大工秋《水工建筑物课程设计》.docx
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大工秋《水工建筑物课程设计》
网络教育学院
《水工建筑物课程设计》
题目：
某混凝土重力坝施工导流设计
学习中心：
奥鹏直属学习中心
专业：
水利水电工程
年级：
2012年秋季
学号：
学生：
指导教师：
某混凝土重力坝施工导流设计
1施工导流设计标准选择
1.1施工导流建筑物级别的选定
该工程施工工期为2年，工程总库容为1.6
，根据《水利水电工程施工组织设计规范》SL303-2004，以及围堰工程规模，选定施工导流建筑物为4级。
1.2施工导流设计洪水标准的选择
根据导流建筑物级别为4级和《水利水电工程施工组织设计规范》SL303-2004，选定导流建筑物的洪水标准为：
20年一遇（P=5%）。
1.3施工导流时段选择
根据本工程的特征条件采用分段围堰法导流，中后期用临时底孔泄流来修建混凝土坝。
由施工设计洪水成果表可得，当选定导流建筑物的洪水标准为20年一遇时，全年施工流量为996m/s,7月至次年4月施工时，流量为860m/s。
9月至次年3月施工时，流量为235m/s。
10月至次年3月施工时，流量为186m/s。
10月至次年4月施工时，流量为252m/s。
若采用全年施工，流量太大，导流建筑物的工程量大。
7月至次年4月施工时，流量为860m/s，也过大，同时可能还在汛期，不利于施工，对导流建筑物要求也很高，同样不经济。
9月至次年3月施工时，流量为235m/s，施工期为7个月，流量小，对导流建筑物要求相对要低一些，且经济。
但是考虑到汛期的特点和坝基岸坡的开挖时间，在8月的时候有可能还在汛期，会影响施工进度。
10月至次年3月的时段内，流量虽然相比其他时段小，但是施工期过短，只有6个月，可能导致施工坝体工程不能按时达到渡汛高程，以至于影响整个工程的进度。
10月至次年4月这一时段，流量为252m/s，有7个月的低流量施工时间。
9月份时汛期基本已过，此时可进行坝基和岸坡的开挖和部分围堰工程，10月初可下河截流，随后进行坝体混凝土浇筑，汛前完成溢流坝段的土建工程，汛期及汛后进行非溢流坝段的混凝土浇筑。
次年9月进行左岸坡坝基开挖，并修筑二期围堰工程，利用布置在一期工程坝体内的底孔导流，9月下旬进行河床部分的基础开挖，10月初进行二期工程的坝体和厂房的混凝土浇筑。
因此，选定施工导流时段为10月至次年4月。
由施工进度安排并考虑到工程特点，工程施工导流过程可分为：
前期、后期、下闸蓄水三个阶段。
前期，河水由束窄河床通过，进行第一期基坑内施工；后期，河水由导流底孔下泄，进行第二期基坑内施工；下闸蓄水后，坝体全面升高，可先由导流底孔下泄河水，底孔封堵以后，则河水由永久泄水建筑物下泄，也可部分或完全拦蓄在水库中，直到工程完建。
表1—3施工设计洪水成果单位：
m/s
分期频率
2
5
10
20
全年施工
1340
996
732
504
7月~次年4月
1150
860
600
400
9月~次年3月
316
235
175
119
10月~次年3月
263
183
133
86
10月~次年4月
319
252
206
157
1.4施工导流设计流量
根据导流设计洪水标准和围堰施工分期，选定施工导流设计流量为Q=252m3/s。
根据坝址水位—流量关系曲线，采用内插法得到Q=252m3/s时的水位为86.20m，考虑到坡降，选择坝址处水位为86.50m。
由下游水位流量关系曲线图可得，下游水位为86.10m。
由于厂房工程结构复杂，一期工程量大，施工期长，围堰过水对工期及经济都影响较大，故一期导流标准选为洪水重现期10年；二期拦河坝结构相对较为简单，工程规模小，在一个枯水期可完成，故二期导流标准选为洪水重现期5年。
表1-4坝址水位—流量关系曲线
水位
84.3
84.6
85.0
86
87
88
89
90
91
92
93
流量
0
5
50
220
500
855
1280
1730
2370
2990
3630
图1-1
1.5施工导流方案选择
由施工进度安排并考虑到工程特点，工程施工导流过程根据枢纽的自然条件及坝体的结构特点及工程的导流施工标准，选择采用分段围堰法施工，分为两段两期。
第一期先围右岸，包括非溢流坝段，进行一期基坑内施工；第二期围河床左岸部分，包括左岸左岸非溢流坝段和溢流坝段，进行二期基坑内施工，导流方式为一期工程的底孔导流。
