1、摘 要21m,总长58m。水轮机安装高程116.32m,水轮机层地面高程118.76m,发电机层高程125.27m,装配场层高程130.00m,高于下游校核洪水位129.50mAbstractThe 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
2、 . 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 check level is 23
3、9.5m ,its corresponding flow is 9700m3/s . The design water level is 238.2 m ,its corresponding flow amount is 5500 m3/s. The regular water retaining level is 231.5m .The dam site is near the former saddle .The crest elevation of the non-over-fall dam is 241 m ,and the base elevation is 113.0m ,The
4、max height of the dam is 128m , The upstream dam slope is 1:0.2 ,the downstream dam slop is 1:0.76 ,the spillway crest elevation is 225m .The inducer of the seepage tunnel is located at the recess place ,The length of tunnel is 1200m ,the diametric of which is 9.1 m .The surge-chamber is located at
5、the mountain , which is 200m 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 99.38 m , the equipped capacitor is 44.5 =18kw ,the clean width is 21m , its whole length is58m . The fix level of the turbin
6、e is 116.32 m , the height of hydraulic trbine is 118.76m, and the height of dynamo is 125.27m , the level of the adjustment bay is higher, (and higher than the downstream water level 129.50m) . So it isnt necessary to set up in the lower reaches of the retaining wall.Near the workshop building , th
7、ere are switch station and the main transformer and so on .In addition, the design structure of the surge tank is also calculated and plotted the surge tank layoutKey words: water control; water retaining structures; discharge structure; stability; stress; turbine; selection; diversion tunnel; surge
8、 chamber; plant.目录摘 要1Abstract2第一章 设计基本资料61.1 流域概况和水电站位置61.2 水文与气象61.2.1 水文条件61.2.2 气象条件91.3 湖南镇工程地质91.4当地建筑材料101.5 交通状况101.6既给设计控制数据10第二章 水能规划112.1特征水头、的选择112.1.1 Hmax 的选择112.1.2 Hmin 的选择122.1.3 平均水头的确定132.1.4设计水头Hr的确定142.2水轮机型号选择142.2.1HL200型水轮机方案主要参数选择142.2.2 HL180型水轮机方案主要参数选择162.3 水轮机方案的比较分析18第三
