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尼尔基水利枢纽施工组织设计说明书

尼尔基水利枢纽施工组织设计

1.1、施工条件

DLT1283-2013 电力系统雷电定位监测系统技术规程工程地理位置及对外交通状况

尼尔基水利枢纽位于黑龙江省与内蒙古自治区交界的嫩江干流上，坝址右岸为内蒙古自治区莫力达瓦达斡尔族自治旗尼尔基镇，左岸为黑龙江省讷河市二克浅乡，下距工业重镇齐齐哈尔市公路里程约189Km。嫩江发源于大兴安岭伊勒呼里山，由北向南流经黑龙江、内蒙古、吉林三省（自治区），在黑龙江省肇源县三岔河汇入松花江，干流全长1370Km，流域面积29.7万Km2。枢纽坝址以上控制流域面积6.64万Km2，占嫩江流域总面积的22.4%，多年平均径流量104.7亿m3, 占嫩江流域的45.7%。

本枢纽工程对外交通较为便利。左岸有国家铁路齐齐哈尔——富裕——加格达奇线路经讷河市，齐齐哈尔至讷河铁路里程为150km。讷河市火车站至坝址公路相连，其中现有25km国家三级公路需改、扩建后可以利用，另有4km公路需新建。右岸下游有公路通向坝址，齐齐哈尔——东阳——尼尔基镇，公路里程189km,但大部分路等级低，需经改（扩）建后才能满足工程的施工要求。

本枢纽地处大兴安岭东南麓丘陵区向松嫩平原区的过渡地带。左岸为二级侵蚀堆积阶地，除沿江高程195m以下坡度较大外，高程195——230m为缓坡，稍有起伏。右岸为一低矮的环形白土山台地，台面宽约1——1.5m，高程195——228m，比高10——45m，除嫩江渡口至坝址上游沿江成陡坡外其余地形平缓。下游侧分布有一级侵蚀堆积阶地和高漫滩，前者地面高程184——187m，比高2——5m，因此坝址区左右岸地形比较平坦开阔，具有良好的施工布置场地，施工条件比较方便。

施工期通航、过木及供水

经调查坝址处嫩江上、下游无通航、过木要求。但坝址下游约1.0km的施工区范围内有沟通两岸交通的浮桥和码头各一座，在工程施工期间将不能运营。因此工程建设期间拟在坝址下游1.5km处修建一座跨江大桥，既能满足工程施工需要，亦解决了该地区两岸交通问题。

经调查坝址处嫩江上、下游无通航、过木要求。但坝址下游约1.0km的施工区范围内有沟通两岸交通的浮桥和码头各一座，在工程施工期间将不能运营。因此工程建设期间拟在坝址下游1.5km处修建一座跨江大桥，既能满足工程施工需要，亦解决了该地区两岸交通问题。

本工程分两期导流，一、二期导流期间对下游河道用水不产生影响。根

据施工总进度安排导流底孔于第五年4月10日下闸，水库开始蓄水，同年5月15日首台机组开始发电运行。因此在此期间嫩江上游河水在坝址处全部截断，为满足下游用水要求，经水库兴利调节计算，水库蓄水期间，按75%保证率计算，4月份要求水库放流2.28m3/s，5月份放流 117.87m3/s。根据上述供水流量，结合施工导流条件，本设计阶段采取临时导流底孔放流，闸门控制泄量的方案向下游供水，满足其用水量要求。当第一台机组发电后，由机组发电的泄流来保证下游用水量。

该地区天然建筑材料丰富，坝址上、下游的左、右岸河滩地有储量丰富的砂石料，且大都分布在距坝址1——5km范围内。坝址左岸的二级侵蚀堆积阶地和右岸白土山台地上分布有丰富的土料。坝址右岸有储量丰富的石料，主要分布在距右副坝4.0——5.0km范围内，石料岩性主要为花岗岩和花岗岩闪长岩。本地区缺乏碱性石料，在1993年的可研设计时曾在坝址上游17.5km处普查到碱性石料场，但经过本阶段进一步勘察后，发现碱性石料的可利用和开采条件差，因此放弃该料场，工程所需的碱性骨料采取购置的方式。经调查可从哈尔滨水泥厂新明矿购置。

上述料场的砂砾料和石料用于填筑坝体，质量和储量均满足要求，但砂砾石料用作混凝土骨料则缺少大于40mm的粗骨料，需人工碎石予以补充。坝址处左、右岸土料储量丰富，质量满足工程需要。

经调查，本工程所需钢材可由齐齐哈尔建筑公司购买；木材可由尼尔基镇或讷河市木材公司购买；水泥可由哈尔滨水泥厂购买；油料可由尼尔基镇或讷河市的石油公司购买；爆破材料由扎兰屯购买，碱性骨料由阿城市购买。

