目 录

 

第一章 导流洞的水力算…………………………………………………………………………2

第一节 洞身水力计算…………………………………………………………………………4

第二节 上、下游水位计算……………………………………………………………………...5

第三节 进口过流流量校核……………………………………………………………………...5

第二章 围堰的水力计算 8

第一节 下游围堰 8

第二节 上游围堰 9

第三章 隧洞内力及配筋计算 12

第一节 山岩压力计算………………………………………………………………………...

第二节 隧洞内力及配筋 13

第四章 调洪演算 12

第一节 调洪演算的基本原理 12

第二节 调洪演算方法及计算 12

第三节 坝顶高程的复核计算 13

第一章 导流洞的水力计算

第一节 洞身水力计算

（1）、导流标准

某水库工程是以供水为主兼顾农田灌溉和环境用水的综合利用工程，按《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252—2000）的规定，按供水规模应为Ⅳ等工程，根据水库总库容为532万m³，应属Ⅳ等工程，其主要建筑物大坝、溢洪道、取水口及输水洞为4级建筑物，根据颁部规范SDJ338­---89的规定，相应的临时建筑物为五级建筑物，考虑到该工程规模较小，选取设频率P=20%，相应流量18m³/s。

（2）、洞身水力计算

从导流的布置情况来看，在枯水期一般设为无压隧洞，但为了考虑洪水期度

汛时的过流能力，故采用纵坡i=1.5/100；经过多方案的比较，采用i=1.5/100比较合理，经济。

导流隧洞按明渠均匀流设计，由明渠均匀流的流量公式：Q=AC(Ri)^1/2=K i^1/2

式中 Q——设计流量（m³/s）

A——洞身过水断面面积（m²）

R——水力半径（m），R=A/X，X为过水断面湿周；

C——谢才系数（m^1/2/s），其值按曼宁公式计算，C=R^1/6 /n，n为糙率。

为了考虑在第一个洪水期的泄洪，假设隧洞洞身的断面尺寸如下图所示：洞宽b=3.8 m ，H=4.3 m 。

流量模数：K=ACR^1/2=Q/i^1/2

则 K=18/(1.5/100)^1/2=146.97 m³/s

糙率n值表

衬 砌 材 料	n
现浇混凝土衬砌	0.014
预制装配式混凝土衬砌	0.017
浆砌石衬砌	0.017
经过修整的不衬砌断面	0.03~0.035
未经过修整的不衬砌断面	0.04~0.045

由《施工组织设计规范》，对现浇砼衬砌，n=0.014 则

b^2.67/nK=3.8^2.67/（0.014×146.97）=17.20

采用高等教育出版社《水力学》上册附图Ⅱ，由b^2.67/nK与h₀/b的关系曲线，当b^2.67/nK=17.2时，在m=0.0的曲线上查得h₀/b=0.211，故导流洞中的实际水深为h₀=0.211×3.8=0.802m

根据假设的隧洞断面图与洞身水力计算结果，圆拱直墙式断面尺寸为：洞宽b =3.8 m ；直墙高3.197m；圆拱半径r=2.194m；洞内水深h=0.802m；水面

以上净空高度3.498m。

净空面积=A_总－A=3.8×2.1＋2×1.9×1.097×1/2＋（120⁰×3.14×1.9²）/360⁰－3.8×0.802=12.05 （m²）

则ΔA/ A=（12.05/15.1）×100%=79.81%

故净空高度及净空面积均符合明渠规范要求，并且实际过水断面形状上为矩形，故假设隧洞为明渠是正确的。

当Q=18.0m³/s时的相应临界水深h_k及临界坡i_k， =[ΑQ²/( gb²)]^1/3

h_k=[1×18²/(9.8×3.8²)]^1/3=1.32 m， h₀=0.802 m，由h₀＜h_k时、Fr＞1为急流 。

临界断面面积A_k=bh_k=3.8 ×1.32=5.016 m²

临界过水宽度B_k=b=3.8 m

临界湿周X_k=b＋2h_k=3.8＋2×1.32=6.44 m

临界水力半径R_k=A_k/X_k=5.016/6.44=0.78 m

临界谢才系数C_k=R_K^/6 1/n=0.78^1/6×1/0.014=68.52

则临界纵坡i_k=gX_k/(αC_k² B_k)=9.8×6.44/（1×68.52²×3.8）=0.0036

由i_k=0.35%＜i=1.5%，所以为陡坡。

第二节 上、下游水位计算

1）、下游水位

由基本资料—岔河水库坝下水位流量关系曲线可知，当流量Q=18m³/s时相对应的水位为1423.01m，故下游水位为1423.01m ，下游设计洪水静水位为：1423.01 m。