9、章 枢纽布置、挡水及泄水建筑物193.1 非溢流坝193.1.1剖面设计193.1.2 廊道及排水布置223.1.3稳定与应力校核233.2 混凝土溢流坝363.2.1 溢流坝孔口尺寸的确定363.2.2 溢流坝堰顶高程的确定373.2.3 闸门的选择373.2.4 溢流坝剖面373.2.5 溢流坝稳定验算40第四章 水电站厂房444.1 厂房内部结构444.1.1 发电机外形尺寸估算444.1.2 发电机重量估算464.1.3 水轮机蜗壳及尾水管474.1.4 调速系统,调速设备选择494.2 主厂房主要尺寸的确定514.2.1主厂房长度的确定514.2.2主厂房宽度的确定524.2.3主厂
10、房高程的确定53第五章 引水建筑物555.1 隧洞细部构造555.1.1 隧洞洞径555.1.2隧洞进口段565.1.3 隧洞进口顶部高程,底部高程575.3 压力钢管内径设计57第六章 调压室设计586.1设置上游调压室的条件586.2 调压室的稳定断面586.2.1设计洪水位586.2.2 设计低水位616.2.3水轮机最大引用流量时的水头损失626.2.4稳定断面计算646.3调压室方案比较646.3.1差动式调压室646.3.2阻抗式调压室676.3.3调压室选型的确定69第七章 厂房构架设计707.1吊车梁设计707.1.1.初步拟定截面尺寸707.1.2作用荷载计算707.1.3
11、内力计算717.1.4 内力计算727.2厂房排架设计777.2.1 截面尺寸确定777.2.2 荷载计算787.2.3 内力计算787.2.4 配筋计算80第一章 设计基本资料1.1 流域概况和水电站位置 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。 流域内已建成二卒水电站,第一级为湖南镇水电站,坝址位于衢县境内乌溪江区山前峦处,坝址以上流域面积
12、为2151平方公里。第二级为黄坛口水电站,坝址位于衢县黄坛口公社。坝址以上流域面积为2328平方公里。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83.0立方米/秒。实测最大峰流量为5440立方米/秒(1954年),千年一遇洪水总量为11.0立方米,洪峰流量为11300立方米。万年一遇洪水总量16.2亿立方米,洪峰流量为16600立方米/秒。保坝洪水总量17.2亿立方米,洪峰流量为22000立方米/秒。表1-1 坝址断面处山前峦水位流量关系曲线水位(m)122.71123.15123.5124.04125.4126.6128.5流量(m3/s)105010020050
13、010002000水位(m)130.1132.6135.3137.6139.8141.8流量(m3/s)300050007500100001250015000图1-1 坝址断面处山前峦水位流量关系曲线表1-2 电站厂房处获青水位流量关系曲线水位(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)119.45120.3121.97123.2125.65127.812
14、9.8流量(m3/s)15002000300040006000800010000图1-2 狄青处水位流量关系曲线 表1-3 水库水位面积、容积曲线()()()1.2.2 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1710毫米,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,7,8,9三个月受台风过境的影响,是有台风暴雨出现,其降雨量约占全年的25左右;1.3 湖南镇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
15、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
16、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,其走向与地形地线一致,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,故坝基和坝肩渗透极微,帷幕灌奖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
17、岩的埋置深度,在岸1012m,右岸69m,河中68m,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当地建筑材料本工程需要砾石约186万立方米,砂67万立方米。经勘测,砂的粒径偏细,砾石超粒径的含量偏多,其他指标均能满足要求,但坝址附近几个料场的储量不能完全满足设计要求。故不足的砂石料用轧石解决,轧石料场选在大坝左岸距坝址0.812公里范围内。
