1、水库枢纽工程施工导流设计说明书 水利工程施工课程设计题 目 “KA”工程施工导流设计 学 院 专 业 班级 姓 名 学号 指导教师 周 峰 职称 成绩评定 2015年5月20日农业大学教务处制水利工程施工课程设计任务书设计题目： “KA”工程施工导流设计“KA”水库枢纽工程施工导流设计说明书1工程概况KA”水库枢纽是以灌溉为主兼顾发电，并有防洪效益的综合利用工程。水库正常蓄水位160.74m，总库容1.53亿m3,，电站装机12800kw，灌溉农田面积26.3亩。主要建筑物由拦河面板堆石坝、左岸溢洪道、发电洞及厂房组成。大坝级别为2级，其中坝顶长184.0m，坝顶高程164.0m，最大坝高62
2、.0m。2自然条件2.1水文气象条件枢纽区属亚热带东南季风气候，冬季温和，盛夏炎热，春夏多雨，秋冬干旱，无霜期长，雨量充沛，历年平均降雨量1568mm，46月降雨量约占全年降雨量的45%。历年平均气温为18.6，极端最高气温为40.4，极端最低气温为-6.0，多年平均风速1.9m/s，坝址处多年平均流量13.7 m3/s，46月来水量占全年的49%。洪水主要集中于6、7和8月的汛期。坝址处枯水期不同频率洪水特征值见表2.1-1，全年不同频率洪水特征值见表2.1-2。表2.1-1 枯水期不同频率的洪水特征值月份93103设计频率(%)251020251020洪峰流量(m3/s)646496646
3、266436335258181表2.1-2 全年不同频率的洪水特征值设计频率(%)1251020洪峰流量(m3/s)136911709157285412.2地形地质条件坝址处地形基本对称分布，左岸山顶高程为212.7m，平均坡角45，右岸山顶高程为200.4m，平均坡角40，河床最低标高105.70m，河床水面宽6070m，一般河水位109.25m，水深1.2m，最大水深3.6m，基岩面高程约101m，河床覆盖层最厚达6.5m，河道主流偏向左岸河床，洪枯水期流量、水位变幅较大。坝址岩石除粉砂岩外，多为硅质或硅泥质胶结的砂岩，岩面致密坚硬，抗风化强，坝址岩石仅出现弱风化上、下部岩带。河床段弱风化
4、上部厚05 m，面板堆石坝河床段建基面设于弱风化中下部，基面高程为103.4m，挖深48 m，两岸利用弱风化中下部，挖深413 m。3.施工导流设计3.1施工导流标准选择3.1.1确定主体工程级别水库枢纽工程总库容为1.53亿m3,，根据SL252-2000水利水电工程等级划分及洪水标准规中表2.1.1确定工程规模为大(2)型等工程，由表2.2.1中的规定确定永久建筑物中主要建筑物级别为2级，次要建筑物级别为3级。3.1.2确定导流工程级别“KA”水库枢纽为大(2)型等工程，混凝土面板坝为2级建筑物，溢洪道、泄洪洞、发电洞和厂房为3级建筑物。根据SL303-2004水利水电工程施工组织设计规规
5、定，导流建筑物为4级。3.1.3导流建筑物洪水标准选定根据SL303-2004水利水电工程施工组织设计规规定，导流建筑物为4级，相应的洪水重现期2010年一遇。根据国土石坝的施工经验，大坝每月上速度约为89m。经分析大坝填筑至坝顶高程164.0m需要7个月左右，完成混凝土面板浇筑约为3个月，大坝总施工期约10个月左右，因此在一个枯水期，永久建筑物不能修筑至汛期洪水位以上，因此围堰需要全年挡水。 考虑10年与20年一遇洪水相差较大，采用20年一遇洪水标准围堰工程量较大，临时工程投资较高，结合施工进度分析，采用20年一遇洪水围堰填筑强度较高，考虑该区已有实测21年洪水资料，因此导流洪水标准选定为1
6、0年一遇洪水标准，相应洪峰流量728.0m3/s。3.2施工导流时段选择根据施工总进度安排，施工总工期为4年，整个施工期，土石坝施工将经历1个汛期。综合考虑枢纽水文条件、坝体填筑强度等因素，大坝施工导流时段可划分为三个阶段：第一阶段：工程开工至第二年9月下旬，原河床过流。主要进行导流建筑物的施工。第二阶段：第二年9月下旬截流至第三年末上游围堰挡水，挡水标准为P10%，导流洞泄洪。主要进行河床基础开挖、趾板混凝土浇筑及坝体填筑。第三阶段：第四年汛前上游围堰挡水，挡水标准P=10%，此时大坝已填筑至坝顶高程，汛前主要进行面板浇筑及防浪墙施工。3.3施工导流方式选择本工程坝址处岸坡较陡，河谷窄且覆盖
