河床式厂房设计.docx

FJD35050 FJD

水利水电工程 技术设计阶段
河床式厂房设计大纲范本

水利水电勘测设计标准化信息网
1996年3月

水电站技术设计阶段
河床式厂房设计大纲

主 编 单 位:
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主 要 编 写 人 员:
软 件 开 发 单 位:
软 件 编 写 人 员:

勘测设计研究院

年 月

目 次

1. 引 言 4
2. 设计依据文件和规范 4
3. 基本资料 5
4. 厂房枢纽布置 7
5. 厂房内部布置 8
6. 厂房整体稳定及地基应力计算 9
7. 厂房基础处理 13
8. 厂房主要结构设计 13
9. 构造设计 13
10. 观测设计 14
11. 技术专题研究 15
12. 工程量计算 15
13. 应提供的设计成果 15

1.引 言

工程位于 , 坝址控制流域面积 km2, 是以 为主, 兼有
等综合利用工程。电站装机容量 MW, 年发电量 MW×h。装机 台, 单机容量 MW, 单机引用流量 m3/s。
本工程初步设计报告于 年 月审查通过。

2. 设计依据文件和规范

2.1 有关本工程的文件:
(1) 工程初步设计报告;
(2) 工程初步设计报告审批文件;
(3) 工程技术设计任务书。
2.2 主要设计规范
(1) SDJ 12-78 水利水电枢纽工程等级划分及设计标准(山区、丘陵区
部分)(试行)及补充规定;
(2) GB 50201-94 防洪标准;
(3) SDJ 278-90 水利水电工程设计防火规范;
(4) SL 74-95 水利水电工程钢闸门设计规范;
(5) SDJ 10-78 水工建筑物抗震设计规范(试行);
(6) SDJ 21-78 混凝土重力坝设计规范(试行)及补充规定;
(7) SD 303-88 水电站进水口设计规范(试行);
(8) SD 335-89 水电站厂房设计规范(试行);
(9) SDJ 173-85 水力发电厂机电设计技术规范(试行);
(10) SDJ 20-78 水工钢筋混凝土结构设计规范(试行)。

3. 基本资料
3.1 工程等级和建筑物级别
本工程为 等工程; 电站厂房为 级建筑物。
3.2 水位与流量
上游:正常蓄水位 m; 设计洪水位 m;
死水位 m; 校核洪水位 m。
下游:正常尾水位 m; 校核洪水尾水位 m;
最低尾水位 m; 检修尾水位 m。
设计洪水尾水位 m; 下游水位～流量关系曲线。
3.3 气象资料
(1) 风速、风向
多年平均最大风速 m/s;
最大风速 m/s; 主要风向 。
(2) 气 温
多年平均温度 ℃;
极端最低温度 ℃;
极端最高温度 ℃;
多年月平均气温, 见表1。
表1 多年月平均气温表 单位:℃
月 份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
平 均

(3) 厂区暴雨强度 mm/min。
3.4 泥沙资料
坝前淤沙高程为 m;
淤沙容重 kN/m3;
淤沙内摩擦角 °。
3.5 基岩物理力学指标
3.5.1 混凝土与基岩面的抗剪断参数
(1) 新鲜基岩:f¢= , c¢= kPa;
(2) 微风化基岩:f¢= , c¢= kPa;
(3) 弱风化基岩:f¢= , c¢= kPa;
(4) 混凝土与基岩间摩擦系数f= 。
3.5.2 软弱夹层、结构面间抗剪断参数
f¢= , c¢= kPa。
3.5.3 基岩极限抗压强度
新鲜基岩 kPa; 微风化岩石 kPa; 弱化岩石 kPa。
3.5.4 各类岩石的变形模量 kPa;
弹性模量 kPa;
泊松比 。
3.6 地震烈度
地震基本烈度为 度;
地震设计烈度为 度。
3.7 机电设备(参见《坝后式厂房设计大纲范本》,《范本》分类号:FJD35020)
3.7.1 水轮机
(1) 水轮机主要参数;
(2) 尾水管、蜗壳单线图;
(3) 水轮机各部件重量和装配图。
3.7.2 发电机
(1) 发电机主要尺寸;
(2) 发电机各部件重量和装配图。
3.7.3 起重机
(1) 厂内起重机轮距、轮压及外形尺寸;
(2) 尾水闸门启闭机轮距、轮压及外形尺寸;
(3) 进水口闸门启闭机轮距、轮压及外形尺寸。
3.7.4 主变压器
主变压器外形尺寸、重量、轮压、运输轨距等。

