乌溪江水电站有压引水式地面厂房设计说明书（二）

第 页 共 62 页摘 要乌溪江水电站座落于浙江省乌溪江湖南镇，属于梯级开发电站，根据地形要求，其开发方式为有压引水式。坝区地质条件较好，主要建筑物（砼非溢流坝） ，泄水建筑物（砼溢流坝） ，引水建筑物（有压引水遂洞，调压室） ，地面厂房。水库设计洪水位 238m（千年一遇） ，相应的下泄流量4800m3/s；校核洪水位 240m（万年一遇） ，相应的下泄流量8500m3/s；正常挡水位 232m.本设计确定坝址位于山前峦附近，非溢流坝坝顶高程 242m。坝底高程 112m。最大坝高 130m。上游坝坡坡度 1：0.1，下游坝坡坡度 1：0.80，溢流坝堰顶高程 224.54m。引水遂洞进口位于坝址上游凹口处，遂洞全长 1290m。洞径8.6m，调压室位于厂房上游 260m 左右处，高程 255m 的山峦上，型式为差动式（大、小井分离式） 。厂房位于下游荻青位置。设计水头 96m，装机容量 45.6=22.4万 Kw，主厂房净宽 18m，总长 77.5m。水轮机安装高程 115.78m，发电机层高程 125.5m，安装场层高程 129m（比下游校核洪水位 128 m 略高） 。厂房附近布置开关站，主变等。受地形限制，为了减少开挖量，尾水平台兼作公路用，坝址与厂区通过盘山公路连接，形成枢纽体系。由此可见，本设计是合理可行的。关键词：水利枢纽；挡水建筑物；泄水建筑物；稳定；应力；水轮机；选型；引水隧洞；调压室；厂房；发电引水隧洞。第 页 共 62 页AbstractThe 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 238m ,its corresponding flow amount is 5400m3/s .The check level is 241.5m ,its corresponding flow is 9700 m3/s .The regular water retaining level is 232m .The dam site is near the former saddle .The crest elevation of the non-over-fall dam is 242.51m ,and the base elevation is 112m ,The max height of the dam is 130.51m ,The upstream dam slope is 1:0.2 ,the downstream dam slop is 1:0.7 ,the spillway crest elevation is 226m .The inducer of the seepage tunnel is located at the recess place ,The length of tunnel is 1100m ,the diametric of which is 8.2m .The surge-chamber is located at the mountain , which is 260m 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 94.92m , the equipped capacitor is 17104Kw ,the clean width is 16m , its whole length is 72m . The fix level of the turbine is 115.45 m , and the height lf dynamo is 126.00m , the level of the adjustment bay is 129.70m (higher than the downstream water level ,which is 129.52m) . Near the workshop building , there are switch station and the main transformer and so on .This design layout the bent structure inside the main workshop building and calculate its distributed steel.