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水利水电工程专业毕业设计- 1 -中中文文摘摘要要沙溪口水电站计划建在福建省南平市上游的西溪上，是闽江流域的一个梯级电站，属于河床式水电站。本电站主要组成建筑物有溢流坝、非溢流坝、厂房和船闸。坝体型式为混凝土重力坝，溢流坝段布置于河床中部，厂房布置在河床右岸，船闸布置在左岸。非溢流坝坝顶高程 93m，上游面坡度为 1:0.2，下游面坡度 1:0.80，溢流坝堰顶高程 82.78m。溢流坝段全长 340m，设有 18 孔溢流孔，每孔净宽取为17.0 m，沿主河槽宣泄绝大部分洪水。水库正常蓄水位为 88.00m，设计洪水位为 90.00m，校核洪水位为91.00m，死水位为 84.00m。电站设计水头为 10.3m，总装机容量为 320MW，安装有 4 台轴流式水轮发电机组，每台装机容量为 8MW。水轮机型号均为 ZZ560-LH-850，转轮直径为 8.5m，水轮机安装高程 66.47m，发电机层高程 86.005m，取安装场高程与发电机层同高。下游校核洪水位 81.50m，主厂房顶高程为108.00 m，厂房总长 148.2m，宽 74m。220kV 及 110kV 开关站布置在尾水平台右侧。船闸闸室 100m20m2.5m（长宽最小水深） ，位于溢流坝左侧。沙溪口水电站具备发电，航运，过木等的综合效益，是福建电网的骨干电厂。关键词关键词沙溪口水电站、河床式厂房、重力坝、溢流坝、水轮机、发电机、抗滑稳定性、扬压力、轴流式水轮机、发电机层结构设计河床式水电站设计及混凝土蜗壳结构计算AbstractShaxikou Hydropower Station is prepared to built at Xixi stream, upstream the city of Nanping in Fujian Province. It is one of the cascade development in the Minjiang river basin. It is a powerhouse in river channel.The main structures of Shaxikou Hydropower Station is consist of overflow spillway dam, non-overflow spillway dam, powerhouse and lock. The dams are concrete gravity dams. The overflow spillway dam lies in the centre of the riverbed. The powerhouse lies on the right, and the lock is located on the left. The top of the non-spillway dam is at an elevation of 93 meters. The upstream of the dam is vertical, the lower slope degree is 1:0.2,and the upper slope degree is 1:0.80. the crest of the weir is at an elevation of 82.78 meters. The overflow spillway dam is about 340 meters long in total, with 18 openings each of 17 meters wide, discharging most of the flood flow along the main river channel.The normal water lever of the reservoir is 88.00 meters,while the design flood water level of the reservoir reaches at 90.00 meters. The checking flood water level is about 91 meters. And the dead water level is only 84.00 meters.The design cross-head is 10.3 meters. The project has a total installed capacity of 320MW. It houses four axial-flow turbines coupled with generators 8MW each. The type of the turbine is ZZ560-LH-850. The diameter of the turbine is 8.50 meters. The runner setting is at an elevation of 66.47 meters. The generator floor is at an elevation of 86.005 meters. And it is the same with the service or erection bay. However, the checking tailwater lever is 81.5 meters. The top of the powerhouse is at an elevation of 108 meters. And the powerhouse is about 146.2 meters long and 74.0 meters wide. 220KV anf 110KV switchyard is located on the platform at the right side of downstream tailrace.The lock with the dimension of 100m20m2.5m (LWMin.water depth) is located on the left side of the spillway.