经调查尼尔基镇现有110kv变电站位于尼查公路南侧1.0km处，距离坝址约3.0km。左岸讷河110kv变电站位于讷河市东3km处，距离坝址约40km，二克浅镇没有110kv变电站，现有线路只是10kv供电。因此整个工程施工期用电拟从尼尔基镇110kv变电站接引。

1.2.1 水文、气象、冰情条件

嫩江流域径流主要来源于降水补给，其年内分布与降水分布相一致，年径流主要集中在6——9月份，占全年径流总量的70%左右。

暴雨是形成嫩江流域洪水的主要原因。暴雨多发生在7——8月份，约占83.7%，其中7月份最多，占60%，6月份和9月份也有暴雨发生，但为数较少，约占16.5%。暴雨的一次降雨过程在三天左右，主要雨量集中在一天，一天雨量占三天雨量的90%左右。

尼尔基以上流域的洪水主要由暴雨形成，春季融冰形成的春汛洪水远小于夏秋雨洪。洪水多数由多次天气系统降雨后遇强度更大的一次暴雨而形成，洪水过程线以矮胖单峰居多，多数年份洪峰为2——3次，主峰一般在7——8月。一次洪水过程一般长达30多天，主要集中在15天内。

嫩江流域多年平均降水量400——500mm，坝址附近多年平均降水量474.8mm，最大年降水量886mm，最小降水量296mm。本流域降水年内分布极不均匀，主要集中在6——9月，占年降水量的80%以上，7——8月降雨量集中，占年降水量的50%以上，冬季降水很少，仅占多年的5%以下。

嫩江流域处于中高纬度地区，全年有一半时间处于冬季，气候严

寒，夏季则温湿多雨。根据流域内气象资料分析，年平均气温自下游

尼尔基水利枢纽处于山区向平原过渡的山口地带，春秋季节多风沙。地面风向以NE～NW为主，其中尤以NNE居多。多年平均风速为2.5～3.9m/s，历年最大

风速25.0m/s，多年平均最大风速为17.7m/s。

（3） 冰情

注：尼尔基水文站位于坝址下游300m

注：阿彦浅水文站位于坝址上游32km

1.2 .2地形、地质条件

坝址区两岸山体低矮，河谷呈不对称“U”型谷，谷底宽约1770m。嫩江于坝址前分为两股水流，主流靠近右岸，支流位于中央，平水期江水面宽度为450m和120m。河谷左侧有一宽约90m的牛轭湖，汛期与主流相通。平水期江水位高程183.66m，水深约1～3m。

河谷中分布有岛状心滩，地形平坦，地面高程185～188m，高出江水面1～4m。在河谷中部埋藏有深切的嫩江古河谷，埋藏谷宽约1300m，上覆以砂卵砾石为主的全新统冲积层，厚度20～40m。在埋藏谷两侧分布有掩埋基座阶地，阶面高程174～181m，左侧掩埋基座阶地宽约286m，上覆砂卵砾石层厚2～9m，右侧掩埋基座阶地宽约224m，上覆砂卵石层厚2～8m。

左岸为二级侵蚀堆积阶地，在距岸边300～800m处存在一埋藏谷，地面略显低洼，谷深约46～49m。上覆中新统冲洪积层，厚度20～49m。以黄土状壤土和黄土状粘土为主，埋藏谷内发育有淤泥质粘土和含泥砂砾石等地层。

右岸为一低矮白土山台地，上覆以粘土和含泥砂砾石为主的下更新统冲洪积层。

河谷中的地下水为孔隙潜水，赋存于砂卵石中，埋藏深度一般为1～5m。左右两岸的地下水多在下部砂与含泥砂砾石层中，埋藏较深，弱承压，承压水头一般为2～8m。

深切河谷和左右两侧掩埋基座阶地基岩以花岗闪长岩为主；左岸基岩以花岗片麻岩、花岗闪长岩和花岗岩为主；右岸基岩为变质杂岩和花岗闪长岩，局部为花岗岩。各类基岩岩质较坚硬，但其完整性差，岩石较破碎。枢纽区共发现断层有97条，其规模均不大，宽度一般为0.5～0.6m，大多由断层泥、岩屑和碎块岩组成。

在建筑物的全部施工过程中，导流不仅是贯彻始终的，而且是整个水流控制问题的核心。所以在进行施工导流设计时，应根据工程的基本资料，拟定可能选用的导流方式，确定导流设计标准、划分导流时段，确定设计施工流量，着手导流方案布置，进行导流的水力计算，确定导流拦水和泄水建筑物的位置和尺寸，通过技术经济比较，选定技术上可靠，经济上合理的导流方案。

