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水利施工课程设计论文

水利施工课程设计

第一章水工施工课程设计任务书

一、工程概况

工程地处我国华东钱塘江的支流上，为一发电为主兼顾灌溉、防洪的水利枢纽工程。

枢纽工程的挡水建筑物为粘土芯墙砂壳坝，坝高81m，坝顶长度为370米。

设计正常高水位为100米，校核洪水位为102米。

大坝属二级建设物。

电站为引水式电站，布置在右岸，其中引水隧洞长525米，直径7米。

厂房安装两台5万千瓦的机组。

溢洪道布置在距坝一公里的左岸凹口处，为开敞正槽式，此顶高程为92米，总宽是64米，出口采用差动式鼻坎挑流消能。

导流洞布置在左岸，断面为10m×10m城门洞形，洞身长450m。

二、施工条件

2.1施工工期

主体工程施工为4年，2010年准备工作，2011年开工，2014年10月1日首台机组发电（初始发电水位为80m）。

2.2坝址地形、地质及当地材料

坝址处流域面积2610平方公里，坝址以上河流全长104公里；其中50公里为通航河道，常年有载重5至10砘木船和竹木筏过坝。

坝址两岸系高山，山坡较陡。

坝址河谷宽为200米，河底高程25米。

两岸覆盖层较薄，基岩为石英砂岩（X级）；河床岩基较好，均为宽阔冲积台地，在上下游3-7公里的台地和河滩上，有满足筑坝要求的大量砂砾料（Ⅲ类土）。

采取水上砂砾平均运距5.5公里；如就近采取水下砂砾，平均运距为3.5公里。

粘土料（Ⅲ类土）在左岸下游7公里的王家村，高程为40~50米，储量丰富，质量满足设计要求。

2.3气象与水文

工程位于华东，气候温和，雨量充沛，每年5月至10月降雨较多，属温带多雨气候，按水文规律分为枯水期和洪水期（包括梅雨期和台汛期），其界限不明显。

一般11月至次年4月底为枯水期，5月至10月为洪水期，其中5、6两个月的降雨量最大，占全年雨量的30%，该河流量属山区性河流，洪水暴涨暴落，最大流量高达8290立方米/秒，最小流量只有7~8立方米/秒，相差上千倍。

