2017年水利工程施工课程设计任务书(导流设计)
《水利工程施工》课程设计任务书
（水利水电工程专业）
1 前言
根据水利水电工程专业培养计划和《水利工程施工》教学大纲的规定，本专业的学生有一周半时间的《水利工程施工》课程设计。本课程设计的主要目的是巩固和掌握课堂所学理论知识，培养学生运用本课程的知识解决相应实际问题的能力，并使学生在水力计算、CAD绘图、设计说明书编写等方面能得到初步训练，为毕业设计和今后的工作、学习打下坚实基础。本次课程设计的主要内容是水利水电工程施工导流设计和截流设计，以下为导流设计的相应资料。
2 基本资料
2.1工程概况
本水电站位于XC市某村境内，系YJ干流水电建设规划的梯级电站之一，距XC市公路里程约80km。
本工程主要任务是发电，水库正常蓄水位1330.00m，死水位1328.00m，总库容7.6亿m3，属日调节水库。
本工程等级为一等工程，主要水工建筑物为1级，次要建筑物为3级。电站枢纽建筑物主要由左右岸挡水坝、中孔坝段和溢流坝段（为碾压混凝土重力坝）、消力池、右岸引水发电系统组成，右岸地下厂房装机4台600MW机组，总装机容量2400MW。工程枢纽处地形及工程布置见附图。
大坝为碾压混凝土重力坝，坝顶高程1334.00m，最低建基面高程1166m，最大坝高168.0m，最大坝底宽153.2m，坝顶轴线长516m；整个坝体共24个
坝段，从左至右由左岸挡水坝1#～9#坝段、左中孔10#坝段、溢流坝11#～14#坝段、右中孔15#坝段和右岸挡水坝16#～24#坝段组成；溢流坝段布置5孔溢流表孔，每孔净宽15m，溢流堰顶高程1311.00m；放空中孔孔口底高程1240.00m，孔口尺寸5×8m；溢流坝段下游接消力池，消力池边墙为混凝土斜边墙，消力池边墙顶高程1224.0m，建基高程分别为1166.0m、1180.0m，底板高程为1188.0m，消力池长145m。
2.2气象条件
YJ流域属高原气候区，主要受高空西风环流和西南季风影响，干、湿季分明。每年11月至次年4月为干季，日照多、湿度小、日温差大，降水很少，只占全年的5～10％；5月至10月为雨季，气候湿润，日照少，湿度较大，日温差较小，降雨集中，雨量约占全年雨量的90～95％。
在该电站附近设立了DL气象站，观测有1996年5月至今的气象资料。据气象站实测资料统计，多年平均降水量为1077.4mm，雨季（5～10月）降水量为1022.5mm，占全年的94.9%；多年平均降水日数为116.5天。多年平均蒸发量为1548.7mm（20cm口径蒸发皿）。多年平均相对湿度为74%，最小值为8.0%。多年平均气温为18.6℃，极端最高气温为39.4℃，极端最低气温为0.5℃。
2.3水文条件
（1）径流
本流域径流主要来源于降水，径流的年内变化及地区分布与降水的变化趋势基本一致。据DL水文站1953年6月～2002年5月共49年（水文年）资料统计，多年平均流量为1416m3/s，折合年径流量451亿m3，径流深410mm。6～10月为丰水期，占全年的76.1%，11～5月为枯水期，仅占年水量的23.9%，径流年内分配不均。年最小流量一般发生在1～3月，实测最小流量为304m3/s。
2.4地质条件
本水电站枢纽区属高山峡谷地形，坝址区河道由上游至下游从S75o E逐渐变为EW向，河谷呈基本对称的“V”型河谷，临江坡高大于700m，左岸坡度40o～45o，局部段达50°～55°，右岸坡度35o～45o，50o～60o。枯水期江水位1205m 时，水面宽90~110m，正常蓄水位1330m时，相应谷宽396~440m。
枢纽区出露地层主要为二叠系上统玄武岩组（P2β），下游将涉及二叠系下统平川组（P1P）灰岩及砂岩，第四纪覆盖层分布较为广泛。第四系覆盖层主要为现代河床冲积物以及分布于两岸谷坡的崩坡积，坡残积、少量冲沟内的洪积物，两岸的阶地堆积物零星分布。河床覆盖层厚1.0~35.8m。
