2017年水利工程施工课程设计任务书(导流设计)

（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18.7mm（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）洪水 本流域洪水主要由暴雨形成。本流域暴雨一般出现在6～9月，主要集中在7、8两月，且多连续降雨。洪水过程多呈双峰或多峰型，一般单峰过程6～10天，双峰过程12～17天。洪水一般具有洪峰相对不高、洪量大、历时长的特点. 本水电站天然设计洪水直接采用DL水文站设计洪水成果见表1和表2。 表1 DL水文站设计洪水频率计算成果m3/s 各频率设计值(％） 项目 洪峰（m3/s) 一日洪量(亿m3） 三日洪量（亿m3） 七日洪量（亿m3） 十五日洪量（亿m3） 均值 6390 5。35 15。2 32。0 60.5 Cv 0.28 0。28 0。28 0.29 0.30 Cs/Cv P=0.01 4 4 4 4 4 17500 14.7 41。7 90.7 177 P=0.02 16700 14。0 39.8 86。3 168 P=0。1 14800 12。4 35.2 76。2 148 P=0。2 14000 11.7 33。2 71.7 139 P=0.5 12800 10。7 30.5 65.7 127 P=1 11900 9。99 28。4 61.0 118 表2 各频率设计洪水过程线 时间 0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180 192 204 216 228 240 252 2 276 288 300 312 324 336 348 360 Qp（m3/s） p=0。5% 8805 8630 8422 8422 8630 8848 9013 9691 11266 11594 11813 11813 11813 11266 11047 11047 11156 11484 12141 13016 14000 13234 12578 11922 11484 11047 10577 10063 9603 9198 8761 p=1％ 7932 7778 7592 7592 7778 79 8118 8730 10163 10448 10667 10732 10667 10240 10010 10032 10152 10524 11050 11925 12800 12144 11378 10853 10404 9977 9518 9069 86 8282 7888 p=2% 7282 7140 6965 6965 7140 7315 7457 8013 9334 9596 9738 9858 9804 9411 9192 9236 9203 9760 10317 11245 11900 11463 107 10044 9553 9160 8745 8330 7937 7609 7249 p=3.33％ 6721 6600 35 35 6600 67 6886 7403 8624 8855 9009 90 98 86 8448 8470 8591 87 9592 10362 11000 10439 9911 9251 8822 8459 8074 76 7337 7029 6688 p=5％ 6266 6145 5969 5969 6145 6266 6387 6859 7992 8233 8332 8387 8332 7970 7794 7849 7970 8420 92 9717 10300 9794 9201 8574 8167 7871 7519 7156 6804 6508 6200 p=10% 5868 5757 5614 5614 5757 5901 6012 7526 7736 7835 7879 7835 7515 7349 7371 7492 70 82 9227 9780 9305 86 80 7702 7382 7050 6708 6398 6133 5846 p=20％ 5274 5175 5046 5046 5175 5304 03 5800 67 6953 7042 7082 7042 67 6605 6625 6734 7092 7678 8293 8790 8363 7787 7270 6923 6635 6337 6029 5751 5512 52 （3）分期设计洪水 ①本水电站施工分期洪水成果见表3。 表3 分期设计洪水成果 时段 1月 2月 3月 4月 5月 6~9月 10月 11月 12月 均值 （m3/s） 500 412 445 704 1250 6390 2860 1270 743 Cv 0.14 0。12 0。24 0.34 0。40 0.28 0。37 0.21 0。16 Cs/Cv 5 2 9 5 4 4 3 5 2 Qp （m3/s) P=2％ 668 520 761 1380 20 11000 5600 1950 1010 P=3。33％ 6 507 704 1270 2410 10300 5200 1850 975 P=5% 627 497 659 1180 2230 9780 4870 1770 949 P=10％ 593 476 583 1020 1910 8790 4280 1630 9 P=20% 555 453 507 862 1590 7720 3650 1470 841 另外，11月～4月分期洪水Qp=0。5%=2210 m3/s。 ②本电站10～12月分旬平均流量成果见表4. 表4 本电站10～12月分旬平均流量 P 10％ 20％ 10月 下旬 1930 1710 上旬 1430 1320 11月 中旬 1160 1110 下旬 981 946 上旬 810 775 12月 中旬 702 679 下旬 609 580 (4）库容曲线 本水库的水位～库容关系曲线见表5。 表5 本水电站水位～库容曲线 库水位（m） 库容(亿m3） 库水位(m） 1195 0 1300 1210 0.006 1310 1220 1230 1240 0.43 1250 1260 1270 1280 1290 3.176 1360 0。052 0。178 1321 6.248 1324 6。675 0.788 1。244 1.793 2。432 1330 1340 1350 1325。7 1328 6。917 库容（亿m3） 4。033 5。009 7.244 7。528 9.093 10.804 12。663 （5)坝址天然水位关系曲线 坝址坝轴线处的天然水位关系曲线见表6。 表6坝址天然水位关系曲线 水位(m） 流量(m3/s) 水位（m） 流量（m3/s） 1202.75 1203。68 1206。02 1208.76 1210.63 350 1216.59 7340 500 1217.8 8400 1000 1218.95 9390 2000 3000 1212.23 4000 1213。55 1215.07 1216。27 4930 1222.19 12400 6090 1223.38 13600 7060 1224.16 14400 1219.59 1220.32 1221。28 9950 10600 11500 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S75oE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（流量系数m

取0。34）计算出H0（H0≈H），再进行判断：如果，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,可联立均匀流公式法Q，参考《水力设计手册》P404。

⑤进行有压流计算时，流量系数μ的计算涉及到隧洞的进口形式、闸室、渐变段、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。

和

，用试算求