4. 厂区枢纽布置

4.1 厂区位置选择
河床式电站厂房位置的选择, 一般应考虑如下几方面:
(1) 地形、地质条件;
(2) 泄水建筑物位置及对厂房的影响;
(3) 船闸位置及与厂房相对位置的关系;
(4) 对外交通及输变电线路方向;
(5) 施工导流和分期施工的因素。
4.2 主变与开关站布置
提示:(1)河床式电站高压侧出线一般在下游侧, 主变设置在尾水平台上或厂房一侧, 开关站宜布置在厂房一侧的岸边山坡上。
(2)开关站的位置应考虑泄洪时水雾的影响。
4.3 防沙、排沙设计
4.3.1 拦沙堰设计
提示:根据地形、地质、水流流态确定拦沙堰形式、高程和位置。应做整体模型试验确定。
4.3.2 排沙措施
(1) 排沙型式选择
提示:河床式电站排沙形式主要有两种:
(1)排沙底孔如葛洲坝、天桥电站等;
(2)排沙廊道如大化、八盘峡电站等。
(2) 排沙孔高程和尺寸的确定
提示:排沙孔高程一般比进水口高程低3～10m。排沙孔数量和尺寸由排沙泄量与发电引用流量之比确定, 可根据河流泥沙含量、粒径、水流流态等条件选择。
4.4 防冰、排冰设计
提示:(1)根据冰情和气温条件选择破冰方案、导冰和排冰措施;
(2)破冰方法:人工或机械; 导冰措施:导冰筏或导冰墙;
(3)排冰方法:人工, 或水力, 或机械。

4.5 尾水渠设计
根据地形地质条件、河道流向、泄洪影响、泥沙等情况, 确定尾水渠底坡、导墙高程和长度, 进行导墙稳定计算和护岸形式设计。
4.6 厂区防洪和排水设计
4.6.1 厂区防洪:防洪标准及防洪措施选择
提示:(1)防洪标准根据GB50201-94确定;
(2)厂房防洪措施一般有:尾水平台挡水、厂房下游墙挡水、进厂大门设防洪门、抬高安装间高程、全封闭厂房等。
4.6.2 厂区排水
进行排水量计算、排水沟及排水泵房的布置。
4.7 进厂交通
确定进厂交通方式、高程、纵坡。
提示:进厂交通采取公路或铁路, 其高程应结合厂房防洪措施、厂房布置综合考虑。对下游水位高的河流, 大件垂直运输时, 应设置吊物孔。大件通过坝(厂)顶运输时, 坝(厂)顶宽应满足尺寸要求。铁路纵坡不宜大于2%; 公路坡度一般不宜大于8%,特殊情况不宜大于12%。

5. 厂房内部布置

5.1 主厂房尺寸和高程的确定
提示:在初设阶段厂房布置的基础上, 根据补充的地质资料和最终的模型试验结论, 以及厂家提供的最终资料, 调整修改厂房布置。
5.2 进水口布置
5.2.1 进水口高程
满足最低水位运行时, 流道顶部有一定的淹没水深hk:
hk=C·V·d1/2 (1)
式中:C¾¾系数(一般取0.55～0.7);
V¾¾工作闸门处流速(一般取1.5～2.5m/s), m/s;
d¾¾工作闸门处孔口高度, m。
5.2.2 布置型式选择
(1) 拦污栅形式和尺寸;
提示:(1)过栅流速控制在0.8m/s左右。
(2)拦污栅的布置与污物多少、污物来源及清污设备有关。
(2) 工作门孔口尺寸;
(3) 检修门孔口尺寸
(4) 启闭设备布置;
(5) 坝顶公路宽度、相对布置。
提示:河床式电站水头较低, 进水口布置应尽量减少水头损失, 水流顺畅, 防止涡流, 并满足排沙要求。
5.3 厂房内部布置
提示:根据机电、金属结构、建筑、暖通等专业布置要求, 重新调整厂房内部布置, 绘制厂房布置图。
5.4 地下轮廊设计
河床式厂房地下轮廊线应根据以下几方面因素确定:
(1) 厂房机电设备的布置;
(2) 帷幕灌浆、排水廊道的布置;
(3) 厂房稳定及基底应力的要求;
(4) 厂房进水口底板、尾水管底板结构强度;
(5) 厂房基础工程地质情况。