2）、上游水位

由i_k=0. 35%＜i=1.5%，隧洞长L=184. 79m，取隧洞进口底板高程为：1426m，则隧洞出口高程为：

1426-L_i=1426-184. 79×1.5/100=1423.30 m

因隧洞出口底板高程与下游水位高程之差大于零，即1423.15-1423.01=0.14＞0。故泄流量为自由出流。

采用中国城市出版社《施工组织设计与施工规范实用全书》上册，泄流量按短管自由出流，即按非淹没堰流计算。

非淹没堰流公式 Q=mB_K2g^1/2H₀^2/3

m——流量系数

H₀——计入行近流速的上游水头

B_{k————}临界水深下的平均过水宽度

 

H₀=(Q²/2gm²B_k²)^1/3=[18²/(2×9.8×0.3²×3.8²)]^1/3=2.33m

则上游水位：1424.38+2.33+△Z

=1424.38+2.38+1.62

=1428.38 m △Z为河底高程与进口底板之差。

故上游设计洪水静水位为：1428.38m。

第三节 进口过流流量校核

采用中国城市出版社《施工组织设计与施工规范实用全书》上册以及SL297—2002水工隧洞设计规范，进口过流流量按宽顶堰公式计算：

Q=σ_Sε₁mnb^’(2g)^1/2H₀^3/2

式中

m——流量系数

m=0.32+0.01×（3－P₁/H）/（0.46+0.75×P₁/H）

=0.32+0.01×（3－1.63/2.38）/（0.46+0.75×1.63/2.38）

=0.34

σ_S——淹没系数，自由出流时，σ_S=1

ε₁——侧收缩系数

ε₁=1－[α₀/(0.2+p₁/H)³]（b/B）⁴（1－b/B）

=1―[0.19/(0.2+1.63/2.38)³](3.7/4.22)⁴(1―3.7/4.22)

=0.98

故Q=1×0.98×0.34×1×3.7×（2×9.8）^1/2×2.38^3/2

⁼20.00m³/s＞18m³/s

所以满足要求。

 

第二章 围堰的水力计算

第一节 下游围堰计算

考虑到下游围堰挡水保证基坑干地施工，且该工程规模较小，导流期间不允许基坑淹没，故下游围堰设计成不过水围堰。查围堰设计规范DL/T 5087—1999，围堰断面设计要求表7.1.1，不过水围堰堰顶安全超高下限值，对于Ⅳ－Ⅴ级土石围堰，δ=0.5m。

表2—1 不过水围堰堰顶安全超高下限值

围堰 形式	围堰级别
	Ⅲ	Ⅳ
土石围堰	0.7	0.5
砼围堰	0.4	0..3

土石围堰防渗体顶部在设计洪水静水位以上的超高值：斜墙式防渗体为0.8~0.6m；心墙式防渗体为0.6~0.3m。取防渗体超高值为0.3m。

根据规范规定：无行车要求的堰顶宽度，当堰高在6~10m时，堰顶宽度取3~4m，当堰高>10m时堰顶宽度取5m。该工程围堰考虑工程自卸汽车运输土石料与推土机工作等因素，堰顶宽为4.5~5m，取堰顶宽为4.5m。围堰采用塑性心墙围堰，填筑时做成梯形断面，坡度为1：0.2~1：0.6的陡坡。心墙的断面是梯形的，上部厚度不小于0.8~1.0m，下部厚度不小于1/10水头，且不能少于3m。

