湖南鎮(zhèn)水電站樞紐布置及調(diào)壓室設(shè)計說明書（一）

摘 要湖南鎮(zhèn)水電站位于中國浙江省衢州市境內(nèi)，錢塘江支流烏溪江上，是一個以發(fā)電為主兼有航運(yùn)、灌溉，防洪、供水等綜合利用效益的較大水電站。也是烏溪江兩級開發(fā)中的第一級。水庫設(shè)計洪水位238m（千年一遇），相應(yīng)的下泄流量4800m3/s；校核洪水位240.25m（萬年一遇），相應(yīng)的下泄流量8500m3/s；設(shè)計蓄水位230m.本設(shè)計確定壩址位于山前巒附近，非溢流壩壩頂高程242.6m。壩底高程112m。最大壩高130.6m。上游折坡坡度1：0.15，下游壩坡坡度1：0.79，溢流壩堰頂高程226.0m。引水遂洞進(jìn)口位于壩址上游凹口處，遂洞全長1100m。洞徑8.6m，調(diào)壓室位于廠房上游280m左右處，高程180m的山巒上，型式為差動式。廠房位于下游荻青位置。設(shè)計水頭93.9m，裝機(jī)容量54.5=18萬kw，主廠房凈寬18.9m，總長54.4m。水輪機(jī)安裝高程116.81m，發(fā)電機(jī)層高程126.81m，校核尾水位126.74m。廠房附近布置開關(guān)站，主變等。受地形限制，尾水平臺兼作公路用，壩址與廠區(qū)通過盤山公路連接，形成樞紐體系。由此可見，本設(shè)計是合理可行的。關(guān)鍵詞：水利樞紐；擋水建筑物；泄水建筑物；穩(wěn)定；應(yīng)力；水輪機(jī)；選型；引水隧洞；調(diào)壓室；廠房；Abstract The Wuxijiang hydropower station is located in HuNan Town in ZheJiang province ,which belongs to a chain of exploitation .According to the demand of topographic form ,I choose diversion hydropower station . The geology condition is good .The main construction conclude the water retaining structure (the concrete non over-fall dam) ,the release works (the concrete over fall dam) ,the diversion structure (pressure seepage tunnel ,the surge-chamber ) ,and the surface power station .The design water level is 238 m ,its corresponding flow amount is 4800 m3/s .The check level is 240.25 m ,its corresponding flow is 8500 m3/s .The regular water retaining level is 230m .The dam site is near the former saddle .The crest elevation of the non-over-fall dam is 242.6 m ,and the base elevation is 112m ,The max height of the dam is 130.6 m ,The upstream dam slope is 1:0.15 ,the downstream dam slop is 1:0.79 ,the spillway crest elevation is 226.0 m .The inducer of the seepage tunnel is located at the recess place ,The length of tunnel is 1100 m ,the diametric of which is 8.60 m .The surge-chamber is located at the mountain , which is 280 m from the work shop building and is type is differential