7、层较厚，主体工程大坝为砼面板堆石坝，不宜采用分期导流，经综合分析，设计采用围堰一次断流，隧洞导流的方式。3.4导流建筑物布置3.4.1布置原则在避免隧洞的进出口水流回流、涡流冲刷上下游围堰的情况下，尽量使洞线最短，兼顾导流洞的进洞条件良好、洞、外水流顺畅，节省进、出口明挖量。3.4.2洞线布置根据上述原则，导流洞设计对洞线的布置位置初步考虑了两个方案：即坝址处导流洞左岸布置方案(下称左线方案)及导流洞右岸布置方案(下称右线方案)。根据坝址处两岸地形比较，右线方案由于河谷为凹岸，隧洞需要设计为有压洞、洞线较长，且河边又没有公路可利用，导流洞施工时的进场公路施工困难，工程量巨大，不经济；与之相比，
8、左线方案的右岸山体坡度平缓，且山上现有100国道可供利用，沿山体展线至导流洞进、出口公路的工程量相对较小，而且施工便利。相比之下左线方案是比较适宜的。经综合考虑，本工程导流洞布置在坝址左岸，进口布设在坝轴线上游约325.0m处，洞轴线与河道主流方向呈29角，出口布设在坝轴线下游约350m处。3.5导流建筑物尺寸确定依据导流设计流量、坝体填筑、工程度汛的难度，针对导流洞不同洞径与相应堰高进行方案比选，初步拟定三种不同的进口尺寸与洞身尺寸进行水力学计算。三方案断面尺寸为：导流隧洞进口尺寸76.0m（宽高）、洞身尺寸7.59.5m（宽高）；导流隧洞进口尺寸76.5m（宽高）、洞身尺寸7.59.7m（
9、宽高）；导流隧洞进口尺寸77.0m（宽高）、洞身尺寸7.510m（宽高）。通过隧洞水力学计算和调洪演算，以上三种组合计算成果见表3.5-1。表3.5-1 三种组合水力及调洪计算成果表方案洞口尺寸洞身尺寸最大泄量上游水位堰顶超高堰顶高程宽高(mm)宽高(mm)Q(m3/s)(m)m(m)一76.07.59.5614.5 143.8 1.0 144.8 二76.57.59.7610.0 136.6 1.0 138.0 三77.07.510.0663.5 129.5 1.0 130.5 经对导流隧洞不同断面及相应高度围堰的三方案工程量比较，方案三工程量最大、投资最高，方案一工程量最小、投资最省，但是
10、考虑方案二围堰已超过坝高一半，施工强度较高，因此本工程选择方案二为推荐方案。即导流隧洞进口尺寸76.5m（宽高）、洞身尺寸7.59.5m（宽高）为推荐方案，对应的围堰顶高程为138.0m。三种不同方案的工程量比较表见表3.5-2。表3.5-2 三种不同方案工程量比较表工程项目单位方案一方案二方案三洞口7.06.0m洞身7.59.5m堰顶高程144.8m洞口7.06.5m洞身7.59.7m堰顶高程138.0m洞口7.07.0m洞身7.510m堰顶高程130.5m数量数量数量导流洞进出口段土方明挖m3219692746130207石方明挖m3292133651640168引渠混凝土m3207425
11、922851泄槽混凝土m3509563697006闸混凝土m3221227653041石渣回填m3466658326415固结灌浆m265331364钢筋制安t566707778651止水带m228285314导流洞洞身段石方洞挖m3393874923454157混凝土洞衬m3160432005422060回填灌浆m2435754465990固结灌浆m613976748442锚杆根112914121553钢筋制安t92311541270围堰土方开挖m3887806645石方开挖m313641240992堰体填筑m3498916453560362848堆石护坡m3271062464119713土
12、工膜m2339730892471粘土截渗槽m3136412409923.6选定方案的水力学计算本工程最终选定方案：导流洞进口尺寸76.5、洞身尺寸7.59.7，相对应围堰顶高程910.0m。3.6.1隧洞水力学计算（1）长短洞判别判别公式：lk=(512)H上游水深H=145115=30mlk=(512)30=150360m，lkL=380m，属长洞。（2）隧洞底坡的判别根据水力学计算手册（大学水利水电学院）P36页，对隧洞底坡的判别：明槽均匀流水深等于临界水深时，相应的明槽底坡为临界底坡iK。临界水深计算结果见表3.6-1，临界底坡计算结果见表3.6-2。临界底坡计算公式 式中：AK、RK、
13、CK为临界水深时的过水断面面积、水力半径、才系数。临界水深按下式计算公式 式中：q单宽流量；表3.6-1 临界水深计算表临界水深动能修正系数单宽流量重力加速度hk(m)q(m3/s)g(m/s2)10.331104.009.81表3.6-2 临界底坡计算表临界底坡设计流量过水断面面积湿周水力半径才系数ikQ(m3/s)Ak(m2)k(m)Rk(m)Ck(m1/2/s)0.0052728.0077.4828.162.7578.92因设计底坡i=0.006iK=0.0052，为陡坡隧洞。（3）泄流能力复核由于该段隧洞为陡坡，泄流能力不受洞长的影响，按短洞工作状态考虑。由于导流洞进口处水位变化比较大
