截流设计计算说明书.docx
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截流设计计算说明书
截流设计计算说明书
1基本资料
某工程截流设计流量Q=4150m3/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=220（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
1700
2160
2670
3420
3930
上（m）
40.85
41.04
41.28
41.45
41.75
42.05
42.35
42.74
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≥2mshs；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＜2mshs。
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，上游河槽中的调蓄流量Qac可以忽略。
由于戗堤最大渗透流量Qsmax=220m3/s相对于工程截流设计流量Q=4150m3/s较小，所以可以将其忽略。
于是有：
Q0=Q+Qd
说明：
这样的计算结果偏于安全，所以可以采用上式来进行截流设计。
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Z（m）
设计流量Q（m³/s）
下泄流量Qd（m³/s）
龙口流量Qg（m³/s）
40.85
1.34
4150
700
3450.00
41.04
1.53
4150
1220
2930.00
41.28
1.77
4150
1620
2530.00
41.45
1.94
4150
1700
2450.00
41.75
2.24
4150
2160
1990.00
42.05
2.54
4150
2670
1480.00
42.35
2.84
4150
3420
730.00
42.74
3.23
4150
3930
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––龙口平均过水宽度；
H0––龙口上游水头；
m––流量系数，按下式计算：
Z／H0＜0.3，淹没流，
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
龙口平均过水宽度;
对于三角形断面，龙口上游水头
龙口平均过水宽度。
（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
QgB
▽H
220
190
150
120
100
80
70
60
50
40
28
15
6
39.61
2686
2286
1753
1354
1087
821
687
554
421
288
128
41
0
39.81
4656
3964
3041
2349
1888
1426
1195
965
734
503
226
76
0
40.01
6017
5124
3932
3038
2443
1847
1549
1251
953
656
298
105
0
40.21
7127
6069
4660
3602
2897
2192
1840
1488
1135
783
360
131
0
40.41
8089
6890
5291
4093
3293
2494
2094
1695
1295
896
416
156
0
40.61
8951
7626
5859
4533
3650
2766
2324
1883
1441
999
469
182
0
40.81
9741
8300
6379
4938
3977
3017
2536
2056
1576
1096
519
207
0
41.01
10474
8926
6862
5314
4283
3251
2735
2219
1703
1187
568
233
1
41.21
11161
9513
7316
5669
4570
3472
2922
2373
1824
1275
616
259
12
41.41
11811
10069
7746
6004
4843
3682
3101
2521
1940
1359
663
285
24
41.61
12429
10598
8156
6325
5104
3883
3273
2662
2052
1441
709
312
37
41.81
13020
11104
8548
6632
5354
4076
3438
2799
2160
1521
754
339
52
42.01
13588
11590
8926
6927
5595
4263
3597
2931
2265
1599
800
367
67
42.21
14135
12058
9290
7213
5829
4444
3752
3060
2368
1676
845
395
84
42.41
14663
12511
9642
7490
6055
4620
3903
3186
2468
1751
890
424
101
42.61
15175
12950
9984
7759
6275
4792
4050
3309
2567
1825
935
453
119
42.81
15672
13377
10316
8020
6490
4959
4194
3429
2664
1899
980
483
139
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：
淹没流时：
，——龙口底板以上的下游水深
非淹没流时：
，——龙口断面的临界水深
即淹没出流时：
对于梯形断面：
对三角形断面：
。
非淹没出流时：
对于梯形断面：
对三角形断面：
；
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
流态
平均宽度
龙口流速
抛石粒径d
220
39.7
0.19
4100
9.7
梯形淹没流
201.7
2.14
0.10
190
39.8
0.29
4000
9.8
171.8
2.45
0.13
150
40
0.49
3800
10
132
3.03
0.20
120
40.28
0.77
3700
10.28
102.28
3.80
0.32
100
40.65
1.14
3600
10.65
82.65
4.58
0.46
80
41
1.49
3300
11
63
5.51
0.67
70
41.15
1.64
2700
11.15
53.15
5.34
0.63
60
41.35
1.84
2400
11.35
43.35
5.82
0.75
50
41.7
2.19
2200
11.7
33.7
6.86
1.04
40
41.95
2.44
1600
11.95
23.95
7.02
1.09
28
42.28
2.77
800
12.28
三角形淹没流
12.28
7.60
1.40
15
42.6
3.09
400
6.1
三角形非淹没流
6.1
5.30
0.80
6
42.8
3.29
138
1.8
1.8
3.40
0.40
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：
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10KN/m3。
——石块容重，取26KN/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
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