2.1.1 导流标准

导流设计流量的大小，取决于导流设计的洪水频率标准，通常也简称为导流设计标准。

一 导流标准的选择方法

1 频率法的设计施工洪水流量是根据选择的设计频率确定。其方法是依据永久建筑物的设计等级，确定临时导流建筑物的级别，从而确定相应的设计频率。

2 重现期法确定的方法和步骤和频率法大体上相同，只不过根据重现年来确定施工设计洪水而已。本处采用重现年法，设计资料主要采用尼尔基站实测的资料。

三 导流建筑物的设计洪水标准

——一期导流建筑物：一期导流建筑物包括土石围堰和导流明渠。由于本河流水文实测资料系列较长，进度安排的主坝段一期土石围堰仅渡一个汛期且并未处在关键施工阶段。因此根据《规范》，导流建筑物洪水标准采用所要求洪水重现期低限值，即10年洪水重现期。另外根据《可研报告》审查意见：“同意一期导流土石围堰设计洪水标准为全年10年一遇洪水标准，……”,因此本阶段设计一期导流建筑物的设计洪水标准确定为大汛10年重现期洪水，相应流量为4880m3/s。

——二期导流建筑物：二期导流建筑物包括土石围堰和导流底孔。根据施工进度安排二期土石围堰和导流底孔只使用一个枯水期，枯水期10年和20年重现期流量分别为846m3/s和408m3/s，而二期截流围堰安排在汛后10月中旬填筑，截流标准采用10月中旬5年重现期流量为534 m3/s，大于枯水期10年和20年重现期流量，因此二期导流建筑物的洪水设计标准采用截流标准。

本工程施工分两期导流，一期为明渠导流，二期为临时底孔导流。进度安排一期围堰9月初开始填筑，9月底截流。根据本工程的截流工程规模和河流水文特性及《可研报告》评估意见，截流时段采用9月下旬5年重现期旬平均流量，即947 m3/s。二期围堰10月中旬填筑并截流，与一期截流标准选择依据相同，采用10月中旬5年重现期旬平均流量，即534 m3/s。

c 坝体施工期临时渡汛标准

按《规范》当坝体筑高到不需要围堰保护时，坝体施工应满足临时渡汛洪水标准要求。本工程一期施工导流期间，工程施工至第三年汛前土石坝体填筑高程已高出围堰高程，坝前拦洪库容大于1.0×108m3，按《规范》对于土石坝坝体施工期临时渡汛洪水标准应大于100年重现期。根据本工程具体情况的河流水文特性，可研阶段设计时选用100年重现期渡汛标准。并且《可研报告》的审查及评估意见，同意在一期导流期间，坝体渡汛洪水标准为100年重现期，因此本设计阶段确定一期导流坝体拦洪渡汛标准仍为大汛100年重现期洪水，相应流量为9880 m3/s。

二期采用临时导流底孔导流。二期围堰和临时底孔只运行一个枯水期，至春汛期坝体拦洪渡汛，该时段的工程施工导流由溢洪道渲泄春汛洪水。此时坝前拦洪库容远大于1.0×108 m3。考虑到工程已处于关键施工阶段，可研阶段设计时选用200年重现期渡汛标准。并且《可研报告》的审查及评估意见，“同意导流明渠的坝体填筑高程应满足拦挡春汛200年一遇洪水位的要求”。因此本阶段设计确定二期导流期间坝体施工期临时渡汛标准仍为春汛期200年重现期洪水，相应流量为4400 m3/s。

2.1.2 导流方式的定性分析

一、大坝施工导流方式

导流方式选择，应当是工程总体设计的一部分。因为导流方式选择得是否恰当，不仅对于导流费用有重大影响，而且对于整个工程设计，施工总进度和枢纽总造价都有重大影响。因此导流方式选择不仅应使导流费用最小，而且应使总体效果最优。一般应遵循以下原则：

1）根据坝址自然条件（地形、地质、水文等）及水工布置特点，因地制宜地选择导流方法。

2）选定的导流方式应使整个枢纽施工进度最快、造价最低。

3）应使整个工程施工有足够的安全度和灵活性。

4）尽可能满足施工期国民经济各部门的综合要求，如通航、过木、过鱼、供水等。

5）施工方便，干扰小。符合国情，技术可靠。

根据尼尔基坝址水文条件、地形、地质条件、枢纽类型及布置、河流综合利用要求，可进行以下几种导流方案比较：

利用河谷形状系数选择导流方式：

《施工导流手册》所采用的河谷形状系数

Kφk=坝顶长/最大坝高

Kφk<3.0采用隧洞导流

Kφk>4.5且河谷不对称时，采用分期导流

Kφk=3.0～4.5可采用隧洞导流、明渠导流、分期导流，或且几种导流方式结合。

本工程Kφk=5372.69/23=233.59>4.5，且河谷为不对称的“U”形谷，明显属于B类情况。

坝址处河床宽阔，河谷宽约1770m，综合分析坝址地形、地质条件，施工洪水特点及水工枢纽布置情况等，确定本工程施工采用分期导流方式。原可研阶段设计时对采用两期导流和三期导流作了综合分析和比较，推荐了两期导流方案。根据《可研报告》审查意见：“同意采用分两期导流方案”。因此本阶段设计施工导流仍采用分两期导流方案。即一期明渠导流，二期底孔导流。

