导流明渠设计大纲

FCD 71020 FCD

水利水电工程初步设计阶段

导流明渠设计大纲范本

水利水电勘测设计标准化信息网

1995年7月

水电站初步设计阶段

导流明渠设计大纲

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勘测设计研究院

年月

目次

1. 引言 (4)

2. 设计依据文件和规范 (4)

3. 基本资料 (4)

4. 径流分析计算内容和要求 (6)

5.径流特性分析 (6)

6.径流还原计算 (7)

7.径流系列代表性分析 (10)

8.径流系列计算 (11)

9.径流频率分析计算 (14)

10.径流年内分配 (18)

11.应提供的设计成果 (19)

1 引言

1.1 工程概述

水电站工程位于省县(市)的河干(支)流上, 是

河河段梯级规划中的第个水电站。该水电站上距市(县) km, 下游距市(县) km, 坝址处有公路(铁路)通过, 对外交通方便。

水电站工程是一座以发电为主, 兼顾、等综合效益的大(中)(I、II)型水电工程, 其工程等级为等, 主要永久建筑物为级, 相应临时建筑物为级。水电站枢纽主要由重力式(河床式)拦河坝, 坝后式(河床式)厂房及溢洪道、泄水底孔等建筑物组成。其拦河坝最大坝高m, 坝顶长度m, 水库总库容亿m3。电站装有台装机容量为MW的机组, 总装机容量为MW。设计水头m, 保证出力MW, 多年平均发电量为亿kWh。

水电站工程采用明渠导流方式分期施工方案。导流明渠布置在左(右)岸, 与永久溢洪道(泄洪闸, 表、中、底孔)相结合。

1.2 适用范围

(1) 本大纲是在施工导流方案综合比较的基础上, 按照选用的明渠导流方案, 以导流明渠设计为主体, 结合明渠导流方式, 包括明渠施工期、运行期及完建期全过程的设计内容。

(2) 本大纲适用于河床及岸边岩基上的导流明渠设计。

按照规划要求, 本工程计划于年月开工, 年第一台机组发电, 总

工期为年。

2 设计依据文件和规范

2.1 导流明渠设计的主要依据文件

(1) 工程可行性研究报告;

(2) 工程可行性研究报告审批文件;

(3) 工程初步设计任务书。

2.2 主要设计规范

(1) 水利水电工程初步设计报告编制规程(DL 5021—93);

(2) 水利水电工程施工组织设计规范(SDJ 338—89);

(3) 水利水电工程设计工程量计算规定1[试行, (88)水规设字第8号文];

(4) 溢洪道设计规范(SDJ341—89);

(5) 混凝土重力坝设计规范(SDJ21—78)及补充说明;

(6) 水闸设计规范(SDJ 133—84)。

3 基本资料

3.1 导流明渠设计标准

根据导流方式研究的主要成果, 本工程施工期内, 导流明渠和永久溢洪道(泄洪闸、表、中、底孔)相结合, 在坝上+ 桩号以上明渠按级建筑物设计; 坝上+ 桩号以下与永久建筑物结合部分, 按级建筑物设计。导流明渠设计洪水标准采用年一遇洪水, 明渠设计泄流流量为m3/s。

3.2 导流规划及其技术指标

水电站工程施工导流分三(四)期进行:

一期: 在一期(纵向)围堰的围护下, 进行岸边导流明渠的开挖和混凝土浇筑(全年)施工, 河水经束窄后的河床下泄。

二期: 以河床截流为标志, 形成以二期上、下游横向围堰保护下的河床大基坑, 进行主体工程的坝基开挖和混凝土浇筑施工; 河水由导流明渠宣泄。

三期: 以明渠断流为标志, 河水由永久底孔（临时底孔）或临时预留大坝缺口下泄, 主要进行溢洪道(泄洪闸)改建。

整个工程施工分期导流技术特性详见表1。

3.3 地形及地质资料

3.3.1 地形图:

(1) 平面地形图, 采用年测1/1000地形图, 其座标系为座标系;

(2) 基岩等高线平面图, 采用年1/1000比例尺的测图, 该图座标系与平面地形图一致。

1据悉, 水规总院于1993年3月对本规定提出了修订送审稿, 并于1993年7月进行了审查, 后又于1994年3月提出了“预可行性研究阶段”阶段系数的意见, 其后一并报两部审批, 请各设计单位注意新规定的发布动向——编者按。

表1 施 工 导 流 技 术 特 性 表

3.3.2 有关的地质平、剖面图

(1) 地质平面图, 采用坝址区1/1000比例尺的地质填图，该图应为本设计阶段设计成果; (2) 地质横剖面图, 采用与明渠轴线垂直的1/500的地质剖面图, 其剖面间距应不大于20m;