由资料可知，河床的覆盖层厚度取1.5m。查坝址处水位流量关系曲线得：当Q=18m³/s时，其相应的水位高程为1423.01m，则下游围堰的堰顶高程为：

H_d=h_d+h_a+δ

h_d------下游水位高程

h_a------波浪爬高（此处忽略不计）

δ------安全超高，按表2—1选用

心墙式防渗体为0.6~0.3m，即取0.3m，则顶部高程为1423.31m。则下游围堰的堰顶高程 ：H_d=1423.01+0.5=1423.51m

下游围堰高度为：h=H_d－1419.34=1423.51－1419.34=4.17 m

注：1419.34m为下游围堰的河底高程。

下游围堰的底宽计算：B= 2×4.17+4.5+1.5×4.17

=19.095 m

下游围堰心墙底宽计算： B=2×0.3×4.45+2=4.66 m

第二节 上游围堰计算

考虑到上游围堰挡水保证基坑干地施工，且该工程规模较小，导流期间不允许基坑淹没，故上游围堰设计成不过水围堰。查围堰设计规范DL/T 5087—1999，围堰断面设计要求表7.1.1，不过水围堰堰顶安全超高下限值，对于Ⅳ－Ⅴ级土石围堰，δ=0.5m。

不过水围堰堰顶安全超高下限值

围堰 形式	围堰级别
	Ⅲ	Ⅳ
土石围堰	0.7	0.5
砼围堰	0.4	0..3

土石围堰防渗体顶部在设计洪水静水位以上的超高值：斜墙式防渗体为0.8~0.6m；心墙式防渗体为0.6~0.3m。取防渗体超高值为0.3m。

根据施工组织设计规范规定：无行车要求的堰顶宽度，当堰高在6~10m时，堰顶宽度取3~4m，当堰高>10m时堰顶宽度取5m，本工程考虑到自卸汽车运输土石料与推土机工作等因素，堰顶宽为4.5~5m，堰顶宽取4.5m。取下游面坡度为1：2.0，上游面坡度为1：1.5；围堰心墙的断面是梯形，上部厚度不小于0.8~1.0m，或由施工要求决定，下部厚度不小于1/10水头，且不小于3m。塑性心墙围堰心墙围堰用的粘土及粘壤土，或砂和粘土按比例配合的土料，填筑时做成梯形断面，坡度为1：0.2~1：0.6的陡坡。因此，本工程的心墙顶宽取为1.5m，两边的坡度取为1：0.3。由资料可知，河床的覆盖层厚度取1.5m。

由上游水位计算可知，导流隧洞进口底板高程为1426.00m，按规范要求，导流隧洞进、出口高程选择需要考虑截流、通航、放木要求，以及封堵条件，泥沙淤积或磨损，方便施工等。导流隧洞进高程通常取枯水位以下1.0~1.5m。

上游的水位高程为：1428.33 m

由i=1.5%，L=184. 79m, 所以上、下游导流隧洞的进、出口的高差为：

Δh=i×L=1.5%×184. 79=2.77 m

则导流隧洞的出口高程为：1426.00－2.77=1423.23 m

故上游围堰的堰顶高程由下式决定： H_u=h_d＋Z＋h_a＋δ

式中 H_u——上游围堰堰顶高程，m；

Z ——上下游水位差，m；

H_u=h_d＋Z＋h_a＋δ=1423.01＋(1428.33－1423.01)＋0.5

=1423.01+5.32+0.5

=1428.33 m

上游围堰的河底高程为1423.57m，则上游围堰的高度为：

1428.83－1423.57=5.26 m

上游围堰的底宽计算：B= 2×5.26+4.5+1.5×5.26

= 20.28 m

下游围堰心墙底宽计算：b=2×0.3×4.45+2=4.66 m

第三章 隧洞内力及配筋计算

第一节 山岩压力

由于山岩压力是不压隧洞衬砌设计中起决定作用的荷载，因此山岩压力值的计算选定，直接关系到衬砌尺寸是否经济合理。

采用《水工隧洞设计规范》建议的山岩压力计算，对于Ⅲ~Ⅳ类围岩，可以按松动介质平衡理论估算三岩压力。考虑到进出口的地质条件不是很好，属于Ⅲ~Ⅳ类围岩，不能形成压力拱，当洞室埋深度（由衬砌顶部至地面的垂直距离）H小于2倍压力拱高度或小于压力拱跨度的2.5倍。

