毕业设计论文河床式水电站设计及混凝土蜗壳结构计算

--中文摘要沙溪口水电站计划建在福建省南平市上游的西溪上，是闽江流域的一个梯级电站，属于河床式水电站。本电站主要组成建筑物有溢流坝、非溢流坝、厂房和船闸。坝体型式为混凝土重力坝，溢流坝段布置于河床中部，厂房布置在河床右岸，船闸布置在左岸。非溢流坝坝顶高程93m，上游面坡度为1:0.2，下游面坡度1:0.80，溢流坝堰顶高程82.78m。溢流坝段全长340m，设有18孔溢流孔，每孔净宽取为17.0m，沿主河槽宣泄绝大部分洪水。水库正常蓄水位为88.00m，设计洪水位为90.00m，校核洪水位为91.00m，死水位为84.00m。电站设计水头为10.3m，总装机容量为320MW，安装有4台轴流式水轮发电机组，每台装机容量为8MW。水轮机型号均为ZZ560-LH-850，转轮直径为8.5m，水轮机安装高程66.47m，发电机层高程86.005m，取安装场高程与发电机层同高。下游校核洪水位81.50m，主厂房顶高程为108.00m，厂房总长148.2m，宽74m。220kV及110kV开关站布置在尾水平台右侧。船闸闸室100m×20m×2.5m（长×宽×最小水深），位于溢流坝左侧。沙溪口水电站具备发电，航运，过木等的综合效益，是福建电网的骨干电厂。关键词沙溪口水电站、河床式厂房、重力坝、溢流坝、水轮机、发电机、抗滑稳定性、扬压力、轴流式水轮机、发电机层结构设计AbstractShaxikouHydropowerStationispreparedtobuiltatXixistream,upstreamthecityofNanpinginFujianProvince.ItisoneofthecascadedevelopmentintheMinjiangriverbasin.Itisapowerhouseinriverchannel.ThemainstructuresofShaxikouHydropowerStationisconsistofoverflowspillwaydam,non-overflowspillwaydam,powerhouseandlock.Thedamsareconcretegravitydams.Theoverflowspillwaydamliesinthecentreoftheriverbed.Thepowerhouseliesontheright,andthelockislocatedontheleft.Thetopofthenon-spillwaydamisatanelevationof93meters.Theupstreamofthedamisvertical,thelowerslopedegreeis1:0.2,andtheupperslopedegreeis1:0.80.thecrestoftheweirisatanelevationof82.78meters.Theoverflowspillwaydamisabout340meterslongintotal,with18openingseachof17meterswide,dischargingmostofthefloodflowalongthemainriverchannel.Thenormalwaterleverofthereservoiris88.00meters,whilethedesignfloodwaterlevelofthereservoirreachesat90.00meters.Thecheckingfloodwaterlevelisabout91meters.Andthedeadwaterlevelisonly84.00meters.Thedesigncross-headis10.3meters.Theprojecthasatotalinstalledcapacityof320MW.Ithousesfouraxial-flowturbinescoupledwithgenerators8MWeach.ThetypeoftheturbineisZZ560-LH-850.Thediameteroftheturbineis8.50meters.Therunnersettingisatanelevationof66.47meters.Thegeneratorfloorisatanelevationof86.005meters.Anditisthesamewiththeserviceorerectionbay.However,thecheckingtailwaterleveris81.5meters.Thetopofthepowerhouseisatanelevationof108meters.Andthepowerhouseisabout146.2meterslongand74.0meterswide.220KVanf110KVswitchyardislocatedontheplatformattherightsideofdownstreamtailrace.Thelockwiththedimensionof100m×20m×2.5m(L×W×Min.waterdepth)islocatedontheleftsideofthespillway.ShaxikouHydropowerStationhasthecomprehensivebenefitsofgeneratingelectricity,shippingtransportation，navigationafloatingwoodsandetc..IthasaveryimportantpositionintheelectricitynetworkofFujianProvince.KEYWORDSShaxikouHydropowerstation，powerhouseinriverchannel，concretegravitydam，overflowdam，combinatory，hydro-generator，stabilityagainstsliding，upliftpressure，axialflowtypeturbine，structuredesignofgeneratorfloor，