motion.The workshop building is located at downstream ,the design level of the turbine is 93.9 m , the equipped capacitor is 18.0104kw ,the clean width is 18.9 m , its whole length is 54.4 m . The fix level of the turbine is 116.81 m , and the height lf dynamo is 126.81 m , the level of the adjustment bay is 126.74 m (higher of the downstream water level 0.07 m ) . Near the workshop building , there are switch station and the main transformer and so on .目錄摘 要- 1 -Abstract- 2 -第一章 設(shè)計基本資料- 5 -1.1 地理位置- 5 -1.2 水文與氣象- 5 -1.2.1 水文條件- 5 -1.2.2 氣象條件- 6 -1.3 工程地質(zhì)- 6 -1.4 交通狀況- 7 -1.5 既給設(shè)計控制數(shù)據(jù)- 7 -第二章 樞紐布置、擋水及泄水建筑物- 8 -2.1 樞紐布置- 8 -2.1.1 樞紐布置形式- 8 -2.1.2壩軸線位置比較選擇- 8 -2.2 擋水及泄水建筑物- 8 -2.2.1 壩高確定- 8 -2.2.1.1 壩頂超出靜水位高度h- 8 -2.2.2 擋水建筑物混凝土重力壩- 9 -2.2.2.1 基本剖面- 9 -2.2.2.2穩(wěn)定及應(yīng)力計算- 11 -2.2.2.3實用剖面- 15 -2.2.3 泄水建筑物混凝土溢流壩- 15 -2.2.3.1 堰頂高程- 15 -2.2.3.2 溢流壩實用剖面設(shè)計- 16 -2.2.3.3 溢流壩穩(wěn)定應(yīng)力計算- 18 -2.3 壩內(nèi)構(gòu)造- 19 -2.3.1 壩頂結(jié)構(gòu)- 19 -2.3.2 壩體分縫- 20 -2.3.3 壩內(nèi)廊道- 20 -2.3.4 壩基地基處理- 20 -2.4 溢流壩消能防沖措施- 20 -第三章水輪機(jī)選型- 22 -3.1水頭Hmax、Hmin、Hr確定- 22 -3.1.1 Hmax 的可能出現(xiàn)情況（水頭損失按2%計）：- 22 -3.1.2 Hmin的可能出現(xiàn)情況（水頭損失按2%計）：- 22 -3.1.3 Hav 的確定：- 23 -3.1.4 Hr的確定：- 23 -3.2水輪機(jī)選型比較- 23 -3.2.1 HL200水輪機(jī)方案的主要參數(shù)選擇- 23 -3.2.2 HL180水輪機(jī)方案主要參數(shù)選擇- 25 -3.2.3 HL200和HL180方案參數(shù)對照表- 26 -3.2.4水輪機(jī)安裝高程- 27 -第四章水電站廠房- 28 -4.1 廠房內(nèi)部結(jié)構(gòu)- 28 -4.1.1 水輪機(jī)發(fā)電機(jī)外形尺寸估算- 28 -4.1.2 發(fā)電機(jī)重量估算- 29 -4.1.3 水輪機(jī)蝸殼及尾水管- 30 -4.1.4 調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)速設(shè)備選擇- 31 -4.1.5 起重機(jī)設(shè)備選擇- 32 -4.2主廠房尺寸- 34 -4.2.1 長度- 34 -4.2.2 廠房各層高程的確定- 34 -4.3 廠區(qū)布置- 35 -第五章水電站引水建筑物- 37 -5.1引水隧洞整體布置- 37 -5.1.1洞線布置（水平位置）- 37 -5.1.2洞線布置（垂直方向）- 37 -5.2細(xì)部構(gòu)造- 37 -5.2.1隧洞洞徑- 37 -5.2.2隧洞進(jìn)口段- 37 -5.2.3 隧洞細(xì)部構(gòu)造- 37 -5.2.4閘門斷面尺寸- 38 -5.2.5進(jìn)口底高程的計算- 38 -5.2.6隧洞漸變段- 39 -5.2.7壓力管道設(shè)計- 39 -5.2.8調(diào)壓室設(shè)計- 39 -參考文獻(xiàn)- 45 -畢業(yè)設(shè)計感想46第一章 設(shè)計基本資料1.1 地理位置 烏溪江屬衢江支流，發(fā)源于閩、浙、贛三省交界的仙霞嶺，于衢縣樟樹潭附近流入衢江，全長170公里，流域面積2623平方公里。 