导流底孔设计大纲

FCD

水利水电工程 初步设计阶段

导流底孔设计大纲范本

水利水电勘测设计标准化信息网

1998年6月

1

工程

主 编 单 位: 主编单位总工程师: 参 编 单 位: 主 要 编 写 人 员: 软 件 开 发 单 位: 软 件 编 写 人 员:

勘测设计研究院

年 月

2

目 次

1. 引 言 ............................................................... 4 2. 设计依据 ............................................................. 4 3. 基本资料 ............................................................. 4 4. 主要设计任务与设计假定 ................................................ 7 5. 导流底孔布置及体形设计 ................................................ 8 6. 水力设计 .............................................................. 9 7. 导流底孔结构设计 ..................................................... 12 8. 工程量计算 ........................................................... 16 9. 专题研究及模型试验 ................................................... 16 10. 应提交的设计成果 ..................................................... 17

3

1 引

水电站工程位于 省 市(县)的 江(河)干(支)流上，是 河段梯级水电站规划的第 个水电站，是一座以 等综合利用的 ① 型水利水电枢纽工程。电站枢纽主要由 ② 等建筑物组成。其拦河坝正常蓄水位 m，最大坝高 m，坝顶长度 m，总库容 亿m，电站总装机容量 MW，保证出力 MW，多年平均发电量 kWh，灌溉面积

水电站工程前期施工采用 ③ 导流方案，后期采用 ④ 底孔导流方案。导流底孔是 期导流的主要泄水建筑物之一。它负担着宣泄 期枯水时段流量，汛期与 ⑤ 一起参与联合渡汛，以确保大坝安全施工。在工程完建期，导流底孔下闸封堵是工程按期蓄水发电的关键项目之一。

①——根据《项目设计大纲》确定的枢纽底孔等； ③——④—— ②——指电站的主要建筑物如：混凝土重力式拦河坝、坝后式厂房、溢洪道、泄水3

⑤——指汛期与导流底孔一起联合渡汛的泄水建筑物如： 坝体缺口、永久底孔等。

2

2.1 (1)

(3)——工程初步设计阶段导流方式设计大纲； (4)业主或建设单位提出的有关书面要求。 2.2 主要设计规范

(2)——工程可行性研究阶段的技术研究成果及有关的审查文件；

(1)SL 5021－93 水利水电工程初步设计报告编制规程； (2)SDJ 338－89 水利水电工程施工组织设计规范（试行）； (3)SDJ 21－78 混凝土重力坝设计规范（试行）及其补充规定； (4)SD 134－84 水工隧洞设计规范(试行)。

3

3.1

根据SDJ 338－89的有关规定及导流规划安排，本工程导流底孔为临时（与永久＿＿孔

4

导流底孔设计洪水标准为＿＿年一遇洪水重现期，相应的河道上游来水流量为 m/s。

提示：设计洪水应根据拦河坝的类型、级别及其临时挡水的断面型式确定，其相应的来水流量为坝体的挡水流量，导流底孔的设计泄量应根据所有参与泄洪的泄水建筑物与挡 3

3.2

本工程推荐选用 导流方案，初期导流建筑物为 围堰挡水， 岸导流泄水，后期采用导流底孔过流，坝体（临时断面）挡水。整个导流及渡汛共分 期，导流底孔是第 期导流的主要泄水建筑物。导流规划的各期技术特性见表1

表1 导流技术特性表

序号 1 2 3 4 5 6 7 项目 导流时段 导流标准 设计流量 挡水建筑物 泄水建筑物 上游水位 下游水位 单位 第一期 第二期 第三期 第四期

3.3

(1)坝址区地形图（1/1000～1/2000

(2)坝址区地质平、剖面图（1/1000～1/2000(4)坝址区基岩顶板等值线图（1/500～1/1000(5)

(3)导流底孔轴线地质纵、横剖面图（1/500～1/1000

1)导流底孔的地质条件，从进口到出口所分布的岩层主要有 ……，其中进口座落于 岩层上，出口座落于 岩层上。穿经地段主要地质构造有 。各岩层的岩石物理力学指标见表2。

表2 岩石物理力学指标表

项目 岩石编号 岩石名称 kN/m3 抗压强度 Mpa 变形模量 Mpa 泊桑比 μ MPa 2）导流底孔基岩与混凝土的抗剪指标见表3

序号 基岩名称

剪断强度 f′ c′，MPa 表3 基岩与混凝土的抗剪指标表

抗剪强度 f 5

提示：如果导流底孔基础存在不利的结构面或底孔基础有断层、软弱带等不利的地质条件时，还应给出其断层裂隙带的组成、产状及力学参数等。 3.4 水文、气象资料 3.4.1 坝址分期洪水