6. 厂房整体稳定及地基应力计算

6.1 计算原则和假定
(1) 一般按厂房基础面进行抗滑稳定计算。当厂房基础的岩层存在不利于厂房整体稳定的软弱结构面时, 还应进行厂房深层抗滑稳定性计算;
(2) 应分别对中间机组段、边机组段和安装间段进行计算, 有侧向压力作用时, 应进行双向水压力作用下的整体稳定分析和地基应力计算;
(3) 厂房整体抗滑安全系数:
基本组合: 抗剪K³1.1, 抗剪断K¢³3.0
特殊组合: 抗剪K³1.0～1.05 抗剪断K¢³2.3～2.5。
(4) 厂房抗浮安全系数K³1.1;
(5) 厂房地基应力:最大垂直压应力不得超过地基允许应力, 最小垂直压应力不得小于零, 地震情况下拉应力不得超过10N/cm2;
(6) 基础面计算截面积取厂房平面投影面积。
6.2 荷载及组合
6.2.1 荷载计算
(1) 扬压力
作用于厂房底面的扬压力, 可能有图1所示的4种情况, 本工程采取第
种情况。
图1 扬压力计算图

H1 – 上游水深
H2 – 下游水深
H – 上下游水位差
—·— 帷幕中心线
α1、α2-扬压力折减
系数
…… 排水孔线

(2) 地震惯性力
水平地震惯性力分布系数a1如图2所示。
h1为厂房水下部分高, h2为厂房水平部分高。
(3) 波浪压力
波浪高(2h): 2h=0.0208V5/4D1/3
图2
h1 -- 厂房水下部分高度
h2 -- 厂房水上部分高度
波浪长(2L): 2L=10×2h
式中:V¾¾风速, m/s;
D¾¾吹程, km。
(4) 泥沙压力
泥沙容重 kN/m3;
泥沙水下内摩擦角 °。
(5) 土压力
填土高程 m;
填土干容重 kN/m3, 饱和容重 kN/m3;
填土内摩擦角 °。
6.2.2 荷载组合, 见表2
表2 河床式厂房荷载组合
荷载
组合
计算情况
上下游水位
结构
自重
永 久
设备重
水重
回填
土重
静水
压力
扬压力
浪压力
泥沙压力
土压力
地震力

基本

正常运行
上游正常蓄水位
下游最低水位
*
*
*
*
*
*
*
*
*
-
组合

上游设计洪水位
下游设计洪水位
*
*
*
*
*
*
*
*
*
-

特
机组检修
上游正常蓄水位
下游检修水位
*
-
*
*
*
*
*
*
*
-

殊
机组未安装
上游正常蓄水位
下游相应水位
*
-
*
*
*
*
*
*
*
-

组
非常运行
上游校核洪水位
下游校核洪水位
*
*
*
*
*
*
*
*
*
-

合
地震情况
上游正常蓄水位
下游最低水位
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*

提示:(1)机组检修时, 考虑最不利情况, 蜗壳、尾水管均无水;
(2)机组未安装时, 二期混凝土、永久设备重量不计, 只计弯管段、扩散段水重。
6.3 计算公式
6.3.1 抗剪强度安全系数
(4)
6.3.2 抗剪断强度安全系数
(5)
式中:åW¾¾总竖向力;
åP¾¾总水平力;
f¾¾滑动面的抗剪摩擦系数;
f¢¾¾滑动面的抗剪断摩擦系数;
C¢¾¾滑动面抗剪断凝聚力;
A¾¾基础面受压部分的计算截面积, m2。
6.3.3 抗浮安全系数
(6)
式中:åW1¾¾机组段的全部重量;
U¾¾作用于机组段的扬压力总和。
6.3.4 厂房地基面上的垂直应力计算公式
(7)
(8)
(9)
(10)
式中:åW¾¾作用于机组段上全部荷载(包括或不包括扬压力), 在计算截面上
法向分力的总和, kN;
åMx、åMy¾¾分别为作用于机组段上全部荷载(包括或不包括扬压力)对计
算截面形心轴X、Y的力矩总和, kN×m;
x、y¾¾分别为计算截面上计算点至形心轴X、Y的距离, m;
Jx、Jy¾¾分别为计算截面对形心轴X、Y的惯性矩, m4;
A¾¾基础面受压部分的计算截面积, m2。
提示:(1)对岩石地基若存在软弱层面, 需核算深层沿可能组合滑动面滑动的抗滑稳定性。
(2)对非岩石地基, 除应满足地基承载力、稳定要求外, 尚需进行地基变形计算。厂房地基容许沉降量和沉降差, 应以保证厂房结构安全和不影响厂房内机电设备备的正常运用为原则, 根据工程具体情况研究确定。

