贺日玛水电站毕业设计.doc

贺日马电站基本资料一、流域概况和电站位置贺日雄曲位于类乌齐县的东北部，系紫曲的一级支流，河道全长23km，河道平均坡降34.6。河流发源于他翁他山脉中段海拔5125m的山峰。坝以上由五条较大的支流组成，北支两条即多涌和贡达涌，多涌发源于多扎勒东侧，贡达涌发源于查日阿扎北侧；南支两条火日雄曲和西日涌，火日涌发源于打从拉北侧，西日涌发源于西日拉北侧；东支一条为格拉涌，发源于格拉山西侧。五条支流发源地海拔在4200m至4300m。流域内有大片的森林和草原，裸露地面较少，植被很好，水土保持亦较好。电站站址为原马查拉水电站站址处，即东经9640，北纬3l17。站址以上集水面积113km2，河长13km，河道平均坡降34.6，坝址处海拔4150m。类乌齐县处于西藏自治区东北切变线上，属藏北多雨中心地区，多年平均降水量650mm，多年平均蒸发量900mm，无霜期50余天，年平均气温2.4，17月气温上升，3月开始升幅加大，45月增温最大，6月增温减小，7月增温最小。极端最高气温27.5(1987年6月25日)。81月温度逐渐下降，9月较明显，11月气温直落而下，最低气温一般出现在12月1月，极端最低气温-28.6，最大冻土深度1.2米。河流径流补给以大气降水为主，其次为地下水和融雪。降水集中在69月，约占全年的80%，所以径流也集中有69月，而洪水集中在78月。二、水文与气象贺日雄曲位于类乌齐县的东北部，系紫曲的一级支流，河道全长23km，发源于他翁他山脉中段，海拔5125m的山峰。正源头由东南向西北流，在富阿陇下游2km汇入由东、由南的三条小河后，流量加大，在日阿火陇上游又有两条支流汇入。电站站址为原马查拉水电站处，即东经9640，北纬3117。坝址以上集水面积113km2，河长13km，河道平均坡降34.6，坝址处海拔4150m。类乌齐县处于西藏自治区东北切变线上，属藏北多雨中心，多年平均降水量650mm， 年平均气温2.4，极端最高气温27.5，极端最低气温28.6，最大冻土深度0.9m。河流 径流补给以大气降水为主，其次为地下水和融雪。降水集中在69月，约占全年的80，而洪水集中在78月。贺日雄曲年平均流量1.61m3s，年径流总量0.507108m3；设计洪水流量56.3 m3s；校核洪水流量64.6 m3s。各频率洪峰流量表单位：m3/sp(%)0.5123.35102050q(贺日马)68.264.661.159.056.352.046.938.6首部枢纽特征水位表单位：m项目校核水位设计水位正常水位坝下游校核水位坝下游设计水位水位3989.903989.703988.283984.763984.62三、工程地质本区出露地层有中生界三叠系石灰岩，侏罗系马查拉煤系，白垩系昌都红色岩系和第四系冲积层、坡积层。三叠系石灰岩为灰白色厚层、块状结构；侏罗系马查拉煤系，上部以青灰色及灰白色砂岩为主，灰红色砂质粘土岩，下部为黑色炭质页岩；白垩系昌都红色岩系， 以棕红色砂质粘土为主，夹薄层紫色砂岩及黄灰色页岩；第四系冲积坡积层，由红色砂质粘土，砂卵石层及顽石卵石层等组成。大地构造上，由横断山脉东北边缘的昌都玉树地区背斜区域构造线南北线延伸，在地昌都川北转为东西向。在本范围之内，由一系列中生代层所构成的紧密褶皱，是本区构造特点。离工程区西南lokm的紫曲左右，为新生代以来活动的大断裂，在本区走向约为北西45。 本区地震不频繁，据1950年8月16日昌都地区大地震分析，波及本地区地震情况和查1400万地震区划图，本区地震烈度小于7度。 首部出露的岩石有：右岸为灰白色的石灰岩；左岸为堆洪积和坡积物。坝轴线在右岸石灰岩脊、左岸冲积层上，溢流坝和挡水坝基础为冲积砂卵石，基岩块深约lom；右岸进水口和泄洪冲砂闸座落在基岩上。基岩产状：倾向西南，ws25，走向东西。坝基与基岩的摩擦系数采用0.68。首部枢纽1986年建成木坝后，库区已基本淤满，淤积主要成分为砂卵石、冲砂、细砂和淤泥杂物等。河流径流除降水外，两岸高山地下水补给河水，不存在两岸渗漏问题。引水渠道沿线地基为石灰岩基、红色砂粘土和砂卵砾石等相间，以红色砂粘土为主。