纵段部面图 单位（mm)
二期纵向围堰下纵段部面图 单位(mm)
二期上游横向围堰部面图 单位(mm）
二期下游横向围堰部面图 单位（mm)