本工程所选择的施工期，流量为252m/s，河床岩面较平整，冲积砂烁层厚度约为0~1.5m，弱风化层厚度1m左右，整个河床岩体致密坚硬，强度高，抗冲刷能力强，左岸地形自然坡度为1:
1.5~1：
2.0，右岸地形自然坡度为1:
2左右，两岸坡度均较缓，采用两段两期的施工导流方式可以满足要求。
采用先围右岸的方式可以先满足发电，提前产生经济效益。
故才用先围右岸，后围左岸的方式施工。
根据本工程自然条件及枢纽布置特点，本着就地取材、经济合理原则，一期上、下游及纵向围堰结构形式均采用土石围堰结构。
围堰堰体采用黏土心墙防渗，堰基利用黏土截水墙防渗，施工期辅助大功率水泵强排水施工。
为保证施工期强排水不对排水沟边坡造成细料流失形成管涌现象，将集水坑四周用土工布围护，边角部位用编织袋压脚固定。
2第一期导流设计
2.1束窄河床水位雍高计算
分期导流围堰束窄河床后，使天然水流发生改变，在围堰上游产生水位雍高，其值可采用如下近似公式试算。
以Z+tcp与所设H0比较,出口处渠底高程84m。
假定水深为2.5m。
Vc=
Z—雍高V0行进流速
Y流速系数Vc束窄河床平均流速Q为计算流量Wc收缩断面有效过水断面m2
Y取0.85V0=0
Wc=bctcp=（30+30-1.8*2.5）/2*2.5=70.31m2bc=30mA1=70.31M2A2=83.75
V0=Q/A=252/（30+30-1.8*2.5）*2.5/2+（36+36-2*2.5）*2.5/2=1.64M/S
Vc=
=252/70.31=3.58m/s，
束窄河床段上游水位壅高：
上、下游一期横向围堰堰顶高程：
上游围堰堰顶高程
下游围堰堰顶高程
图2—1
3纵向围堰长度的拟定及围堰轴线布置
根据施工要求及场地条件，拟定纵向围堰长度为150m。
纵向围堰轴线位置在河床中部偏左岸约30m处，如图2-1。
4围堰断面设计
（1）纵向围堰断面构造及尺寸
图3单位：
mm
围堰主体采用块石、砂砾土料堆石体，防渗层为粘土斜墙，在粘土斜墙迎水位采用浆砌石护面。
（2）上、下游横向围堰断面尺寸
①上游横向围堰断面构造及尺寸
图4单位：
mm
堆石体采用块石、砂砾土石料堆砌，防渗层为粘土斜墙，防冲采用浆砌石护面。
②下游横向围堰断面构造及尺寸
图5单位：
mm
5围堰工程量的估算
上游横向围堰长度：
36m
下游横向围堰长度：
68m
纵向围堰方量：
长150m
6第二期导流水力计算
本工程二期采用底孔导流，为了确保泄流能力，拟定采用2个底孔。
1.底孔的布置及断面尺寸的选择
根据水利水电工程设计规范选定：
底孔布置在主河床的溢流坝段中，底孔底板距基岩面的距离为2m。
底孔进口高程选定84.0m，出口高程83.9m，底孔全长57m。
由水利学原理，判定底孔出流为有压自由出流。
其泄流能力计算公式为：
，式中
，（D为引化直径）。
底孔进水口水头损失系数为
，闸门槽水头损失
，沿程水头损失
。
时，出口处下游水位高程为86.39m，糙率取
。
（m）
（m）
断面
尺寸
（m×m）
（m2）
（m）
（m）
（m）
（m）
（m）
（m3/S）
（m3/S）
90
6.1
4×4.5
16.28
15.28
1.065
4.554
72.18
0.182
0.848
3.871
2.229
91.297
185.59
4×4
14.28
14.28
1.0
4.265
71.43
0.207
0.840
3.625
2.475
83.586
167.18
3×4.5
12.53
13.71
0.914
3.995
70.37
0.218
0.835
3.396
2.704
76.206
152.41
3×3.5
9.53
11.71
0.814
3.484
69.02
0.260
0.870
2.961
3.139
61.327
122.65
93
9.1
4×4.5
16.28
15.28
1.065
4.554
72.18
0.182
0.848
3.871
5.229
139.833
279.67
4×4
14.28
14.28
1.0
4.265
71.43
0.207
0.840
3.625
5.475
124.322
248.64
3×4.5
12.53
13.71
0.914
3.995
70.37
0.218
0.835
3.396
5.704
110.682
221.36
3×3.5
9.53
11.71
0.814
3.484
69.02
0.260
