湖南镇水电站设计及主厂房构架结构计算.docx

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 . 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 239.5m ,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 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 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 turbine 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 , there 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 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 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)105010020050010002000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)119.45120.3121.97123.2125.65127.8129.8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。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=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）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Q1max=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=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：115.74m;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，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 127614kN 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