流域內(nèi)除黃壇口以下屬衢江平原外，其余均屬山區(qū)、森林覆蓋面積小，土層薄，地下滲流小，沿江兩岸巖石露頭，洪水集流迅速，從河源至黃壇口段，河床比降為1/1000，水能蘊(yùn)藏量豐富。1.2 水文與氣象1.2.1 水文條件湖南鎮(zhèn)壩址斷面處多年平均徑流量為83.0m3/s。表1-1 壩址斷面處山前巒水位流量關(guān)系曲線水位（m）122.71123.15123.5124.04125.4126.6128.5流量（m3/s）105010020050010002000水位（m）130.1132.6135.3137.6139.8141.8流量（m3/s）300050007500100001250015000圖1-1 壩址斷面處山前巒水位流量關(guān)系曲線表1-2電站廠房處獲青水位流量關(guān)系曲線水位（m）115115.17115.39115.57115.72115.87116流量（m3/s）1020406080100120水位（m）116.13116.25116.37116.47117.05117.9118.5流量（m3/s）1401601802004007001000水位（m）119.45120.3121.97123.2125.65127.8129.8流量（m3/s）150020003000400060008000100001.2.2 氣象條件烏溪江流域?qū)俑睙釒Ъ撅L(fēng)氣候，多年平均氣溫10.4，月平均最低氣溫4.9，最高氣溫28；7、8、9月份會受臺風(fēng)過境影響，時有臺風(fēng)暴雨影響。1.3 工程地質(zhì)本工程曾就獲青、項家、山前巒三個壩址進(jìn)行地質(zhì)勘測工作，經(jīng)分析比較，選用了山前巒壩址。山前巒壩址河谷狹窄，河床僅寬110m左右，兩岸地形對稱，覆蓋層較薄，厚度一般在0.5m 以下，或大片基巖出露，河床部分厚約24m。巖石風(fēng)化普遍不深，大部分為新鮮流紋斑巖分布，局部全風(fēng)化巖層僅1m左右，半風(fēng)化帶厚約212m，壩址地質(zhì)構(gòu)造條件一般較簡單，經(jīng)壩基開挖僅見數(shù)條擠壓破碎帶，產(chǎn)狀以西北和北西為主，大都以高傾角發(fā)育，寬僅數(shù)厘米至數(shù)十厘米。壩址主要工程地質(zhì)問題為左岸順坡裂隙、發(fā)育，差不多普及整個山坡，其走向與地形地線一致，影響邊坡巖體的穩(wěn)定性。壩址地下水埋置不深，左岸為1126m，右岸1534m。巖石透水性小，相對抗水層（條件吸水量0.01L/dm）埋深不大，一般在開挖深度范圍內(nèi)，故壩基和壩肩滲透極微，帷幕灌獎深度可在設(shè)計時根據(jù)揚(yáng)壓力對大壩的影響考慮選用。壩址的可利用基巖的埋置深度，在岸1012m，右岸69m，河中68m，壩體與壩基巖石的摩擦系數(shù)采用0.68。引水建筑物沿線為流紋斑巖分布。巖石新鮮完整，地質(zhì)條件良好。有十余條擠壓破碎帶及大裂隙，但寬度不大，破碎程度不嚴(yán)重。廠房所在位置地形陡峻，覆蓋極薄，基巖大片出露，巖石完整，風(fēng)化淺，構(gòu)造較單一。有兩小斷層，寬0.50.8m，兩岸巖石完好。本區(qū)地震烈度小于6度。1.4 交通狀況壩址至衢縣的交通依靠公路，衢縣以遠(yuǎn)靠浙贛鐵路。1.5 既給設(shè)計控制數(shù)據(jù)a .校核洪水位：240.25m，校核最大洪水下泄流量8500m3/s，相應(yīng)的水庫庫容2056.65108m3b .設(shè)計洪水位：238.00m，設(shè)計洪水最大下泄流量4800m3/sc .設(shè)計蓄水位：230.00md .設(shè)計低水位：190.00me .裝機(jī)容量：44.5Mw，即18 萬kw第二章 樞紐布置、擋水及泄水建筑物2.1 樞紐布置2.1.1 樞紐布置形式因壩址附近河道蜿蜒曲折，多年平均徑流量83.0m3/s，較??；河床坡度比降1/1000，故根地形條件選用有壓引水式地面廠房方案。