18、不足的砂料用楼里村附近的几个料场补充,距坝址2.53公里。1.5 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。1.6既给设计控制数据a .校核洪水位:239.5m,校核最大洪水下泄流量9700m3/s,相应的水库库容1947.5108m3b .设计洪水位:238.2m,设计洪水最大下泄流量5500m3/sc .设计蓄水位:231.50md .设计低水位:191.00me .装机容量:44. 5Mw,即18万kw第二章 水能规划2.1特征水头、的选择 (水头损失按 3%计) (2-1)式中:上游水位,m;厂房处下游水位,m。2.1.1 Hmax 的选择1.校核洪水位,全部机组发电:由Q
19、泄=9700m3/s查水位流量关系曲线的下游水位:Z下=129.5m,=106.7m2.设计洪水位,全部机组发电:由Q泄=5500m3/s查水位流量关系曲线的下游水位:=125.0m,=111.1m、3.正常蓄水位,上游水位 Z上=231.5m,机组运行有两种情况:1)四台机组运行装机容量 NI=445MW=18kwN=KQH,取K=8.3,水电转化效率 =0.846,,=发电水轮机,N=9.81QHN=9.81Q(231.5Z下)0.846表2-1 经试算得 Q=195,Z下=116.69m,H正常4 =97%(231.5-116.69)=111.37m2)一台机组运行装机容量 =45MW=
20、4.5kwN=9.81Q(231.5- Z下)0.846表2-2经试算得 Q=48.1,Z下=115.46m,H正常1 =97%(232-115.46)=113.04 m综上可得,Hmax =113.04m2.1.2 Hmin 的选择(1)Hmin出现在最低水位时机组全部发电,上游最低水位Z上=191.0m装机容量 =445MW=18kwN=9.81Q(191.0- Z下)0.846 表2-3 经试算得 Q=302,Z下=116.93m, Hmin=97%(192-116.97)=71.85m(2)设计低水位时1台机组发电,装机容量 =145MW=4.5kwN=9.81Q(191.0- Z下)
21、0.846试算过程如下表所示:表2-4 经试算得Q=74.5,Z下=115.9m, H死1=97%(191.0-115.9)=72.85m2.1.3 平均水头的确定=5%+10%+50%H正常4 +5%H正常1+20%Hmin +10%H死1 (2-2)=99.38m2.1.4设计水头Hr的确定对于引水式水电站,设计水头: =99.38m2.2水轮机型号选择已知该水电站的水头变化范围71.85112.82m,查水电站教材型谱表(P79 表3-6)可得合适的水轮机型有HL200, HL180两种。现将这两型水轮机作为初选方案,分别求出其有关参数,并进行比较分析,以确定适合选用的水轮机型。水轮机额
22、定出力:(对于大中型发电机) (2-3) Nr=4500098%=45918 kW2.2.1HL200型水轮机方案主要参数选择(1)转轮直径查水电站表3-6得,限制工况下单位流量,效率,由此初步假定原型水轮机在此工况下的单位流量Q1=Q1M=0.95m3/s,假定效率91。设计水头=99.38m (2-4)取与之接近而偏大的标称直径D1=2.50m(2)转速n计算查水电站表3-4可得,HL200 型水轮机在最优工况下的单位转速,初步假定 (2-5)取与之接近而偏大的同步转速n=300 r/min(3)效率及单位参数修正 HL200最优工况下,模型转轮直径,则原型效率为: (2-6)则效率正修正
23、值93.490.7%-1%=1.7%其中,考虑到模型与原型水轮机在制造工艺上的差异,在修正值中减去1%。=90.7%+1.7%=92.4%将重新代入公式(1-4)求:仍取转轮直径D1=2.50m。单位转速n的修正值: (2-7)故单位转速n可不加修正,也可不加修正。综上可得 : =91.1%,D1=2.50m,n= 300 r/min(4)工作范围的检验在已知=98.33m, =545918KW的条件下得: (1-8)与特征水头、相对应的单位转速为: (2-9) (2-10) n (2-11) 在HL200型水轮机的模型综合特征曲线上分别绘出70.61r/min, 88.48r/min和Q1m