第 页 共 62 页目 录摘 要 Abstract 第一章 设计基本资料 1.1 流域概况和地理位置 1.2 水文与气象 1.2.1 水文条件 .1.2.2 气象条件 .1.3 工程地质 1.4 交通状况 1.5 既给设计控制数据 第二章 枢纽布置、挡水及泄水建筑物 2.1 枢纽布置 2.1.1 枢纽布置形式 .2.1.2 坝轴线位置比较选择 .2.2 挡水及泄水建筑物 2.2.1 坝高确定 .2.2.1.1 坝顶超出静水位高度h 2.2.2 挡水建筑物：砼重力坝 .2.2.3 泄水建筑物：砼溢流坝 2.3 坝内构造 2.3.1 坝顶结构 .2.3.2 坝体分缝 .2.4 溢流坝消能防冲措施 第三章 水能规划 3.1 水头 Hmax、Hmin、Hr 选择 .3.1.1 Hmax 的可能出现情况（水头损失按 2%计）： .3.1.2、Hmin 的可能出现情况（水头损失按 2%计）： .3.2 水轮机选型比较 3.2.1 HL200 水轮机方案的主要参数选择 3.2.2 HL180 水轮机方案主要参数选择 .3.2.3 HL200 和 HL180 方案比较 3.2.4 水轮机安较高程 第四章 水电站引水建筑物 4.1 引水隧洞整体布置 4.1.1 洞线布置（水平位置） .4.1.2 洞线布置（垂直方向） .4.2 细部构造 4.2.1 隧洞洞径 4.2.2 隧洞进口段 .4.2.3 进水口高程 4.2.4 闸门断面尺寸 4.2.5 进口底高程的计算（以死水位 192m 为准） .4.2.6 隧洞渐变段 .4.2.7 压力管道设计 .4.2.8 调压室设计 .第五章 水电站厂房 5.1 厂房内部结构 .5.1.1 水轮机发电机外形尺寸估算 5.1.4 调速系统，调速设备选择 5.1.5 水轮机阀门及其附件 表 5-3：油压装置外形尺寸 .5.1.6 起重机设备选择 5.2 主厂房尺寸 .5.2.1 长度 5.2.2 宽度 5.2.3 厂房各层高程确定 5.3 厂区布置 .参考书目 第 页 共 62 页第一章 设计基本资料1.1 流域概况和地理位置乌溪江属衢江支流，发源于闽、浙、赣三省交界的仙霞岭，于衢县樟树潭附近流入衢江，全长 170 公里，流域面积 2623 平方公里。流域内除黄坛口以下属衢江平原外，其余均属山区、森林覆盖面积小，土层薄，地下渗流小，沿江两岸岩石露头，洪水集流迅速，从河源至黄坛口段，河床比降为 1/1000，水能蕴藏量丰富。1.2 水文与气象1.2.1 水文条件湖南镇坝址断面处多年平均径流量为 83.0m3/s。实测最大洪峰流量为 5440 m3/s， （ 1954 年） ，千年一遇洪水总量（4 日）为 11.0 亿立方米，洪峰流量为11300m3/s。万年一遇洪水（4 日）总量为 16.2 亿立方米，洪峰流量为16600m3/s。保坝洪水总量为 17.2 亿立方米，洪峰流量为 22000m3/s。表 1-1 坝址断面处（山前峦）水位流量关系曲线水位（m） 122.71 123.15 123.5 124.04 125.4 126.6 128.5流量（m 3/s）10 50 100 200 500 1000 2000水位（m） 130.1 132.6 135.3 137.6 139.8 141.8流量（m 3/s）3000 5000 7500 10000 12500 15000表 1-2 电站厂房处获青水位流量关系曲线水位（m） 115 115.17 115.39 115.57 115.72 115.87 116流量（m 3/s） 10 20 40 60 80 100 120水位（m） 116.13 116.25 116.37 116.47 117.05 117.9 118.5流量（m 3/s） 140 160 180 200 400 700 1000水位（m） 119.45 120.3 121.97 123.2 125.65 127.8 129.8流量（m 3/s） 1500 2000 3000 4000 6000 8000 100001.2.2 气象条件乌溪江流域属副热带季风气候，多年平均气温 10.4，月平均最低气温 4.9，最高气温 28。