水利水电工程专业毕业设计- 3 -Shaxikou Hydropower Station has the comprehensive benefits of generating electricity,shipping transportation， navigation afloating woods and etc. It has a very important position in the electricity network of Fujian Province.KEYWORDSShaxikou Hydropowerstation， power house in river channel， concrete gravity dam， over flow dam， combinatory， hydro-generator， stability against sliding， uplift pressure，axial flow type turbine， structure design of generator floor， 河床式水电站设计及混凝土蜗壳结构计算目目录录中文摘要- 1 -ABSTRACT - 2 -目录- 4 -1.1 流域概况.- 6 -1.2 水文气象条件.- 6 -1.3 水库地质.- 9 -1.4 坝址工程地质条件及坝轴线选定.- 10 -1.5 建筑材料.- 13 -1.6 综合利用.- 13 -1.7 枢纽布置.- 14 -第二章 重力坝挡水坝段设计- 15 -21剖面设计.- 15 -211坝顶高程- 15 -21剖面设计.- 16 -211坝顶高程- 16 -212坝顶宽度- 17 -213廊道的布置- 18 -214剖面形态- 18 -22坝体稳定分析和应力校核.- 19 -221设计洪水位时- 19 -222校核洪水位时- 23 -第三章重力坝溢流坝段设计 - 28 -31溢流坝段孔口尺寸拟定.- 28 -32溢流坝段剖面设计.- 28 -321堰顶高程- 29 -322堰面曲线- 29 -323 消能方式 - 30 -33坝体稳定分析和应力校核.- 32 -331设计洪水位时.- 32 -水利水电工程专业毕业设计- 5 -332校核洪水位时.- 35 -第四章 水电站建筑物设计- 40 -41 特征水头的选择.- 40 -42 水电站水轮机组的选型.- 41 -4ZZ460 水轮机方案的主要参数选择- 42 -4ZZ560 水轮机方案的主要参数选择- 45 -4HL310 型水轮机方案的主要参数选择 - 47 -43 蜗壳和尾水管的计算.- 51 -44 发电机的选择与尺寸估算.- 53 -441 水轮机发电机主要尺寸估算- 53 -442 发电机外形平面尺寸估算- 54 -443发电机外形轴向尺寸计算- 55 -444 发电机重量估算- 56 -45 调速器与油压装置的选择.- 57 -451 调速功计算- 57 -452 接力器的选择- 57 -453 调速器的选择- 58 -454 油压装置- 59 -46 厂房起吊设备的选择.- 59 -47 主厂房各层高程及长宽尺寸的确定.- 60 -471 水轮机组安装高程- 60 -472 尾水管地板高程和厂房基础开挖高程- 60 -473 水轮机层地面高程- 61 -474发电机楼板高程和安装场高程- 61 -475 吊车梁轨顶高程- 62 -476 屋顶面高程- 62 -477 厂房总高- 62 -478 主厂房平面尺寸的设计- 62 -48 水电站厂房的稳定计算 .- 63 -第五章 混凝土蜗壳的结构计算- 67 -5.1 内力计算 .- 67 -5.1.1 荷载及其计算 - 67 -5.1.2 载常数计算- 68 -5.1.3 形常数计算 - 68 -5.1.4 内力计算 - 69 -5.2 配筋计算.- 71 -河床式水电站设计及混凝土蜗壳结构计算5.2.1 顶板 - 71 -5.2.2 边墙，按照对称配筋 - 71 -5.3 抗裂计算.- 71 -5.3.1 顶板 - 72 -5.3.2 边墙- 73 -参考文献参考文献 - 74 -后记后记 - 76 - 1.1 流流域域概概况况闽江西溪为福建省最大河流上游的西支，流经福建省十四个县市，与闽江北支建溪汇合于南平市。西溪全长 349 公里，邵武至顺昌段河道坡降 0.9%，已建安沙水电站位于沙溪中游末端，控制集水面积 5184 平方公里。富屯溪干流全长 285 公里，邵武至顺昌段河道坡降 1.3%。其最大支流为金溪，全长 253 公里，地形更为陡峻，河道坡降高达 1.5%，已建池潭水电站位于金溪中游，控制集水面积为 4766 平方公里。沙溪口水电站位于沙溪和富屯溪汇合口下游 6 公里的西溪上，控制集水面积 25562 平方公里制，占闽江流域总面积的 42%，流域内森林茂盛，覆盖良好，有较好的水土保持条件。1.2 水水文文气气象象条条件件1. 水文气象情况水文气象情况西溪的降水量观测，解放前从 1935 年开始，但站点少，资料断续不全，精度较差。1952 年起陆续增设雨量站，到 1978 年已达 162 处，平均 158 平方公里设有一个雨量站。蒸发量观测都是解放后开始，本流域共有 16 个观测站。枢纽区所需的气温，湿度，水温，风向，风力等气象要素的统计，是利用距坝区下游 14 公里的南平站。水文测验：西溪最早于 1938 年 7 月在沙溪的沙县。永安设站观测水位和流量，1939 年相继在宁化清流设水位站。富屯溪以洋口建站最早，于 1944 年 5月设立，其他各站点均在解放前增设。一般都有二十年以上的实测资料。