渠道走向沿线在较缓的山脚部，当时的开挖断面经30余年后未有大的垮方。渠线地基是稳定的。渠道穿越一小冲沟，用一钢筋砼过水涵洞连接，冲沟内未发现泥石流和大的推移层，是稳定的。厂区枢纽座落在坡积、冲积层上。前池山坡较缓，基础为堆积和坡积物。厂房在冲积砂卵石层上。此处发育有i级阶地，升压站、生活办公区亦在此处。四、当地建材块石料：库区右岸及下游两岸皆有，储量丰富。储量在50000m3。砂卵石：库区内冲积层丰富，级配较好，但含泥量较重，用时需冲洗。砂料：库区料场筛分可得，冲冼后可用，质量、数量均满足要求。粘土：红色砂质粘土，渠道沿线及农田里皆有，储量丰富，可作围堰及挡水坝防渗体。有两个砂砾石料场，一个分布在坝前100米的库区内，分布面积100500m2,总储量约30000m3，无覆盖。另一个分布在电站厂区下游2.5km的马查拉区河床上，总储量在50000m3以上。五、工程任务与规模类乌齐县位于昌都地区西北部，县城桑多镇距昌都112km，距拉萨市910km。本工程装机容量按2台200kw机组计，共400kw。设计水头36米。年平均发电量295万kwh，机组年利用小时数7300h。保证出力（在p=75%保证率条件下）：300kw；溢流坝总净宽约10米，最大坝高约7.0米。引水渠总长1.73km，渠道底坡1/1000，最大流速1.0m/s，渠道引用流量：1.368 m3/s；水轮机设计流量：1.368 m3/s，单机流量：0.684 m3/s；校核洪水流量：64.6 m3/s（p=1%），溢流能力计算依据：坝体施工期导流流量：10.5 m3/s（11月3月）；设计洪水宣泄量（由溢流坝向下游宣泄）：56.3 m3/s（p=5%）。六、机墩及其它资料1.机墩发电机连轴重4.5t，发电机锭子重1.5t，机组额定转速600转/分，发电机功率因素cos0.89，水轮机出力215kw，水轮机转速轴重4.5t，轴向推力1.2t，水轮机飞逸转速p1200r/min，水轮机叶片按15片计。压力钢管长60米，建议管坡小于35（2545）。2.其它数据本机墩采用250#砼，级钢筋，钢筋设计强度310kg/cm2，砼设计强度250kg/cm2，钢筋砼安全系数k1.5，砼容重2.4t/m3，砼伯松比1/6，砼弹性模量e压2.3106t/m2，e拉1.45106t/m2。建筑物等级按级考虑。附表：物理力学性质指标建议值 物理指标岩性名称抗剪强度(tg)容重(g/cm3)内聚力c(mpa)压缩模量e(mpa)允许荷载(mpa)渗透系数k（m/d）开挖边坡临时永久灰岩0.801.002.602.750.020.0380010000.81.0/1:0.31:0.50砂岩0.750.802.602.650.0150.026008000.60.7/1:0.351:0.6粘土岩0.650.702.102.200.010.0123004000.50.6/1:0.51:0.75砂卵砾石层0.500.551.801.90/60800.40.530401:0.751:1.0崩坡积碎石土层0.350.401.751.85/40500.40.450.51.01:1.01:1.25洪积碎石土层0.350.401.751.85/40500.40.455.010.01:1.01:1.25人工填土层0.350.401.651.70/30400.250.3010.015.01:1.01:1.251.1压力前池布置尺寸说明书1.1.1压力前池控制水位1、前室正常水位前室正常水位近似的认为等于渠道末端正常水位渠道末端正常水位=渠道末端底高程+渠道内正常水深渠道末端底高程=渠道进水口高程渠道纵坡降渠道全长即： = = = = + = =则= 前室正常水深为2、前室内最低水位初步拟定为渠道末端的地面高程，即拟定前池内最低水位为3、前室内最高水位由公式: 式中：h0为溢流堰宣泄最大流量时，堰顶上的水头,一般为,本设计取为则： 4、进水室正常水位进水室正常水位为前室正常水位减去从拦污栅经闸门槽进入进水口之间的水头损失之和，即：-式中：前室正常的水位进水室正常水位进口、闸门槽和拦污栅水头损失之和,初步拟定为则进水室正常水位为.1.1.2压力前池各部分尺寸1.1.2.1进水室进水室是压力前池的一个基本部分，与压力水管入口处的压力墙相连，拦污栅、工作闸门、工作桥及启闭设备都设置在此。