水利工程施工组织设计计算书
水利工程施工课程设计
（计算书）
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指导教师
2012年11月
1. 施工导流 (2)
1.1. 导流标准 (2)
1.2. 估算粘土心墙达到的高程 (3)
1.3. 拦洪水位的计算 (3)
1.4. 拦洪库容的计算 (3)
2. 导流隧洞的断面尺寸的计算 (3)
2.1. 最大下泄流量的确定 (5)
2.2. 泄放最大流量时隧洞流速的计算 (5)
2.3. 隧洞过水断面面积的计算 (6)
2.4. 隧洞断面型式、尺寸及布置 (6)
3. 汛期大坝拦洪校核计算 (6)
3.1. 梅雨汛期拦洪水位计算 (11)
3.2. 临时挡水期大坝安全校核 (12)
4. 围堰顶高程的计算 (12)
5. 大坝各期工程量计算 (13)
6. 施工机械的生产率的计算 (15)
7. 配套机械数量计算 (17)
8. 隧洞开挖计算 (18)
8.1. 崩落孔参数的计算 (18)
8.2. 循环作业进尺计算 (19)
8.3. 装载机生产率的计算 (21)
8.4. 自卸汽车生产率的计算 (21)
8.5. 总工期的计算 (21)
土石坝施工组织设计计算书
1.施工导流
1.1. 导流标准
根据土石坝属于2级建筑物，按导流建筑物级别划分选择导流建筑物的级别为4；导流建筑物的设计洪水标准选定为洪水重现期20年，时间划分在2011年11月至2012年4月，洪水的设计流量查该时段的设计流量取为2940m3/s。坝体施工期临时挡水标准选定为洪水重现期100年，洪水的设计流8290m3/s。
导流建筑物级别划分依据
1.2. 估算粘土心墙达到的高程
根据粘土心墙的高程假设为拦洪高程。
粘土心墙填筑的时间为2011年12月下旬至2012年4月末。
有效工日=11+18+18+22+20=89d
粘土心墙填筑上升速度每天0.2~0.4m确定，取每天0.3米。
粘土心墙高度0.38926.7
=?=
h m
拦洪高程2526.751.7
=+=
H m
1.3. 拦洪水位的计算
根据已定的拦洪坝高程扣除安全超高2~3m，即为拦洪水位。
=51.7-2.7=49m
H
拦洪水位
1.4. 拦洪库容的计算
根据拦洪水位，在水位库容关系曲线上查出49m水位对应的库容为2.6亿m3。
2.导流隧洞的断面尺寸的计算
在已知洪水过程线和上游拦洪水位的条件下，若求得隧洞泄水过程线，就得出相应于拦洪水位时的隧洞最大下泄流量。为简化计算，曲线AB以直线代替，就可方便地计算出阴影部分面积所代表的库容V′，并与拦洪水位相应库容V比较，如V′=V，由AB直线段为所拟的隧洞泄水过程线，Q泄为所求隧洞的最大
下泄流量。
图1 水库库容与下泄流量关系曲线
根据上述方法，先设定6个下泄流量，作出向A点方向作三条直线，并与洪峰过程线相切，计算出相应的库容。
下泄流量（m3/s）库容（亿m3）
71100.86
5056.9 1.58
2901.5 2.51
2818.6 2.55
2155.4 2.88
1906.7 3.02
根据下泄流量和库容的对应关系作出下泄流量与库容关系曲线，如图所示；
图2 下泄流量库容关系曲线
2.1. 最大下泄流量的确定
根据拦洪水位相应库容V=2.6亿3m ，在Q ～V 曲线上，找出相应的隧洞最大下泄流量为Q 泄=27503/m s 。
2.2. 泄放最大流量时隧洞流速的计算
大坝拦洪时，隧洞泄放最大流量，一般为压力流，其流速按有压流公式计算： 利用公式)(2)(21100p p h H g m h H g f
V -=-+=
∑计算
m =0.85；
V 为洞里平均流速；
H
0为隧洞进口计算水深（在洞线布置之前用拦洪水位代之）；H 0 =49m h p 为隧洞出口底坎以上水深，在这里，可根据隧洞最大下泄量，从坝址水位流量关系曲线上查得；h p =32.1m 。
0.8515.5/V m s === 最大下泄流量的确定
根据拦洪水位相应库容V=2.6亿3m ，在Q ～V 曲线上，找出相应的隧洞最大下泄流量为Q 泄=27503/m s 。
泄放最大流量时隧洞流速的确定
0.8515.5/V m s ===
2.3. 隧洞过水断面面积的计算
利用公式V
Q W 泄
=
计算； 22750
177.4215.5
Q W m V =
==泄 2.4. 隧洞断面型式、尺寸及布置
考虑到地质条件的影响，隧洞断面采用城门洞形。 隧洞的布置形式如图所示； 断面尺寸根据公式W =228
B B π
+
确定。
22177.4211.298
W B B B m π
=+
=?=
B 取值11.3m 。
3. 汛期大坝拦洪校核计算
根据已定的隧洞尺寸和泄流条件，经过调洪演算确定上游拦洪水位，以检查此时的坝面高程是否能安全拦洪。
先假定几个隧洞下泄流量，分别计算出相应的上游水位。 临界水深的计算通过作辅助图形，如图所示；
图3 求解临界水深曲线