布置导流明渠时，应注意以下问题：

量利用有利地形，使明渠工程量最小：尽量避免使渠线通过不良地质区段，特别应注意滑坡崩塌体，保证边坡稳定，避免高边坡开挖。在河滩地上开挖的明渠，一般均需设置外侧墙，其作用与纵向围堰相似。外侧墙必须布置在可靠的基础上，并尽量使其能直接在干地上施工。

明渠轴线应顺直，以使渠内水流顺畅平稳：应避免采用S型弯道。关于转弯半径，进出口方向，以及与围堰坡脚距离的要求，均与明流隧洞相似。对于软基上的明渠，渠内水面到基坑水面之间最短距离，应大于两水面高差的2.5～3.0倍，以免发生渗流破坏。出口消能问题，也应受到特别重视。

导流明渠应尽量与永久明渠相结合：当枢纽中的混凝土建筑物采用岸边式布置时，导流明渠常与电站引水渠和尾水渠相结合。

必须考虑明渠挖方的利用：对于大型导流明渠，此问题很重要，实际上，在选择导流方式时，就应充分考虑这一问题。

防冲问题：在良好岩石中开挖出的明渠，可能无需衬砌，但应尽量减小糙率。软基上的明渠，应有可靠的衬砌防冲措施。有时，为了尽量利用较小的过水断面而增大泄流能力，即使是岩基上的明渠，也用混凝土衬砌。

在明渠设计中，应考虑可能采用的封堵措施：虽然用于河道截流的各种方法，均有可能用于明渠，但因明渠是在干地上施工的，通常均在明渠中布置闸墩，采用下闸封堵方式。有些工程在明渠中直接修建部分坝体，并预留导流底孔，最后加以封堵。

布置底孔时：孔口总过水面积由水力计算确定。单孔尺寸根据不同的孔口布置方式，由结构分析而定。允许底孔占坝段的宽度与坝高有关。坝高70m以下，底孔宽度应小于坝段宽度的60%；坝高70m以上，底孔宽度应小于坝段宽的50%。早期工程的底孔，通常均布置在每个坝段内，结构计算简图为封闭框架。导流底孔高程一般比最低下游水位低一些，主要根据通航、过木及截流要求，通过水力计算确定。

a 一期导流：一期为明渠导流，一期围堰围护右岸厂房及绝大部分坝体的施工，围护长度约1575m，占主坝总长的87%。

设计的导流明渠为平底坡明渠，渠底宽有150m、190m和240m三个可选方案，渠底高程182.00m。明渠布置在左岸滩地上，左岸滩地地面高程一般在186.00m，在天然状态下受汛期常遇洪水（5年重现期以下洪水）影响小，因此明渠施工可不需围堰保护进行。但是由于左岸滩地为强透水砂砾石层，明渠施工需对该层采取防渗措施，以保证明渠施工在旱地上进行。

另外左岸滩地上砂砾石层覆盖较薄（6～9m），明渠段坝体基础防渗墙和帷幕灌浆施工较容易，因此明渠段坝基防渗工程可一并同明渠开挖和防护工程安排在施工准备期内完成，如此可以减轻后期缺口坝段的冬季施工难度。

b 二期导流：二期为临时底孔导流，二期围堰维护一期导流明渠的坝体缺口段。临时导流底孔布置在右岸厂房的安装间下部，共设2个8×8的方型底孔，导流底孔进口底板高程为181.00m，出口底板高程为176.65m。

2.1.3 导流建筑物的设计

2.1.3.1 一期导流建筑物

——围堰结构型式及布置：一期围堰围护厂房及主坝坝体的绝大部分，围护长度约1575m。围堰采用土石结构型式。上游围堰长1650m，布置于主坝轴线上游123m处，下游围堰长约1649.36m，布置于主坝轴线下游约157m处，纵向围堰长100.17m。本阶段设计除纵向围堰外，上、下游围堰不与坝体结合。

围堰填筑料主要是利用导流明渠开挖的中砂和砂砾石混和料，截流戗堤为堆石。设计围堰边坡为1：2.5，堰顶宽10m。上游横向围堰迎水侧采用50cm厚抛石防护，抛石下部设20cm厚砂砾石反滤层。纵向围堰是导流明渠的右堤，因此采用与导流明渠相同的防护措施，即迎水侧设置1.0m厚钢筋石笼，石笼底部设置0.3m厚碎石垫层。上、下游围堰的堰顶高程分别为191.57m和187.70m，最大堰高分别为10.7m和6.4m。

——围堰基础防渗型式选择：坝址处河谷中部、埋藏着古嫩江深切河谷，埋藏谷宽约1270m，上覆砂砾石层厚30～37m。深埋河谷两侧分布有掩埋基座阶地，左侧基座阶地宽310m，上覆砂砾石层厚6～9m，右侧基座阶地宽220m，上覆砂砾石层厚3～6m。砂砾石层为强透水层，渗透系数K=10～200m/d。