根据需要，列出各种水文、气象资料如下：

1、各月最大瞬时流量（m3/s）　　　　　　　　　　　　　　　　　　表1

月份

频率

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

全年

1%

1860

1670

2440

3780

5530

8290

5060

7550

4840

2395

3065

2070

8290

2%

1680

1330

2190

3300

4920

7460

4350

6350

3840

2020

2500

1780

7460

5%

1500

1140

1920

2800

3250

6150

3380

4740

3350

1540

1770

1195

6150

10%

930

940

1250

2000

2700

4990

2660

3390

2710

1160

1230

823

4900

2、各时段设计流量（m3/s）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表2

时　　段

1%

2%

5%

10%

20%

9.1~3.31

4740

4190

3450

2870

2260

9.1~4.30

5000

4460

3740

3160

2510

10.1~4.30

4620

3550

2950

2460

1950

11.1~3.31

3020

2660

2180

1810

1410

11.1~4.30

4020

3560

2940

2450

1920

8.15~5.15

5150

4570

3880

3320

2740

3、典型年逐月平均流量（m3/s）　　　　　　　　　　　　　　　　　表3

月　　　份

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

全年

平水年（50%）

19.8

80.0

71.8

86.3

122.5

277

134.8

92.8

73.7

91.7

23.9

27.6

89.8

丰水年（1%）

28.0

75.4

89.9

134

489

529

276

103

182

91.8

40.7

32.7

172.6

枯水年（80%）

11.5

13.9

61.0

81.7

114

163

102.4

88.9

72.9

71.8

17

15.3

67.8

4、设计洪水过程线（图A）

5、坝址水位流量关系曲线（图B）

6、水库水位与库容关系曲线（图C）

7、坝区各种日平均降雨量统计表（日）

　　月份

日降雨量

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

总计

<5

5

8

8

6

9

6

5

6

7

5

5

3

73

5~10

3

3

3

3

2

2

2

4

1

2

3

3

31

10~30

3

4

4

5

6

5

3

2

4

2

1

1

40

>30

1

0

1

1

3

2

2

1

2

1

0

0

14

合计

12

15

16

15

20

15

12

18

14

10

9

7

158

8、坝区各种日平均气温统计表

月份

日平均气温

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

>30℃

0

0

0

0

0

3

10

4

1

0

0

0

<0℃

12

10

0

0

0

0

0

0

0

0

0

5

<-5℃

5

3

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

<-20℃

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

第二章水利施工课程设计说明书

二、有效工日基分析

为了给计算施工强度和论证施工进度提供依据，保证工期实现，首先需对工日进行分析，计算出每月的有效工日。

考虑到本工程的工期比较紧，结合工程的实际情况，施工单位适当减少法定假日的休息时间，进行加班，来弥补由于天气等原因而不能施工的天数。

为此，对计算出的有效工日进行适当的调整，计算如下。

2.1工日分析

月有效工日＝日历天数－法定假日－因雨雪、气温不能施工天数－其他原因停工天数

2.11各工种月有效工日

表2-1单位：

日

工种

1月

2月

3月

4月

5月

6月

7月

8月

9月

10月

11月

12月

合计

石料开采、填筑

15

16

18

16

11

15

18

20

16

17

21

22

205

砂石开采、填筑

15

16

18

16

11

15

18

20

16

17

21

22

205

黏土开采

16

14

21

19

15

19

22

22

21

21

25

24

239

黏土填筑

17

15

22

20

16

20

23

23

22

22

26

26

252

隧洞开挖

18

20

22

21

17

20

21

22

20

19

22

23

245

混凝土浇筑

0

3

15

13

7

10

6

12

14

15

18

0

113

三、坝体工程量计算

用公式V=

进行计算。

式中：

V—计算部分坝体工程量（m3）；

L—计算部分坝体顶部长度（m）；顶部宽度L由坝体平面布置图相应高程丈量平均而得；

H—计算部分坝体高度（m）；

b—计算部分坝体宽度（m）；计算部分顶部宽度b由坝体剖面图中顶宽、边坡、马道计算而得（上、下游的马道宽度取2.5m）；

l—计算部分坝体底部长度（m）；计算部分底部宽度l由坝体平面布置图相应高程丈量平均而得。

m1、m2—分别为计算部分坝体上、下边坡。

相应的工程量计算见下计算书。

四、施工导流计算

4.1导流标准

本工程大坝属二级建筑物，根据《水利水电工程施工组织设计规范》（SDJ338-89）的规定，查（表9）导流建筑物级别的划分得，相应导流建筑物为级别为Ⅳ级。

4.1.1洪水标准确定

综合考虑经济及工期因素，拟定导流建筑物为隧洞导流，土石围堰挡水。

由于导流建筑物的设计洪水标准是根据导流建筑物的级别（属Ⅳ级）和类型，查导流建筑物的洪水划分（表9）标准表，洪水重现期为20～10年，取洪水重现期为20年，即导流的洪水频率P＝5%。

4.1.2坝体临时挡水渡汛

由设计指导书已知条件，经确定围堰的设计标准为5%频率，并考虑施工时段为10.1～4.30，查表2得，其设计流量为2950m3/s，由设计流量为2950m3/s查坝址水位流量关系曲线图，对应的上游水位为32.45m；再查水库库容曲线图，对应的库容为54.1×106m3，根据坝型及拦洪库容查表10，得坝体施工期临时渡汛洪水标准为100～50年，为了安全起见，取渡汛洪水标准为100年，P＝1%。