当隧洞通过的水流为明渠流时；假定隧洞下泄流量为（2003/s m 、 4003/s m 、 6003/s m 8003/s m ）
利用公式3
2c A Q g B
?=
计算，可以在临界水深图形查出临界水深；
判别出口流态，在假设的下泄流量条件下临界水深h c ＞下游水深h 下 ；出
口为自由出流，取2h c h =。
利用公式L i R
C V
g V g V h h )(2222
2
12
221-+-+=计算；
1h 为进口洞内水深； 2h 为出口洞内水深； 1V 为进口洞内流速； 2V 为出口洞内流速； V =2/)(21V V +； C 为平均谢才系数；
61
1
R n
C =，谢才系数，采用混凝土衬砌时n =0.014
R 为平均水力半径； L 为隧洞长度，L=500m 。
利用公式22
01222V V Z g g
φ=-计算进口落差； ?为流速系数，取0.8～0.9；本次计算取0.85
0V 为上游行进流速，当s m V /10<时，流速水头很小，第二项可略去。
利用公式1h Z ?=++上进口坎高程计算上游水位?上 综合上述三个公式得出计算结果如图所示；
当隧洞通过的水流为有压流时；假定隧洞下泄流量为（16003/s m 、 18003/s m 、 20003/s m 22003/s m ）
判别出口流态，在假设的下泄流量条件有压流水深h ＞下游水深h 下 ；出口为自由出流。
利用公式22
022(1)()2V V H h i L g C R ε=+++-计算 2h 为出口计算水深，自由出流时D h 85.02=， 20.85=0.8514.4=12.2h D m =?
ε为局部损失系数之和，进口采用喇叭口时进ε=0.25；整个隧洞取ε=0.35
61
1
R n
C =，谢才系数，采用混凝土衬砌时n =0.014
2(1)9.68 2.93139.69.6
2A R π
+?===χ?+?π?； 11
6611 2.9385.440.014C R n === 利用上?=进口坎高程+0H 计算
综合上述公式得出计算结果如图所示；
将假定几个隧洞下泄流量及与之相应的上游水位，画出无压和有压部分的泄流量与水位的关系曲线并以光滑曲线连接该段曲线，以代替半有压流曲线。如图所示；
图4 下泄流量与上游水位关系曲线
3.1. 梅雨汛期拦洪水位计算
通过调洪运算，确定梅雨汛期拦洪水位
采用简单图算法计算确定，根据坝体施工期临时挡水标准选定为洪水重现期100年，洪水的设计流8290m3/s；假定三条隧洞泄水过程线，求出相应的库容和下泄流量，根据在库容曲线上得出相应的上游水位。
在绘有隧洞泄流能力曲线的Q~H坐标图上，绘出相应的点P1(Q l，H1)、P2 (Q2，H2)、P3(Q3，H3)，过P1、P2、P3点绘曲线交隧洞泄流能力曲线于P点，则对应于P点的泄流量Q为拦洪时隧洞最大下泄流量，相应的水位H即为所求拦洪水位。如图所示；
图5 求解拦洪时隧洞最大下泄流量关系曲线
在关系曲线上可以查得拦洪时隧洞最大下泄流量max Q =19003m /s ，拦洪水位H=50m.
3.2. 临时挡水期大坝安全校核
根据大坝施工控制进度所确定的梅雨汛前的大坝高程1?与拦洪高程H 进行比较；有151.1 2.14850h H ?-?=-=<=；大坝必须要加快施工进度达到52m 的高程才是安全的。
4. 围堰顶高程的计算
围堰顶高程由该设计流量时的上游水位和安全超高确定。发生设计洪水时的上游水位即为围堰拦洪水位。
假定三条隧洞泄水过程线，求出相应的库容和下泄流量，根据在库容曲线上得出相应的上游水位。
表8 求解上游围堰时假设的隧洞下泄流量库容及对应上游水位表
在绘有隧洞泄流能力曲线的Q ~H 坐标图上，绘出相应的三个点的坐标并连成一条线，如图所示；
图6 求解围堰水位与下泄流量关系曲线
上游水位H=39m, 下泄流量Q=580m 3/s 上游围堰高程▽上围 =39+2=41m
下游围堰的顶高程下?=下游水位+超高，下游水位是发生设计洪峰流量、隧洞下泄最大流量时的下游水位。下泄流量Q=580m 3/s 时，下游水位H=29.1m
下?=29.1+2=31.1m
5. 大坝各期工程量计算
根据大坝分期按公式()(){}
12123326
H
V L b m m H l b m m H =
+++++????????计
算（梯形河谷适用）各期工程量。
V为计算部分坝体工程量，m3；L为计算部分坝体顶部长度，m；
H为计算部分坝体高度，m；b为计算部分坝体顶宽，m；l为计算部分坝体底部长度，m；m1、m2分别为计算部分坝体上、下游边坡。
第Ⅰ期；填筑围堰高程
第Ⅱ期；时间为2011年11月至12月中旬进行坝基的排水、基础开挖及基础的处理。12月中旬至2012年4月末抢筑主体工程至拦洪水位。（由于按照正常施工不能满足拦洪水位的标准，采用调整后的有效工日计算，采用临时断面拦洪），拦洪高程取为安全值52m。调整后的有效工日为124天。