其尺寸确定主要包括以下几部分：1、宽度根据公式，有两根以上水管的进水室总宽度为：式中：压力水管数目进单根水管进水室的净宽压力水管直径中间隔墩厚度，砌石一般不小于，本设计取试算管径d:当时，=，取为则：，取为 2、长度进水室长度取决于拦污栅、工作闸门、检修闸门、工作桥和启闭机设备等的布置，小型水电站常取，本次设计中进水室长度取为1.1.2.2前室前室是引水渠道末端与进水室间的扩大加深部分。前室的主要作用是：把引水渠道断面性状平缓地过渡到进水室前缘，以减缓前池中的流速，并使泥沙和污物杂草在此沉积下来。查小型水电站（上册）其尺寸确定包括以下几部分：1、宽度前室净宽约为进水室总宽度的倍。即： 本设计前室净宽取2、长度前室长度通常采用扩散后前室净宽的倍，即： 本设计前室长度取1.1.2.3压力管管顶高程压力水管管顶高程管顶可有公式：计算得到。式中：前室最低水位压力管道中通过设计流量时的流速。重力加速度。取为当时，则1.1.2.4进水室底板高程进水室底板高程可由公式：计算得到，式中：压力水管管顶高程压力水管直径 压力管道与水平面间的夹角。本设计取为则1.1.2.5前室末端底板高程为了便于沉积泥沙和污物，前室末端底板高程应比进水室底板低，本次设计取为，则前室末端底板高程 1.1.2.6前池顶高程前池中压力墙和挡水墙的顶部高程等于前室最高水位加安全超高，安全超高值一般为，本次设计中，安全超高取为，则前池顶高程1.1.3构造设计1.1.3.1边墙1、尺寸拟定（1）进水室外边墙高度 为便于施工，高度取为边墙采用水泥砂浆砌块石，根据10表“边墙参考表”，进水室外边墙尺寸为:顶宽，底宽,底板厚，墙趾 断面图如下所示：图4-5进水室边墙断面图(单位：cm)（2）前室外边墙高度 为便于施工，高度取为边墙采用水泥砂浆砌块石，根据101表“边墙参考表”前室外边墙尺寸为：顶宽，底宽，底板厚，墙趾断面尺寸图如下所示： 图4-6前室边墙断面图（单位：cm） 2、抗滑稳定性计算（1）、进水室边墙、竖直方向力包括两部分：边墙自重，土重力边墙自重 （每米自重，浆砌石容重）标准值：设计值： 土重力 （每米自重，土容重）标准值：设计值：、水平方向力包括两部分：静水压力，土压力静水压力 （每米作用力，）标准值：=设计值：=土压力 （每米作用力，）标准值：=设计值：=、抗滑稳定系数：式中：抗滑安全系数 允许值为1.5抗剪摩擦系数 砂粘土地基=0.25作用于建筑物上的垂直力总和作用于建筑物上的水平力总和则： 即拟定尺寸能够满足稳定性要求。 图4-7进水室外边墙稳定分析示意图（2）、前室边墙、竖直方向力包括两部分：边墙自重，土重力边墙自重 （每米自重，浆砌石容重）标准值：设计值：土重力 （每米自重，土容重）标准值：设计值：、水平方向力包括两部分：静水压力，土压力静水压力 （每米作用力，）标准值：=设计值：=土压力 （每米作用力，）标准值：=设计值：=、抗滑稳定系数式中：抗滑安全系数 允许值为1.5抗剪摩擦系数 砂粘土地基=0.25作用于建筑物上的垂直力总和作用于建筑物上的水平力总和则： 即满足稳定性要求。 图4-8前室外边墙稳定分析示意图1.1.3.2压力墙1、尺寸拟定压力墙采用水泥砂浆砌石筑成，并在临水一侧用水泥砂浆抹面。压力墙与进水室边墙同高，为;压力墙底宽按墙高的倍计，为，取为;顶宽采用，台阶高度，过道宽，底板厚。压力水管进口做成圆弧形，以减少水头损失。在压力墙范围内的压力水管四周用混凝土包住，混凝土厚度不小于压力水管直径的一半，本设计取。工作闸门设在压力水管进水口处，紧贴压力墙，压力水管后设通气孔。 图4-9压力墙断面图（单位：cm）2、抗滑稳定性计算、垂直方向力为压力墙自重,标准值：设计值：、水平方向为静水压力标准值：设计值：、抗滑稳定系数式中：抗滑安全系数 允许值为1.5抗剪摩擦系数 砂粘土地基=0.25作用于建筑物上的垂直力总和作用于建筑物上的水平力总和则：即拟定尺寸，能够满足抗滑稳定要求 图4-10压力墙稳定分析示意图1.1.3.3溢流堰前池中溢流堰的作用是将多余的水或水轮机停机时，渠道全部来水排泄到水电站的下游或其他适当的地方，前池中的溢流堰堰顶一般不设置闸门，水位上升就自动溢流。