厂房布置在右侧基座阶地上，因此厂房围堰基础需作防渗处理。经比较厂房围堰基础（自截流戗堤顶开始）采用高喷灌浆防渗墙防渗，上部与堰体土工膜相接，下部至岩基结束。另安装间与主坝连接的翼墙左侧，主坝体基坑内再做一道纵向高喷灌浆防渗墙与上、下游围堰基础防渗墙相接，以形成一道封闭的防渗墙体，保护厂房施工。

导流明渠布置在左岸基座阶地的上覆砂砾石层上，进度安排明渠需渡过3个汛期和3个春季流冰期，而且明渠段坝体填筑需在冬季进行。因此明渠的布置、结构尺寸和防护型式等不仅要满足渲泄导流设计洪水的冲刷和避免春季流冰产生冰塞要求，而且尚应考虑冬季对填筑缺口段坝体的施工难度问题。

——导流明渠初步设计：明渠设计底宽待定，渠底高程182.00m，左侧边坡1：2.0，右侧边坡1：2.5。导流明渠设计洪水标准为大汛10年重现期，相应流量为4880m3/s，渡汛洪水标准为大汛100年重现期，相应流量为9880 m3/s。明渠需采取防冲措施，因渠道的天然抗冲流速仅为1～2m/s，要能满足设计泄量的防冲要求，必须做好护砌设计。防护形式比较了钢筋石笼、现浇混凝土及预制混凝土板等3种型式，最后确定采用钢筋石笼作防护。防护范围和厚度根据力学计算和导流模型试验确定，上游自一期围堰坡脚以上50 m，采用50cm厚铅丝笼作防护，左侧与左岸岸坡相连接至190.48m高程，右侧与上游围堰桩号为K上1+472.59m相接，宽度共计437.50m。坝体明渠段渠底、两侧边坡以及下游围堰堰脚以下400m的扇形范围内采用1.0m厚钢筋石笼作防护。下游防护范围，左侧至为保护明渠水流对左岸的冲刷而修筑的堆石防护堤堤顶，右侧至下游围堰桩号为K下1+390.00m处。另外石笼下部均设30cm厚碎石垫层。

对明渠水面曲线的计算本次设计采用分段累计法：

其计算公式如下：

见《水力学》P

详细的计算过程见《计算书》。

由上表可看出，当底宽为190m时造价最小，故选取190m为明渠底宽。

选定明渠导流方案的水利计算成果

2.1.3.2 二期导流建筑物

——围堰结构型式：二期围堰围护导流明渠坝体缺口段。围堰采用土石结构型式。上游围堰长255m，布置于主坝坝轴线上游约76m处，下游围堰长200m，布置于主坝坝轴线下游约68m处。上、下游围堰均采用粘土斜墙作防渗，设计的斜墙边坡为1：3.5，堰体为堆石，均与坝体相结合，设计边坡为1：1.3。上、下游围堰的堰顶高程分别为191.57m和187.80m，最大堰高分别为9.57m和5.8m，堰顶宽分别为15.32m和10.00m。

——围堰基础防渗型式：主坝轴线左岸基岩上覆砂砾石层厚6～9m，为强透水层。二期导流设计洪水标准时，上游水位为189.00m，下游水位为184.03m，因此为保证主坝坝体在旱地施工（明渠底高程为182.00m），围堰基础亦作防渗处理。设计考虑二期围堰基础防渗与导流明渠施工时的坝体段基础防渗相结合，因此基础防渗体需在导流明渠施工时形成，二期导流时再与二期围堰堰体的防渗粘土斜墙相接，形成一道全封闭防渗结构。经比较，围堰基础采用高喷灌浆防渗墙作防渗。

——导流底孔设计：底孔的进口位于厂房挡水坝内，底孔的进口底板高程综合考虑了泄流、截流及防淤的要求，因此取略低于河床地面高程（181.40m）布置，确定为181.00m。

由于底孔布置在厂房安装间下部，因此底孔的孔口尺寸除应满足渲泄导流和截流标准流量洪水外，尚应满足厂房安装间的布置要求。安装间共设置了两个坝段，长度分别为25m和21.5m，考虑到底孔水流流态因素，底孔布置需占用安装间底层房间，安装间的建基高程为173.50m，上层房间的底板高程为186.79m，因此底孔宜在上述两个高程（高差为13.29m）之间布置。经水力学计算，共需布置2个8×8m底孔，并集中布置在25m长的坝段内。设计的导流底孔进口为平底坡段，进口顶部设有椭圆曲线以形成喇叭口，改善其水流条件布置在厂房安装间上游侧的挡水坝段内。由于底孔位于安装间的下部，因此底孔的布置应满足安装间布置及结构设计要求。通过安装间部分的底孔为平底坡段，要求顶板高程不高于184.65m（取184.65m），底板高程为176.65m。底孔的上、下水平段通过坡角为21°的陡坡相接，连接处采用16m半径的圆曲线过渡。底孔的上水平段长11.37m，陡坡段长17.26m，下水平段长43.37m。总长72.00m。