为了使用设计便于安全，对于不能形成压力拱的岩体，允许按全部岩柱重量（不考虑两侧磨阻力）来计算垂直压力，即采取q=γH 。分别取隧洞进、出口往里15m所对应的覆盖层厚度分别为H₁=15.45m，H₂=12.49m。按水利电力出版社高昌侠、熊启钧编著《隧洞》表3—2岩石坚固系数及其它力学指标表查得：对于中等坚硬的岩石及坚硬的石灰岩，不坚硬的沙石和石灰岩，软砾岩相应的岩石坚固系数f=4，岩石容重γ=24~28（KN/m³）,取岩石容重γ=26 KN/m³。所以进、出口垂直压力强度为：q₁=γH₁=26×15.45=401.70KN/m²；

q₂=γH₂=26×12.49=324.74 KN/m² 。

为了便于计算，取单位长度计算，则进、出口顶部垂直均布荷载Q₁=401.70 KN/m

Q₂=324.74 KN/m 。为了便于计算，单位的换算关系近似采用Kg=10KN 。故Q₁=40.170T/m ，Q₂=32.474 T/m 。

第二节 隧洞衬砌内力及配筋计算

采用张校正（新 疆 水 利 厅）改编，黄凯申（新疆兵团水利局）校核Ｇ－１２隧洞衬砌内力及配筋计算通用程序。

一、程序功能

本程序采用屠规彰等提出的衬砌结构的非线性常微分方程组，应用初参数数值解法，解算隧洞衬砌在水压力、山岩压力及衬砌自重等荷载作用下弹性抗力分布，算出变位和内力，并按水工钢筋混凝土规范进行配筋计算。对于11种隧洞过水断面(参阅附图)，程序将衬砌（左半部）的底板、顶板、边墙、侧底拱、侧顶拱等每部分10等分段，输出每个计算点的轴向力、剪力、弯矩、受压钢筋面积、受拉钢筋面积、抗裂安全系数以及裂缝开展宽度。

轴向力的单位：t ；剪力的单位：t

弯矩的单位：t.m ；

受压钢筋面积的单位:cm² ；受拉钢筋面积的单位:cm² ；

裂缝开展宽度的单位:cm

 

二、计算原理

参阅《水工隧洞设计规范(SD134－84)》附录七。

配筋计算按照《水工钢筋混凝土设计规范》的公式计算偏心受压和偏心受拉构件。计算中不受最小配筋率的限制，实际采用时，可按照规范规定的最小配筋率或按少筋混凝土计算。

三、使用方法

1、数据准备：参看附图。

A＄ 工程名，如“SUANLI”

A 断面形状编号，参阅附图。

Ky 钢筋砼偏心受压安全系数

K1 钢筋砼偏心受拉安全系数

R# 混凝土标号，如250#应为“250”

Rg 钢筋强度（kg/cm²）

Eg 钢筋弹性模量（kg/cm²）

A 钢筋毛保护层（cm）

D 钢筋直径（cm），用以计算裂缝开展宽度

L1 半跨底宽（m）

H2 侧墙高度（m）

R1 弧形底板半径（m）

R2 侧底拱半径（m）

R4 侧顶拱半径（m）

a1 弧型底板半中心角（角度）

a2 侧底拱中心角（或半中心角）（角度）

a4 侧顶拱中心角（或半中心角）（角度）

D1 底板厚度（m）

D2 侧底拱厚度（第九类断面为侧底拱起点厚度）

D3 侧墙厚度（m）

D4 侧顶拱起点厚度（m）（第一类断面为侧顶拱厚度）

D5 顶板厚度（m）（或侧顶拱终点厚度）

Q4 顶部垂直均布荷载（t/m）

Q3 侧向分布荷载上端点值（t/m）

Q2 侧向分布茶载下端点值（t/m）

Q1 底部垂直均布荷载（t/m）

H0 水压荷载水头值（内压为正）（m）

P 灌浆压力（各边均布法向荷载，外压为正）（m）

Rh 衬砌容重（t/m³）

Eh 衬砌弹性模量（t/m²）

K1 底板、侧底拱部位围岩弹抗系数（t/m³）

K2 侧墙部位围岩弹抗系数（t/m³）

K3 顶板、侧顶拱部位围岩弹抗系数（t/m³）

[注]各类断面形状无某项数据时填0

 

2、内力符号规定如下：

面向基岩取微分段，图示内力为正

四、算例及计算成果

本程序的算例全部采用陕西省水电设计院马跃堂同志的算例资料，以便于成果比较。经比较误差很小，现计算进出口城门洞形的计算成果。

隧洞进口数据文件为G-12.INT

1.6，2.5，250，3100，2000000，5，2.2，

1.9，3.4，0，0，0，2.39，0，0，60，.4，0，.4，.4，.4，40.17，0，0，0，0，0，2.4，2550000，50000，50000，50000