工程是 江（河）梯级规划的第 个梯级水电站，其坝址以上控制流域面积 km，占全流域面积的 ％。本工程上游已建有 水电站，其下泄洪水流量的构成主要由 组成，一般以 月份作为汛期， 为枯水期，各期洪水流量成果见表4。

表4 分期洪水最大流量成果表 单位：m/s 时 段 1 2 5 10 20 频 率，% 3

2

3.4.2 设计洪水过程线见表5

表5 设计洪水过程线表

序 号 1 … n 时 间 P=1% P=2% P=5% P=10% 流 量，m/s 33.4.3 坝址水位流量关系曲线见表6

表6 坝址水位流量关系曲线表

水位，m 流量，m/s 3 3.4.4 枯水期月平均流量及其构成见表7

3

表7 坝址枯水期月（旬）平均流量表 单位：m/s 序号 1 … n 时 间 上游库泄量 区间流量 入库流量 上游库泄量 区间流量 入库流量 P=5% P=10% 3.4.5 坝址典型年来水量及分月流量见表8

3

表8 坝址典型年来水量及分月流量表 单位：m/s

保证率 1

2 3 4 5 6 6

7 8 9 10 11 12 月 份 P=75% P=85%

3.4.6 坝址区气象资料见表9

表9 坝址区气象资料表

项 目 平均气温，℃ 平均水温，℃ mm 雨日，d 平均风速，m/s

月 份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 平 均 3.4.7

333

（1） 坝址多年平均输沙量 万t（2） 坝址汛期平均输沙量 万t（3） 坝址最大年输沙量 万t（4） 坝址多年平均含沙量 kg/m（5） 坝址汛期平均含沙量 kg/m（6） 坝址汛期最大含沙量 kg/m3.5

(1)枢纽总平面布置图（1/1000～1/2000

(2)各泄水建筑物平、剖面图（1/500～1/1000(3)(4)(5)3.6

(1)

(2)混凝土配合比的试3.7

(1)(2)(3)(4)

4

7

4.1 设计任务

(1)(2)(3)(4)(5)

4.2 4.2.1

（1 （2 （3 4.2.2 4.2.3 导流底孔按临时建筑物设计(与永久 孔结合情况除外)，不考虑地震等意外情况。

5 导流底孔布置及体形设计

5.1

(1)导流底孔布置应结合工程后期导流及渡汛要求，结合永久水工建筑物和其他渡汛 (2)导流底孔设置数量、其进出口高程及断面尺寸，除满足工程后期渡汛的条件外， (3)导流底孔布置应尽量与永久泄水建筑物结合。与永久建筑物结合的部分，除满足 (4)导流底孔与明渠结合时，应尽量避免在底孔上部设置缺口或梳齿形成双层过流， (5)(6) (8) (7)导流底孔体形及结构布置，应与下闸封堵设计、施工及运行统一考虑，达到封堵5.2

(1)导流底孔的位置应尽量靠近主河槽或将导流底孔布置在溢流坝段内，可充分利用永久泄水建筑物 (2)导流底孔如不直接与永久泄水建筑物结合，一般应将其进、出口段建筑物贴靠在大坝上。(3)对于出口下游有防冲要求时，导流底孔应在其出口设置消力戽或其它消能设施。导流底孔出口消能工的设计，除满足下游防冲要求外，同时应考虑避免不利 (4) 8 5.3

(1)在不影响截流、封堵的条件下，导流底孔的进口高程不宜选择太低，一般应略高 (2)有过木要求的导流底孔，其进、出口高程应基本平顺，并使之在设计过木流量范 (3)导流底孔进口要求在设计水头范围内，选取合适的进口形式，一般宜采用顶部椭 (4)导流底孔进口设置进水塔或其它形式的建筑物时，应考虑下闸封堵时沉放闸门的工作平台。该平台高程应以不受下闸及底孔封堵施工期上游水位的影响为前提，以及 (5) (6)底孔进口的闸门后应设通气孔，并保证其有良好的通气条件。通气孔尺寸根据通5.4 (1)导流底孔的设置数目与断面尺寸，应通过渡汛方案的综合水力计算确定。导流底孔 (2)导流底孔的断面形式可采用城门洞形或矩形断面，但采用矩形断面时，因其结构要 (3)导流底孔按有压流设计时，其出口可采用洞顶压坡或收缩断面的形式，以保证在设计条件下，底孔内形成稳定的压力流态，采用洞顶压坡的坡度一般为1∶8～1∶12。(4)采用明流设计的导流底孔，其洞内应保持足够的通气空间，并使之在各种上游水位条件下，都能限制明满流交替的流态发生。 5.5

