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截流水力计算

（课程设计资料）

土木水电学院水利水电工程系
二零零六年十二月

截流水力计算

一切将河道水流截断的工程措施，统称截流。截流的方法很多，用的最多的是抛石截流。抛石截流又分为平堵截流和立堵截流。由于立堵截流不需要架桥，施工简单，截流费用低，因此现在国内外绝大部分工程均采用立堵截流。下面仅研究立堵截流水力计算。
抛石截流计算最主要的任务是确定抛投体的尺寸的重量，而抛投块的稳定计算国内外广泛采用的是兹巴什公式，即
（1）
式中V——石块极限抗冲流速；
d——石块化引为球形的粒径；
、——分别为石块和水的容重；
K——综合稳定系数。
由（1）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重要的意义。下面介绍两种计算龙口流速的方法。
一、图解法计算龙口流速（方法一）
一般情况下，合龙过程中截流设计流量由四部分组成：
（2）
式中——龙口流量；
——分流量（分流建筑物中通过的流量）
——上游河槽中的调蓄流量；
——戗堤渗透流量。
当和不计算，则有：
（2-1）
龙口流量按宽顶堰公式计算：
（3）
式中——龙口平均过水宽度；
——龙口上游水头（龙口如有护底，应从护底顶部算起）；
——流量系数，按下式计算：
小于0.3淹没流
大于或等于0.3非淹没流（3-1）
由连续方程可得龙口流速计算公式：
（4）
式中——龙口计算断面平均流速；
——龙口计算断面水深（从护底顶部算起）；

在立堵截流中，常常规定：当出现淹没流时，，为龙口底部（或护底）以上的下游水深（图一）；当出现非淹没流时，，为临界水深。
的计算按下列四种情况考虑：
梯形断面淹没流：
由于进占过程中龙口底部高程不变，为常数。
2.梯形断面非淹没流：
按下式计算：
（4-1）
式中——戗堤端部边坡系数；
——计算断面动能修正系数，常取计算；
按（4-1）计算需进行试算。有时为了简化计算，常用矩形断面临界水深代替梯形断面临界水深，此时：
（4-2）
3.三角形断面淹没流：
（4-3）
4.三角形断面非淹没流：
（4-4）

（a）平面布置图；（b）沿河道中心线剖面图（淹没流）
（c）沿河道中心线剖面图（非淹没流）（d）梯形断面时剖面
（e）三角形断面时剖面(为非淹没水深，为淹没水深)；
1—隧洞；2—戗堤；3—护底。
龙口流速计算步骤如下：
1．绘制分流量与上游水位的关系曲线（图二），该曲线可通过计算或有试验得到。
2．绘制进占过程中龙口流量与的关系曲线，该曲线可由（2）式或（2-1）式求出。
3.由（3）式或（3-1）式绘制曲线簇，由（3）式中
为护底顶部高程或龙口底部高程（图一）。4.判断流态。式计算水深。
按（4）式计算合龙过程的断面平均流速。
上述计算过程可列表进行。

三曲线法计算龙口流速（方法二）
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。在推导之前，先对计算断面进行假定：设断面为龙口流速计算断面，并假定出现淹没流时，该断面水位与下游水位相同；若出现非淹没流，断面为临界水深（图一）。
龙口流速与上下游落差的关系
在立堵截流中，龙口断面由梯形断面逐渐过渡到三角形断面，水流流态由淹没流过度到非淹没流。下面将龙口流速分别按淹没流以及三角形断面非淹没流推导流速公式。
淹没流流速：
如图一所示，断面落差与下游落差相同，则断面淹没流流速为：
（5）
式中——流速系数，一般；
——下游落差。
梯形端面非淹没流：

由于，令。则上式可写为
（6）
式中断面临界落差；
——上游水头（护底顶部高程以上）；
——相对临界落差的平方根，按下式计算：
（7）
（7-1）
式中断面动能修正系数，常取；
——龙口流量，按（2）或（2-1）式计算；
——戗堤端部边坡系数；
其余符号同前。

三角形断面非淹没流：
（8）
由式可以绘制曲线（图三）；由（5）式可绘制淹没流曲线（曲线1）。由（6）和（7）式，可绘制梯形断面非淹没流线（曲线2）；有（8）式可绘制三角形断面非淹没流线（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，而曲线2是先上升后下降曲线。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；当三条曲线交于一点时（图三a），最大流速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与曲线3的交点），出现在梯形断面（图三b）；当曲线2在A点之上时，出现在三角形断面形成后（图三c）。

线：（a）OCD;(b)OAEBD;(c)OCD

龙口宽度B与V和z的关系