14、，根据水位不同，进水口水流流态将发生变化。根据水力学计算手册陡坡隧洞由不稳定流态至有压流的界限值见表3.6-3表3.6-3 陡坡隧洞由不稳定流态至有压流的界限值进口断面底板算起的水深洞身高度水深与洞高比判断法则HaH/aH/a1.21.2H/a1.5H/a1.5mm无压流为半有压流有压流根据水位不同，导流洞进口流态不同，进口流态为无压流时，导流洞泄流能力不受洞长的影响，进水口为宽顶堰流，计算结果见表3.6-4，计算公式如下：式中：b为矩形隧洞过水断面的宽度，当过水断面为非矩形时，bk/hk；hk为临界水深；k为相应于hk时的过水断面面积；s为淹没系数，当下游水位较高，已淹没进口的收缩断面，使该
15、处的水深0.75H0时，为淹没出流，s值与比值/H0有关，当0.75H0时，为自由出流，s1，当淹没时，可近似的以下游水位减去进口底板高程而得；为进口断面处的水深；H0 为以隧洞进口断面底板高程起算的上游总水头；m为流量系数，决定进口翼墙的型式、上游水库或渠道的过水断面面积与隧洞过水断面面积之比，一般取m0.320.36，若进口翼墙较平顺，断面缩窄较小，应取较大的m值，反之应取较小的m值。表3.6-4 进口为无压流水位流量关系流量Q(m3/s)流量系数(m)淹没系数(s)g底板高程(m)上游水位(m)上游水深H0(m)进口底宽b(m)00.351.009.81115.00115.007.003
16、.8370.351.009.81115.00115.50.507.0010.8520.351.009.81115.00116.01.007.0019.9370.351.009.81115.00116.51.507.0030.6950.351.009.81115.00117.02.007.0042.8970.351.009.81115.00117.52.507.0056.3890.351.009.81115.00118.03.007.0071.0590.351.009.81115.00118.53.507.0086.8170.351.009.81115.00119.04.007.00103.59
17、40.351.009.81115.00119.54.507.00121.3310.351.009.81115.00120.05.007.00139.9780.351.009.81115.00120.55.507.00159.4930.351.009.81115.00121.06.007.00179.840.351.009.81115.00121.56.507.00200.9850.351.009.81115.00122.07.007.00222.8990.351.009.81115.00122.57.507.00245.560.351.009.81115.00123.08.007.00进口流态
18、为半有压流时，对半有压短洞，不论是缓坡或是陡坡，均可用下式进行泄流计算，计算结果见表3.6-5。式中： 为隧洞断面面积；和流量和洞口水流收缩系数，可由水力学计算手册查取。表3.6-5 进口为半压流水位流量关系流量Q(m3/s)过水断面积(m2)g进口高a(m)底板高程(m)上游水位(m)上游水深H(m)洞口水流收缩系数流量系数243.03 45.59.816.50115.00123.50 8.50 0.7350.625258.84 45.59.816.50115.00124.00 9.00 0.7350.625273.73 45.59.816.50115.00124.50 9.50 0.735
19、0.625287.86 45.59.816.50115.00125.00 10.00 0.7350.625301.32 45.59.816.50115.00125.50 10.50 0.7350.625有压流泄流计算结果分别见表3.6-6、表3.6-7和表3.6-8，计算公式如下：式中： 隧洞出口断面面积，37.185m2；T0上游库水位与底板出高程差T及上游行近流速水头，取T0=T；hp出口水流平均单位势能；流量系数。隧洞出口断面面积；i某一局部能量损失系数；i相应的断面面积为i；Li隧洞某段长度，相应的断面积i、水力半径Ri、舍其系数Ci。表3.6-6 局部水头损失计算表管段过水断面面积出