 

计算结果文件为G-12.OUT

**********************************************************************

***** 隧洞进口内力及配筋计算书 G-12 *****

**********************************************************************

一. 基 本 数 据

(A= 4 )

Ky= 1.6 KL= 2.5 R#=250 Rg= 3100 Eg= 2000000

a= 5 d= 2.2

L1= 1.9 H2= 3.4 R1= 0 R2= 0 R4= 2.39

a1= 0 a2= 0 a4= 60 D1= .4 D2= 0

D3= .4 D4= .4 D5= .4 Q4= 40.17 Q3= 0

Q2= 0 Q1= 0 Ho= 0 P= 0 rh= 2.4

Eh= 2800000 K1= 50000 K2= 50000 K3= 50000

二. 计 算 结 果:

迭 代 计 算

第 1 次迭代

第 2 次迭代

第 3 次迭代

位 移 状 态

1111111111111111111110000000000

--------------------------------------------------------------------------------

底 板(M= 10 )

轴向力 剪力 弯矩 受压钢筋 受拉钢筋 抗裂K 裂缝宽

0 -30.925 0.000 21.382 0.000 26.939 0.456 0.01953

1 -30.925 1.751 21.220 0.000 26.635 0.459 0.01960

2 -30.925 3.991 20.686 0.000 25.642 0.471 0.01982

3 -30.925 7.202 19.641 0.000 23.717 0.495 0.02024

4 -30.925 11.846 17.858 0.000 20.481 0.544 0.02088

5 -30.925 18.355 15.021 0.000 15.460 0.650 0.02194

6 -30.925 27.105 10.741 0.000 8.148 0.941 0.02233

7 -30.925 38.393 4.560 0.000 0.000 3.143 0.00000

8 -30.925 52.394 -4.021 0.000 0.000 4.008 0.00000

9 -30.925 69.115 -15.523 0.000 16.337 0.628 0.02159

10 -30.925 88.331 -30.444 0.000 44.882 0.331 0.01619

-------------------------------------------------------------------------------

侧 墙(M= 10 )

轴向力 剪力 弯矩 受压钢筋 受拉钢筋 抗裂K 裂缝宽

0 -88.331 -30.925 -30.444 0.000 34.706 0.374 0.01549

1 -88.005 -29.229 -20.093 0.000 11.704 0.586 0.02193

2 -87.679 -24.341 -10.935 0.000 0.000 1.543 0.00000

3 -87.352 -18.301 -3.675 0.000 0.000 99.999 0.00000

4 -87.026 -12.069 1.486 0.000 0.000 99.999 0.00000

5 -86.700 -5.790 4.526 0.000 0.000 99.999 0.00000

6 -86.374 0.930 5.374 0.000 0.000 99.999 0.00000

7 -86.048 8.743 3.771 0.000 0.000 99.999 0.00000

8 -85.722 18.248 -0.760 0.000 0.000 99.999 0.00000

9 -85.396 29.643 -8.846 0.000 0.000 2.491 0.00000

10 -85.070 42.299 -21.052 0.000 14.287 0.549 0.02249

 

侧 顶 拱(M= 10 )

轴向力 剪力 弯矩 受压钢筋 受拉钢筋 抗裂K 裂缝宽

0 -94.822 -5.903 -21.052 0.000 12.309 0.568 0.02032

1 -88.935 -13.582 -18.432 0.000 8.134 0.656 0.02214

2 -82.144 -18.406 -14.387 0.000 1.793 0.891 0.21925

3 -74.848 -21.425 -9.358 0.000 0.000 1.798 0.00000

4 -67.461 -22.611 -3.802 0.000 0.000 99.999 0.00000

5 -60.389 -22.022 1.826 0.000 0.000 99.999 0.00000

6 -54.012 -19.804 7.098 0.000 0.000 2.245 0.00000

7 -48.669 -16.179 11.634 0.000 5.039 0.961 0.02565

8 -44.640 -11.436 15.113 0.000 12.172 0.686 0.02508

9 -42.136 -5.916 17.300 0.000 16.726 0.585 0.02300

10 -41.287 0.000 18.046 0.000 18.293 0.558 0.02213

隧洞出口数据文件为G-12.INT

1.6，2.5，250，3100，2000000，5，2.2，

1.9，3.4，0，0，0，2.39，0，0，60，.4，0，.4，.4，.4，32.47，0，0，0，0，0，2.4，2550000，50000，50000，50000