溢流堰采用实用堰断面，其堰顶高程设置较前池正常水位高0.05m,即堰顶高程堰顶设计水头初步拟定为，溢流堰前沿长度可由公式可计算得到。式中：溢流堰前沿长度溢流堰设计流量 流量系数 实用剖面堰取堰顶设计水头 则，溢流堰前沿长度，取为，经计算堰顶水头为，故定型水头取为。溢流堰断面尺寸可参考小型水利水电（上册）图10-52 使用溢流堰剖面图制定。结合设计资料，本次溢流堰拟定的断面尺寸如下图所示：图4-11溢流堰断面图（单位：cm）在溢流堰下，接一段陡槽，将溢流出来的水排入溢洪道中。陡槽末端设置消力池，以消除水流快速流下时的产生的能量。参考小型水利水电（上册）及我校电站工程制定消力池尺寸1.1.3.4冲沙孔由于前室断面尺寸与渠道相比增加很大，前池内水流速度大大减缓，会大量泥沙沉积，因此需要设置冲沙孔。冲沙孔设在前池末端底部，紧靠溢流侧堰，进口高程与前池末端底板高程相同，为，孔口尺寸为,采用木插门闸门，以控制水流。冲沙方式采用定期冲沙，即当泥沙沉积到一定深度时，进行排沙。1.1.3.5通气孔因工作闸门设在紧贴压力水管进口处，必须在闸门后面的压力水管上设置通气孔。通气孔的作用是：当闸门关闭时，让空气进入水管，以防止压力水管中产生真空，形成负压；开启闸门时水进入压力水管，管内空气自通气孔排出。通气孔设在闸门后面的压力水管上，通气孔采用铸铁管，根据小型水电站的参考资料，管径的大小与压力水管直径有关，通气孔一般不小于压力水管管径的四分之一，即通气孔直径不小于，本设计中采用通气孔的出口朝向下游，高程为4149.70m，并用网罩保护，以防止石块等掉进孔口内，堵塞通气孔。1.1.3.6工作闸门工作闸门采用平面钢闸门，设置在紧贴压力水管进口处，外形尺寸可由以下公式计算：闸门高=1.3压力水管管径闸门宽=进水室宽由相关设计资料，该闸门尺寸为： 闸门高闸门宽1.1.3.7拦污栅拦污栅采用钢筋混凝土框架结构支承，拦污栅框架由墩（柱）及横梁组成，墩（柱）侧面留槽，拦污栅片插在槽内，上、下两端分别支承在两根横梁上，承受水压式相当于简支梁。拦污栅的栅框是嵌在进水室前部的栅槽里，为了便于清除杂草、树枝，一般放置与水平面成7080的倾角。本设计倾角为80。拦污栅由若干块拦片组成，每块拦片宽度一般不超过2.5m，高度不超过4m，栅片想闸门一样插在支承结构的栅槽中，必要时可以一片片提起检修。栅片的厚度及宽度由强度计算决定，通常厚812mm，本设计取10mm，宽100200，本设计取150mm拦污栅高倍进水室挡水墙高度拦污栅宽=进水室宽由相关设计资料，该拦污栅尺寸为：拦污栅高拦污栅宽铁制栅条的直径一般为810，本设计采用10栅条的净宽b取决于水轮机的型号及尺寸，以保证通过拦污栅的污物不会卡在水轮机过流部件中。本次设计采用的是混流式水轮机，栅条净宽式中：水轮机转轮直径则：由于栅条净距同时要满足，最大净距不超过，最小净距不小于，因此，本次设计取为。其平面尺寸图如下所示：4-12拦污栅示意图2 压力管道设计计算书2.1压力管道的类型和布置方式压力水管采用明钢管，其布置方式与水轮机引用流量及机组数有关，按供给水轮机的流量可分为单独供水和联合供水两种方式。由于单机流量为，两台机组，因此本设计采用单独供水，即每台机组有单独水管供水。单独供水的优点主要体现在：构造简单，施工方便，运行安全可靠，独立性强，当一根水管发生故障或检修时，水管在平面上不转弯、水流情况较好，水头损失少，同时，厂房纵轴线大致平行于河道，开挖量小，进厂交通方便。但当水管因事故破裂时高压水流将直冲厂房，危及厂房和运行人员的安全，多用于中、低水头的水电站。压力水管布置方式如下图所示：图4.1 压力水管布置图2.2压力钢管管坡设计 为缩短压力钢管长度，降低工程造价，减小水头损失，降低水击压力，改善机组的运行条件，压力钢管的布置应尽可能缩短前池和厂方之间的距离。