20、口断面面积局部水头损失系数合计L ii进口段73.3045.500.620.200 0.0770.177 闸门槽段45.5045.501.000.100 0.100压板段45.5045.501.000.00 0.000表3.6-7 流量系数计算表部位洞长过水断面面积(m2)水力半径(m)才系数湿周(m)出口断面面积(m2)流量系数进口段4.1073.302.35676.9030.6231.1145.50.00580.01720.741闸槽段1.3045.501.68572.7251.0027.0045.50.0029压板段5.5045.501.68572.7251.0027.0045.50.0
21、121表3.6-8 有压隧洞泄流能力计算表gT0Q底板高程上游水位0.62545.509.8111.00357.64115.00126.00.62545.509.8111.50372.9115.00126.50.62545.509.8112.00387.57115.00127.00.62545.509.8112.50401.7115.00127.50.62545.509.8113.00415.35115.00128.00.62545.509.8113.50428.56115.00128.50.62545.509.8114.00441.38115.00129.00.62545.509.8114.
22、50453.83115.00129.50.62545.509.8115.00465.96115.00130.00.62545.509.8115.50477.77115.00130.50.62545.509.8116.00489.31115.00131.00.62545.509.8116.50500.57115.00131.50.62545.509.8117.00511.59115.00132.00.62545.509.8117.50522.37115.00132.50.62545.509.8118.00532.94115.00133.00.62545.509.8118.50543.3115.0
23、0133.50.62545.509.8119.00553.47115.00134.00.62545.509.8119.50563.45115.00134.50.62545.509.8120.00573.26115.00135.00.62545.509.8120.50582.91115.00135.50.62545.509.8121.00592.4115.00136.00.62545.509.8121.50601.73115.00136.5gT0Q底板高程上游水位0.62545.509.8121.50601.73115.00136.50.62545.509.8122.00610.93115.00
24、137.00.62545.509.8122.50619.99115.00137.50.62545.509.8123.00628.92115.00138.00.62545.509.8123.50637.72115.00138.50.62545.509.8124.00646.41115.00139.00.62545.509.8124.50654.98115.00139.50.62545.509.8125.00663.43115.00140.00.62545.509.8125.50671.79115.00140.50.62545.509.8126.00680.03115.00141.00.62545
25、.509.8126.50688.19115.00141.50.62545.509.8127.00696.24115.00142.00.62545.509.8127.50704.2115.00142.50.62545.509.8128.00712.08115.00143.00.62545.509.8128.50719.86115.00143.50.62545.509.8129.00727.57115.00144.00.62545.509.8129.50735.19115.00144.50.62545.509.8130.00742.74115.00145.00.62545.509.8130.50750.21115.00145.50.62545.509.8131.00757.6115.00146.00.62545.509.8131.50764.93115.00146.50.62545.509.8132.00772