0.870
2.961
6.139
85.764
171.53
96
12.1
4×4.5
16.28
15.28
1.065
4.554
72.18
0.182
0.848
3.871
8.229
175.418
350.836
4×4
14.28
14.28
1.0
4.265
71.43
0.207
0.840
3.625
8.475
154.677
309.35
3×4.5
12.53
13.71
0.914
3.995
70.37
0.218
0.835
3.396
8.704
136.725
273.45
3×3.5
9.53
11.71
0.814
3.484
69.02
0.260
0.870
2.961
9.139
104.642
209.28
99
15.1
4×4.5
16.28
15.28
1.065
4.554
72.18
0.182
0.848
3.871
11.229
204.913
409.83
4×4
14.28
14.28
1.0
4.265
71.43
0.207
0.840
3.625
11.475
179.984
359.97
3×4.5
12.53
13.71
0.914
3.995
70.37
0.218
0.835
3.396
11.704
158.546
317.09
3×3.5
9.53
11.71
0.814
3.484
69.02
0.260
0.870
2.961
12.139
120.600
241.20
则底孔泄流量曲线如图6（两个底孔）。
图6底孔泄流能力曲线图
考虑到施工强度及防洪要求，选定采用两个3×4.5的导流底孔。
这样既可以满足施工期间导流的要求，又适当减小混凝土的浇筑强度。
2.二期导流水力计算
（1）上游水位壅高值
（2）上下游堰顶高程
3.二期纵向围堰的上、下纵段长度及围堰的轴线平面布置
根据施工布置要求，定出纵向围堰上纵段长54m。
纵向围堰下纵段主要靠一期工程时在溢流坝段右边导墙来承担，右导墙长38m，再在右导墙上接24m的土石围堰。
纵向围堰上纵段轴线布置在一期纵向围堰轴线左边14m处，纵向围堰下纵段轴线布置与右导墙轴线重合。
4.围堰断面的结构及尺寸
（1）纵向围堰上纵段剖面
图7单位（mm）
结构材料与一期一致。
（2）纵向围堰下纵段剖面
图8单位（mm）
结构材料与一期一致。
（3）上游横向围堰剖面
图9单位（mm）
二期上游横向围堰采用钢筋石笼护面，粘土斜墙铺盖防渗，围堰长62m。
（4）下游横向围堰剖面
图10单位（mm）
二期下游横向围堰结构材料与一期下游围堰相同，围堰长28m。
5.围堰工程量计算
纵向围堰上纵段：
纵向围堰上纵段：
上游横向围堰：
下游横向围堰：
二期围堰总方量：
四、截流设计
1.截流时间的选择
根据表3的水文资料及工程施工条件的要求，选定截流时间在第二施工年度的9月初。
此时河流水量逐渐变小，进入枯水期。
2.截流流量的确定
根据表3的水文资料，选取9月份的流量作多年经验频率曲线。
表7截流经验频率计算表
年份
流量
（m3/S）
序号
由大到小排列
（m3/S）
模比系数
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
（7）
（8）
1962
16.4
1
19.6
2.734
1.734
3.006756
4.5
1963
12.3
2
16.4
2.287
1.287
1.656369
9.1
1964
6.13
3
16.0
2.232
1.232
1.517824
13.6
1965
5.79
4
12.3
1.715
0.715
0.511225
18.2
1966
3.35
5
10.9
1.520
0.520
0.2704
22.7
1967
3.92
6
9.25
1.290
0.290
0.0841
27.3
1968
4.27
7
6.42
0.895
-0.105
0.011025
31.8
1969
2.58
8
6.13
0.855
-0.145
0.021025
36.4
1970
5.64
9
5.79
0.808
-0.192
0.036864
40.9
1971
16.0
10
5.64
0.787
-.0213
0.045369
45.5
1972
4.52
11
5.10
0.711
-0.289
0.083521
50
1973
3.62
12
4.60
0.642
-0.358