(1)如无特殊要求，导流底孔按临时建筑物设计时，一般在其出口下游可不设专门的消能工。(2)在下列条件下，应研究导流底孔的下游消能问题，并结合模型试验研究消能 1）导流底孔设计运行水头较高，底孔出口流速较大时（流速大于10m/s 3)导流底孔紧靠厂房尾水渠时，可能因其出流冲刷造成尾水渠淤积。 2）导流底孔出口下游河床地质条件不好，有可能因底孔出流的冲刷危及坝基下游、岸

6

6.1 6.1.1

9

（1（2（3（4(5(66.1.2

（1）计算底孔泄流能力时，不考虑双层过水及底孔进口前的立轴漩涡挟气串入孔内对（2）在进行导流底孔参与坝体临时渡汛的调洪演算时，所有泄流孔口均按无控制敞泄计算下泄

6.2 6.2.1 6.2.1.1

（1）在设计水位及设计流量下，其底孔是在有压流的情况下运行，不允许出现负压；（26.2.1.2

H/a＜1.2 1.2≤H/a≤1.5

H/a＞1.5

式中：a ——底孔过水断面高度，m（26.2.1.3

（1）无压流情况的计算公式：

3 /2 QSmb2gH0 (1) （3）对于上游有梯级水库的情况进行调洪演算时，不考虑本工程的调洪作用对上游梯

（1）当下游水位低于洞顶高程时，按自由出流情况考虑：

H ——从底孔进口底板高程算起的上游水深，m

aV0H 0H2g2H——从底孔进口底坎算起的上游水头，m； V0——底孔进口前的行进流速，m/sb ——底孔宽度，m

10

m——流量系数，m=0.32～0.36； σs——

（2）半压力流的计算公式：

Q2g(H0a) (2)式中：ω——底孔过水断面面积，m；

a——底孔高度，m；

μ——流量系数，μ＝0.576～0.67；

η——底孔出口水流收缩系数，η＝0.735 （3）有压流的计算公式：

(3) Q2gT0hp2

式中：μ——流量系数；

ω——底孔过水断面面积，m； T0——从底孔出口底板算起的上游水头； hp——

② 淹没出流时：hp＝hs

hs ——

6.2.1.4

① 自由出流时：hp＝（0.85～1.0）a

2

对有压流情况，流量系数受进口体形、各种局部水头损失以及沿程水头损失的影响，可由下式计算：

1

 (4) 2gL

L ——导流底孔长度； R ——过水断面的水力半径； C ——

1i2CR式中：ζi——各种局部水头损失系数；

提示：对于进口有压而洞内为明流的导流底孔设计，可参见进口有压短管的体形设计及基本 6.2.2

(1)导流底孔的封孔闸门型式，应根据底孔进口形式、孔口尺寸、总水压力并结合工程

(2)当采用钢闸门时，应尽量将封孔闸门与永久泄水孔的闸门结合使用，并注意可能采

(3)导流底孔封堵下闸的设计流量，可采用下闸封堵时段的5 年～10 年重现期的月或

11

(4)导流底孔下闸封堵的时间应满足以下条1234

体渡汛等要求综合确定。

(5)导流底孔封堵闸门的挡水总水头，应根据水库蓄水、初期发电、底孔封堵施工及坝

7

7.1

(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)7.2 7.2.1

（1）底孔进水塔结构及稳定计算，应考虑其结构物施工期及运行期的荷载组合情况； （2）坝内孔口结构应力分析按设计运行期的荷载组合设计，同时应满足永久建筑物的设

（3）导流底孔出口消能段的结构及稳定计算，应考虑底孔运行期及封堵期的各种不利荷

7.2.2 导流底孔进出口建筑物均贴靠在大坝上，为岸塔式建筑物。其整体稳定主要受地基

7.2.3

7.2.4 底孔封堵段的形式及长度不但应满足挡水稳定要求，还必须考虑坝体应力、温控及

7.3 7.3.1 导流底孔在其施工期、运行期及封堵期所承受的荷载，主要有：自重、水重、内水压力、外水压力（包括扬压力）、动水压力、脉动压力、冲击力、拖拽力、泥沙压力、施工及设备荷载、以及地（1

12

（2

1)作用在出口底板上的动水压力

出口底板上的动水压力可近似地按静水压力计算，方向垂直板面，其计算公式如下：

P＝kaρhcosθ (5)

ka——单位换算系数（ka＝9.81）； ρ——水的密度；

h ——垂直于面板的水深； θ—— 2)

反弧段上的动水压力，其水平和垂直分力可按下式计算：

Px＝［kaqρυ(cosφ2－cosφ1］/g (6)垂直分力：Py＝［kaqρυ(sinφ2＋sinφ1］/g (7)式中： ka——单位换算系数（ka＝9.81）；