多年平均降雨为 1710mm ，雨量年内分配极不均匀，4、5、6三个月属梅雨季节，降雨量占全年的 50%左右。7、8、9 月份会受台风过境影响，时有台风暴雨影响，其降雨量占全年的 25%左右。1.3 工程地质库区多高山峡谷，平原极少。地层多为白垩纪流纹斑岩及凝灰岩分布，柱状节理及顺坡向节理裂隙普遍，断裂构造不甚发育，受水库回水影响，可能有局部土滑、崩塌等情况，但范围不会很大，因此库区的岸坡稳定问题是不严重的。唯坝前水库左岸的梧桐口至坝址一段地形陡峭，顺坡裂隙较为发育，经调查有四处山坡因顺坡裂隙切割，不够稳定，每处不稳定岩体为 23 万立方米，在水库蓄水过程中，裂隙中充填物受潮软化，易崩塌、滑落，由于距坝趾较近，在施工过程中应注意安全。库取未发现有经济价值的矿床，仅湖南镇上游破石至山前峦一带有 30 余个旧矿，经地质部华东地质局浙西队调查，认为无经济价值。本工程曾就获青、项家、山前峦三个坝址进行地质勘测工作，经分析比较，选用了山前峦坝址。山前峦坝址河谷狭窄，河床仅宽 110m 左右，两岸地形对称，覆盖层较薄，厚度一般在 0.5m 以下，或大片基岩出露，河床部分厚约 24m。岩石风化普遍不深，大部分为新鲜流纹斑岩分布，局部全风化岩层仅 1m 左右，半风化带厚约212m，坝址地质构造条件一般较简单，经坝基开挖仅见数条挤压破碎带，产第 页 共 62 页状以西北和北西为主，大都以高倾角发育，宽仅数厘米至数十厘米，规模及影响范围均不大，坝址的主要工程地质问题为左岸顺坡裂隙发育，差不多普及整个山坡，其走向与地形线一致，影响边坡岩体的稳定性。坝址地下水埋置不深，左岸为 1126m，右岸 1534m。岩石透水性小，相对抗水层（条件吸水量 0.01L/dm）埋深不大，一般在开挖深度范围内，因此坝基和坝肩渗透极微，帷幕灌浆深度可在设计时根据扬压力对大坝的影响考虑选用。坝址的可利用基岩的埋置深度，在岸 1012m，右岸 69m，河中 68m，详见坝址地质剖面图。坝体与坝基岩石的摩擦系数采用 0.68。引水建筑物沿线为流纹斑岩分布。岩石新鲜完整，地质条件良好。有十余条挤压破碎带及大裂隙，但宽度不大，破碎程度不严重。厂房所在位置地形陡峻，覆盖极薄，基岩大片出露，岩石完整，风化浅，构造较单一。有两小断层，宽 0.50.8m，两岸岩石完好。本区地震烈度小于 6 度。1.4 交通状况坝址至衢县的交通依靠公路，衢县以远靠浙赣铁路。1.5 既给设计控制数据a .校核洪水位：240m，校核最大洪水下泄流量 8500m3/s，相应的水库库容2043.54108m3b .设计洪水位：238.00m，设计洪水最大下泄流量 4800m3/sc .设计蓄水位：232.00md .设计低水位：192.00me .装机容量：45.6 万 Kw=22.4 万 Kwf .砼采用 C20,容重取为 23.5KN/m3,水的容重取为 9.81 KN/m3第二章 枢纽布置、挡水及泄水建筑物2.1 枢纽布置2.1.1 枢纽布置形式因坝址附近河道蜿蜒曲折，多年平均径流量 83.0m3/s，较小；河床坡度比降1/1000，故根地形条件选用有压引水式地面厂房方案。上游山前峦断面布置挡水建筑物及泄水建筑物，大坝右岸上游约 150m 处有天然凹口，在此布置引水隧洞进水口。下游获青处布置地面厂房，开关站等建筑物，具体位置见枢纽布置图。2.1.2 坝轴线位置比较选择根据已知的山前峦坝址地形图，选择两条坝轴线进行方案比较。