底孔泄流属于隧洞泄流的一种。隧洞泄流水流的流态主要有有压流、无压流和介于两者之间的半有压流。对于一定的隧洞，其流态决定于上下游水位的高低。

本工程导流底孔的设计流量为534m3/s，相应导流洞出口水位183.51m，而出口底板高程为176.65m，孔顶为184.65m，所以出口水位不会淹没孔顶，即为自由出流。随着泄流量的增加，要经过无压流、半有压流和有压流三个阶段。经判断底孔属于短洞、陡坡的形态。（本次设计不详细计算半有压流的情况）

第一种情况：无压流的计算

见《水利水电工程施工组织设计手册1》P499

式中τpc——半有压流的下限临界壅高比，为管道进口底以上水深与管道高度之比；

μ——流量系数，取0.64；

ε——进口竖向收缩系数，取0.72；

Ad，d——管道断面面积、高度。

计算得出Qpc=236.33m3/s,相应的控制水深为9.6m。

短洞无压流的计算公式为：

见《水力计算手册》P402

式中b——矩形隧洞过水断面的宽度，当过水断面为非矩形时，b=ωk/bk；

hk——临界水深；

ωk——相应于hk的过水断面面积；

σs——淹没系数，当下游水位较高，已淹没进口的收缩断面，使该处水深hc′>0.75H0时，为淹没出流，σs值与比值hc′/ H0有关；当hc′<0.75H0时，为自由出流，σs=1，当淹没时，hc′可近似的以下游水位减进口底板高程而得；

hc′——进口断面处的水深；

m——流量系数，决定于进口翼墙的型式、上游水库或渠道的过水断面面积与隧洞过水断面面积之比，一般取m=0.32～0.36，若进口翼墙较平顺，断面缩窄较小，应取较大的m值，反之应取较小的m值。本次设计取m=0.34。

第二种情况：有压流的计算

有压流的下限流量公式：

见《水利水电施工组织设计手册1》P500

式中Σξ——局部损失系数；

η——有压流出口水头比；本次设计取0.85。

　　　　　τFc——上游临界壅高比，采用经验值1.5。

算得QFc=713.732m3/s。

有压流的泄流能力计算公式：

见《水力计算手册》P395

式中μ′——有压流流量系数；

ω——隧洞出口断面面积

T0——上游水面与隧洞出口底板高程差T及上游行近流速水头v02/2g之和，一般可认为T0≈T；

hp——隧洞出口断面水流的平均单位势能，hp=0.5a+p/ν，

这里 p/ν=0.5a，故hp=a=8m；

其中a——出口断面洞高；

p/ν——出口断面单位压能。

由上表可知，二期截流后的水流全部从底孔过流，流量Q=534m3/s，此时上游水深为189.22m，所以上游围堰高程为H上=189.22+水位壅高=189.22+1=190.22m；下游水深为183.76m，故下游围堰高程为H下=183.76+1=184.76m。

本工程施工采用两期导流，一期为190m宽明渠过流，二期为2个8×8m的临时底孔过流。因此本工程施工导流需进行两次截流。本次设计仅对二期截流进行水力计算，一期截流只作介绍。

截流方法一般分为平堵和立堵两种。因为立堵截流不需要架桥，施工简单，截流费用低，又根据本工程特点，二期截流方式选用立堵（河道不宽、流量不大）。

截流时间的确定一般应考虑以下原则：

尽可能在较小流量时截流，但必须全面考虑河道水文特性和截流前后应完成的各项控制性工程要求，合理使用枯水期。

对于有通航、灌溉、供水、过木等特殊要求的河道，应全面兼顾这些要求，尽量使截流对河道综合利用的影响较小。

有冰情的河道，为了避免招致截流和闭气工作的复杂化或失败，一般不应在流冰期截流。

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%的频率设计。实际上，应根据截流时间和截流重要性选择设计标准。如果截流时间选在枯水期前段，频率标准可低一些。如果在汛前迎水期截流，则标准应取高一些。

根据施工总进度安排，一期土石围堰于第一年九月初开始填筑，九月底围堰截流闭气，截流标准选用九月下旬5年重现期旬平均流量947m3/s。本阶段设计考虑，围堰首先截断左侧支流，截流在河床右侧主河道处进行。采用两侧进占立堵截流方式，龙口设在右侧主流覆盖层较薄处（约2～6m）。

二期截流为截断明渠水流，江水由导流底孔渲泄。根据施工洪水特点及施工总进度安排，二期围堰于第四年10月初开始填筑，10月中旬截流闭气。截流标准采用10月中旬5年重现期旬平均流量543 m3/s。经水力计算，单戗堤立堵进占截流时，龙口处水流最大平均流速为4.987 m/s，截流最终落差为4.27m，龙口最大抛石粒径为1.15m。