第Ⅲ期；在拦洪期后至2013年12月末填筑坝体至80米的高程以保证发电的需要。
第Ⅳ期；2014年年末完成填筑坝体全部工程。
填筑分期如图所示；
图7 施工分期图
6. 施工机械的生产率的计算
砂砾坝壳施工机械的生产率用计算法确定。
周期运行机械(正向铲挖、自卸汽车等)生产率；生产率（以坝上压实方为标准）利用公式'H p B t P=60qnk k k k 计算
q 为土斗或车箱几何容积m 3 n 每分钟循环次数
H k 土斗或车箱的充盈系数 'p k 石料松散影响系数 B k 为时间利用系数 t K 考虑机械联合作业时
间影响系数
正向铲挖参数的选择如下； q 取4 m 3，H k 取0.95， B k 取0.75，t K 取0.9，
60 2.425=
=n ，10.951.05
'==p k 3604 2.40.950.950.750.9351/m h '=??????=H p B t 正向铲P =60qnk k k k
自卸汽车参数的选择如下； q 取11.7 m 3，H k 取1， B k 取0.75，t K 取0.9，
10.851.18
'==p k
++t +t t t t =运回装卸
=.425100t n t s =?=装 n 为挖土机装满一车的斗数，取4；t 为挖土机循环工
作时间，取25s ；
90s t 卸取
5
t +t 223600144025l s v ==??=运回 L 为转角或运距,5km ；V 为转速或平均车
速，对于自卸汽车采用20～25km ／h ，取25km ／h 。
++t +t 1009014401605t t t s ==++=运回装卸
60
0.0371605
=
=n 36011.70.03710.850.750.915/m h '=??????=H p B t 自卸汽车
P =60qnk k k k 利用公式8()/t p P V B C hK K n =?-计算碾压机械生产率； V 为碾压机械开行速度，m/h ，按表24采用；取1500 km/h
B 为滚筒长度，m ，按表24选用；取2.0m
C 为搭接宽度，羊足碾、振动碾用0.2m ； h 为铺土厚度，m ，按表24采用；取0.8m n 为压实遍数，按表24选用；取6 K t 为时间利用系数，可取0.5~0.7；取0.6 K p 为体积换算系数，1
0.851.18
p K =
= 38()/81500(20/.2)0.80.60.85/61469t p P V m B C hK K n =?-=??-???=振动辗
台班
砂石料施工机械台数的确定 利用公式nP
Q N 大=
计算
Q 大为各期最大施工强度，m 3/d ； n 为采用班制，采用1～2台班/d ；取2
P 为所选机械的台班生产率，m 3/h ；
3
4003W
(4m
)
8351=2808/P m =?台班 ；
3
400W
(4m
)
8606
1.5322808
Q np ==?大N = 取2台 3815=120/P m =?自卸汽车台班 ； 8606
35.82120
Q np ==?大自卸汽车N =
取36台 8606
6.72634Q np ==?大推土机N = 取7台
8606
2.921469
Q np ==?振动辗大N =
取3台 7. 配套机械数量计算
在机械化作业组织中，为充分发挥配套机械中主要机械的作用，必须使配备的次要机械生产率略大于主要机械的生产率。
汽车容量
应复核挖掘机的装车斗数m 。汽车容量太大，汽车停时太长；汽车容量太小，则调车频繁、挖土机效率低。m 的合理范围为3~5（汽车运距为1km 以内时）。
利用公式c H P Q
m qK K γ=
'
计算
Q 为自卸汽车的载重量，t ；取20t q 为选定挖掘机的斗容量，m 3；取4
c γ为料场土料的天然容重，t/ m 3；取1.9t/ m 3
'P K 为土料的松散影响系数，表示挖土前原状土与挖土后松土体积的比值；
取0.95
H K 为挖掘机土斗充盈系数。取0.89 20
==3.11.940.950.89
c H P Q m qK K γ=
'???在合理范围为3~5
一台挖土机正常工作时，配合的汽车数n ；
利用公式装
卸装t t 2++
=
V L
t n 计算确定 =.425100t n t s =?=装 n 为挖土机装满一车的斗数，取4；t 为挖土机循环工
作时间，取25s ；
90s t 卸取
5
t +t 223600144025l s v ==??=运回 L 为转角或运距,5km ；V 为转速或平均车
速，对于自卸汽车采用20～25km ／h ，取25km ／h 。
2t 100+1440+90==16.3t 100
L t V n +
+=
装卸
装 取17台
8. 隧洞开挖计算
8.1. 崩落孔参数的计算
利用公式21
21KS N N ηαγαγ
-=
计算，γ为单位长度炮眼的装药量
表9 单位长度装药量表(kg ／m)