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***** 隧洞出口内力及配筋计算书 G-12 *****

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一. 基 本 数 据

算例(A= 4 )

Ky= 1.6 KL= 2.5 R#=250 Rg= 3100 Eg= 2000000

a= 5 d= 2.2

L1= 1.9 H2= 3.4 R1= 0 R2= 0 R4= 2.39

a1= 0 a2= 0 a4= 60 D1= .4 D2= 0

D3= .4 D4= .4 D5= .4 Q4= 32.47 Q3= 0

Q2= 0 Q1= 0 Ho= 0 P= 0 rh= 2.4

Eh= 2800000 K1= 50000 K2= 50000 K3= 50000

二. 计 算 结 果:

迭 代 计 算

第 1 次迭代

第 2 次迭代

第 3 次迭代

位 移 状 态

1111111111111111111110000000000

--------------------------------------------------------------------------------

底 板(M= 10 )

轴向力 剪力 弯矩 受压钢筋 受拉钢筋 抗裂K 裂缝宽

0 -25.351 0.000 17.543 0.000 21.303 0.543 0.02117

1 -25.351 1.437 17.410 0.000 21.066 0.547 0.02121

2 -25.351 3.275 16.972 0.000 20.292 0.561 0.02136

3 -25.351 5.909 16.115 0.000 18.787 0.591 0.02158

4 -25.351 9.719 14.652 0.000 16.246 0.651 0.02165

5 -25.351 15.059 12.325 0.000 12.281 0.781 0.02080

6 -25.351 22.239 8.813 0.000 6.458 1.137 0.02846

7 -25.351 31.500 3.742 0.000 0.000 3.828 0.00000

8 -25.351 42.987 -3.299 0.000 0.000 4.881 0.00000

9 -25.351 56.706 -12.736 0.000 12.974 0.754 0.02091

10 -25.351 72.472 -24.978 0.000 35.060 0.389 0.01816

--------------------------------------------------------------------------------

侧 墙(M= 10 )

轴向力 剪力 弯矩 受压钢筋 受拉钢筋 抗裂K 裂缝宽

0 -72.472 -25.351 -24.978 0.000 25.059 0.437 0.01924

1 -72.146 -23.959 -16.493 0.000 8.100 0.701 0.02405

2 -71.820 -19.949 -8.987 0.000 0.000 1.870 0.00000

3 -71.494 -14.995 -3.037 0.000 0.000 99.999 0.00000

4 -71.168 -9.887 1.191 0.000 0.000 99.999 0.00000

5 -70.841 -4.749 3.682 0.000 0.000 99.999 0.00000

6 -70.515 0.740 4.381 0.000 0.000 99.999 0.00000

7 -70.189 7.109 3.080 0.000 0.000 99.999 0.00000

8 -69.863 14.849 -0.606 0.000 0.000 99.999 0.00000

9 -69.537 24.122 -7.186 0.000 0.000 3.079 0.00000

10 -69.211 34.417 -17.119 0.000 9.968 0.661 0.02485

--------------------------------------------------------------------------------

侧 顶 拱(M= 10 )