4.1.3隧洞封堵后，大坝进入施工运行期，坝体渡汛按表10标准查得，大坝级别为Ⅱ级。

该土石坝的设计渡汛标准为P=1%～0.5%，校核标准为P=0.2%～0.5%。

取设计渡汛标准和校核标准为P=0.5%。

4.1.4水库蓄水标准：

采用80%保证率作为水库的蓄水标准。

4.2施工导流方案和大坝施工分期，根据施工单位能力，粗定大坝施工控制进度

4.2.1施工导流方式

坝址处河床狭窄，根据选坝阶段，对枢纽施工导流进行多方案比较，采用“土石围堰断流，隧洞导流”方式进行。

并从经济方面考虑，上、下游围堰与坝体相结合。

根据本工程水文特性，非汛期由围堰挡水，导流洞过水，汛期将围堰加高至一定高程作为坝体，由坝体挡水，导流隧洞导流。

4.2.2大坝导流方案

根据导流形式，结合施工控制性进度安排，大坝工程导流方案及施工期临时渡汛方案可分以下几个阶段：

第一阶段：

2011年1月~2011年9月31日为导流洞及准备施工阶段，主要进行导流隧洞工程施工，并做好截流准备工作。

此阶段主要由原河道过流。

第二阶段：

2011年10月1日~2012年4月30日，前期在最短的时间内完成截流施工，在围堰的保护下进行大坝基础工程施工（包括基坑排水及开挖，基础处理），然后进行大坝的填筑，在梅雨、台风汛期到来之前将大坝抢筑到拦洪水位以上。

第三阶段：

2012年5月1日~2014年3月31日，为大坝填筑期。

主要工作为大坝填筑。

第四阶段：

2014年4月1日~2014年12月31日，为封孔后大坝填筑期。

主要工作为大坝填筑到设计高程，并完成其它配套工程。

4.2.3截流时间与拦洪时间的确定

根据本工程的水文特点，截流时间暂定于2012年10月初，拦洪时间定于2012年4月底汛期之前。

为了保证在施工单位生产能力范围内顺利完成拦洪任务，根据以上的初定时间和估算的大坝工程量并结合施工单位的生产能力。

对大坝的分期填筑方案进行讨论，并且初步确定。

从2011年10月至2012年4月，粘土能填筑的高程（大坝可能达到的拦洪高程）计算：

在此过程中的粘土有效工作时间需扣除排水时间10天、基础开挖10天，基础处理时间40天、其中考虑到工作与工作的搭接时间暂定为8天，则粘土填筑的有效工作日为：

20+22+22+15+15+19+17-10-10-40+8=78天。

按粘土心墙填筑上升速度平均每天0.35米计算，粘土心墙可能达到的高程（大坝可能达到的拦洪高程）：

24+78×0.35=51.3m。

即在汛期来之前的拦洪坝高为51.3m。

4.2.4大坝各期工程量确定

相应的工程量计算见下计算书。

4.2.5、计算大坝各期平均施工强度

相应的工程量计算见下计算书。

4.2.6确定封孔蓄水及发电日期

根据要求，本工程发电日期为2014年10月1日首台机组发电，发电的初始水位为80m。

在确保大坝安全的前提下，尽可能提早发电。

1、封孔日期的确定

根据初始发电水位80m，查水库库容曲线，相应库容为1470×106m3。

水库蓄水采用80%典型枯水年各月平均流量进行推算封孔日期：

相应的工程量计算见下计算书。

由此确定上，封孔蓄水日期为4月24日。

从封孔开始，又每月的累计来水量，查库容曲线得相应的水位如下表：

蓄水时段

当期来水量

（m3）

累计来水量

（m3）

水位

（m）

4.24～4.30

42353280

42353280

32.92

5.1～5.31

305337600

347690880

52.35

6.1～6.30

422496000

770186880

65.70

7.1～7.31

274268160

1044455040

71.98

8.1～8.31

238109760

1282564800

76.66

9.1～9.30

188956800

1471521600

80.00

2、大坝安全校核

大坝安全采用丰水年1%流量进行校核：

蓄水

时段末

1％来水量

（m3/s）

当月来水量

（m3）

累计来水量

（m3）

库水位

（m）

坝面高程

（m）

4月

134

69465600

69465600

34.6

88

5月

489

1309737600

1379203200

78.4

92

6月

529

1371168000

2750371200

92

＞94

7月

276

143078400

2893449600

92

＞94

8月

103

275875200

3169324800

92

＞94

9月

182

471744000

3641068800

92

＞94

注：

库水位根据累计来水量，由水库库容曲线查得，坝面高程根据进度来定。

故本工程应采用后期导流措施，利用永久溢洪道溢洪，以保证大坝安全。

要求在5月31日前大坝达到92米高程，以利用永久溢洪道泄洪。

4.3导流工程规划布置

4.3.1拦洪水位

根据前述，已定的拦洪坝高为51.3米，扣除安全超高2.0米后，即拦洪水位等于51.3－2.0=49.3米。

4.3.2隧洞断面尺寸的确定

1、隧洞最大下泄流量

根据汛期时水库拦洪水位49.3米，查水库库容曲线，得此时的水库库容为282×106m3，在0.1～1.0亿立方米之间，采用100年一遇洪水标准，频率P=0.1%，查各月最大瞬间流量（表一）得其设计洪水流量为8290m3/s。