3.2.1 二期截流的水力计算

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什公式，即

(1) 详见课本《施工组织管理》P58

式v——石块极限抗冲流速；

a——石块化为球形的粒径；

——分别为石块和水的容重；

K——综合稳定系数。

由上式可知，抛投块体的粒径与抗冲流速的平方成正比，也就是说，抛投块体的粒径在很大程度上取决于龙口流速。因此研究龙口流速变化规律有很重要的意义。

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。

本次二期截流水力计算采用三曲线法：

合龙中截流设计流量的组成

一般情况下，截流设计流量Q0由四部分组成

Q0= Q+ Qd+ Qs+ Qac (2)

式中Q——龙口流量；

Qd——分流量（分流建筑物中通过的流量）；

Qs——戗堤渗透流量；

Qac——上游河槽中的调蓄流量。

由于Qs和Qac不计算，则有：

Q0= Q+ Qd

二、 三曲线法计算龙口流速

推导龙口流速公式分两步进行。先推导龙口流速与上下游落差的关系，然后再推导龙口流速与龙口宽度的关系。在推导公式之前，先对计算断面进行假定：C—C断面为龙口流速计算断面，并假设出现淹没流时，该断面水位与下游水位相同，若出现非淹没流，C—C断面水深为临界水深（图一）。

（一）龙口流速V与上下游落差Z的关系

在立堵截流过程中，龙口断面由梯形断面逐渐过渡到三角形断面，水流流态又从淹没流过渡到非淹没流。下面，将龙口流速分别按淹没流、梯形非淹没流以及三角形非淹没流推导流速公式。

流流速V1。如图一所示，C—C断面落差与下游落差Z相同，则C—C断面淹没流流速为：

（5）

式中——流速系数， =0.85~0.95；

Z——下游落差。

（6）

由于，令，则上式可写为

式中ZC——C—C断面临界落差；

H——上游水头（护底顶部高程以上）；

Y——相对临界落差的平方根，按下式计算：

（7）

式中 ——C—C断面动能修正系数。常取 =1.0；

Q——龙口流量，按（2）式或（2—1）史计算；

n——戗堤端部边坡系数。

3、三角形断面非淹没流

（8）

由（5）~（8）式可绘制V~Z曲线（图三）。由（5）式可绘淹没流V~Z线（曲线1）。由（6）和（7）式，可绘梯形断面非淹没流V~Z线（曲线2）。由（8）式可绘实现断面非淹没流V~Z线（曲线3）。显然，曲线1是一条上升曲线，曲线3是一条下降曲线，曲线2是先上升而后下降。这是由于y随Z的增加而减小[对于矩形断面，；对于三角形断面，，随着戗堤进占到三角形断面（Z增加），y将减小到 。

三条曲线有三种组合方式：当三条曲线相交于一点时（图三a），最大流速Vmax出现在三角形断面刚形成时；当曲线2在C点之下时，（c点为曲线1和曲线3的交点），Vmax出现在梯形断面（图三b）；当曲线在A点之上时，Vmax出现在三角形断面形成之后（图三c）。

图三 最大流速出现规律

（二）龙口宽度B与V和Z的关系

梯形断面淹没流。由图四a所示，由集合关系和水力学关系可知

图四 龙口宽度计算草图

（9）

式中 HB ——护底以上戗堤高度，其余符号同前。

形断面非淹没流 （图四b）

（10）

式中 b——龙口底部宽度。按下式计算：

三角形断面淹没流 （图四c）

（11）

三角形断面非淹没流（图四d）

由于

因此 （12）

（三）Vmax出现位置的判断 （图三）

设曲线1和曲线2的交点为A，相应的落差为ZA，曲线2和曲线3的交点为B，相应的落差为ZB，曲线1和曲线3的交点为C， 相应的落差为ZC。A点称为梯形断面淹没分界点，C点称为三角形断面淹没分界点，B点称为非淹没流梯形断面与三角形断面分界点。由图三我们可以看出：

当ZB＞ZC时，Vmax出现在梯形断面，流速过程线为OAEBD，OA段按V1计算，AEB段按V2计算，BD 段按V3 计算。

当ZB≤ZC时，Vmax出现在三角形断面刚形成时或三角形断面形成之后，流速过程线为OCD，OC段按V1计算，CD段按V3计算，此种情况下不需计算V2 。

下面来讨论ZB和ZC 的计算方法。

对于三角形断面， ， 代入上式可得：

(13)

（13）式中Q为龙口流量；按（2）或（2—1）式计算，并转化为Z的函数，则由（13）式可求出ZB。

令V1=V3，则有：

(14)