根据地形资料建议，考虑边坡稳定因素，压力钢管设计坡度小于。本次设计中，管坡坡度设计为,当管坡取，则压力钢管毛长度: 2.3 压力钢管设计2.3.1压力钢管直径的选择压力钢管管径的设计应根据当前经济与技术，通过比较，选择最优经济断面。其比较的一般方法有动能经济法和经验估算法。本次设计采用经验估算法进行确定压力钢管的管径。对于小型电站，压力水管直径d选择，可参考小型水电站及水工设计手册第七卷水电站建筑物提供的计算公式来估算:式中：压力水管最大设计流量（）水电站毛水头由已知资料知：，则此外，也可参照压力水管的经济流速v按以下公式作初步选择： （7.3b）式中：qmax钢管的最大设计流量，（m3/s）；v经济流速（m/s），压力钢管的经济流速一般为35m/s。则 因考虑到该地区以后近几年的经济发展及用电需求，可以初步拟定压力钢管直径为：。2.3.2压力钢管进口顶部高程确定由公式计算得到式中：进水室的最低水位，取引水管口顶部两倍水管的流速水头 可由公式：得到其中：，则：，取 即压力钢管进口顶部高程2.3.3压力钢管的管壁厚度计算压力钢管的管壁厚度一般经结构分析确定，管壁的结构厚度取为计算厚度加2毫米的锈蚀厚度。由于压力管道的直径不大，本次设计时只按内水压力所产生的环向应力来设计，采用经验公式进行确定。由公式：式中：钢管管壁厚度设计水头取钢管内径取钢材允许应力 ，由于仅考虑内水压力对小型水电站，可采用号钢（焊接钢板）允许应力为接缝的坚固系数 ，当采用焊接缝时：取则 ，应取整数,当小数点后的数大于时即进为，故取，加锈蚀厚度，钢管管壁厚度2.3.4压力钢管稳定校核及尺寸的确定根据小型水电站提供的保证钢管不丧失稳定的条件是：式中：钢管直径钢管管壁厚度经计算：，稳定性不够，需进行加厚。取时，满足稳定性要求。同时，管壁最小厚度应满足公式：，也不应小于。水电站压力钢管设计规范30页因此当钢管直径时，钢管厚度可取，外加锈蚀厚度及磨损的安全量。所以压力钢管的厚度，此时钢管处于稳定状态，符合规范要求。2.4压力钢管水力计算2.4.1水头损失计算 水头损失按其性质可分为沿程损失和局部损失两类，则总的水头损失各段沿程水头损失之和所有局部损失之和2.4.1.1沿程水头损失对于圆管沿程水头损失，可采用达西公式进行计算。式中：沿程水头损失系数水管流速，取 ，式中，为谢才系数结合曼宁公式：其中：水力半径，对于圆管粗糙系数，又称粗糙率，查阅有关手册可取 则 因此，2.4.1.2局部水头损失局部水头损失是由：进口段、拦污栅、门槽、进口渐变段、弯管段、蝴蝶阀、水轮机室进口、出口段水头损失等几部分组成。而进口段水头损失、拦污栅水头损失、门槽水头损失、进口渐变段水头损失由前组提供，这四部分水头损失之和为。后几部分水头损失计算过程如下：（1）、弯管段局部水头损失由公式：计算式中：弯管处水头损失系数，取则： （2）、蝴蝶阀局部水头损失由公式：计算式中：蝴蝶阀段断面水头损失系数；当设计水头为时则 ：（3）、水轮机室进口局部水头损失由公式：计算式中：流速系数 取为 则：（4）、水电站出口局部水头损失由公式：计算式中：出口局部水头损失系数取出口流速取则：因此局部水头损失：则：总的水头损失： 2.4.2水锤压力计算2.4.2.1确定水锤波传播速度式中：音波在水中传播速度（）水弹性模量，取管壁材料的弹性模量，取钢管内经（），取管壁厚度（），取则，2.4.2.2水锤性质的判断计算水锤波在水管中来回传播一次所需的时间式中：压力钢管总长度，取水锤波传播速度，取则:表示关闭水轮机导叶或阀门所需时间，取秒,因此 ，则压力钢管内发生间接水锤。2.4.2.3判别水锤压力的形式由以下公式计算两个特性常数式中：水轮机通过最大流量时压力水管中的流速，知：取秒；取，毛水头取，取则：当导叶由全开而急速关闭时，（：水轮机导叶或阀门的起始开度），故。由及值查小型水电站上册553页，图115可知水锤形式是末相的间接水锤，即，最大的水锤压力升高值产生于水锤波的末相。