a 线沿东西向与河道垂直，纵坐标 76350；b 线也沿东西向且与河道垂直，纵坐标 76388。a线总长 440m，穿过左岸较多裂隙；b 线总长 450m，基本避开了左岸裂隙。由于坝轴线增加不多（10m） ，地基处理费用相对多浇注少量混凝土要昂贵的多，所以选择 b 线方案。2.2 挡水及泄水建筑物2.2.1 坝高确定根据水电站装机 22.4 万 Kw，水库总库容 2043.54 亿 m3，属级工程，主要建筑物级别：1 级，次要建筑物级别：2 级，临时建筑物级别：4 级。2.2.1.1 坝顶超出静水位高度hh = h l+ho+hchl：1%情况下波浪涌高；第 页 共 62 页ho：波浪中线高出静水位高度；hc：安全超高； 11320.76*ggdvH:5%情况下波浪涌高。V:风速。d：吹程。该水库缘地势高峻，故采用官厅水库计算公式 Vf =20m/s，D=10Km21%0.36zmhlhc：查水工建筑物 （上）河海大学出版社 P53 表 2-8基本组合： h c=0.7m，特殊组合 hc=0.5m设计洪水位+h 设+hc=239.71m2.2.1.2 坝顶高程=max 校核洪水位+h 校+hc=240.76m取坝顶高程为 240.76m。2.2.1.3 查坝轴线工程地质剖面图，得出可利用基岩最低点高程 112.00m，由此知大坝实际高度为 240.76-112.00=128.76m2.2.2 挡水建筑物：砼重力坝2.2.2.1 基本剖面由于电站形式为引水式，故坝上右侧无有压进水口，上游坝坡坡度不受限制，同时用应力条件和稳定条件公式确定坝底的最小宽度 B/H= 1)2()(/1c联立 B= )(1fKHB：坝底宽度H：实际坝高（基本剖面 H=238-112=126m） c ：坝体材料容重 0 ：水的容重1 ：扬压力折减系数k：基本组合安全系数f：坝体与坝基岩石的摩擦系数，采用 0.68计算得： B=100m根据工程经验，一般上游坡 n=00.2,下游坡 m=0.60.85,坝顶宽约为坝高的第 页 共 62 页0.70.9，故取 n=0.167，上游折坡点高程为 172m；m=0.8 ，下游折坡点高程为224m此时 取 B=111.6m2.2.2.2 实用剖面坝顶宽度=8%10%H=12m灌浆廊道距坝底 5m，距上游坝面 12m，廊道宽 3m，高 3.5m2.2.2.3 稳定及应力计算校核洪水位坝基面：表 2-1 设计状况下坝基面稳定应力计算： G1 4726.32 39.8 188107.54G2 14664 39.8 583627.2G3 25417.6 20 506657.5G4 7050 49.13 346390G5 75576 19 1435944G6 33840 23.8 805392P1 77871.78 42 3270000P2 9417.6 51.32 483319.08P3 727067 4.06 2954P4 582.13 52.6 30592.1浪 压 力 P1 7.22 124 5704U1 25779.83 1.33 34229.2U2 9808.14 50.8 498487扬压力荷 载 名 称水压力自 重垂 直 力 (KN) 水 平 力 (KN) 弯 矩 (KNm)力 臂 (m)第 页 共 62 页抗滑稳定计算综上， W=G1+G2+G3+P2+P4U 1p1-p2= 135689.68knP= 77151.33kn 1.3.715689*.0)( puwfk故满足抗滑稳定要求。应力计算（计入扬压力）= yBW26= y2：上游面正应力；y：下游面正应力；yB：计算截面沿上下游方向的宽度，见上图，取为 111.6m；M：所有外力对计算截面形心的弯矩矢量和。求得 =946.1KPa， =1485.6KPa,yy故应力满足要求。