轴向力 剪力 弯矩 受压钢筋 受拉钢筋 抗裂K 裂缝宽

0 -77.147 -4.799 -17.119 0.000 8.153 0.684 0.02346

1 -72.343 -11.057 -14.984 0.000 5.214 0.795 0.02344

2 -66.809 -14.973 -11.692 0.000 0.559 1.089 0.01864

3 -60.868 -17.422 -7.602 0.000 0.000 2.216 0.00000

4 -54.857 -18.381 -3.085 0.000 0.000 99.999 0.00000

5 -49.105 -17.899 1.490 0.000 0.000 99.999 0.00000

6 -43.920 -16.094 5.775 0.000 0.000 2.759 0.00000

7 -39.576 -13.146 9.460 0.000 3.711 1.174 0.02785

8 -36.302 -9.291 12.287 0.000 9.355 0.832 0.02202

9 -34.267 -4.807 14.064 0.000 12.941 0.708 0.02332

10 -33.577 0.000 14.670 0.000 14.171 0.674 0.02290

第四章 调洪演算

第一节 调洪演算的基本原理

调洪演算的基本原理是水库水量平衡。在时段Δt内，入库流量、出库流量和水库水量之间变化的关系，可用下列水量平衡方程式表示：

式中Q₁，Q₂——时段Δt始末入库流量，m/s；

q₁，q₂——时段Δt始末出库流量，m/s；

V₁，V₂——时段Δt始末的水库蓄水量，m³；

Δt——时段长，s，取值的大小视水库流量的变幅而定。

水量平衡方程式中，Q₁与Q₂由复核的设计洪水和校核洪水过程线中查取，Δt可根据具体情况而定，小河库站一般取1小时为一个时段。q₁与V₁由起调条件确定，只有q₂与V₂是未知数，由于方程式有两个未知数，不能独立求解，还必须另外建立第二个方程，。即水库下泄q与水库溢洪水位以上蓄水量V的关系。

因q是水库水位Z的函数，而V也是Z的函数，故q是V的函数，用下面等式表示： q=f(z)=f(V) ——（2）

上式称为水库蓄洪关系。式中f是表示函数关系的符号。由式（1）和式（2）可建立联立方程：

 

q=f(V)

洪水调节计算，实际上就是联立求解，建立以上两个方程式，以求得两个待定的未知数V₂和q₂值。当本时段的q₂和V₂求得后，即作为下一时段的起始条件q₁和V₁，继续往前计算。因此，水库调洪计算从起始条件开始，通过逐时段的水量平衡计算，便可眼求出下泄流量过程q~t和水库蓄水量变化过程V ~t通过水库水位容积关系曲线换算得出。

起调水位与调洪最高水位之间的库容，称为调洪库容。

 

第二节 调洪演算方法及计算

此次调洪演算的方法采用半图解法，将水量平衡方程式变换如下：

q₂ ＋2V₂/Δt=Q₁＋Q₂－2q₁＋（q₁＋2V₁/Δt） ——（4）

令M= q＋2V/Δt 则式（4）变为

M₂= Q₁＋Q₂－2q₁＋M₁ ——（5）

在式（5）中右边均已知，计算前，先建立q~M曲线，q~M曲线即为解决调洪演算的辅助曲线，调洪演算按下列步骤进行。

1. 由已知起调条件确定q查q~M曲线得出M₁ 。
2. 由式（5）计算M₂ 。
3. 由M₂查q~M曲线得出q₂ .
4. 重复（2）、（3），直至计算时段末。
5. 求调洪库容和设计洪水位。

1、泄流能力计算，按有压自由出流计算：

Q=μA_d[2g(T₀－h_p)^1/2

H_p——底板以上的计算水深，自由出流时h_p=η_d.

由《施工组织设计与施工组织规范实用全书》对η=h_p/d的取值

有压流出口η=h_p/d值

泄流状态	η
大气中射流	0.5
出口有顶托，侧墙不约束	0.7
出口有顶托，侧墙约束	0.85

H₀――计入行进流速水头在内的总水头

μ――流量系数，在自由出流且管道断面沿程不变时，

μ=1/[1+∑ξ+2g/ c_d² (L/R_d)]^1/2

L――管道总长（179.79m）

∑ξ――进口及管内局部水头损失之和

c_{d—— ——}谢才系数

R_d――水力半径

因行进流速水头α₁V₀/(2g) 一般很小，可以忽略不计。

A_d＝A＝3.8×3.197+120⁰×3.14×2.193²/360＝17.182 m²

X＝3.8＋2×3.197＋120⁰×3.14×2.193/360＝12.489 m

R_d＝A_d/x＝17.182/12.489＝1.376 m

C_d＝R_d^1/6×1/n =1.376^1/6×1/0.014=75.331

隧洞洞长L=179.79 m

则

μ=1/[1+∑ξ+2g/ c_d² (L/R_d)]^1/2

=1/(1+0.5+2×9.8×179.79/75.331²×1.376)^1/2

=0.716

则下泄流量：Q= μA_d[(T－h_p)2g]^1/2

=0.716×17.182×[（▽_上―1426―0.7×4.3）×2×9.8]^1/2

=54.46（▽_上―1429.01）^1/2

故q=Q=54.46（▽_上―1429.05）^1/2

水位库容关系曲线，见Z~~V关系曲线图

 