(3) 地质纵剖面图, 采用沿明渠轴线的1/1000的地质剖面图(及沿外导墙的地质纵剖面图)。

3.3.3 有关的岩体物理力学指标。

本工程导流明渠从进口到出口所分布的基岩主要为 系 岩(及 岩)。在导流明渠沿线的基岩中, 主要发育着 组断裂结构面, 尤以 组结构面最为发育,

是明渠开挖及稳定的主要控制结构面。

基岩及结构面的岩石物理力学指标详见表2及表3。

表2 基 岩 岩 石 物 理 力 学 指 标 表

表3 结 构 面 及 其 参 数 表

3.3.4 岩土开挖边坡稳定性及边坡建议值。

导流明渠内边坡: 最大高度约 m, 其中基岩边坡高约 m, 产状走向 ,

倾向, 倾角，受结构面影响, 表层(深层)局部形成不稳定块体, 是边坡处理的重点。

导流明渠外边坡: 最大高度约m, 其中基岩边坡高约m, 其产状走向, 倾向, 倾角, 受断层(裂隙)影响, 是外导墙基础稳定的控制因素。

地质建议的边坡开挖边坡参数见表4。

表4 边坡开挖参数表

3.3.5 明渠出口下游的河床覆盖层指标:

(1) 下游河床覆盖层的颗粒组成, 覆盖层地质剖面;

(2) 下游河床基岩及覆盖层的不冲流速, 覆盖层渗透情况及明渠衬护的允许流速。

3.4 水文及气象资料

3.4.1 天然水文情况:

(1) 站历年逐月平均流量, 见表5。

表5 站历年逐月平均流量表

( 年至年)

(2) 站天然洪水成果, 见表6。

表6 站天然情况下设计洪水成果表

3.4.2 坝址施工洪水:

(1) 坝址施工设计洪水构成流量, 见表7。

表7 坝址施工洪水构成流量表单位:m2/s

(2) 坝址分期最大流量, 见表8。

表8 坝址施工分期流量表单位:m3/s

(3) 典型设计洪水过程线。

3.4.3 坝址水位~流量关系曲线

坝址水位～流量关系曲线, 采用年水尺测定的水位～流量关系成果, 水尺位于坝线下游m处, 水位～流量关系详见表9。

表9 坝址水位～流量关系曲线表

3.4.4 库容~水位曲线

3.4.5 气象资料

采用气象资料进行统计计算, 求出各要素特征值, 见表10。

表10 站各气象要素统计表

3.4.6 泥沙资料:

(1) 天然多年平均输沙量(包括推移质和悬移质);

(2) 天然多年平均含沙量;

(3) 泥沙颗粒组成;

(4) 泥沙物理力学特性指标。

3.4.7 冰情资料:

(1) 坝址上、下游河段封冻期;

(2) 坝址流冰持续期;

(3) 坝址冻融循环次数统计。

3.5 水工建筑物资料

(1) 枢纽总平面布置图(1/1000～1/2000);

(2) 枢纽布置立视图(1/1000～1/2000);

(3) 与导流明渠相结合的泄水建筑物的平、剖面图(1/500～1/1000);

(4) 各主要泄水建筑物的泄量曲线;

(5) 各主要泄水建筑物及坝段的剖面图;

(6) 各种闸门及启闭机的设计参数;

(7) 各单项建筑物分项工程量。

3.6 建筑材料

3.6.1 导流明渠各部位建材种类及标号, 见表11。

3.6.2 采用的新材料性质及指标

3.7 其它有关资料

3.7.1 坝址下游的供水要求, 见表12。

表12 下游河段的综合用水量表单位:m3/s

3.7.2 坝址下游城镇的防洪能力。

本坝址下游km处是市(镇), 该地洪水设防标准为年一遇洪水重现期, 要求下泄流量不超过m3/s。

3.7.3 可能提供的施工机械化水平。

3.7.4 临时或永久跨明渠的交通要求。

3.7.5 施工期通航过木及过鱼要求。

4. 设计任务及基本假定

4.1 主要设计任务

(1) 导流明渠布置与体型设计;

(2) 明渠导流水力设计, 及各施工分期的特征水位复核计算;

(3) 明渠结构稳定分析;

(4) 施工期内导流明渠进、出口及其下游防护工程设计;

(5) 导流明渠施工设计;

1) 初拟明渠施工布置及施工方法;