至1978 年沙溪沙县站已积累三十年资料，富屯溪洋口站也有三四十年的实测资料。西溪的花竹站，距沙溪，富屯溪汇合口下游约 4 公里，1953 年 11 月设站。1957 年停测，1960 年 9 月恢复策流至 1966 年 12 月撤消，1979 年恢复观测水水利水电工程专业毕业设计- 7 -位，汛期测流。花竹站是西溪控制站，是本水电站水文计算的主要依据站，但仅有 9 年实测流量资料，而沙县控制站，控制集水面积 9922 平方公里，洋口站控制集水面积 12669 平方公里，两站总面积已控制坝址总面积的 89%左右，其间无大支流汇入，为花竹站水文资料插补展延提供了良好的条件。天然河道水位流量关系曲线，1979 年 3 月在花竹站下游约 1.5 公里鲤鱼洲坝段社坝址上下水尺。同年青洲、莱舟与梯级开发可能的官蟹，照口设水尺，观测水位，至 9 月停测。坝址水尺与花竹站相关，青州，官蟹两组水尺和莱舟，照口两组水尺分别与沙县站和洋口站相关，高水位历史洪水资料控制又分别按集水面积比的 0.67 次方作相应水尺的区间加入水量，接着以史提文撕法外延求得。2. 降水特性降水特性福建闽江西溪流域属亚热带季风气候，雨量充沛，暴雨频繁，由于地形的影响，富屯溪上游为闽北高雨区，沙溪属于闽中低雨区，金溪与富屯溪中下游为两者的过渡带。降雨量地区分布有自东南向北递增的趋势。花竹以上流域实测最小和最大年降水量在 12362348 毫米之间，多年平均降水量 1776 毫米，六月降水最多，约占全年总降水量 37%左右。高风西风槽和地面锋系列相伴出现成锋面雨，是本流域雨季最主要的天气形势，也是暴雨的主要成因，一般台风雨对本流域影响不显著，但强台风与其他天气系统相遇时，容易晾成洪患。3. 气象要素简述气象要素简述（1）气温坝区年平均气温为 19.3 度，月平均气温在 9 度以上，最高气温35.0 度的日数，全年平均为 40.4 天，其中以七八月份为最多。坝区最低气温0 度的天数，全年平均为 7.6 天，以一月份出现的机会最多。坝区极端最高气温 41.0，出现在 1953 年 8 月 1 日，极端最低气温-5.8，发生在 1955 年 1 月 11 日和1963 年 1 月 8 日。（2）湿度和水温本流域气候湿润，坝区年平均相对湿度为 79%，月平均最大达 83%，发生在六月，月平均为 78%，出现在七月。坝区多年平均水温为 20.8 度，极端最高水温达 35 度，极端最低水温为 5.7 度。（3）蒸发西溪花竹以上流域蒸发量以邵武，延宁，将乐，清流，永安，沙县六站观测资料为计算的依据，根据 19521978 年资料求得，多年平均水面蒸发量970.3mm，年最大蒸发量 1092.9mm，年最小蒸发量 888.6mm，年内各月蒸发量河床式水电站设计及混凝土蜗壳结构计算以七月最大，为 144.2mm，二月最小为 38.5mm，陆地蒸发量按水量平衡原理推求，多年平均为 792.7mm。（4）风向风力坝区年平均风速仅为 1.0 秒米，全年各月东北风占优势，定时最大风速实测记录大于 20m/s，出现在 1962 年的 6 月，相应的风向为西南风，发生大风日数以 79 月的频次较多。沙溪口大坝的设计最大风速建议值采用 2530 秒米。4. 径流径流本流域径流形成至降水，花竹站具有 19541956 及 19611966 年实测资料，根据九年实测资料与上下游的沙县，洋口，南平，七里街各站点的流时资料，建立了四种同期上下游年月平均流量的相关图，经比较得选用最大误差较小，且较为简单的插补计算花竹站年月日平均流量，并将花竹站查补延伸而得 1939到 1978 年间的 40 年径流系列。考虑支池潭径流系列较短，从 1954 年起才同步，故坝址多年平均流量采用花竹站 19511978 年流量系列计算得为 778 秒立方米，径流模数为 30.4 万立方米/秒平方公里。花竹站径流年内分配很不均匀，从一月递增，六月最大，占全年流量 24.5%，然后逐月的递减，最小为 12 月，只占全年流量的 2.7%，最大与最小月份比达 9 倍，花竹径流年内分配可见见表 1。表 1-1 花竹站径流年内分配表名称一二三四五六七八九十十一十二全年月平均径流267407618108017302290946606470379288253778占年内比例（%）2.864.366.611.018.315.510.148.495.844.805.892.71100花竹站最小流量可以根据沙县及洋口站 19501978 年实测资料进行插补计算得，最小值在 1968 年，仅为 78.8m3/s。5. 洪水洪水西溪洪水由暴雨形成，特大洪水发生在 46 月，尤其以六月发生机会最多，每年五，六月份由于高空西风槽，低涡特别的活跃，地面低压锋系出现较为频繁，西南方向来的暖湿气流又加强，当两气团在流域上空交汇时，将形成静止锋，不仅降水持久且强度大，这是造成本流域大范围降水主要的天气系统，也是洪水主要成因，本流域距台风源地较远，东南面受博平等山脉的阻挡，一般水利水电工程专业毕业设计- 9 -台风对本流域的影响不大，若强台风与其它天气系统相遇也将会造成洪灾。根据 30 年来的实测资料分析，较大洪水形成原因以及历史特大洪水大部分均属与锋雨造成。本流域洪水历时一次可达 5 至 10 天，一般 5 至 7 天可以包括最大洪量，锋型以 C 复峰及多峰居多。对于入库的洪水，通过计算入库洪峰与天然洪峰的相对增值在 0.25%至 1%之间，可见影响非常小，建议本水电站直接采用坝址设计洪水。坝址洪水过程线，考虑将沙溪与富屯溪的洪水相组合。6. 泥沙泥沙坝址没有实测的资料，考虑采用洋口与沙县两站实测悬移质输沙率多年平均值，经过年径流比推算，以洋口与沙县两站多年平均侵蚀模数综合分析的成果比较推得坝址悬移质年输沙量约为 0.094 公斤/立方米。推移质由于闽北地区无实测资料，可参照新安江罗桐埠站的分析成果，按悬移质的 30%进行估计，推得多年平均总输沙量为 302 万吨。