ρ——水的密度； υ——出口流速；

φ1、φ2——

（3

设计中脉动压力按不利方向计：

(8)v2pmmkm2gαm——脉动压力系数，对直线段 αm＝5

对挑坎曲线段 αm＝10

对边墙段 αm＝5 ％；

v——

（4）冲击力

pk (9)v2aaAa2gPα——作用在鼻坎或反弧段上的冲击力； Aα——尾坎迎水面在流速方向上的投影面积； ka——阻力系数（ka＝1.2～2.0）； v——

（5）拖拽力

T＝kt·ρ·R·J·S (10)

R——计算板块的水力半径；

13

S——计算板块的过水表面积； J——

J＝〔（1－Φ）H〕/L；

Φ——计算段的流速系数（Φ＝0.9～0.95）； H——计算段始末的水位差； L——

（6）水平泥沙压力

2

1 (11) 22Phtg45knn100022kN/m

3

ρn——Φ——

7.3.2

h——泥沙淤积高度；

导流底孔分部位设计荷载组合，见表10。

表10 设计荷载组合表

项目 计算情况 自重 √ √ √ √ √ 水重 √ √ √ √ 荷载 内水压力 √ √ √ 外水压力 √ √ √ 扬压力 √ √ √ 动水压力 √ 脉动压力 √ 冲击力 √ 拖拽力 √ 泥沙压力 √ 施工荷载 √ √ √ 设备重 √ √ √ 温度作用 √ √ √ 进水塔整体 稳定及结构 洞身及坝体应力 出口段 稳定及结构 施工期 运行期 运行期 运行期 封堵期 7.4 7.4.1

进出口整体稳定计算包括：抗滑、抗倾稳定和基础应力计算。进口取整个进水塔、出口

（1）抗滑稳定

K抗剪 (12)

fWP

K抗剪断 (13)

fWCAP

式中：K、K′——分别为抗剪、抗剪断的安全系数； f、f′——分别为混凝土与岩石的纯摩和剪摩系数；

14

C′——混凝土与岩石的凝聚力；

W——计算块体垂直力总和； P——计算块体水平力总和；

A——

（2）抗倾稳定

Km＝∑M抗/∑M倾 (14)

式中： Km——抗倾稳定安全系数；

∑M抗——整个计算块体上抗倾力矩总和； ∑M倾——

（3）基础应力

 (15)LL2

式中： ∑N——计算块体上垂直力总和；

∑M——对计算块体基底断面形心的力矩总和； L——

N6M

（4）导流底孔稳定计算安全系数，见表11

表11 稳定计算安全系数表

项 目 设 计 抗 滑 稳 定 抗剪断 抗 倾 稳 定 基 础 应 力，MPa 抗 剪 校 核 安 全 系 数 7.4.2

（1）进水塔结构设计可采用结构力学法或有限元法进行计算，塔座、塔筒均视为由等截面杆件组成的平面构架计算。地基反力假定为均匀直线分布。施工期应考虑温降收缩和温度应力。

（2）导流底孔洞身的坝内孔口结构计算，其主要荷载是坝体应力及内水压力，可采用弹性力学法或有限元法进行计算分析。

（3）出口边墙及底板计算。

出口边墙可按固结于底板上的悬臂梁设计，主要承受底孔泄流时的内水压力，动水压力，尤其是鼻坎段的边墙，其动水压力较大，应慎重对待之。出口底板可按弹性地基梁进行计算，而鼻坎一般为大体积结构，主要由泄流稳定控制。

15

8

8.1

（1（2（3（4（5（6（7（8

（9）抽排水设施及其它。 8.2

根据《水利水电工程设计工程量计算的规定》，导流底孔工程量应按建筑物实际轮廓计算，据此乘以下面相应的阶段系数：

（1（2（3（4（58.3

（1）进水塔闸门井系统配筋率： （2）坝内孔口配筋率： （4）叠梁闸门配筋率： 。

（3）出口段边墙、底板配筋率：

9

9.1

提示：(1)当采用两个以上的导流底孔时，应结合模型试验研究其泄流能力及对下游的冲淤影响。 (2)底孔上层设过水缺口或疏齿形成双层过水时，应进行导流底孔体型设计的专题研究。 (3)对于单宽流量较大，设计运行水位较高的导流底孔，应结合模型试验研究其出口的消能型式。 9.2

16

提示：（1（2（3（4 （5）通过模型试验对导流底孔的特殊问题进行专门研究。 10 应提交的设计成果

10.1 文字报告

(1)导流底孔设计说明书；

(2)导流底孔及后期渡汛水力计算书； (3)导流底孔结构计算书； (4)导流底孔工程量计算书。 10.2 图纸

（1）导流底孔结构布置图； （2）后期导流方案布置图；

（3）导流底孔施工布置及施工方法示意图。 10.3

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