根据洪水单位过程线，在估计所求B点附近，任意选定B1、B2、B3、B4点，通过B1、B2、B3、B4向A点方向作四条直线，并与洪峰过程线相切。

如下图：

根据上图，计算相应直线ABi与洪峰过程所包围的面积（相应库容Vi）和相应的隧洞最大下泄流量Qi，计算成果见下表：

库容Vi（106m3）

164.19

204.55

241.76

290.47

下泄流量Qi（m3/s）

4845.75

3847.39

2995.18

1998.72

根据上表，绘制Q～V关系曲线，如下图：

在拦洪水位为49.3m时，水库的库容为282×106m3，由上图查得，需导流洞的最大泄流量2167.2m3/s。

2、隧洞流速计算

大坝拦洪时，隧洞为有压流，其流速按有压流公式V=

计算：

其中m=0.85；H0=49.3m；hp=31.65m（由最大泄流量为2167.2m3/s时，查坝址水位流量关系曲线上而得）

3、过水断面面积W计算

4、隧洞断面型式

本工程隧洞断面采用城门洞，其底宽B与洞高H采用以下公式进行计算：

B=

=

，取底宽B为10m。

其断面如下：

为了便于航运、施工方便，结合实际地形布置，导流系统全长883米，其中明渠长148米，出口明渠长285米，隧洞长450米，并在桩号导0+206设转折角半径为100米的圆弧，进口高程定为26.0米，出口高程24.65米，其中进口明渠为平坡，隧洞底坡为0.30％，出口明渠平坡，出口高程为24.65米。