上游折坡面（172m 高程处）第 页 共 62 页表 2-2 设计状况上游折坡面稳定应力计算：垂直力(KN) 水平力(KN) 弯矩(KNm)荷载名称 力臂(m)G1 4726.32 20.8 98307.46 G2 14664 20.8 305011.2 自 重G3 25417.6 0.93 23723.1 P1 21366.18 22 470055.96P2 0 P3 0 水 压 力P4 0 浪压力 P1 7.22 67.8 489.5U1 4176.1 7.6 31738.4 扬 压 力 U2809.3 26 21041.8抗滑稳定计算综上， W=G1+G2U 1U 2=44807.92KNP=P1+P1P 2=22373.4KN 1.27.4.2137)9850(*68. pwfk满足要求M=M1+M2M 3M 1 M2M 1+M2=-95794.36 KN.m y= BW 26=635.9KPay= B 26=1036KPa：上游面正应力；y：下游面正应力；yB：计算截面沿上下游方向的宽度，见上图，取为 53.6m；第 页 共 62 页M：所有外力对计算截面形心的弯矩矢量和。故应力满足要求。2.2.3 泄水建筑物：砼溢流坝2.2.3.1 堰顶高程设计状况下洪水下泄可通过溢流坝和电站厂房两个部分，经过水能规划知，厂房部分下泻流量为 256.8m3/s，故坝体下泻流量为 4543.2m3/s。坝址岩基状况良好，故对于设计洪水位的坝体下泻流量 4543.2m3/s,取设计状况下的单宽流量 q=100m2/s,则溢流前缘总净宽 L 为 45.4m。溢流堰取 4 孔，每孔净宽 10m，考虑到闸墩中设横缝，故闸墩取为 4m，溢流坝每个坝段的长度为10m，故溢流前缘总净宽 L 为 50m，溢流坝总长度 L0 为 66m。计算设计状况下堰上水头：Q=L m H02/3g2m：流量系数 设计水头下取 0.49；：侧收缩系数，一般取为 0.90.95，本设计取为 0.9；g：重力加速度。经计算，H 0 为 12.73m。溢流坝高度取 225.27m。在校核洪水位下 ，不满足要求。故可求得在校核洪水位下，堰顶高程为 221.07m。计算设计状况下堰上水头：正常蓄水位 232m， 所以闸门高度=正常蓄水位堰顶高程+安全超高（0.20.3m） =232 221.07+1=11.93m，考虑到闸门高宽比的要求，结合闸门设计规范，取闸门高度为 12m。2.2.3.2 溢流坝实用剖面设计设计堰上水头 Hd=18.93ma . 溢流面曲线采用 WES 曲线Xn=KHdn-1yHd定型设计水头Kn 与上游坝面坡度有关的系数和指数（查手册知 k=2.0, n=1.85）即溢流面幂曲线方程为 y=0.041x1.85。上游用三段圆弧连接。则 0.282Hd=5.34m 0.276Hd=5.224m 0.175Hd=3.31m R1=0.5Hd=9.465m R2=0.2Hd=3.786mR3=0.04Hd=0.7572m第 页 共 62 页反孤段设计查水力学 （下） P53 取 =0.95， q=118.96m3/s(校核状况下泄流量)20cocohgqTTo：总有效水头；hco：临界水深（校核洪水位闸门全开时反弧处水深） ；：流速系数 查表取 0.95；下游最高尾水位 128.3. m，取挑坎高程 138m试算得：h co=4.15m则反孤段半径 R10h co=41.5m 鼻坎挑角 20 0。2.2.3.3 溢流坝稳定应力计算将溢流坝简化为以下模型第 页 共 62 页设计洪水位：表 2-5 坝基面稳定计算：垂直力（KN） 水平力（KN）荷载名称G1 85657.5G2 7050自重 G3 55225P1 40618.3P2 9417.6静水压力P3 2708.8U1 23613.9扬压力U2 743.7抗滑稳定计算根据抗剪强度公式： 1.39.25.3790)6.41(*68.0)( PUWfK满足要求。正常蓄水位 232m。表 2-5 坝基面稳定计算：荷载 垂直力（ KN） 水平力（KN）第 页 共 62 页名称自 重G 147932.5P1 40618.3P2 8829静 水 压 力 P40扬压力 U1 14420.7U2 8829抗滑稳定计算验算抗剪强度 ： 1.23.3.40618)7.2957(*.)