（14）式可求出ZC。

同样，ZA可令V1=V2求出，或作曲线1和曲线2，其相交点可求出ZA。

此外，当Vmax出现在三角形断面形成之后，还需求出淹没流时梯形与三角形断面分界点，此时可由图四看出

（15）

或

因此 (15)

由（15—1）式和（2）式联立求解，即为淹没流时三角形断面刚形成时的落差。

将已知的泄流水位关系Qd~上（上游水位）转化为Qd~Z关系，

Z=上+下（下游水位）；

有（2—1）式或（2）式绘龙口流量与下游落差Q~Z关系曲线；

3、（13）和（14）式计算ZB和ZC

4、当ZBZe时，由（5）~（8）式计算V1 、V2 和V3；

当ZBZC时，由（5）和（8）式计算V1 和V3。

5、流态 由（9）~（12）式按相应流态计算B值。

基坑排水工作按排水时间及性质，可分为：初期性排水和经常性排水。

初期排水指基坑开挖前的初期排水。包括基坑积水，围堰堰身和地基及岸坡渗水、围堰接头漏水、降雨汇水等。

初期排水时间：大型基坑一般可采用5～7d；中型基坑不超过3～5d。控制水位下降速度为1～1.5m/ 昼夜。

本次设计的基坑属于中型基坑，要求在五天内抽完水。排水时间在枯水期，降雨可以不考虑。

按公式：Q=

见《施工组织管理》P88，公式包括了渗水。

经计算Q=349734.129m3/s。

选择抽水设备时需考虑备用系数20%，如下：

12sh—PA型水泵（2台）

10sh—P型水泵（2台）

8sh—13型水泵（3台）

经常性排水指基坑开挖及建筑物施工过程中的经常性排水，包括围堰和基坑渗水、降水，地基岩石冲洗与混凝土养护用废水等被排除。目的是保持基坑干燥，使主体工程在干地施工。

经常性排水应分别计算围堰和基础在设计水头的渗流量、覆盖层中的含水量、排水时降水量及施工弃水量，再据此确定最大抽水强度。其中降水量按抽水时段最大日降水量在半日抽干计算；施工弃水量与降水量不应叠加。基坑渗水量可分析围堰特征、防渗方式、堰基情况、地质资料可靠程度、渗流水头等因素适当扩大。

本次设计中采用最大日降雨量为30mm，同时忽略施工机械废水，基坑两边的岸坡降雨汇水量比较大。为了不影响施工，要求在半天排干。

排水流量Q=3769.448m3/s。

选择抽水设备时需考虑备用系数20%，如下：

12sh—9A型水泵（2台）

10sh—P型水泵（2台）

8sh—13型水泵（3台）

基坑排水计算结果如表2.4.1：

表2.4.1 基坑排水选用设备表

根据施工总进度安排及本河段施工洪水的特点，下闸蓄水时间初定为第五年4月10日。下闸的设计流量按《规范》选择4月中旬5年重现期的平均流量为359m3/s。由于底孔下闸是由厂房进水口的一台门机完成的，因此底孔下闸顺序是第一孔闸门下闸完毕后，再下第二孔。底孔下闸后到首台机组发电期间，坝址以上河道流量全部拦截在水库内，因此将影响下游河道用水要求。经水库兴利调节计算，4月份需向下游供水，其供水量分别为2.28 m3/s和117.87 m3/s的流量。本阶段设计考虑采用1个底孔闸门开启方式向下游河道供水，待首台机组发电后由发电下泄流量解决下游用水要求。

底孔下闸完全关闭后即进行底孔的封堵。

堵头最小长度，可按极限平衡条件由下式求出：

式中 k——安全系数，通常取1.1～1.3；

P——水头总推力，由校核挡水位第一孔为207.00m，第二孔为213.65m求得；

A、x——分别为堵头断面面积、周长；

ν——为混凝土容重，这里取2.4t/m3；

f——混凝土与岩石的摩擦系数，一般为0.4～0.65取0.4；

c——混凝土与岩石接触面的抗剪断凝聚力T／CDSA 305.19-2017标准下载，一般为5～20，取10。

算得Lmin1=5.0m

为了设置混凝土堵头，在底孔形成时应预留键槽，以保证堵头有足够的抗剪强度；

混凝土堵头应分段施工，分段长度以10～15m为宜；

堵头内应埋置冷却水管与灌浆管，必要时灌浆及冷却混凝土；

混凝土浇筑受到围岩的约束大，一般浇筑层不超过1.5m。

下闸的顺序是第一孔先下，下闸完毕后，再下第二孔。第一孔闸门下闸时的水位为187.13m；第二孔闸门下闸时的水位为190.96m，下闸后24小时水位为191.45m。防洪发电的死水位为195m，此时库容为4.8753×108m2。

经计算可知JGJ1072016标准下载，若从5月4日开始蓄水，在5月15日库容可达4.886404×108m2。大致等于发电时的必需库容。因此在5月4日12时开始下闸蓄水，历时11天12小时，可实现首台机组发电的目标。