玄武岩坚硬性脆，而且经受多次构造作用，加之成岩过程中发育有大量的原生节理，岩石各向异性比较突出，使节理发育规律性差，方向较分散。枢纽区以中陡倾裂隙为主导优势，占裂隙总数80%以上，且分布普遍，缓倾角裂隙数量相对较少，但分布仍具有一定普遍性，裂隙产状在各部位差异较大，浅表部沿该组裂隙卸荷强烈，大部分充填次生泥。
上游围堰地基：据钻孔揭示，河床覆盖层最厚约35m，基岩岩性为P2β21杏仁状玄武岩及斑状玄武岩和P2β22杏仁状玄武岩、致密状玄武岩，根据覆盖层结构特征由下至上主要分为三层。
Ⅰ层：卵砾石夹砂层，厚4～10m，主要分布于河床中心，卵砾石成份主要为远源物质，如大理岩，花岗岩等，磨园度较好，砂为中粗砂，物质结构较紧密。分布于河床底部。
Ⅱ层：孤块碎石夹砂砾石层，厚8～19m，结构较松散，局部架空。孤、块石较多，孤、块及碎石成份主要为斑状玄武岩，新鲜坚硬。分布于河床中下部。
Ⅲ层：含漂卵砾石夹砂层，厚6～17m，漂、块石较多，结构较松散，漂石成分主要为花岗岩，卵砾石主要为砂岩、花岗岩、大理岩等。分布于河床上部。
第Ⅰ层厚度小，局部分布。Ⅱ、Ⅲ层厚度相对较大，分布连续，总体粗颗粒组成骨架，结构较松散，局部架空，根据注水资料河床覆盖层透水性为：
K=3.32×10-2～8.25×10-1cm/s，可能为管涌土，透水性强，需采取适宜的防渗和排水措施以及合适的施工方法。
围堰两侧边坡整体稳定，但大致顺坡向的错动带及裂隙对局部边坡稳定不利。由于P2β21、P2β22岩体中裂隙发育，河床下部基岩为弱风化，基岩透水性为Lu=1.2～12Lu，透水性强，应切实按照设计要求作好防渗措施。
下游围堰地基：据勘测，河床覆盖层最厚约33m，由于施工弃渣原因，河床覆盖层厚度有所改变，结构特征与上围堰相近，但厚度略有差异。
Ⅰ层：卵砾石夹砂层，厚2～5m，分布于河床底部。
Ⅱ层：块碎石夹砂砾石层，厚6～14m，孤、块石较多，局部为含泥块碎石，分布于河床中下部。
Ⅲ层：含泥漂卵砾石夹砂层，厚13～21m，块石及漂砾较多，局部夹细砂透镜体，厚0.3～0.4m，分布于河床上部。
根据注水资料河床覆盖层透水性为：K=1.0×10-1～1.53×10-1cm/s，可能为管涌土，由于土体结构较松散，透水性强，需采取适宜的防渗和排水措施以及合适的施工方法。
堰基岩体为P2β14角砾熔岩和P2β13-2火山角砾集块岩、枕状玄武岩，弱风化上段下限，在河床位置最低高程约1150m，厚4～20m，下部弱风化基岩透水性为1.2～11Lu渗透性较强，应按设计方案做好防渗处理。
2.5交通及场地
本工程有铁路、国道及其他简易公路可到达，对外交通运输较方便。场内修建有进场公路、左右岸高线公路及其连接线、左右岸缆机平台公路、左右岸低线公路等，其中经左右岸低线公路可达到导流泄水建筑物进出口及上下游堰肩。
本工程地处高山峡谷地带，岸坡陡峻，阶地不发育，坝区附近可供利用的平缓山坡及滩地很少，除坝址附近库区沿江右岸黑水沟口至虎山滩分布有少量缓坡
地带外，工程主要场地集中在大坝附近右岸的黑水沟内、竹子坝沟内，大坝下游左岸2.5km打罗沟沟口，大坝下游左岸3.0km大桥沟沟口及沟内，大坝下游左岸10km大盐池等较为平缓地带。
2.6材料、技术供应条件
本电站所需建筑材料包括当地天然建材和外来建材两部分。天然建材主要为混凝土砂石骨料和防渗土料。通过对坝区周围的调查表明，坝区附近天然砂石料贫乏，远不能满足工程要求，但生产人工骨料的石料储量丰富，且距坝址较近。石料场主要有在坝址右坝肩上侧、竹子坝沟上缘山体的玄武岩料场，储量约1925万m3；土料场有温泉堡料场，储量约96.8万m3。
外来建材主要有水泥、粉煤灰、木材、钢筋、炸药及油料等，均在XC市可购买，施工用电由某市电力系统供应。