1.3 水水库库地地质质库区位于闽西北的华夏地区，地层以前震旦第建欧群一变质岩和燕山花岗岩体为主。库区地层褶皱多呈复式，以向半构造为主习峰期褶皱形态较复杂，次数褶皱较发育，华力近即光期属于燕山期，大体可分成北东北北东向。北西向和南北向三组，北东向断层多属压性，但也有弹性的，北西向断层多属张性。南北向断层，则是以压性为主。电站所在地区地震基本烈度定位 6 度。渗漏：库区群山环抱，地下分水岭高于水库设计蓄水位。库岔中无碳酸盐类岩石分布，故无渗漏之虑。矿产淹没：未发现有工业价值的矿产，因此不会影响水库的兴建。库岸稳定：已查明，不稳定或滑块体有沙溪口公路上游 600 米右岸及沙溪口公路桥上游的一块，规模估计总计约数万立方米。此两处距坝址约为 7 公里，纵使坍滑对电站也无影响。在绿水坑上游侧 2200 米处，岩层有侏罗系有顺坡向断层构成滑动面。经推算，认为不论是现在或蓄水以后都应该是稳定的。原上坝址右岸距电站厂房约为 500 米，边坡地形较平缓，120 米高程以上坡积层经过多次滑动，已经趋于稳定，下部岩体风化较发育，T4 和附近岩体张开松弛，拉裂，T4 的缓倾角结构面末出坡脚，高程 80 米以下的基岩出露与河库风华岩无露头，片理结构均可延续，边坡下部不存在滑裂面，蓄水后不可能在坡脚长生脆性破裂，酿成严重滑坡。河床式水电站设计及混凝土蜗壳结构计算1.4 坝坝址址工工程程地地质质条条件件及及坝坝轴轴线线选选定定1 坝址选择坝址选择在西溪的花竹，鲤鱼州河段选定两个比较坝址，相距约 500 米，称为上下坝址，选坝会议认为：从地质条件上比较，上下坝址无质的差别，均可修建 50米左右混凝土重力坝，相对下坝址好。并要求对下坝址两岸坝头稳定条件及河库倾角软弱夹层分布和力学性质作进一步查明，以分析其对坝基稳定的影响。综合其它条件，选定下坝址作为沙溪口水电站的坝址。2 选定坝址的工程地质条件选定坝址的工程地质条件坝址地层是由石英片岩、长英片岩和云母片岩所组成，左岸、左河床由石英片岩与云母长英片岩组成。河床礁滩部分及右岸则为云母长英片岩，夹石英片岩和云母片岩。岩性以石英片岩最为坚硬，长英片岩次之，云母片岩最软，但其抗压强度一般也有 500kg/cm2。岩层走向为北东向，倾向下游偏右岸。坝址位于鲤鱼洲向斜的西北翼，构造线以北东北北东为主，被向斜构造多呈小型复式褶皱，背斜较紧密，向斜较舒缓。揉褶多发育在云母片岩之中，断裂以北东北东向较为发育，北北东，北西，北西西次之，断层宽度在0.133.0 米，规模最大的北西，北西西向 F50 断层通过左河槽，宽为 1015 米。断层带由胶结角砾岩压碎岩组成，对工程地质条件影响不大。F50 断层宽 30 米，需作防渗处理。左右岸均无深层滑动可能，左岸控制其过坡稳定的滑动面的为片理面，在坝肩开挖后，坝肩上下游局部地区片理面和顺层撞压带，可能会引起边坡失稳。左岸各种岩面的稳定坡角若坡高为 2030 米，可用 4560。右岸大部由全风化和强风化所组成，其稳定坡角建议为 4045。坝基下游不存在临空地形条件，也没有发现有较缓倾角泥化层和贯穿河床的缓倾角结构面，可以认为基础是稳定的。坝基岩面属于裂隙性的含水层，受构造断裂影响，方向性明显，局部断裂带和断裂影响带为较严重的透水带，经推算得绕坝渗漏和坝基渗漏量约为 500立方米/一昼夜，相对降水层的埋深不大。综上所述，可认为本坝址对于径流式水电站来说是比较理想的坝址。3 坝轴线选定坝轴线选定选定坝址后，对于原拟订三条勘探线的勘 1，因上游临近左河床深潭，潭底最底高程为 44.0 米，同时 1，2 勘线之间河床深槽存在 F50，F6 等断裂聚汇带；3 勘线下游右岸靠近冲沟。为此放弃勘 2 线的上游和勘 1 线的下游作为坝轴线比较范围。将坝轴线比较范围限在勘 2 线勘 1 线之间，且增设 4 线加密勘探，结果认为 4 勘线两岸新鲜基岩利用面较高，尤其右岸在 4 线附近的岩体新水利水电工程专业毕业设计- 11 -鲜坚硬完整，可作为齿墙基础，因此从地质条件分析，认为勘 4 线作为坝轴线是最合适的。4 岩石物理力学性质岩石物理力学性质坝基各类岩石的室内物理性能实验成果见表 12表 1-2 岩石室内物理性能的实验成果容重（g /cm3）近似垂直面抗压强度（kg/cm2）岩石名称数量干湿比重吸水率（%）孔隙率（%）干湿软化系数实验组数石英片岩最大值最小值平均值2.742.722.732.742.732.742.782.762.770.240.110.170.810.720.531992717.21478.81358611.91078.20.860.610.768云母长英片岩最大值最小值平均值2.732.692.712.742.702.722.82.762.780.240.200.220.240.810.521428.11157.71261.2993.2762.2909.40.780.660.727云母片岩最大值最小值平均值2.742.682.712.752.72.742.842.832.840.560.250.390.30.520.411680.5925.81303.2519.9511.2515.60.550.310.422注：1.石英片岩近似平行于理面的两组干抗压强度平均值为 841.2 公斤/平方厘米。2. 云母片近似平行于理面的一组干抗压强度值为 296.7 公斤/平方厘米。坝基是由三种岩性所组成的。在坝体结构及裂隙发育程度并考虑软化系数较低情况建议利用区内岩石抗压强度 1/10，其值可表 13。岩石与岩石，岩石与混凝土之间抗剪强度实验，选取河床微风化新鲜岩石，制备 202020 厘米试样确定，其成果可见表 14。根据室内单点法实验组，结合坝基得地形地质条件分析，摩擦系数可采用算术平均值，乘上折减系数 0.85，粘聚力建议可采用算术平均值的 1/5，见表15。