2) 明渠施工围堰的设计。

(6) 工程量计算。

4.2 基本设计假定及原则

4.2.1 导流明渠由引水渠段、坝体结合控制段、泄槽、消能防冲段以及出口防护段等几部分组成。其中引水渠段按临时建筑物设计, 其余几部分均结合永久溢洪道(泄水闸), 按永久建筑物设计。

4.2.2 明渠设计包括明渠施工期、运行期以及工程完建期三种情况。

4.2.3 无论按临时建筑物或按永久建筑物设计的明渠各部分, 均须满足整个施工期的导流、通航及过木等要求。

5 导流明渠布置及体型设计

5.1 明渠布置的基本原则

(1) 本工程采用左(右)岸大(小)明渠方案, 导流明渠与永久建筑物的溢洪道(泄洪洞)相结合, 通过体型设计选择水力条件良好, 施工、运行方便, 工程量较少, 与电站枢纽总布置相协调的方案作为推荐方案。

(2) 导流明渠与永久工程相结合的部分在满足导流条件的同时, 应兼顾永久运用的要求;

(3) 导流明渠设计应满足截流施工的要求及施工交通条件;

(4) 明渠布置(不)考虑施工期通航、过木及过鱼要求;

(5) 明渠布置应考虑兼顾主体工程施工的交通, 有利于后期明渠封堵及改建施工的要求;

(6) 明渠布置及导墙位置的选择应考虑明渠外侧的纵向围堰施工比较方便, 而另一侧又不致形成过高的开挖边坡或大量的挖方量。必要时, 应通过技术经济比较确定导流明渠的位置。

5.2 明渠平面布置

5.2.1 选择导流明渠进、出口位置。

5.2.2 确定明渠进、出口高程

(1) 导流明渠进、出口底板高程的确定应满足截流分流的要求;

(2) 导流明渠进、出口高程不宜高于原河床枯水期的常水位高程;

(3) 导流明渠出口高程不宜低于河底, 并应结合出口消能与水面衔接方式确定。

5.2.3 明渠弯道设计

为使导流明渠内水流顺畅, 避免产生过大的横向折冲水流, 应使明渠弯道设计的转弯半径不小于4～6倍明渠底宽。

5.2.4 外导墙的位置

(1) 导流明渠外导墙位置应通过经济、技术比较确定, 并与枢纽布置相协调;

(2) 明渠外导墙的基础应放在完整的岩基上, 并保证其基础的稳定, 不允许将导墙置于半挖半填的基础上;

(3) 明渠导墙的断面型式应根据地质情况并考虑有利施工确定。

, 避免因导墙翻水恶化渠内流态及降低泄流能力。

5.3 明渠的断面设计

5.3.1 过水断面设计

导流明渠过水断面设计应结合水工及地质要求, 并满足以下因素:

(1) 导流明渠的断面设计应满足导流设计泄量的基本要求;

(2) 在设计流量条件下, 明渠过水断面的单宽流量以不大于250m3/s为宜, 结合下游消能防冲、通航过木要求统一考虑;

(3) 导流明渠底宽设置应考虑满足河床截流要求的最小宽度;

(4) 为满足施工期通航(过木)要求, 明渠断面设计应避免急剧的局部变化。

5.3.2 导流明渠体形与衬砌

(1) 导流明渠体型设计应结合水工建筑物通过技术经济比较确定;

(2) 明渠断面为梯(矩)形, 左、右边墙坡比为1: 。

5.3.3 明渠控制段的型式。

(1) 导流明渠控制段与水工溢流坝(泄洪闸)相结合采用闸孔式(宽顶堰型), 在导流期按临时断面(永久断面)一次修建;

(2) 控制段内闸墩的布置应考虑明渠封堵期的施工条件。

5.3.4 明渠出口消能的布置

明渠出口的消能措施应尽可能与水工溢流坝(泄洪闸)的消能措施相结合。

5.3.5 明渠内闸墩及闸门的布置要求。

(1) 明渠内闸墩的布置应与水工建筑物结合考虑, 并应满足施工期交通桥布置的要求;

(2) 明渠内闸墩的型式及尺寸应优先考虑结合水工闸门布置的要求;

(3) 明渠内闸室及闸门的尺寸选择应考虑闸门或叠梁闸门的启闭及沉放设施的能力。

6. 水力设计

6.1 设计内容及基本假定

6.1.1 设计内容

(1) 明渠的泄流能力计算;

(2) 设计流量的水面线计算;

(3) 截流、通航、过木的水力设计;

(4) 明渠施工期、运行期以及完建期的各级上游水位设计;