2.4.2.4计算水锤压力及其分布由小型水电站表113提供的末相水锤压力升高相对值的近似计算公式：式中：水锤压力升高的相对值，则：压力水管末端水锤压力升高的绝对值为由此可得，压力水管末端最大设计水头：2.4.3压力钢管校核2.4.3.1强度校核由公式：式中：钢管管壁厚度设计水头取钢管内径取钢材允许应力 由于仅考虑内水压力对小型水电站，可采用3号钢（焊接钢板）允许应力为接缝的坚固系数，当采用焊接缝时，此次设计取则 ，由公式计算上段钢管所承受的最大水头（包括水锤压力） 因此所选管壁厚度满足强度要求。2.5镇墩、支墩的设计明钢管一般敷设在一系列的支墩上，底面高出地表不小于，这样使管道受力明确，管身离开地面也易于维护和检修。在自重和水重的作用下，支墩上的管道相当于一个多跨连续梁。在管道的转弯处设镇墩，将管道固定，不使有任何位移，相当于梁的固定。明钢管宜做成分段式，在两镇墩之间设伸缩节。在温度变化时，管身在轴向可以自由伸缩。2.5.1镇墩镇墩作用是：用来固定钢管并承受钢管上各种轴向力的建筑物，多设于管道转弯及坡度改变处。由于压力钢管管长，为安全可靠考虑在中间位置处设置个镇墩，在压力前池段和蜗壳前端分别设置一个镇墩，镇墩设计计算时一般应考虑：温度升高水管充实、温度升高水管放空、温度降低水管充实、温度降低水管放空等情况。通常以温度升高水管充实为控制条件。镇墩靠自身重量保持稳定，一般用混凝土浇制。按管道在镇墩上的固定方式，镇墩可分为封闭式和开敞式两种。本次设计采用封闭式，其简图如右所示：图4.2镇墩型式简图其优点：结构简单，节省钢材，对管道的固定好，应用较多。2.5.1.1作用在镇墩上各个力的计算简化计算时作用力，以、分别表示来自镇墩上、下游侧的轴向力，分别表示镇墩上下游侧管段的倾角，由公式进行计算。（1）、压力钢管的轴向分力式中：每米长管的自重， 计算水管管段长，水水管倾角，、 其中：钢管直径，取钢管管壁厚度，取水管材料的容重，取则：，故（2）、作用在阀门上的内水压力式中：钢管直径， 设计水头包括水锤压力在内，水的容重，（3）、温度变化时，管壁沿支墩面产生摩擦力式中：管长的自重，管中水的自重，管壁于支座的摩擦系数，经常不涂滑油的情况下水电站压力钢管设计归范则：由以上可得：因镇墩下游侧设有伸缩节，无支墩故，温度变化时，伸缩节头摩擦力很小，故忽略不计。2.5.1.2将各主要的力叠加并分解为水平力和垂直力。图4.3 镇墩计算示意图以镇墩内水管轴线中心为坐标原点，取水平坐标为轴，顺水流方向为正；垂直坐标为轴，向下为正。作用在镇墩上的轴向力，有来自墩上游侧的和下游侧的，其与轴交角分别为和如下图：轴向力总和在轴上的分力为：轴向力总和在轴上的分力： 式中：来镇墩上游侧的轴向力总和来自镇墩下游侧的轴向力总和镇墩上游侧管段的倾角（度）镇墩下游侧管段的倾角（度）镇墩上游侧轴向力的水平分力总和镇墩下游侧轴向力的水平分力总和镇墩上游侧轴向力的垂直分力总和镇墩下游侧轴向力的垂直分力总和2.5.1.3计算镇墩所需要重量和体积（1）由镇墩必须重量的公式进行计算：式中：、意义同上抗滑稳定系数，取镇墩沿地基面上的摩擦系数，查表取则：（2）拟定镇墩的体积尺寸图4.4 镇墩尺寸图拟定镇墩的尺寸如上图镇墩的尺寸应能将水管的转变段完全包住，墩的上游面应与水管垂直，使管壁受力均匀，并使合理偏心距小于墩底宽度的六分之一。由图分别计算其各部分的重量。由以上可得拟定的镇墩的重量为：4.5.1.4求合力作用点和偏心矩以镇墩上游侧底角点为矩心，取各力的力矩并求出总力矩。如下表表示：表4.1 力矩计算表力 力臂 力矩 6.11 12.17 27.30 167.04 -8.93合力作用点距上游侧底面中点的距离为：偏心距e按下式求出：式中：e偏心距。等于合力作用点与镇墩底面宽度中心轴线的距离b镇墩地面宽度则：，满足要求。2.5.1.5校核镇墩的抗滑稳定由公式：式中：抗滑稳定安全系数，允许值为1.5镇墩地基面上的摩擦系数，参考小型水电站表11-17，取为0.6则：，即所选镇墩尺寸满足抗滑稳定要求。2.5.1.5校核地基承载力根据公式计算基地压力：式中：地基的允许承载力，根据给定的地基物理力学性质指标为由上述计算结果可知：所拟定镇墩尺寸是满足强度要求。2.5.2支墩在镇墩之间设置支墩，主要承受管重及水重，使水管在垂直管轴方向上不发生任何位移，将横向力传到地基，减少水管的挠度，并防止各段处的接头失效。