2.7施工工期
工程准备期从第一年3月导流工程施工及坝肩开挖准备工程开始至第三年2月具备下基坑条件，工期24个月；主体工程施工期从第三年2月基坑开挖开始至第七年7月初第一台机组发电，工期52个月；工程完建期从第七年7月到第八年7月，工期12个月。本工程总工期88个月，即第一年3月～第七年7月。
其中，大坝混凝土施工进度计划安排如下：
（1）大坝基础垫层常态混凝土浇筑开始日期：第四年2月1日；
（2）大坝碾压混凝土浇筑开始日期：第四年4月1日；
（3）1265m以下大坝及溢流面浇筑完成日期：第六年4月30日；
（4）大坝常态和碾压混凝土浇筑完成日期：第六年10月31日；
（5）放空中孔工作闸门安装完成日期：第六年4月30日；
（6）放空中孔检修闸门安装完成日期：第六年10月31日；
（7）大坝帷幕灌浆完成日期：第六年10月31日；
（8）上游围堰拆除完成日期：第六年10月31日；
（9）下游围堰拆除完成日期：第六年4月30日；
（10）导流泄水建筑物下闸日期：第六年11月初；
（11）导流泄水建筑物封堵完成日期：第七年4月30日；
（12）大坝表孔金属结构安装完成日期：第七年4月30日；
（13）大坝完工日期：第七年4月30日；
（14）1265m以上溢流面完工日期：第六年8月31日；
（15）消力池完工日期：第六年3月31日；
（16）第一台机组发电时间：第七年7月1日。
3 设计任务
根据本工程枢纽建筑物的布置及坝体断面结构形式，结合施工条件，进行施工导流设计，要求完成以下任务：
（1）选择导流方式（全段围堰法or分段围堰法？隧洞导流or明渠导流？）（2）确定导流设计流量（包括选择导流标准和划分导流时段）
（3）选择导流方案（包括初期、中期和后期导流方案）
（4）导流建筑物布置及设计（包括导流挡水建筑物及导流泄水建筑物）
（5）导流水力计算（无压流、半有压流、有压流）
4 成果要求
（1）设计说明书：20～30页。应能简明扼要地表达出设计思路，包括设计基本资料的应用，导流方式选择、导流设计流量确定、导流建筑物设计及布置的理由，要求逻辑清楚，语句通顺；导流水力计算应包括计算公式、过程和成果。
（2）图纸：A3图纸2张。第1张为施工导流平面布置图，采用虚实线的方式绘出导流建筑物的布置位置；第2张为导流建筑物横剖面图。应有正规图框。
（3）成果提交时间：
（4）答辩方式：
5 参考资料
（1）讨论课所用资料（锦屏一级水电站可研报告）
（2）《水利工程施工》（第6版）教材
（3）《水利水电工程施工组织设计规范》（SL303-2004）
（4）《水利水电工程施工组织设计手册》第一卷施工规划第二篇施工导流（5）《水力设计手册》第六篇水工隧洞的水力计算
（6）《水利水电工程施工过程中的水流控制》王民寿编
（7）《水利水电施工导流图集》
设计提示
（1）选择导流方式
主要参考《水利工程施工》（第6版）教材第一章和《水利水电工程施工组织设计手册》（以下简称为《手册》）第一卷施工规划第二篇施工导流第四章导流规划与设计P418～419页，再结合本工程地形地质等资料来选择。
（2）确定导流设计流量
导流设计流量一般需要结合导流标准和导流时段的分析来决定。
划分导流时段，可参考《水利工程施工》（第5版）教材P30页。
选择导流标准，可参考《水利水电工程施工组织设计规范》（SL303-2004）、《水利工程施工》（第6版）教材P29页。
注意：导流标准不仅包括初期导流标准，还应包括坝体挡水度汛标准，截流、下闸、封堵、蓄水标准。由于资料所限，主要依据所给工程资料和《水利水电工程施工组织设计规范》（SL303-2004）来定性选择初期导流标准，不考虑导流标准风险决策。另外，参考本流域上其他水电工程，初步拟定上游围堰最大堰高约55m，使用年限约3年。
（3）选择导流方案
参考所用资料（锦屏一级水电站可研报告）P18～22页。