上游山前巒斷面布置擋水建筑物及泄水建筑物，大壩右岸上游約150m處有天然凹口，在此布置引水隧洞進(jìn)水口。下游獲青處布置地面廠房，開關(guān)站等建筑物，具體位置見樞紐布置圖。2.1.2壩軸線位置比較選擇根據(jù)已知資料，山前巒壩址地形圖，選擇兩條壩軸線。a線沿東西向與河道垂直，縱坐標(biāo)76380，b線也沿東西向，縱坐標(biāo)76370。a線總長428m，穿過左岸部分裂隙；b線總長425m，避開左岸裂隙。由于壩軸線較短，穿過裂隙不多可作地基處理故選擇a 線方案。2.2 擋水及泄水建筑物2.2.1 壩高確定根據(jù)水電站裝機(jī)18萬kw，水庫總庫容2056.65108m3，取工程規(guī)模為大（1）型，主要建筑物級別：1級，次要建筑物：2級，臨時建筑物：4級。2.2.1.1 壩頂超出靜水位高度hh = 2h1+ho+hc2hl波浪涌高h(yuǎn)o波浪中線高出靜水位高度hc安全超高a. 2hl=0.166vf5/4D1/3 vf 風(fēng)速D 吹程b. ho=cthc. hc-查水工建筑物（上）河海大學(xué)出版社 P53表2-8基本組合：hc=0.7m，特殊組合hc=0.5m 設(shè)計洪水位+h=241.81m2.2.1.2 壩頂高程=max校核洪水位+h=242.6m 則壩頂高程為242.6m2.2.1.3 查壩軸線工程地質(zhì)剖面圖，得出可利用基巖最低點高程112.0m，由此知大壩實際高度為242.6-112.0=130.6m2.2.2 擋水建筑物混凝土重力壩2.2.2.1 基本剖面由于電站形式為引水式，在右岸設(shè)有壓進(jìn)水口，上游壩坡坡度不受限制，同時用應(yīng)力條件和穩(wěn)定條件公式確定壩底的最小寬度B/H= （應(yīng)力條件）B= （穩(wěn)定條件）B壩底寬度H實際壩高（基本剖面H=242.6-112=130.6m）壩體材料容重（23.5）水的容重(10)揚(yáng)壓力折減系數(shù)k基本組合安全系數(shù)取=0 計算得 B=103.2m上游折坡系數(shù) n=0 m=0.75 根據(jù)工程經(jīng)驗，一般上游坡n=00.2,下游坡m=0.60.85,壩底寬約為壩高的0.70.9，故取n=0.15，m=0.79， B/H滿足要求2.2.2.2 穩(wěn)定及應(yīng)力計算設(shè)計洪水位情況下表2-1設(shè)計狀況下壩基面穩(wěn)定應(yīng)力計算荷載名稱垂直力(KN)水平力(KN)力臂(m)彎矩(KNm)自重 G14060.850.7204664.32G236829.2421546826.4G3123662.645.6692510.78水壓力P179380423333960P22068.586.7814024.96P3734451.9381153.6P41634.3249.8481454.51浪壓力P1198.2120.4623875.2P2149.1119.8617871.1揚(yáng)壓力U122455.36000U24807.5346.1221627.13U312177.3156.2776351.77U47211.349.13354291.17抗滑穩(wěn)定計算 公式2-1 公式2-2：結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，因本工程屬級工程，取為1.1；：結(jié)構(gòu)系數(shù)，對于水工建筑物，穩(wěn)定校核時，取1.2，應(yīng)力校核時，取1.8；：設(shè)計狀況系數(shù)，對于設(shè)計洪水位，屬短暫狀況，取為0.95；對于校核洪水位，屬偶然狀況，取為0.85；：摩擦系數(shù)，混凝土與基巖之間，取為1.0，混凝土與混凝土之間，取為1.25；：黏聚力，混凝土與基巖之間，取為900KPa，混凝土與混凝土之間，取為1450 KPa；：材料性能分項系數(shù)，對于,取為1.3，對于，取為3.0；R(*)：結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力設(shè)計值；S(*)：荷載效應(yīng)組合值；：作用于滑動面以上的力在鉛直方向投影的代數(shù)和；：作用于滑動面以上的力在水平方向投影的代數(shù)和；A：單位壩段與基巖接觸面面積。 