0.128164
54.5
1974
3.01
13
4.52
0.630
-0.370
0.1369
59.1
1975
6.42
14
4.27
0.596
-0.409
0.163216
63.6
1976
3.13
15
4.04
0.563
-0.437
0.190969
68.2
1977
5.10
16
3.92
0.547
-0.453
0.205209
72.7
1978
4.04
17
3.62
0.505
-0.495
0.245025
77.3
1979
9.25
18
3.35
0.467
-0.533
0.284089
81.8
1980
19.6
19
3.13
0.437
-0.563
0.316969
86.4
1981
4.60
20
3.01
0.420
-0.580
0.3364
90.9
1982
10.9
21
2.58
0.360
-0.640
0.4096
95.5
总计
150.57
150.57
21.473
+5.728
-5.771
9.661019
根据表7数据绘制经验频率曲线。
图11截流流量经验频率曲线图
从频率曲线上看出，曲线与大部分经验点配合较好，所以不用再进矩法配线计算。
从曲线上查得P=10%时，
m3/S，即为截流设计流量。
3.截流过程设计
本工程一期施工截流可不做考虑，从一期围堰的平面布置图上可知，上游横向围堰工程量较小，且紧靠左岸的滩地，枯水期滩地处基本无水，纵向围堰在滩地上顺水流方向填筑，而下游横向围堰可在静水中填筑。
二期施工截流时，戗堤轴线选在一期上游横向围堰与纵向围堰相交的背水面坡脚处，龙口段设在主河槽偏右侧。
该处河床基岩出露，抗冲能力强，截留施工采用立堵法进行。
河床右岸有一条三级公路，所以截流时从河床右岸向龙口进占，逐步束窄龙口，直至龙口合龙、闭气。
然后再进行加固，填筑二期上游横向围堰，最后填筑二期下游横向围堰。
五、施工渡汛
为了确保工程能够如期完成，并保证工程在施工期间能安全渡汛，须进行施工调洪计算。
求出一、二期坝体施工时渡汛高程，以便在施工中对坝体工程和施工进度及施工强度实行严格控制。
1.坝体施工期临时渡汛洪水标准
根据《水利水电工程施工组织设计规范》（SDJ338—89）规定，选择渡汛洪水标准为20年一遇，即P=5%。
2.施工调洪计算
调洪计算方法采用单辅助线图解法，设计洪水过程线的频率P=5%,
起调水位为导流设计流量
m3/S时的水位。
从表1中选出P=5%，
，作设计洪水过程线图。
图12设计洪水位过程线（P=5%）
（1）第一期施工渡汛，能满足全年施工洪水
m3/S的通过要求，第一期施工可不作调洪计算。
（2）第二期工程施工渡汛，查下游水位流量关系曲线，当
m3/S时，下游水位为89.93m。
经流态校核，此流量上，底孔泄流量按有压淹没出流计算。
图13下游水位与流量关系曲线图
六、导流底孔封堵
1.底孔封堵施工方案
本工程采用下闸封孔，浇筑混凝土封堵的方式进行底孔封堵。
当大坝整体高程施工达到
124m以上并能由溢流坝段泄水时，且厂房进水口闸门已安装完毕后，可进行下闸。
通过对制造成本、制作工艺、启闭机械能力等方面的考虑后，决定采用钢筋混凝土整体闸门作为封孔闸门。
采用电动卷扬机沉放。
临时底孔是坝体的一部分，封堵时要全孔封堵，浇筑混凝土。
为了确保封堵混凝土与洞壁之间有足够的抗剪力，采用键槽结合。
2.封堵时间及蓄水计划
（1）封堵时间
导流底孔的封堵时间安排在枯水期。
根据本工程的施工进度要求在第三施工年度汛期后开始蓄水，并在10月1日并网发电。
所以本工程的封堵时间选在第三施工年度的8月份。
（2）蓄水计划
①蓄水历时计算，按表3给出的多年各月来水量在保证率为85%时，将这些水量依次累计，对照水库容积曲线与水位线关系图及满足发电要求，可确定临时泄水建筑物的封堵时间，绘出图14中的曲线1。
②校核库水位上升过程中大坝施工的安全渡汛及据此拟定大坝施工进度。
大坝施工渡汛校核洪水标准选用20年一遇（P=5%）的月平均流量；核算时以导流临时建筑物封堵日期为起点，用顺推法绘制水库蓄水曲线2。
③大坝全线浇筑高程过程线，如图14中的曲线3（应包络曲线2）。
图14水库蓄水高程与历时曲线图
1—水库蓄水高程与历时关系曲线；2—导流泄水建筑物封堵后坝体渡汛、水库蓄水高程与历时关系曲线；3—坝体浇筑进度曲线
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