(5) 消能防冲的水力设计。

6.1.2 水力设计的基本假定:

(1) 泄流能力计算, 应反映明渠进口上游水位与明渠泄量的关系, 计算方法及流量系数均采用本大纲中所列数值。

(2) 明渠设计条件下的水面线采用分段计算, 明渠导墙的墙高的估算亦按分段的最大水深考虑, 导墙的安全超高采用0.5～1.5m;

(3) 应满足施工期通航(过木)要求, 当通航(过木)流量为m3/s时, 明渠内水深不得小于m, 流速不得大于m/s, 并应保持各段明渠水流的平顺衔接。

(4) 明渠水力计算的各种局部水头损失及渠道的糙率可采用水力模型试验值或采用本大纲给定数值, 参见表13。

表13 明渠局部水头损失系数及分段糙率表

(5) 为防止导流明渠出口及下游河道被冲刷, 应使明渠在宣泄设计流量的情况下, 其出

口断面平均流速不大于 m/s;

(6) 为使导流明渠增大泄流能力, 一般宜在设计条件下采用临界流的水力坡降。

6.2 水力设计方法及设计参数 6.2.1 泄流能力计算 明渠泄流能力计算取明渠控制段或闸室段的过水断面, 按宽顶堰流进行计算。 (1) 计算公式:

Q mb gH S =σ20

23

/ 式中: m ——流量系数;

σS —— 淹没系数;

b —— 闸孔净宽;

H 0 —— 包括行近水头的堰前水头。

(2) 流量系数。

(3) 淹没系数。

6.2.2 水面线计算

6.2.2.1 明渠引渠段的水面线。

6.2.2.2 泄槽段的水面线

6.2.3 掺气水深及边墙高度的确定。

6.2.3.1 掺气水深计算。

掺气水深为泄槽流速v>5m/s时, 渠内水流因紊动掺气而增加的水深。

6.2.3.2 泄槽边墙高度的确定。

根据明渠泄槽在设计情况时推求的水面线, 考虑掺气影响, 加上安全超高以确定泄槽边墙的最小高度:

H墙=h a+?(2)

以上确定的边墙高度应根据地形及施工条件进行修正。

6.2.4 出口消能段的设计。

导流明渠出口消能防冲设施的形式, 应根据地形、地质条件, 明渠出口的泄流条件, 下游水深及河床抗冲能力, 下游水流衔接等情况以及结合永久泄水建筑物运行要求等通过技术经济比较确定。

7 明渠结构设计

7.1 明渠结构设计的任务

(1) 明渠外导墙的稳定及应力分析;

(2) 明渠边坡衬砌的内力及结构计算;

(3) 明渠底板稳定及锚筋计算;

(4) 明渠消能尾坎的稳定计算;

(5) 明渠开挖边坡的稳定分析。

7.2 基本假定

7.2.1 设计情况。

(1) 施工期: 河床或缩窄的河床过水, 泄水标准为p= %, Q= m3/s, 明渠外导流墙按墙外挡水, 墙外无水, 墙基有渗透压力; 明渠边衬按渠内无水, 渠外有渗透压力考虑;

(2) 明渠运行期: 导流明渠宣泄年一遇洪水, Q= m3/s, 明渠外导墙内侧挡水, 墙外无水, 墙底有渗透压力; 明渠底板按承受内压力, 底板扬压力, 水流脉动压力及拖拽力考虑; 明渠边衬按渠内有水, 渠外有渗透压力考虑; 消力尾坎尚应考虑水流冲击力;

(3) 完建期(明渠封堵期): 明渠断流后, 河水经永久(临时)底孔下泄, 下泄流量为Q=

m3/s, 明渠外导墙按墙外有水, 墙内无水, 墙底有扬压力计; 明渠底板按渠外有水, 渠内无

水, 底板有渗透压力考虑。

7.2.2 设计情况的基本荷载及其组合。

导流明渠承受的荷载因计算的部位不同而不尽相同, 但总的来说有以下基本荷载:

(1) 自重(按结构尺寸及重度计算);

(2) 水重;

(3) 外水压力: 河床侧水压力或岸坡侧地下水压力;

(4) 内水压力: 明渠内水压力;

(5) 渗透压力: 结构基础的渗透压力及浮托力;

(6) 动水压力: 包括水流作用产生的动水压力及脉动水压力、拖拽力等;

(7) 水流冲击力: 一般用于消力尾坎稳定计算;