24、ax=843L/s的直线,这三根直线所围成的区域就是水轮机的工作范围,仅包含了一部分的高效区。(5)吸出高度Hs计算由水轮机设计工况下的参数 ,Q1max=843L/s,从HL200综合特性曲线上查得,由水电站P52图2-26可查得。由坝址处多年平均流量83.0m3/s,可查表得: 115.74m;故可得: (2-12) 式中:水轮机安装位置的海拔高程,初始计算取下游平均水位高程,即 模型气蚀系数 气蚀系数修正值 水轮机设计水头 可见,HL200型水轮机方案的吸出高度满足电站要求。2.2.2 HL180型水轮机方案主要参数选择(1)转轮直径查水电站表3-6得,限制工况下单位流量=860L/s=
25、0.86m3/s,效率,由此初步假定原型水轮机在此工况下的单位流量,假定效率92。设计水头取与之接近而偏大的标称直径D1=2.50m(2)转速n计算查水电站表3-4可得单位转速,HL180 型水轮机在最优工况下的单位转速初步假定,则:=267.8r/min取与之接近而偏大的同步转速n=300 r/min(3)效率及单位参数修正 HL180最优工况下,模型转轮直径,则原型效率为:则效率正修正值94.392%-1%=1.3%其中,考虑到模型与原型水轮机在制造工艺上的差异,在修正值中减去1%。=92%+1.3%=93. 3%将 重新代入公式(1-4)求:m仍取转轮直径D1=2.50m。单位转速n的修
26、正值:故单位转速n可不加修正,也可不加修正。综上可得 : =90.8%,D1=2.50m,n= 300 r/min(4)工作范围的检验在已知=99.83m, =45918KW的条件下得:则水轮机最大引用流量:与特征水头、相对应的单位转速为: n 在HL180型水轮机的模型综合特征曲线上分别绘出70.61r/min, 88.48r/min和Q1max=845L/s的直线,这三根直线所围成的区域就是水轮机的工作范围,仅包含了一部分的高效区。(5)吸出高度Hs计算由水轮机设计工况下的参数,,Q1max=847L/s,从HL180综合特性曲线上查得,。由坝址处多年平均流量83.0m3/s,可查表得:1
27、15.74m;故可得:=-0.17m-4m可见,HL180型水轮机方案的吸出高度满足电站要求。2.3 水轮机方案的比较分析为了便于比较分析,先将这两种方案的有关参数列入表1-5中表2-5 水轮机方案参数对照表由上表可见,两种机型方案的水轮机转轮直径相同,均为2.5米。HL180型水轮机方案的工作范围包含了较多的高效率区域,运行效率较高,气蚀系数较小,安装高程较高,有利于提高年发电量和减小电站厂房的开挖工程量; HL200型水轮机方案机组转速较高,有利于减小发电机尺寸,降低发电机造价。综合分析后,初步选定HL180型方案较为有利。第三章 枢纽布置、挡水及泄水建筑物3.1 非溢流坝3.1.1剖面设
28、计3.1.1.1基本剖面设计1、坝高的确定表3-1 吹程及风速计算表(1)按基本组合(正常情况)计算: 为累计频率为的波浪高度0.0076 查水工建筑物课本P37表2-12,得则查表2-12得 则大坝级别1级 正常情况2.18m 坝顶高程设计洪水位+h设238.2+2.18=240.38m(2)按特殊组合(校核情况)计算: 为累计频率为5%的波浪高度0.0076 由水工建筑物表212 查得1.95则 0.69m大坝级别1级 非正常情况计算结果如下:=1.43m坝顶高程校核洪水位+h校240.93m综上:坝顶高程取为241 m。2、坝底宽的确定由于电站形式为引水式,故坝上游侧无有压进水口,上游坝
29、坡坡度不受限制,取上游面坡度,同时用应力条件和稳定条件公式确定坝底的最小宽度。按强度条件确定坝底最小宽度 (3-1)为上游坡度,取时可以得到: (3-2)式中:B坝底宽度,m;H基本剖面坝高,H=241-113=128m坝体材料容重取值24KN/m3 水容重10KN/m3 扬压力折减系数,按规范坝基面取0.3 =B0.69128=88.31m(2) 按稳定条件确定坝底最小宽度 (3-3)式中:f岩石面摩擦系数,0.68;K1.05 综上,取坝底最小宽度95m.3.1.1.2基本剖面设计1、坝顶宽度 坝顶宽度b=(8%10%)H=10.24m12.80m,且不小于3m。本设计取12m2、剖面形态
30、由上可知,稳定条件为限制条件,所以采用上游坝面上部铅直、而下部呈倾斜,这样可利用部分水重来增强坝的稳定性。折坡点起点位置应结合引水、挡水建筑物的进水高程来选定,一般为坝高的,取折坡高程为113+50=163.0m,坡度为1:0.2坝底总宽=(163.0-113.0)0.2+(239.5-113.0)0.76=106.14m图3-1 非溢流坝剖面图a3.1.2 廊道及排水布置3.1.2.1 基础帷幕灌浆廊道基础帷幕灌浆廊道沿纵向布置在坝踵附近,以便有效地降低渗透压力。廊道宽度一般为2.53m,高度约为3.04.0m,取廊道宽为3m,高为3m。廊道底面至基岩面的距离宜不小于1.5倍廊道底宽,以防廊