經(jīng)計算，=80852KN=127222.4KN故滿足抗滑穩(wěn)定要求。應(yīng)力計算（計入揚(yáng)壓力） 公式2-3 公式2-4：上游面正應(yīng)力；：下游面正應(yīng)力；B：計算截面沿上下游方向的寬度；：所有外力對計算截面形心彎矩的矢量和。經(jīng)計算，=2948.5KPa=6851.9KPa 故應(yīng)力滿足要求。上游折坡處：表2-2設(shè)計狀況上游折坡面穩(wěn)定應(yīng)力計算：（160m高程處）荷載名稱垂直力(KN)水平力(KN)力臂(m)彎矩(KNm)自 重G123293.226.6619599.12G242131.742.9122182.05水壓力 P13042026790920浪壓力P1198.272.4614362P2149.171.8610714.3揚(yáng) 壓 力U1214527.158129.5U25284.53.518495.75U33217.528.992985.75抗滑穩(wěn)定計算：經(jīng)計算，=31850.47KN=77298.88KN故滿足抗滑穩(wěn)定要求。應(yīng)力計算（計入揚(yáng)壓力）：,經(jīng)計算，=2357.7Pa=6851.9KPa 故應(yīng)力滿足要求。校核洪水位壩基面： 表2-3偶然狀況下壩基面穩(wěn)定應(yīng)力計算荷載名稱垂直力(KN)水平力(KN)力臂(m)彎矩(KNm)自重 G14060.850.4204664.32G236829.2421546826.4G3123662.645.6692510.78水壓力P182240.3142.753515773.25P22933.048.0723669.63P3756051.9389561.4P42313.0148.83112944.28浪壓力P186123.9210657.1P266.6123.578229.8揚(yáng)壓力U126738.88000U24733.3746.1218208.36U311989.466.2775173.91U47100.0549.13348825.46抗滑穩(wěn)定計算：經(jīng)計算，=74174.06KN=124252KN故滿足抗滑穩(wěn)定要求。應(yīng)力計算（計入揚(yáng)壓力）：求得=1037.18KPa，=2907.75KPa,經(jīng)計算， =958KPa=6851.85KPa =2718.75KPa=6851.85KPa 故應(yīng)力滿足要求。上游折坡面（160m高程處）表2-4設(shè)計狀況上游折坡面穩(wěn)定應(yīng)力計算：荷載名稱垂直力(KN)水平力(KN)力臂(m)彎矩(KNm)自 重G123293.226.6619599.12G242131.742.9122182.05水壓力 P132200.31 26.75861358.3浪壓力P18675.926529.1P266.675.575033揚(yáng) 壓 力U12206.8827.159806.455U25436.943.519029.29U33310.3128.995668抗滑穩(wěn)定計算：經(jīng)計算，=30129KN=77015.37KN故滿足抗滑穩(wěn)定要求。應(yīng)力計算（計入揚(yáng)壓力）：,經(jīng)計算，=1926.57KPa=6851.9KPa 故應(yīng)力滿足要求。2.2.2.3實用剖面壩頂寬度=8%10%H=12m考慮壩體的穩(wěn)定在上游側(cè)距壩底60m高處設(shè)一折坡，坡度為1：0.15灌漿廊道距壩底5m，距上游壩面8.5m，廊道寬2.5m，高3.25m2.2.3 泄水建筑物混凝土溢流壩2.2.3.1 堰頂高程壩址巖基狀況良好，故取設(shè)計況下的單寬流量q=90m3/s,則溢流壩前緣總凈寬 L=4800/90=53m，設(shè)計狀況下洪水下泄量來自溢流壩和電站廠房部分。溢流堰取5孔14m，邊墩取2m，閘墩取4m。計算堰上水頭 （設(shè)計狀況下）ho=（）2/3m流量系數(shù) 設(shè)計水頭下取0.49 側(cè)收縮系數(shù) =0.90.95g重力加速度試算得 ho=11.98m校核狀況下Q=LmH2/3Ho=11.98m , =0.941 m=0.49求得Q=6317.5m3/s8500m3/s 故堰頂高程需按校核狀況設(shè)計經(jīng)度算得 H=11.79m時 m=0.51 0.928 Q總=9637.3+200=9837.3m3/s 滿足要求則堰頂高程 H=226m , 正常擋水位230m 取閘門高度5m 230 226+安全超高0.5=4.5m2.2.3.2 溢流壩實用剖面設(shè)計設(shè)計堰上水頭Hd=12.5ma . 