( pWfK满足要求故满足抗滑稳定要求。2.3 坝内构造2.3.1 坝顶结构2.3.1.1 非溢流坝坝顶宽 12m，两边设挡浪墙，兼做坝顶栏杆使用；路面中间高，两边低，呈圆拱状，以便于排水，道路两旁设排水管，具体布置见大图。2.3.1.2 溢流坝为便于布置上游侧检修闸门和工作闸门，溢流坝段坝顶较非溢流坝段向上游伸出，具体尺寸见大图。坝上布置门机轨道，溢流堰上设置两个闸门，上游侧检修闸门，堰顶略下游布置工作闸门。闸墩宽度 4m，故溢流坝段总长 66m，闸门门槽深 1.5m 宽 2m。2.3.2 坝体分缝2.3.2.1 横缝溢流坝段和非溢流坝段纵缝间距均为 25m，具体位置见正图 2.3.2.2 坝内廊道沿坝基帷幕灌浆廊道向上，间隔 25m 布置一层廊道，共分四层，每层纵向廊道布置向下游延伸的横向廊道，并在下游再布置一条或两条、三条纵向贯穿廊道作为连接。非溢流坝段最高的两层靠近按坡的横向廊道贯穿至下游，其余层横向廊道均均不贯穿。灌浆廊道尺寸为 3m3.5m(宽高)，距坝基面和上游面的距离分别为5m、5+4.5m 。其余廊道尺寸宽 1.5m，高 2.2m。为较为充分的减小扬压力，灌浆廊道在满足防渗的基础上尽量靠近了上游，这使得最下层排水管是倾斜布置的，但角度不大，在允许的范围内。2.3.3 坝基地基处理由于坝址处岩基抗渗性较好，故防渗帷幕灌浆处理比较简单。左岸有断层破碎带贯穿整个山坡，故需进行灌桨加固处理，除适当加深表第 页 共 62 页层砼塞外，仍需在较深的部位开挖若干斜并和平洞，然后用砼回填密实，形成由砼斜塞和水平塞所组成的刚性支架，用以封闭该范围内的破碎充填物，限制其挤压变形，减小地下水对破碎带的有害作用。河床段及右岸靠近河床段的裂隙，采用砼梁和砼拱进行加固，具体分法是将软弱带挖至一定深度后，回填砼以提高地基局部地区的承载力。2.4 溢流坝消能防冲措施由于坝址处基岩较好，为了减少造价，采用较为经济的挑流消能这种消能方式。挑距 )(2sincosin1 212112 hgvvgL L：水舌距(m) ；：坎顶水面流速（m/s ）可取坎顶平均流速 的 1.1 倍；1v v：鼻坎挑射角度，本工程为 300；h 1：坎顶平均水深在铅直方向的投影；h 2：坎顶至河床表面高差（m） ；g：重力加速度。计算得 L165.32m。tr= tHhKr1.089.4.2tr：冲刷坑深度；H：上下游水位差；hK：取决于出坎单宽流量 q 的临界水深， 32gqhK：取决于岩石抗冲刷能力的无因次参数，对于中等的岩石 =1.11.4，此处r rK取 1.4；计算得 tr25.68m第 页 共 62 页由于下游基岩质量较好，且水流沿河道较平顺，故抗冲刷措施比较简单。只需在溢流坝与非溢流坝交界处设 2m 宽的导水墙，下游岸坡做简单防浪措施即可。第三章 水能规划3.1 水头 Hmax、Hmin、Hr 选择3.1.1 Hmax 的可能出现情况（水头损失按 2%计）：1、设计洪水位，全部机组发电：由 Q 泄 =4800m3/s 查获青处水位流量关系曲线的下游水位：Z 下 =124.18m，H 毛 =Z 上 Z 下 =113.82mH 净=97.5%H 毛 =110.97m2、 校核洪水位，全部机组发电：由 Q 泄 =8500m3/s 查获青处水位流量关系曲线的下游水位：Z 下 =128.33m，H 毛 =Z 上 Z 下 =111.67mH 净 =97.5%H 毛 =108.53m3、 正常蓄水位，一台机组发电：N=9.81QH=AQH=8.3QH(因为 N=22.4 万千瓦，属中型水电站)试算过程：表 2-1 试算过程Q（ ）sm3Z （m）上 Z (m)下 (m)毛H(m)净 (万 KW)水N20 232 115.17 116.83 112.16 1.9040 232 115.48 116.52 111.86 3.8060 232 115.57 116.43 111.77 5.69