2、q~m关系曲线的计算

下泄流量按有压流自由出流公式：

q=μA_d[(T₀－h_p)2g]^1/2

=54.46（▽_库―1429.01）

q~m曲线的计算见表4—1，表中M=q+2v^’/σ_t ，△t=1h=3600 s ；

表4—1 q~m关系曲线表

库水位 （m）	水库容积V （万m3）	进口底板1426以上的容积V’ (万m3)	2v’/△t	出流量q (m3/s)	M (m3/s)
(1)	(2)	(3)	(4)	(5)	(6)
1426	3.61	0	0	0	0
1430	10.71	7.09	39.4	54.2	93.6
1435	29.5	25.89	143.8	133.3	277.1
1440	59.5	55.89	310.5	180.5	491.0
1445	100.51	96.9	538.3	217.8	756.1
1450	154	150.39	835.5	249.5	1085.0
1455	221.91	218.3	1212.8	277.6	1490.4
1460	307	303.39	1685.5	303.2	1988.7

表4—1中：第（1）栏：库水位。计算q~m曲线，要求库水位取隧洞进口底板高程至坝顶高程。

第（2）栏：相应水位的水库容积。

第（3）栏：隧洞进口底板以上库容，其值等于水库容积减去进口底板以下高程。如在1430水位时，水库容积10.7万m³，则该水位进口底板以上库容为：

10.7－3.16＝7.09万m³。

第（4）栏：（3）栏×2/3600

第（5）栏：出流量q用式q＝54.46（▽_库―1429.01）^1/2，将库水位：1430、1435、1440、1445、1450、1455、1460代入分别得相应的q值。

第（6）栏：（4）栏＋（5）栏

3、调洪演算：假定设计洪水来之前，库水位与隧洞进口底板水位平齐，此时起始条件q=0，下泄过程线推求：

表4—2 下泄洪水过程线推求

序号	时间t(h)	入流量Q 5%（m3/s）	Q1+Q2 （m3/s）	出流量q （m3/s）	m2=Q2+Q1－2g1+m1
0	0.5	11.3	1001.1	0	0
1	1.5	88.8	269.8	57.7	100.1
2	2.5	181	340	129.4	254.5
3	3.5	159	276	149.0	335.7
4	4.5	117	196.9	143.5	313.7
5	5.5	79.9	142.1	115.4	223.6
6	6.5	62.2	111.3	76.2	134.9
7	7.5	49.1	90.3	54.2	93.8
8	8.5	41.2	76.4	44.2	75.7
9	9.5	35.2	64.4	37.2	63.7
10	10.5	29.2	53.3	31.61	53.7
11	11.5	24.1	43.5	25.8	43.8
12	12.5	19.4

表4—2第（1）栏：入流量采用20年一遇的设计洪水（已知）。

第（2）栏：是相邻两个时段的入流量之和。

计算时由起始条件的q₁=0，查q~m曲线得M₁=0，再根据M₂=Q₁＋Q₂－2q₁ ＋M₁来计算M₂，即M₂=Q₁＋Q₂－2q₁＋M₁=100.1－0－0=100.1 m³/s 。

再由M₂查q~m曲线得q₂=57.7。由此类推，可求出整个下泄过程。

绘下泄流量q与时间t的关系曲线见下图表

4、调洪库容V_调洪与设计水位Z_设计的复核计算

1. 调洪库容计算

由表4—2与Q~t、q~t关系曲线得：当q_max出现时，一定是q=Q，此时Z、V均达最大值。显然，q_max将出现在第3.5小时与第4.5小时之间，由Q~t、q~t关系曲线可知：在第3小时xx分钟处，q_max=Q=148.4m³/s，查q~m曲线得M_max=332.9 m³/s 。

由M=2V^’/△t＋q 得出V^‘=(M－q) △t/2

V_调洪=V^’=(332.9－148.4)×3600/2

=33.21万m³

1. 复核洪水位计算

复核洪水位的总库容为：

V=V_调洪+隧洞进口底板以下的库容

=65.36+3.61

=36.82万m³

查Z~V曲线得Z_调洪=1436.47 m

 说   明

 

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