建筑物部位的分段混凝土/岩摩擦系数建议值河床式水电站设计及混凝土蜗壳结构计算 右岸挡水段 f =0.5 船闸 f=0.45 溢流段 f=0.51 厂房段 f=0.50各类岩石变形的模具量建议值如下： 新鲜石英片岩 20104公斤/厘米2 新鲜云母长英片岩 15104公斤/厘米2 新鲜云母片岩 10104公斤/厘米2表 1-3 坝基岩石承载能力列举数值建议数据（公斤/厘米2）岩 性垂直片理岩平面片理岩微风化新鲜的石英片岩10055微风化新鲜的云母长英片岩9045微风化新鲜的云母片岩5010表 1-4 岩石室内实验成果表抗 剪算术平均值图解法最小二乘法岩性实验条件tgYCtgYCtgYC组数岩/岩0.511.020.512.050.482.2718云母片岩混/岩0.572.720.553.10.513.429岩/岩0.532.700.532.770.513.1411云母长英片岩混/岩0.553.02石英片岩混/岩0.582.820.563.16备注分析中舍去少数偏大的成果表 1-5 岩石抗剪强度指标建议值水利水电工程专业毕业设计- 13 - 建 议 值岩石名称边界条件摩擦系数粘聚力（C）公斤/厘米2云母片岩岩/岩0.430.38云母长英片岩岩/岩0.450.54云母片岩混/岩0.480.54云母长英片岩混/岩0.500.6长英片岩混/岩0.550.6F4 岩/岩岩/岩混/岩0.40/1.5 建建筑筑材材料料在坝址附近缺少沙石料。土料在坝址的上下游范围内均有分布。1. 涉沙净沙料场，沙的质量良好，初步估计储量约为 1520 万立方米，运输条件较好，可供工程前期施工时使用。2. 二公里半道口采石场岩石为燕山早期花岗岩，无论质量储量均可满足要求，唯需人工沙作实验论证。3. 土料最优开采地段为下坝址的右岸，高程在 120170 米左右，储量为5060 万立方米以上，质量可满足围堰施工强度要求。1.6 综综合合利利用用本工程以发电为站为主兼顾航运过木，投产后将接入福建省点系统运行。开发本电站主要目的是适应福建省工农用电需要。沙溪口水电站位于闽北电网中心，电站开发主要是向福州，三明，南平等地区供电，其范围主要在闽北，参加全省电力平衡，考虑水口电站投产后，福建华东联网，本电站负担适当的调峰任务。有通航要求，估计近期过坝货运量为 3060 万吨。木材过坝量 1990 年为20 万立方米，2000 年为 50 万立方米。毛竹 500600 万株。要求枢纽设置船闸，满足过木及通航要求。枢纽建成后，因水库小无力承担下游防洪任务，下游无灌溉要求。1.7 枢枢纽纽布布置置由沙溪口的水文地质资料可知，坝址位置设计洪水位 90.00m ，对应下游水位可由下泄流量在流量与下游水位关系曲线查得 79.7.00m ,水头为 10.m 。校核洪水位 91.00m ,同理可查得下游水位 81.50m ，水头为 9.50m ，汛期限河床式水电站设计及混凝土蜗壳结构计算制水位 88.00 m ，设计低水位 84.00m。本电站水头不高，水深较小，水头在20m 左右，水深不足 40m，初步设计选择采用河床式厂房发电；洪水期下泄流量较大，河床较宽，可以选择溢流坝表孔泄洪；两岸山体不高，地质状况一般，选择重力坝挡水；考虑通航过木过竹需要，设置较高通航能力的船闸。考虑河床式水电站枢纽布置特点，为保证洪水季节泄水安全迅速，保证水流流态平稳，防止产生回流，初步将泄水建筑物即溢流坝布置在河床中间。经综合分析，确定了().左岸船闸河床中部溢流坝右岸厂房布置方案，和().左岸厂房河床中部溢流坝右岸船闸布置方案进行比选。().左岸船闸中部溢流坝右岸厂房布置方案考虑主河槽位于左河床靠近左岸 3050m 之间，开挖至弱风化岩层需至 48.00m 高程左右，初步设计布置船闸易于通航需求；沿坝轴线自此至右岸 500600m 之间，开挖至弱风化岩层需至57.00m 高程左右，初步设计选择布置溢流坝和河床式厂房，考虑溢流坝洪水期泄洪不对电厂发电造成影响，其间用重力挡水坝衔接；考虑河流右岸交通便利，山坡较缓，易于出线进厂布置，而将河床式厂房置于右岸，且右岸现有铁路线沿河岸通过坝址，将厂房布置在右岸有利于利用铁路在工程施工时建筑材料的转运及机电设备安装时机电设备的运输。枢纽布置沿坝轴线从左岸至右岸的水工建筑物依次为：重力挡水坝、船闸、溢流坝、重力挡水坝、河床式厂房，开关站初步布置于河道右岸装配厂下游。().左岸厂房中部溢流坝右岸船闸布置方案由于厂房布置在左岸原主河槽处，厂房施工时需开挖土石方较第一种方案小，相对节省工程投资。但由于开关站布置在河岸处，需要大量块石护岸，所以厂房施工开挖所产生的石料可用于开关站地基铺填，因此，在开挖问题上两种方案实际工程费用相差不大。综上，初步设计采用().方案，即左岸船闸河床中部溢流坝右岸厂房方案，并采用重力坝挡水，溢流坝泄洪，底流消能。本工程按水利水电枢纽工程等级划分设计标准，确定工程等别为二等，主要建筑物级别二级，次要建筑物级别三级，临时建筑物级别为四级。水利水电工程专业毕业设计- 15 -第第二二章章 重重力力坝坝挡挡水水坝坝段段设设计计沙溪口水利枢纽河床较宽，初步选择用重力坝挡水，由于重力坝坝体与地基的接触面积大，受扬压力的影响也大。扬压力的作用会抵消部分坝体重量的有效压力，对坝的稳定和应力情况不利，故需采取各种有效的防渗排水措施，以消减扬压力，节省工程量。沙溪口水利枢纽在洪水季节上下游水位均较高扬压力较大，初步设计坝型不能采用基本坝型剖面，需做一定调整。此外，沙溪口坝址处岩石抗剪性能较差，应注意大坝的抗滑稳定分析的研究。基本设计参数基本设计参数：a).水位。水位。上游设计洪水位：90.00m； 校核洪水位：91.00m；正常蓄水位（汛期限制水位）88.00m；下游设计洪水位：79.7m；下游校核洪水位：81.50m；正常蓄水位（一台机组发电）：64.67m。b).坝底高程。坝底高程。坝底高程取未风化岩石边界开挖线 49.00m。c).材料重度。材料重度。混凝土重度可由水工建筑物荷载设计规范取大体积混凝土结构 =24.0 KN/ , 水的重度取 =9.81 KN/。13m03md).岩石抗剪强度。岩石抗剪强度。