31、道底板被灌浆压力掀动开裂。故廊道底面距基岩面得距离取为5m。廊道上游壁到上游坝面的距离应不小于0.050.1倍水头,即5.9m至11.9m,且不小于45m,以免渗透坡降过大使混凝土受到破坏,也不致恶化廊道。取为6.2m。3.1.2.2 基础排水廊道基础排水廊道沿纵横两个方向布置,且直接设在坝底基岩面上。廊道宽度一般为1.52.5m,高度为2.22.5m,取宽为2.0m,高为2.5m。基础帷幕灌浆廊道沿纵向布设在坝踵附近,以便有效的降低渗透压力,但廊道上游壁到上游坝面的距离不应小于0.050.10倍的水头,且不小于45米,以免渗透坡降过大使混凝土受到破坏,所以取为8米。廊道尺寸,宽取为2.5米,
32、高位3.5米。3.1.2.3 纵向排水廊道纵向排水廊道一般靠近坝的上游侧每隔1530m高差设一层,其上游壁离上游坝面的距离应不小于0.050.1倍水头作用,且不得小于3m。本设计取每30m高差设一层纵向排水廊道,其上游壁距上游坝面6m。取宽2.0m,高2.5m。下游距坝趾处12m处设一排水廊道。为了减小渗水对坝体的有害影响,降低坝体中的渗透压力,在靠近上游坝面处设置排水管,将坝体渗水排入廊道,再由廊道汇集于集水井,用水泵排向下游。排水管至上游坝面的距离约为水头的,且不小于2m。取为8.5m。排水管管内径取为15cm。坝体剖面绘制如下:图3-2 非溢流坝剖面图b3.1.3稳定与应力校核1.正常水
33、位状况:基本组合:(持久状况)(上游为正常蓄水位231.5m,下游水位为0)坝基面:荷载计算简式:自重: 水压力: 扬压力: 浪压力:N表3-3 正常蓄水位下,坝基面荷载计算表承载能力极限状态:抗滑稳定: (持久状况) 70252.9kN138665.1kN满足要求坝趾抗压强度kN-954011.5 =2862.61 kN 3148.9kPakPa满足要求正常使用极限状态:长期组合下坝踵拉应力验算:(运行期)计算得满足要求短期组合下坝趾拉应力验算:(完建期)计算得 满足要求折坡面:图3-3正常蓄水位下非溢流坝折坡面剖面图荷载计算简式:自重:水压力:扬压力:kN浪压力:表3-4 正常蓄水位下溢流
34、坝折坡面荷载计算表承载能力极限状态:坝趾抗压强度 (持久状况) Kn-62654.2kN =1481.7 kN 1629.9kPakPa满足要求正常使用极限状态:长期组合下坝踵拉应力验算:(运行期) 满足要求短期组合下坝趾拉应力验算:(完建期) 满足要求2.设计状况:基本组合:(短暂状况)上游为设计洪水位238.2m,下游为设计洪水最大下泄流量5500(发电流量作为安全储备)对应的下游水深133.1-113=20.1m坝基面:荷载计算简式:自重: 水压力: P1= 扬压力: 浪压力:N表3-5 设计蓄水位下坝基面荷载计算表格承载能力极限状态:抗滑稳定: (持久状况) 76397.1kN 127
35、614kN 满足要求。坝趾抗压强度kN-1294410.65 =3169.9kN 2892.4kPakPa满足要求正常使用极限状态:长期组合下坝踵拉应力验算:(运行期) 满足要求短期组合下坝趾拉应力验算:(完建期) 满足要求折坡面:荷载计算简式:自重:水压力:扬压力:kN浪压力:表3-6 设计洪水位下非溢流坝折坡面荷载计算表承载能力极限状态:坝趾抗压强度 (持久状况) 48276kNkN =2002.0 kN 2202.2kPakPa满足要求正常使用极限状态:长期组合下坝踵拉应力验算:(运行期) 满足要求短期组合下坝趾拉应力验算:(完建期) 满足要求3.校核状况:特殊组合:(偶然状况)上游为校
36、核洪水位,下游为校核洪水最大下泄流量9700(发电流量作为安全储备)对应的下游水深 137.3-113=24.3m坝基面:荷载计算简式:自重: 水压力: P1= 扬压力: 浪压力: N表3-7校核洪水位下非溢流坝坝基面荷载计算表承载能力极限状态:抗滑稳定: (持久状况) 77073.08kN119254.15kN kPa 满足要求坝趾抗压强度kN-1692022 =2172.1 kN =2389.3kPakPa满足要求正常使用极限状态:长期组合下坝踵拉应力验算:(运行期) 满足要求短期组合下坝趾拉应力验算:(完建期) 满足要求折坡面:荷载计算简式:自重:水压力:扬压力:kN浪压力:表3-8校核洪水位下折坡面荷载计算表承载能力极限状态:坝趾抗压强度 (持久状况) 48140kNkN =2073.4 k