截流水力计算(水工钢筋)

水利工程施工课程设计计算说明书
题目：截流水力计算（水工钢筋）
学院：中央电大伊犁分校
班级：2011年春
指导老师：
姓名：张玉
一、基本资料
某工程截流设计流量Q=4150 m3/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Q s0=220m3/s,合龙口的渗流量可近似按如下公式计算，Qs= Q s00
/z
z(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设计。

已知上游水位~下泄流量关系如下：
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，一般有多种设计方法，本次设计针对立堵截流。

一般设计步骤分为：戗堤设计及截流水力分区设计，本次设计只涉及截流水力计算。

截流的水力计算中龙口流速的确定一般有图解法和三曲线法两种。

以下采用三曲线法设计。

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5%~10%的月平均或者旬平均流量作为设计标准。

二、计算过程含附图（三曲线法）
无护底时绘制V~Z 和V~B 曲线
步骤：1、作Q~Z 关系曲线，将已知的泄流水位Q d ~△H 上转化为Q d ~Z 关系，
并做Q d ~Z 曲线；
其中：Qs= Q s0
/z z =220
23
.3/z ；
Q d 可根据Z 值在Q d ~Z 曲线上查得；
由Q 0=Q+Q d +Q s 绘制龙口流量与下游落差Q~Z 关系曲线，曲线由以
下表格绘制：
2、计算Z B 和Z C
（1）、B 点为非淹没流梯形断面与三角形断面分界点。

Z B =
22
241ϕ
αϕg +（
2
2
4α
n Q g ）2/5-h s
其中，α为断面动能修正系数，常取1.0；
ψ为流量系数，为0.85—0.95；此时取0.91； n 为戗堤端部边坡系数，取n=1; h s =39.51-30=9.51m ； g 取9.81m/s 2；
先假设Q=450m 3/s,带入上面公式求得Z B ，再分别假设Q 值求Z B 。

将以上数据绘成Q~Z B 曲线，与Q~Z 曲线交于一点。

交点坐标为（Z B ，Q ）=（2.73，598.54） 即为所求，则Z B =2.73m 。

（2）C 点为三角形断面分界点。

Z C =
2
21ϕ
g （
2
2
4α
n Q g ）2/5
先假设Q=400 m 3/s,带入上面公式求得Z c ，再分别假设Q 值求Z c 。

将以上数据绘成Q~ Z C 曲线，与Q~Z 曲线交于一点。

交点坐标为（Z C ，Q ）=（2.74，548.96） 即为所求，则Z C =2.74m. 由于Z B <Z C
综上所述，可知当无护底时，只需计算
V 1、V 3。

3、求V 1、V 3。

（1）gZ
V
21
ϕ=，其中，ϕ取0.91。

假设不同的Z 值，求出其相应的
V 1值，再作V 1～Z 曲线。

计算过程列为下表：
(2)求V 3：5
1
22
3
)4(
n
Q g V α=。

假设不同的Z 值，求出其相应的V 3值，再作
V 3～Z 曲线。

计算过程列为下表：
根据以上两个表格计算所得结果可绘制V 1～Z 和V 3～Z 曲线。

绘制结果如下图所示：
最终可得曲线即为无护底时的V~Z 曲线。

由图可知：V max =6.79m/s 。

4、作V ～B 曲线: (1)梯形断面淹没流: B
s s nH
nh V h Q B 21
+-=
(2)梯形断面非淹没流: B nH b B 2+=
其中b=
2
2
2
2
2
)21(1)
](1)41)[(1(y
Z h y y n s αϕαϕ+-+-+-
(3)三角形断面淹没流：)(21
nV Q h H n B s B +-=
(4)三角形断面非淹没流：
]
)
2(
441)([25
/12
2
22
gn
Q Z h H n B s B ααϕ
αϕ++
+-=
其中，戗堤高度H B =44-30=14m ，Z B =2.73m
以下列表进行计算：
根据以上数据绘制B～V1和B～V3曲线如下：
5、确定抛投块体半径d。

抛石截流计算的主要任务是确定抛投体的尺寸和重量，而抛投块的稳定计算国内外广泛采用的是伊兹巴仕公式，则根据不同流速分区确定块体半径：
V=K
γγ
γ-
s
gd
2式中：V为水流流速，m/s;
K为综合稳定系数，取1.2；
g为重力加速度，取9.81m/s2
γs为石块容重，取18KN/m3；
γ为水的容重，取10 KN/m3；
V1为梯形淹没流的速度，V3为三角形非淹没流的速度。

具体见表如下表：
则可绘制B~d曲线如下所示：
由以上可知，当出现最大流速V max =6.79m/s 时，抛投块体最大半径d max =
γγγ-s g 21（V/K ）2=1.48m 。

三、成果分析
立堵法截流是将截流材料，从龙口一端向另一端或从两端向中间抛投进占，逐渐束窄龙口，直至全部拦断。

截流水力计算的目的是确定龙口诸水力参数的变化规律，主要解决两个问题：（1）确定截流过程中龙口各水力参数，如流量Q 、落差Z 及流速V 的变化规律；（2）由此确定截流材料的尺寸、重量或相应的数量等。

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5%~10%的月平均或者旬平均流量作为设计标准。

截流设计流量Q 0由龙口流
量Q、分流量Q d、戗堤渗透流量Q s和上游河槽中的调蓄流量Q ac组成。

如Q ac不计算，则可得到Q0=Q+Q d+Q。

随着截流戗堤的进占，龙口逐渐被束窄，因此分流建筑物和龙口的泄流量是变化的，但二者之和恒等于截流设计流量。

其变化规律是：截流开始时，大部分截流设计流量经由龙口泄流，随着截流戗堤的进占，龙口断面不断缩小，上游水位不断上升。

当上游水位高出泄水建筑物以后，经由龙口的泄流量越来越小，而经由分流建筑物的泄流量则越来越大。

龙口合龙闭气以后，截流设计流量全部由分流建筑物泄流。

截流过程中龙口各水力参数的变化规律可参考Q d~Z曲线、龙口流量与下游落差Q~Z关系曲线、Q~Z B曲线与Q~Z曲线相交、Q~ Z C曲线与Q~Z 曲线相交、V~Z曲线、B～V1和B～V3曲线等，可以得出流速分区主要有梯形淹没流和三角形非淹没流，且无护底时最大流速为6.79m/s；而在确定抛投体的尺寸和重量时，其稳定计算国内外广泛采用的是伊兹巴什公式，根据各分段落差Z与Z B的大小，确定立堵截流时各分段的截流材料抵抗水流冲动的流速，反过来求出各分段的抛投体的相应粒径。

由B~d曲线可以看出，随着合龙时龙口宽度的逐渐减小，抛投块体的粒径逐渐增大，当增大到最大值1.48m以后，粒径随着龙口变窄也会逐渐减小。