（4）导流建筑物布置及设计
围堰布置参考《水利工程施工》（第6版）。
导流泄水建筑物布置参考《水利工程施工》（第6版），或《手册》第一卷施工规划第二篇施工导流有关章节。
导流建筑物设计参考资料（锦屏一级水电站可研报告）P25～42页。
如果导流泄水建筑物确定为导流隧洞，以下要点可供设计时参考：
①选择隧洞断面形式：参考《手册》P429页，定性比较；
②拟定隧洞断面尺寸：由于资料所限，可不进行经济断面计算；隧洞断面尺寸按有压流设计，断面最大平均流速不超过20m/s来确定；
③隧洞衬砌：衬砌厚度应根据地质资料和衬砌计算最终确定，由于所给地质资料不详，洞身全长均暂按全断面钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度取洞径或洞宽的1/8～1/12，参考《水工建筑物》（第5版）教材P396页；
④洞口位置：取决于地形、地质条件，洞顶岩层厚度h应满足成洞要求，实际工程中，h可常取1～1.5倍洞门开挖宽度，参考《水利水电工程施工过程中的水流控制》P66页表3-21；
⑤进口形式：参考《水力设计手册》第六篇水工隧洞的水力计算P417页；
⑥进出口高程及底坡：参考《手册》第一卷施工规划第二篇施工导流P429页，出口高程不宜低于河床高程1200.00m，底坡可取1‰～5‰，底坡取大些，设计成陡坡，可增大泄水能力，也会简化无压流的水力计算；
⑦导流隧洞进出口的绘制：参考《水利水电施工导流图集》简单绘制。
如果导流挡水建筑物确定为不过水土石围堰，以下要点可供设计时参考：
①围堰尺寸：在初步布置时，参考本流域上其他水电工程，初拟围堰最大高度为55m左右（最终数值要通过堰顶高程计算来确定），堰顶宽度可取10.0m，上下游坡比可按1∶2.0来估算围堰底宽，最终尺寸要参考类似工程围堰断面来确定，要设置马道。
②堰顶高程计算：要通过调洪计算确定下泄流量，再查下泄流量～上游水位关系曲线（由导流水力计算求出）得到上游水位，查坝址天然水位关系曲线得到下游水位；波浪爬高可采用莆田试验站公式或官厅水库公式计算，计算公式见《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001），多年平均最大风速为14m/s，上游吹程取500m，下游吹程取400m。
（5）导流水力计算（无压流、半有压流、有压流）
如果导流泄水建筑物确定为导流隧洞，导流水力计算《水力设计手册》第六篇水工隧洞的水力计算或《手册》第一卷施工规划第二篇施工导流第五章施工导流水力学计算P499～521页。以下要点可供导流水力计算时参考：
①只进行无压流和有压流的计算，半有压流部分光滑连接；
②导流隧洞底坡设计时，可取大些，如4‰～5‰，设计成陡坡（要进行判断，可先假设为陡坡，再计算，最后检验），可简化无压流的水力计算；
③对于陡坡长洞无压流，其泄流能力不受洞长影响，可按短洞工作考虑。在进行水力计算时，可先假定流态为自由出流，淹没系数
，由公式
23
02H g b m Q s σ=（流量系数m 取0.34）计算出H 0
（H 0
≈H ），再进行判断：
如果75.0<-H il h s ，则为自由出流，假设成立；否则为淹没出流，要进行试
算确定淹没系数和下泄流量Q ，淹没系数值可查看《水力设计手册》P403页图6-1-8或《手册》第一卷施工规划P506表2-5-23。
④对于缓坡长洞无压流，一般要由隧洞出口向上游推求水面线，求得进口断面处的水深，计算比较复杂，参考《水力设计手册》P403。本此课程设计，可进行简化计算：认为隧洞很长，洞内出现均匀流，此时隧洞进口断面处的水深等于正常水深，可联立均匀流公式和
，用试
算求法Q ，参考《水力设计手册》P404。
洞身的布置等，计算繁琐，由于时间关系，本次课程设计可初估μ=0.75。