洞轴线见图纸。

4.3.3汛期大坝拦洪校核

1、根据已定的隧洞尺寸和泄流条件，经调洪演算确定上游拦洪水位，以检查此时的坝面高程是否安全拦洪。

⑴明流计算（无压段）

假定Q分别为300m3/s,600m3/s,900m3/s

（a）判别出口流态

当hk＜h下时为淹没出流，则h2＝h下；反之hk≥h下为自由出流，则h2＝hk。

h下由坝址处流量水位曲线查得。

由于过水断面为矩形，临界水深hk，按公式hk=

计算。

其中α取1.0；g取9.8；单宽流量q=Q/B；B为10m，经以上公式计算，并判断流态，结果列表如下：

Q（m3/s）

hk（m）

下游水位H（由流量水位关系曲线查得）

h下（m）

h2（m）

300

4.51

28.11

3.46

4.51（属自由出流）

600

7.16

29.21

4.56

7.16（属自由出流）

900

9.38

29.88

5.23

9.38（属自由出流）

（b）由上表所得的h2分别假定h1，明流按下式计算：

；式中：

h1-进口洞内水深；

-平均谢才系数，其中砼衬砌时n=0.014；不衬砌时n=0.035；h2-出口洞内水深；

-平均水力半径；V1-进口洞内流速；L-隧洞长度；i-洞身坡降；V2-出口洞内流速；

=（V1+V2）/2。

列表如下：

相应的计算表格计算见下计算书。

（c）在所假定的流量下，计算出相应的上游水位，见下表：

流量Q（m3/s）

进口洞内水深h1（m）

进口落差Z，（m）

上游水位▽上（m）

300

4.08

3.41

33.49

600

7.52

4.01

37.53

900

10.38

4.74

41.12

⑵有压段计算

假定Q分别为2500m3/s，2750m3/s，3000m3/s

由于过水断面为矩形，临界水深hk，按公式hk=

计算。

其中α取1.0；g取9.8；单宽流量q=Q/B；B为10m，经以上公式计算，并判断流态，结果列表如下：

流量Q

hk

下游水位H（由流量水位关系曲线查得）

H下

h2

2500

18.54

32.00

7.00

18.55（自由出流）

2750

19.76

32.25

7.25

19.76（自由出流）

3000

20.94

32.45

7.45

20.94（自由出流）

有压流按下式计算：

；

其中：

h2—出口计算水深。

自由出流时：

h2=0.85D；淹没出流时：

h2=h下。

ε局部损失系数之和，进口采用喇叭口时

=0.25；

谢才系数，砼衬砌时n=0.014；不衬砌时n=0.035，本导流洞衬砌n取0.014。

上游水位：

▽上=进口坎高程+H0i。

计算见下表：

流量Q

h2

R

C

i

ε

L

V

H0i

进坎高

▽上i

2500

8.5

3.05

86.02

0.003

0.25

450

17.95

34.13

26.0

60.13

2750

8.5

3.05

86.02

0.003

0.25

450

19.75

39.79

26.0

65.79

3000

8.5

3.05

86.02

0.003

0.25

450

21.54

46.00

26.0

72.00

根据以上计算的结果，画出无压和有压部分的泄流量与水位的关系曲线并以光滑曲线连接该曲线，以代替半有压流曲线，如下图：

2、通过调洪演算确定梅雨汛期拦洪水位（采用简易图解法）

（a）假定三条隧洞泄水过程线A1B1、A2B2、A3B3；

（b）求出相应库容V1、V2、V3和下泄流量Q1、Q2、Q3；

（c）根据V1、V2、V3在库容曲线上得出相应的下面游水位H1、H2、H3；

（d）在绘有隧洞泄流能力曲线L1的Q～H坐标图上，绘出相应的点P1（Q1,H1）、P2（Q2,H2）、P3（Q3,H3）；

（e）过P1、P2、P3点绘曲线L2交L1于P对应于P点的水位H即是所求拦洪水位,图解计算结果列表如下：

泄水过程线

Q（m3/s）

V（m3）

H（m）

A1B1

2500

241.5×106

47.29

A2B2

2000

290.4×106

49.71

A3B3

1500

322.9×106

51.23

备注

任意选定Q

根据Q

由洪水过程线查得

根据V

由库容曲线查得

查上图得H拦=50.11m

3、大坝安全校核

根据大坝施工控制进度所确定的梅雨汛前大坝高程▽1=51.3m

安全超高△h=2.0m，拦洪高程H=50.6m

∵▽1-△h=49.3m

∴应局部加高坝体拦洪,即汛期来临前修筑一子堰临时拦洪。

4.4围堰主要尺寸、型式及布置

4.4.1　挡水时段确定

本工程采用枯水期挡水围堰围护基坑修筑大坝。

围堰的任务在于保护基坑内工程施工，直到坑内坝体高出水面，所以围堰的挡水时段决定于基坑内基础处理工程量，坝体施工速度及水文变化情况。

大坝第二期施工时间为2011年10月1日～2012年4月30日，因此选择枯水期10月1日～4月30日时段内P＝5%的最大洪峰流量（查表2）2950m3/s作为围堰的设计流量。

4.4.2围堰顶高程确定

围堰顶高程由该设计流量时的上游水位和安全超高确定。

发生设计洪水时的上游水位即为围堰拦洪水位。

Q5%＝2950m3/s，根据洪水单位过程线，作图法如下：

根据上图，计算相应直线ABi与洪峰过程所包围的面积（相应库容Vi）和相应的隧洞最大下泄流量Qi，计算成果见下表：

A1B1

A2B2

A3B3

A4B4

A5B5

库容Vi（106m3）

58.43

69.07

86.03

103.36

117.55

下泄流量Qi（m3/s）

1725

1369

1066

711

458

根据上表，绘制Q～V关系曲线，如下图：

假设上游水位为38.5高程，根据上游水位38.5m时查得水库的库容为106.6×106m3，再由上图查得此时导流洞的流量Q为648.6m3/s。

再由流量Q=648.6试算出进洞水深，再计算上游水位进行校核。

计算见下表：

h2=hk=

=7.54m，

Q

h1

h2

V1

V2

h

648.6

9.00

7.54

7.207

8.602

7.904

3.1103

86.2991

2.6498

3.7753

0.0027

8.53

8.50

7.54

7