由沙溪口水电站基本情况简要说明中表 7 得岩石抗剪强度指标建议值知，云母长英片岩与混凝土边界摩擦系数 f=0.5，粘聚力 c=0.6kg/c，K=3.0，K=1.052 1剖剖面面设设计计211坝顶高程坝顶高程坝顶高程由静水位+相应情况下的风浪涌高和安全超高。即：坝顶高程=静水位+h （2-1）式中：h=hl%+hz+hc 式中：hl%累积频率为 1%的波浪高度，m；hz波浪中心线高出静水位的高度，可用 hz =计算，m；mmLHcthLh22%1hc取决于坝的级别和计算情况的安全超高，m；波浪要素 hl%由官厅水库公式计算，得河床式水电站设计及混凝土蜗壳结构计算 3120121020m)vgD(v0076. 0vgh75. 312015. 21020m)vgD(v331. 0vgL式中：hm波浪高，当=20250 时，为累计频率 5%的波高；当20vgD=2501000 时，为累计频率 10%的波高；20vgD V0计算风速，m/s； D风区长度，即吹程，可由坝前水域形状确定，m；2 1剖剖面面设设计计211坝顶高程坝顶高程坝顶高程由静水位+相应情况下的风浪涌高和安全超高。即：坝顶高程=静水位+h （2-1）式中：h=hl%+hz+hc （2-2）式中：hl%累积频率为 1%的波浪高度，m；hz波浪中心线高出静水位的高度，可用 hz =计算，mmLHcthLh22%1m；hc取决于坝的级别和计算情况的安全超高，m；波浪要素 hl%由官厅水库公式计算，得 （2-3） 3120121020m)vgD(v0076. 0vgh （2-4）75. 312015. 21020m)vgD(v331. 0vgL式中：hm波浪高，当=20250 时，为累计频率 5%的波高；当20vgD=2501000 时，为累计频率 10%的波高；20vgD V0计算风速，m/s； D风区长度，即吹程，m；水利水电工程专业毕业设计- 17 -a).设计洪水位情况设计洪水位情况：计算风速 v0取为 20m/s；设计洪水位下吹程 D 为 3. 00km；得 h5%=m01. 181. 920)20300081. 9(200076. 02312121Lm=m54.1081. 920)20300081. 9(30331. 0275. 31215. 21由荷载设计规范查表得 h5%/ hm=1.95, h1%/ hm=2.42，所以 h1%=2.42/1.95h5%=1.26mhz= （2-5）mmLHcthLh22%1= 999. 02 .1426. 114. 32=0.473m hc=0.5m则 h=h1%+hz+hc=1.26+0.473+0.5=2.233m坝顶高程=正常蓄水位+h=85.5+2.998=92.233mb).校核洪水情况校核洪水情况：计算风速 v0取为 16m/s；校核洪水位下吹程 D 为 3. 00km；得 hm=765m. 081. 916)16300081. 9(160076. 02312121Lm=m43. 881. 916)16300081. 9(16331. 0275. 31215. 21由荷载设计规范查表得 hp5%/ hm=1.95, hp1%/ hm=2.42 所以 h1%=2.42/1.95h5%=2.89/1.92hm=0.95mhz= hc=0.4mmmLHcthLh22%1m336. 0999. 043. 895. 014. 32则 h=h1%+hz+hc=0.95+0.336+0.4=1.686m坝顶高程=正常蓄水位+h=91.00+1.686=92.686m坝顶桥梁采用装配式钢筋混凝土结构，桥下会有过流，为使工作桥与水流保持一定距离。并考虑其他因素，取重力坝坝顶高程取 93.00m河床式水电站设计及混凝土蜗壳结构计算212坝顶宽度坝顶宽度非溢流坝的坝顶宽度一般可取为坝高的 8%10%（即 2.723.4） ，且不小于3m。由本水利枢纽非溢流坝坝高=93.00-49=44m 可初步取坝顶宽度为 4m，为了满足设备布置和双线交通的要求，最终选定坝顶宽度为 10m。213廊道的布置廊道的布置坝体内灌浆廊道上游壁到上游坝面的距离应不小于 0.050.10 倍水头，且不小于 45m，取 4m，宽度 2.53m，取 2.5m。高度 34m，取 3m。坝体纵向排水检查廊道考虑坝高较小，只设基础排水廊道，高取 2m，宽取 1.5m。灌浆廊道距离基岩面距离不宜小于 1.5 倍底宽，即 1.52.5=3.75m，取 4m。214剖面形态剖面形态因本水利枢纽坝址摩擦系数较小，所以不能按常规坝体设计。1. 按应力条件确定坝底最小底宽（取=0.125）mHBc14.3025. 0)125. 02(125. 0)125. 01 (81. 92444)2()1 (10 （2-6）其中，30/81. 9mKN3/24mKNC25. 01河床底高程 49m，H=93-49=44m2. 按稳定条件确定坝底最小底宽 （2-7）mfKHBc8 .3925. 0125. 081. 9245 . 04405. 110其中，K=1.05，f=0.5,其余同上。取坝底宽度 40m。取上游折坡点为 69.0m。 上游坡 n=0.2，下游坡 m=0.8水利水电工程专业毕业设计- 19 -图 2-1 挡水坝段剖面图2 2坝坝体体稳稳定定分分析析和和应应力力校校核核221设计洪水位时（设计洪水位时（）mHm7 .30,41H212 2 1 1荷荷载计载计算算自重自重顺时针逆时针逆时针mKNMmKNMmKNMKNwKNwKNw.51840.152064.1856086408 . 0/24)1640(5 . 012672241244960242045 . 03212321水压力水压力上游水压力逆时针逆时针顺时针mKNMmKNMmKmMKNpKNpKNHpyyxyyx.08.1648.6 .8109.835.1268504.82481. 9)6990(44 .39281. 92045 . 