墩采用滑动鞍式支墩，支墩间距取为12m，共设有4个支墩，支墩的支承面的包角取为，为了便于安装及检验，管底距离地表不小于，并在支墩上设有支撑环，对钢管起到固定作用。2.5.2.1计算作用在支墩上的力作用在支墩上的力有：垂直于水管轴线方向的水管自重分力和水自重，管墩间摩擦力和支墩自重.(1) 压力钢管自重分力：式中：每米管长自重由前可知两支墩间水管长度取水管倾角取则：(2)管中水重分力式中：计算管段中每米水的自重取意义同上则：(3)温度升高时管壁传给一个支墩的摩擦力式中：摩擦系数取意义同上则：(4)支墩自重1、拟定支墩尺寸如图所示：由图分别计算各部分的重量图4.5支墩尺寸图 由上可知拟定支墩重量为2.5.2.2分解总作用力为水平分力和垂直分力以支墩顶面的中点为坐标原点，取水平轴为轴顺水流方向为正，垂直轴为轴，以向下为正。各力在轴上水平分力为 沿轴的垂线分力为 2.5.2.3校核支墩抗滑稳定由公式：因此计算所得稳定系数大于抗滑稳定系数。因此支墩抗滑稳定符合要求。3厂房及尾水部分设计计算书3.1水轮机型号的选择由已知资料：本设计水头，设置两台机组，单机容量，单机流量，年平均发电量万，机组年利用小时数，保证出力（在保证率条件下）等参数。查阅（水电站）及（小型水电站）中册等参考资料可知该水电站为小型水电站。规模较小，因此采用卧轴混流式水轮机。根据水电站的水头变化范围36.0m,在水轮机系列型谱表3-3，表3-4中查出适合的机型有hl240和zz440两种，现将这两种水轮机作为初选方案，分别求出有关参数，并进行比较分析。3.1.1hl240型水轮机方案的主要参数选择3.1.1.1转轮直径d1计算查表3-6和图3-12可得hl240型水轮机在限制工况下的单位流量 = 1.24 效率=92%，由此可初步假定原型水轮机在该工况下的单位流量=1.24 上述的 ，和额定出力= =36m= = =4.109 m 选用与之接近而偏大的标称直径 d1=4.5m 3.1.1.2转速n计算 查表3-4可得hl240型水轮机在最优工况下单位转速=72,初步假定=将已知的和加权平均水头=36m, =4.2m 代入 n= 故选用与之接近而偏大的用步转速n=100 3.1.1.3 效率及单位参数修正查表3-6可得hl240型水轮机在最优工况下的模型最高效率为=92% 模型转轮直径为=0.46m 根据式（3-14），求得原型效率 则效率修正值为 考虑到模型与原型水轮机在制造工艺质量上的差异， 常在已求得值中减去一个修正值=1.3则可求得效率修正值=1.6%得原型水轮机在最优工况和限制工况下的效率为 =93.6% 故与上述假定值相同单位转速的修正值按下式计算按规定单位转速可不加修正 同时单位流量也可不加修正有上述可见是正确的， 那么上述计算及选用结果=4.5m n=100 也是正确的。3.1.1.4工作范围的检验在选定=4.5m =100rmin 后，水轮机的及格特征水头相对应的 可计算出结果。 水轮机在，下工作时即为故则水轮机的最大引用流量为： 与特征水头，相对应的单位转速为在hl240型水轮机模型综合特征曲线图上分别绘出=1034 和的直线，如图3-34所示由图可见，由这三根直线所围成的水轮机工作范围基本上包含了特性曲线的高效率区，所以对于hl240型水轮机方案，所选定的参数=4.5m =100rmin是合理的。3.1.1.5吸出高度的计算由水轮机的设计工况参数，=75，=1034，在图3-24上可查出相应的气蚀系数=0.15，并在图2-26上查得气蚀系数的修正值约为=0.032，由此可求出水轮机的吸出高度为=可见，hl240型水轮机方案的吸出高度满足电站要求3.1.2zz440水轮机方案的主要参数选择 3.1.2.1转轮直径计算由表可知，zz440型转轮限制工况的单位流量= 1.65 ，最优工况的=115。