溢流面曲線采用WES曲線Xn=KHdn-1yHd定型設(shè)計水頭 Kn 與上游壩面坡度有關(guān)的系數(shù)和指數(shù)（查手冊知k=2, n=1.85）Y=x1.85/(1.97120.85)堰頂點上游采用三段圓弧組成 =0.5Hd=6.25m =0.175Hd=2.19m =0.2Hd=2.5m =0.276Hd=3.45m =0.04Hd=0.5m =0.282Hd=3.53m反孤段設(shè)計查水力學(xué)（下） P53 取=0.9， q=118.14m3/s(校核狀況下泄流量)To- 總有效水頭Hco-臨界水深（校核洪水位閘門全開時反弧處水深）4流速系數(shù)查表取0.9下游尾水位136.22m，故取挑坎高程136.22+12m=138mTo=240.25-140=100.25m試算得上hco=2.03m則及孤段半徑R（610）hco=20m 鼻坎挑角30度2.2.3.3 溢流壩穩(wěn)定應(yīng)力計算校核洪水位情況表25荷載計算荷載名稱垂直力(KN)水平力(KN)自 重G14060.8G2141000水 壓 力P182240.31P27506P32933.04浪壓力P176.44P20揚(yáng) 壓 力U124947.8U27182.4U310656.1動水壓力Px1149.46Py5913.46穩(wěn)定計算：=85514KN=108287.8KN滿足要求設(shè)計洪水位情況表26荷載計算荷載名稱垂直力(KN)水平力(KN)自 重G14060.8G2141000水 壓 力P179380P27344P32350.1P40浪壓力P176.44P20揚(yáng) 壓 力U127211.8U28629.6U310956.4動水壓力Px688.78Py3543.47穩(wěn)定計算：=79800.35KN166.7r/min Da=Di+=592.7cm 公式4-4平面尺寸：ne=250r/min1、定子機(jī)座外徑D1 D1=1.20Da=711.24cm 公式4-52、風(fēng)罩內(nèi)徑D2 St20000KVA D2=D1+2.4m=9.5m 公式4-63、轉(zhuǎn)子外徑D3 D3=Di=524.1cm 公式4-74、下機(jī)架最大跨度 D4=D5+0.6=440cm 公式4-85、推力軸承外徑D6和勵磁機(jī)外徑D7St=53000KVA 查表得 D6=300cm D7=200cm軸向尺寸計算1、定子機(jī)座高度h1ne214r/min 公式4-92、上機(jī)架高度 判別型式 公式4-10 采用懸式發(fā)電機(jī) 上機(jī)架高度 h2=0.25Di=0.25524.1=131.03cm 公式4-113、推力軸承高度 h3、 勵磁機(jī)高度h4、副勵磁機(jī)高度h5、永磁機(jī)高度h6：h3=170cmh4=230cm（其中上機(jī)架高度80cm）h5=100cmh6=80cm4、下機(jī)架高度 h7=0.12Di=62.9cm 公式4-125、定子支座支承面至下機(jī)架支承面或下?lián)躏L(fēng)板之間的距離h8懸式h8=0.15Di=78.6cm 6、下機(jī)架到支承面主軸法蘭底面之間的距離h9=100cm 公式4-137、轉(zhuǎn)子磁軛軸向高度h10，有風(fēng)扇：=+90=244.4cm8、h11=（0.70.9）H 公式4-14 H=h1+h2+h9-h7=1181.23cm h11=0.8H=945cm9、定子鐵芯水平中心線至主軸法蘭盤底面距h12 h12=0.46h1+h10=378.5cm 公式4-154.1.2 發(fā)電機(jī)重量估算 公式4-16 K1：系數(shù)，懸式K1=810，這里取10；發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子重=Gf=160 T4.1.3 水輪機(jī)蝸殼及尾水管 水頭范圍73.26114.55m40m，故采用金屬蝸殼，對于D1=2.75m的高水頭混流式水輪機(jī)，