0305.8245)4990(81. 95 . 0212121221河床式水电站设计及混凝土蜗壳结构计算下游水压力顺时针逆时针）（mKNMmKNMKNpKNHpyxyx.65.251086.79.7473073.3369881. 9.8049.7795 . 01.94622)49.779(81. 95 . 0212222 扬压力扬压力 由于扬压力较大，坝体设有防渗帷幕和上下游主副排水系统，由规范DL5077-1997，坝基面渗透压力扬压力强度系数为： =0.25 =0.20 =0.50012图 2-2 设计洪水位时扬压力分布图水利水电工程专业毕业设计- 21 -顺时针顺时针顺时针mKNMmKNMmKNMMKNuKNuKNuKNu.388.909.494.5860.02.33550694.45481. 9575. 2365 . 0129.30381. 98)575. 23 .10(5 . 039.18681. 9575. 28348.1325181. 9447 .3043214321浪压力浪压力图 2-3 设计洪水位时浪压力分布图坝前水深 Hm=41mLm/2=5.27m，为深水波PL=r0（LL+2hL+h0）LL/2- r0（Lm/2）2 =9.81(5.27+1.26+0.473)5.27/2+9.815.27/227. 5 =181.03-136.23=44.80kN M=181.03顺时针mKN.193.1783809.5106002.689049.3723.13606.382 2 1 2挡挡水重力水重力坝坝的的稳稳定定分析分析表 2-1 设计洪水时坝基面上荷载计算河床式水电站设计及混凝土蜗壳结构计算抗滑稳定计算抗滑稳定计算1)抗剪强度 05. 177. 1)(195.3667209.12991KPUWfKKNPKNUW2)抗剪断强度公式 345.1144106 . 0209.129912 . 1)(3KPPACUWfK所以满足抗滑稳定。分项系数法进行挡水坝段稳定分析分项系数法进行挡水坝段稳定分析作用力作用力引起的弯矩序号作用类别作用方向计算结果单位作用方向力作用点计算结果 单位1960+19.318560212672+121520641自重38640+651840KN.m水平向8245.30+137112685.8竖直向 1392.4+20.78109.62上游侧静水压力竖直向 2824.04+2016480.8KN.m水平向4622.91-10.2 47307.783下游侧静水压力坚直向3698.33+ 13.81 51086.3KN.m113251.4-002186.39-183355.023303.129-19.35860.54扬压力4454.694-2909.4KN.m浪压力 1181.03+ 38.06 6890.0025浪压力 2136.23KN- 37.49 5106.81KN.m水利水电工程专业毕业设计- 23 -S(*)=8245.305-4622.91+1.2(181.03-136.23)=3676.155KN960+12672+8640+392.4+824.04+3698.33-13251.4-186.391.1-W303.1291.1-454.694!.2=12851.32KNR(*)=KNACcWffRR82.1374244360032.128513 . 15 . 0KNRd35.11452(*)35.3492155.367695. 010满足坝段稳定。水平截面上的边缘正应力水平截面上的边缘正应力=12991.209kNmM W=15001.984kN B=44m上游面垂直正应力=026BMBWy75.34144209.12991644984.1500122/mkN下游面垂直正应力=02 6BMBWy22/755.24844209.12991644984.15001mkN边缘为压应力，所以也是稳定。222校核洪水位时校核洪水位时（）mHmH5 .32,42212 2 2 1荷荷载计载计算算自重自重顺时针逆时针逆时针mKNMmKNMmKNMKNwKNwKNw.51840.152064.1856086408 . 0/24)1640(5 . 012672241244960242045 . 03212321河床式水电站设计及混凝土蜗壳结构计算水压力水压力上游水压力逆时针逆时针顺时针mKNMmKNMmKNMKNpKNpKNHpyyxyyx.6 .17265.68.8122.88.12113328.86381. 9)6991(44 .39281. 92045 . 042.8652)4991(81. 95 . 0212121221下游水压力顺时针逆时针）（mKNMmKNMKNpKNHpyxyx.55263.48.56126725.414481. 9.80495 .815 . 091.5180)495 .81(81. 95 . 0212222 扬压力扬压力 由于扬压力较大，坝体设有防渗帷幕和上下游主副排水系统，由规范DL5077-1997，坝基面渗透压力扬压力强度系数为： =0.25 =0.20 =0.50012水利水电工程专业毕业设计- 25 -图 2-3 校核洪水位时扬压力分布图顺时针顺时针顺时针mKNMmKNMmKNMMKNuKNuKNuKNu.755.838.99.5395.02.33550378.41981. 9375. 2365 . 0585.27981. 98)375. 25 . 9(5 . 039.18681. 9375. 283 .1402881. 9445 .3243214321浪压力浪压力河床式水电站设计及混凝土蜗壳结构计算图图 2-4 校核洪水位时浪压力分布图坝前水深 Hm=42mLm/2=4.22m，为深水波PL=r0（LL+2hL+h0）LL/2- r0（Lm/2）2 =9.81(4.22+0.95+0.336)4.22/2+9.814.2/222. 