(8) 土压力。

导流明渠结构设计的荷载组合, 一般只考虑正常情况的荷载组合, 其基本荷载组合如

表14。

表14 荷载组合表

7.2.3 结构物设计安全系数。

导流明渠按临时建筑物设计, 其设计级别为级, 与永久建筑物结合的部分除按永久建筑物的设计大纲要求计算外, 还应按本大纲要求进行各设计情况的复核计算, 计算应

满足安全系数, 见表15。

表15 明渠结构物设计安全系数表

7.3 荷载的计算方法及计算参数

7.3.1 水压力、冰压力、扬压力、土压力及自重的荷载计算, 应按《混凝土重力坝设计规范》SDJ21-78(试行)等有关规程、规范和专著计算。

7.3.2 底板的扬压力计算。

明渠底板扬压力由于底板排水及止水条件不同而差异较大, 一般采用下式计算:

U板=mh (3)

式中: U板——板上的扬压力;

h——板上计算水深;

m——扬压力系数, m=0.2～0.5。

7.3.3 其他荷载的计算。

(1) 脉动压力(按不利方向计)

P m=αm V2/2g (4) 式中: P m——脉动压力作用方向垂直板面;

αm——脉动压力系数, αm=0.05～0.1;

V——计算断面的平均流速。

(2) 拖拽力(作用于板面)

T=γRJS (5) 式中: T——拖拽力;

γ——水的重度;

R——计算板块的水力半径;

J——板上水流的总水头坡降, J=(1-?2)H/L;

?——计算处的流速系数, ?=0.9～0.95;

H——计算段的水位差;

L——计算板块长度;

S——计算板块的过水表面积。

(3) 尾坎的冲击力

P a=K a A a V2/2g (6) 式中: P a——尾坎冲击力;

K a——阻力系数, K a=1.2～2.0;

V——尾坎上的流速;

A a——尾坎迎水面在流速方向上的投影面积。

7.4 结构稳定计算方法及计算参数

7.4.1 导墙稳定及应力分析。

7.4.1.1 抗滑稳定。

明渠外围导墙在设计荷载的作用下, 沿其建基面的抗滑稳定计算。

可按有控制性的代表断面取单宽计算, 计算公式如下:

(1) 按抗剪断强度公式计算:

K'=(f'∑W+C'A)/∑P (7) 式中: K'——抗剪断安全系数;

f'——混凝土/基岩面的抗剪断摩擦系数;

C'——混凝土/基岩面的凝聚力;

∑W——导墙上全部垂直力总和;

∑P——导墙上全部水平力总和;

A——导墙基础面面积。

(2) 按抗剪强度公式计算

K=f∑W/∑P (8) 式中: K——抗剪安全系数;

f——混凝土/基岩面的抗剪摩擦系数;

其他符号同(7)式。

7.4.1.2 抗倾稳定。

导墙在设计荷载的作用下, 对其墙趾的倾覆核算, 取单宽断面按下式进行计算: k m=∑M抗/∑M倾(9) 式中: K m——抗倾稳定安全系数;

∑M抗——所有荷载对墙趾的抗倾力矩总和;

∑M倾——所有荷载对墙趾的倾覆力矩总和。

7.4.1.3 基底正应力计算。

导墙基础面应力计算, 采用材料力学法, 取控制断面的单宽长度按下式进行计算: σ=∑W/L±6∑M/L2(10) 式中: σ——墙基的正应力;

∑W——导墙上所有垂直力之和;

∑M——导墙上所有力对墙底形心的力矩之和;

L——墙底宽度。

7.4.2 明渠底板设计。

7.4.2.1 底板厚度估算。

在本设计阶段, 明渠底板厚度估算可参照同类工程类比, 或考虑底板与锚筋共同作用来估算底板厚度, 一般底板厚度不小于0.3m, 或按下式估算:

t=[(P a+P m-h dγ)K-(γr-1)T]/γc(11) 式中: t——明渠底板厚度;

P a——底板底面扬压力;

P m——脉动压力;

γ——水的重度;

h d——渠内水深;

K——安全系数, 取K=1.1～1.2;

γr——基础岩石的重度;

γc——混凝土的重度;

T——锚筋的计算长度。

7.4.2.2 抗滑稳定计算。

K=∑Wf/(∑P-∑t) (12) 式中: K——底板抗滑稳定安全系数;

∑W——所有板面法向力之和;

∑P——所有板面切向力之和;

∑t——锚筋总抗剪力之和;

f——底板混凝土与基岩摩擦系数。

7.4.2.3 抗浮稳定计算。

底板抗浮稳定的控制情况为不计板上水重, 其计算公式如下:

K浮=Gcosα/(U-P) (13) 式中: K浮——抗浮稳定安全系数;