根据本电站的具体条件4，则允许的最大气蚀系数值为= 在满足-4m吸出高度的前提下，从图3-16中科查出选用工况点（）处的单位流量=1030 同时可查的该工况点的模型效率并据此假定水轮机的效率为92%将各参数代入式（3-31）可得=4.5m选用标称直径=4.5m3.1.2.2 转速n计算 n= 选用与之相近而偏大的同步转速n=166.73.1.2.3效率及单位参数修正对于轴流转浆式水轮机，必须对其模型综合特性曲线图上的每个转角的效率进行修正。当叶片转角为时的原型水轮机最大效率可用下式计算根据表3-7知=0.46m, =3.5m,并已知=4.5m,h=36m,代入上式可算得=0.651（1-）叶片在不同转角时的可由模型综合特征曲线查出，从而可求出相应值的原型水轮机的最高效率。当选用效率的制造工艺影响修正值=1%时，即可计算出不同转角时效率修正值其计算结果表3-8 zz440型水轮机效率修正值计算表叶片转角00.8490.880.8880.8830.8720.860.9020.9220.9270.9240.9170.909-0.0530.0420.0390.0410.0450.0490.0430.0320.0290.0310.0350.039 由表3-7查得zz440型水轮机最优工况的模型效率为=89%，由于最优工况接近于= 等转角线，故可采用=2.9%作为其修正值，从而可得原型最高效率为= 89%+2.9%=91.9% 已知在吸出高度-4m限制的工况点（）处的模型效率为，而该工况点处于=+和=+等转角线之间，用内插法可求得改点的效率修正值为=3.14%，由此可得该工况点的原型水轮机效率为=88.2%+3.14%=91.34%（与上述假定的92%相近）由于=1.623.0%，故单位转速可不作修正，同时单位流量也可以不作修正。由此可见，以上选用的=4.5m, n=166.7是正确3.1.2.4工作范围的检验在选定=4.5m, n=166.7后，可求出水轮机的及各特征水头相对应的值。则水轮机的最大引用流量为与特征水头，相对应的单位转速为 在型水轮机模型综合特征曲线图上分别绘出=1034 和的直线，如图3-34所示由图可见，由这三根直线所围成的水轮机工作范围基本上包含了特性曲线的高效率区，所以对于型水轮机方案，所选定的参数=4.5m = n=166.7是理的3.1.2.5吸出高度的计算 由水轮机的设计工况参数，= ，=1034，在图上可查出相应的气蚀系数= 并在图2-26上查得气蚀系数的修正值约为=0.032，由此可求出水轮机的吸出高度为=可见，型水轮机方案的吸出高度不满足电站要求。3.1.3两种方案的比较分析技术性能比较两水轮机模型的使用水头范围均满足水电站的水头变化范围。hl240水轮机最高效率为；zz440水轮机最高效率为。显然hl240水轮机效率较高。hl240水轮机的气蚀系数为=, 吸出高度为=-1.11；zz440水轮机的气蚀系数为, 吸出高度为-7.95；比较可知hl240气蚀系数小，吸出高度大。经综合比较选择hl240型水轮机初步拟定水轮机机组型号为，即转轮型号为的混流式水轮机，主轴金属蜗壳，转轮直径，水轮机在最优工况下，单机转速，单机流量，效率，汽蚀系数。3.2尾水渠3.2.1尾水渠断面尺寸及水深的计算尾水渠采用明渠矩形断面，断面图如下: 图5.1 尾水渠断面同时用浆砌块石衬砌，底坡取，试算水深及底宽。由于流量（两台机组同时工作时），（一台机组工作时）因此规模较小，拟定底宽试算过程如下：由厂房处地质地形条件查阅小型水电站上册附录表3可知粗糙率，查表，当时由公式： 计算式中：流量 流量率当两台机组正常工作时：，则（1）假定，则过水断面： 湿周：水力半径：查附录，表2，当，时，流速系数取由此验算：与已知不符，重新计算。（2）、假定，则 此时,查附录知：则与已知很相近，故尾水渠道正常水深校核流速是否在允许范围内：查附录表1，对于坚实粘土最大允许不冲流速为；查小型水电站上册表103，不淤流速为，因此符合设计要求。同理试算，当一台机组工作时，最低水位，此时，同样满足不冲不淤的规范要求，综上试计算结果，可知尾水渠最大正常水深，最低水深因此渠道断面全高为最大水深加超高，大于取则尾水渠全高为：尾水渠尺寸剖面图如右：3.2.2尾水渠特征水位的确定3.2.2.1尾水渠正常水位由于本次设计缺少该河段断面的水文资料及水