4 =113.87-87.35=26.52kN （2-8）M=113.87顺时针mKN.28.108825.342353.451119.3935.8762.392222挡挡水重力水重力坝坝的的稳稳定分析定分析表 2-2 校核洪水时坝基面上荷载计算作用力作用力引起的弯矩序号作用类别作用方向计算结果单位作用方向力作用点计算结果 单位1自重1960+19.318560KN.m水利水电工程专业毕业设计- 27 -抗滑稳定计算抗滑稳定计算1)抗剪强度 （2-9） 05. 182. 1)(03.3498752.12758KPUWfKKNPKNUW2） 抗剪断强度公式 392.1103.349844106 . 0752.127582 . 1)(3KPACUWfK （2-10）满足抗滑稳定条件。分项系数法进行挡水坝段稳定分析分项系数法进行挡水坝段稳定分析S(*)=8652.42-5180.91+1.2(113.87-87.35)=3503.334KN960+12672+8640+392.4+863.28-14028.3-186.391.1-279.5851.1-W212672+1215206438640+651840水平向8652.42+14121133.9竖直向 1392.4+20.78122.682上游侧静水压力竖直向 2863.28+2017265.6KN.m水平向5180.91-10.8 56126.483下游侧静水压力坚直向4144.73+ 13.3355263KN.m114028.3-002186.39-183355.023279.585-19.35395.94扬压力4419.378-2838.755KN.m浪压力 1113.87+ 39.62 4511.535浪压力 287.35- 39.19 3423.25KN.m河床式水电站设计及混凝土蜗壳结构计算419.378!.2=12642.262KNR(*)=13662.41KN （2-11）ACcWffRR44360026.126423 . 15 . 0KNRd34.11385(*)35.3492155.367695. 010满足坝段稳定。水平截面上的边缘正应力水平截面上的边缘正应力=13223.834kNmM W=12758.752kN B=44m上游面垂直正应力= （2-12）26BMBWyaP96.33044.834.13223644752.127582下游面垂直正应力= （2-13）2 6BMBWy22/99.24844834.13223644752.12758mkN边缘为压应力，所以也是稳定。水利水电工程专业毕业设计- 29 -第第三三章章 重重力力坝坝溢溢流流坝坝段段设设计计3 1溢溢流流坝坝段段孔孔口口尺尺寸寸拟拟定定溢流坝既是泄水建筑物，又是挡水建筑物，既要满足稳定强度要求，又要满足水力条件要求。要有足够的下泄能力，使水流平顺的流过坝面，避免产生振动和空蚀。应使下泄水流对河床不产生危及坝体安全的局部冲刷，不影响枢纽中其他建筑物的正常运行。设计洪水流量 20500 m3/s，设计洪水位为 90m，一台发电机 N=8 万千瓦。根据公式： 8.5QH=N （3-1）式中 N一台机组的装机容量 Q洪水流量 H水头求得 Q=229.56，因为共有 4 台机组，4Q=918.22，故取单宽流sm /3sm /3量 q=70m2/s。 设计工况下， Q =20500 m3/ss则 Q=Q - Q 0=20500-0.9918.22=20300m3/s （3-2） s式中 Q 通过枢纽下泄流量；sQ 0通过泄水孔、水电站及其他建筑物的下泄流量；系数，正常运用时取 0.75 至 0.9，校核情况取为 0.9。则溢流前缘总净宽 L=Q/q=20300/70=281.1m，取 290m。取孔数 n 为 18 孔，溢流坝孔口形式采用初步设计采用开敞式溢流堰，则每空净宽 b=L/n=290/18=16.1m，取 17.0m 。溢流堰闸门采用横轴弧形闸门，考虑将横缝布置在闸孔中间，则闸墩厚度可取稍薄一些，取 d=2m。则溢流前沿总净宽 L0=L+(n-1)d=nb+(n-1)d=1817+172=340m。 （3-3）3 2溢溢流流坝坝段段剖剖面面设设计计溢流坝基本剖面的确定原则与非溢流坝相同，剖面除应满足强度、稳定和河床式水电站设计及混凝土蜗壳结构计算经济条件外，其外形尚需考虑水流运动要求。通常它也是由基本三角形剖面修改而成，内部与非溢流坝段相同。溢流面由顶部溢流段、中部直线段及鼻坎组成，上游面为椭圆曲线。321堰顶高程堰顶高程根据公式， 求得 （3-4）2/30H2gmLQ 95., 5 . 0mmH68. 90根据 V=Q/A，求得 V=6.93m/sH= （3-5）mgVH22. 781. 9293. 668. 92220堰顶高程=90-7.22=82.78m。322堰面曲线堰面曲线我国现行采用的为美国 WES 曲线，其曲线方程为：y= （3-6）1ndnkHxHd为定型设计水头。由于校核洪水位为 91m，堰顶高程为 82.78m，所以， Hmax=8.22；k、n 为上游mmd7H,)809. 7165. 6(22. 8)95. 075. 0(Hd取堰面坡度有关的系数。采用 WES5 型曲线。k=2，n=1.85 。得：1.850.096xy 1) 堰顶下游曲线与直线段的切点坐标，根据cxyddxy25. 1,25. 1得，最终解得 x=9.922，y=6.700，直线方程：y=1.25x-5.7025. 1,1776. 085. 0yxy2） 堰顶上游采用椭圆曲线连接 （3-7） 12222dddbHybHaHx0.17ba3a,0.87a/b0.3a,30. 028. 0，得代人，取a水利水电工程专业毕业设计- 31 -椭圆方程为1416. 119. 141. 422yx3） 弧段由于电站所处位置为头较低，可选用底流消能
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