7. 厂房基础处理

7.1 厂房基础开挖
提示:厂房基础开挖应根据厂房布置、抗滑稳定和应力要求、地形、地质条件以及基础处理措施综合确定。
7.2 厂房基础防渗与排水
提示:确定防渗标准、灌浆深度、范围、孔数、排数等参数。确定排水措施、排水孔间距、深度等。
7.3 厂房基础特殊处理措施
提示:视实际情况选择, 如局部挖除、固结灌浆、混凝土塞、锚筋、锚栓等。
(1)对岩溶地基, 应进行专门处理;
(2)对非岩石地基, 视具体情况, 选择地基处理方案。

8. 厂房主要结构设计

提示:(1)河床式电站厂房底板、进水口、尾水管、蜗壳、机墩、楼板、排架、吊车梁、胸墙、尾水闸墩等主要结构, 可根据工程实际情况, 简化为平面问题进行计算。必要时, 可按空间结构有限元进行分析。
(2)各个构件结构设计, 可参阅各构件单项设计大纲范本。

9. 构造设计

9.1 永久变形缝
提示:机组段分缝, 一般20～30m, 大型电站一机一缝, 中小型电站可两机一缝或三机一缝。
9.2 止水设计
提示:河床式电站厂房止水型式有两种:一是封闭式, 即上、下游止水片插到基岩内; 二是开敞式, 允许蜗壳尾水管外侧缝中有水压, 以改善蜗壳尾水管受力条件。
9.3 混凝土分层分块及标号
提示:厂房分层分块根据厂房结构型式和尺寸, 施工进度, 温控措施及浇筑能力等情况确定。
表3 厂房结构各部位混凝土标号
结 构 部 位
标号(28天龄期)
抗 冻
抗 渗
进水口、尾水管、蜗壳

进口闸墩、尾水闸墩

上、下游胸墙

机墩、风罩、发电机层楼板

排架柱

吊车梁

坝顶公路桥、机架桥

10. 观测设计

10.1 外部变形观测
(1) 水平位移观测
提示:水平位移观测一般采用引张线或视准线法观测, 观测部位一般放在坝顶和基础灌浆廊道内。
(2) 垂直位移观测
提示:垂直位移观测(即沉降观测)标点一般布置在坝顶、尾水平台和基础廊道底板上, 一般采用精密水准测量水准网路。
(3) 变形缝观测
提示:在廊道、竖井或楼梯井中穿过变形缝的部位, 放置机械式测缝设备, 如差动式电阻测缝计。
10.2 内部观测
(1) 基岩变形观测
提示:根据地质情况设置基岩垂直变形观测和夹层错动观测, 与外部观测成果相互补充。
(2) 基础扬压力观测
提示:扬压力观测顺河流方向选取几个断面进行, 设置测压管或渗压计, 一个断面布置5～6个测点。若有软弱夹层时, 一般在夹层处, 还需设置扬压力观测点。
(3) 钢筋应力观测
一般在进水口、蜗壳、尾水管等部位设置钢筋计和应力计。
(4) 温度观测
配合钢筋计以求温度变化与钢筋应力的关系, 一般与钢筋计埋设部位相同。
(5) 其他观测如振动观测、混凝土应变观测、边坡稳定观测等视实际需要选择。

11. 技术专题研究

提示:视工程重要性和必要性选择专题深入研究, 如厂房深层抗滑稳定及工程措施; 水下结构(蜗壳、尾水管等)三维有限元分析; 厂房动力分析和计算; 电站排沙底孔水力学问题; 温度应力与配筋等。

12. 工程量计算

提示:按分项分部位计算工程量;
也可参见坝后式厂房设计大纲范本中工程量计算。

13. 应提供的设计成果

13.1 计算书与报告
(1) 技术设计报告(厂房部分);
(2) 厂房整体稳定及地基应力计算书;
(3) 主要结构计算书;
(4) 专题研究报告(必要时)。
13.2 图 纸
(1) 电站枢纽布置图;
(2) 主、副厂房布置图;
(3) 各部位构筑物的结构布置图;
(4) 主要构件典型钢筋图;
(5) 厂房止水、排水图;
(6) 厂房分层分块和混凝土分区图;
(7) 厂房开挖图及基础处理图。
13.3 工程量汇总表