目录中文摘要1ABSTRACT2-目录4-1.1流域概况6-1.2水文气象条件6-1.3水库地质9-1.4坝址工程地质条件及坝轴线选定9-1.5建筑材料13-1.6综合利用13-1.7枢纽布置13-第二章重力坝挡水坝段设计2．1剖面设计15-2．1．1坝顶高程2．1剖面设计16-2．1．1坝顶高程2．1．2坝顶宽度2．1．3廊道的布置2．1．4剖面形态2．2坝体稳定分析和应力校核19-2．2．1设计洪水位时2．2．2校核洪水位时第三章重力坝溢流坝段设计3．1溢流坝段孔口尺寸拟定28-TOC\o"1-2"\h\z\u\h3．2溢流坝段剖面设计28- \h4．２．１ZZ460水轮机方案的主要参数选择 4\h4．２．２ZZ560水轮机方案的主要参数选择 4\h4．２．３HL310型水轮机方案的主要参数选择 483．2．1堰顶高程3．2．2堰面曲线3．2．3消能方式3．3坝体稳定分析和应力校核32-3．3．1设计洪水位时32-3．3．2校核洪水位时35-第四章水电站建筑物设计4．1特征水头的选择40-4．2水电站水轮机组的选型41-4．3蜗壳和尾水管的计算51-4．4发电机的选择与尺寸估算53-4．4．1水轮机发电机主要尺寸估算4．4．2发电机外形平面尺寸估算4．4．3发电机外形轴向尺寸计算4．4．4发电机重量估算4．5调速器与油压装置的选择57-4．5．1调速功计算4．5．2接力器的选择4．5．3调速器的选择4．5．4油压装置4．6厂房起吊设备的选择60-4．7主厂房各层高程及长宽尺寸的确定60-4．7．1水轮机组安装高程4．7．2尾水管地板高程和厂房基础开挖高程-64．7．3水轮机层地面高程4．7．4发电机楼板高程和安装场高程4．7．5吊车梁轨顶高程4．7．6屋顶面高程4．7．7厂房总高4．7．8主厂房平面尺寸的设计4．8水电站厂房的稳定计算63-第五章混凝土蜗壳的结构计算5.1内力计算67-5.1.1荷载及其计算5.1.2载常数计算5.1.3形常数计算5.1.4内力计算5.2配筋计算71-5.2.1顶板5.2.2边墙，按照对称配筋5.3抗裂计算71-5.3.1顶板5.3.2边墙参考文献后记1.1流域概况闽江西溪为福建省最大河流上游的西支，流经福建省十四个县市，与闽江北支建溪汇合于南平市。西溪全长349公里，邵武至顺昌段河道坡降0.9%，已建安沙水电站位于沙溪中游末端，控制集水面积5184平方公里。富屯溪干流全长285公里，邵武至顺昌段河道坡降1.3%。其最大支流为金溪，全长253公里，地形更为陡峻，河道坡降高达1.5%，已建池潭水电站位于金溪中游，控制集水面积为4766平方公里。沙溪口水电站位于沙溪和富屯溪汇合口下游6公里的西溪上，控制集水面积25562平方公里制，占闽江流域总面积的42%，流域内森林茂盛，覆盖良好，有较好的水土保持条件。1.2水文气象条件1.水文气象情况西溪的降水量观测，解放前从1935年开始，但站点少，资料断续不全，精度较差。1952年起陆续增设雨量站，到1978年已达162处，平均158平方公里设有一个雨量站。蒸发量观测都是解放后开始，本流域共有16个观测站。枢纽区所需的气温，湿度，水温，风向，风力等气象要素的统计，是利用距坝区下游14公里的南平站。水文测验：西溪最早于1938年7月在沙溪的沙县。永安设站观测水位和流量，1939年相继在宁化清流设水位站。富屯溪以洋口建站最早，于1944年5月设立，其他各站点均在解放前增设。一般都有二十年以上的实测资料。至1978年沙溪沙县站已积累三十年资料，富屯溪洋口站也有三四十年的实测资料。西溪的花竹站，距沙溪，富屯溪汇合口下游约4公里，1953年11月设站。1957年停测，1960年9月恢复策流至1966年12月撤消，1979年恢复观测水位，汛期测流。花竹站是西溪控制站，是本水电站水文计算的主要依据站，但仅有9年实测流量资料，而沙县控制站，控制集水面积9922平方公里，洋口站控制集水面积12669平方公里，两站总面积已控制坝址总面积的89%左右，其间无大支流汇入，为花竹站水文资料插补展延提供了良好的条件。天然河道水位流量关系曲线，1979年3月在花竹站下游约1.5公里鲤鱼洲坝段社坝址上下水尺。同年青洲、莱舟与梯级开发可能的官蟹，照口设水尺，观测水位，至9月停测。坝址水尺与花竹站相关，青州，官蟹两组水尺和莱舟，照口两组水尺分别与沙县站和洋口站相关，高水位历史洪水资料控制又分别按集水面积比的0.67次方作相应水尺的区间加入水量，接着以史提文撕法外延求得。降水特性福建闽江西溪流域属亚热带季风气候，雨量充沛，暴雨频繁，由于地形的影响，富屯溪上游为闽北高雨区，沙溪属于闽中低雨区，金溪与富屯溪中下游为两者的过渡带。降雨量地区分布有自东南向北递增的趋势。花竹以上流域实测最小和最大年降水量在1236~2348毫米之间，多年平均降水量1776毫米，六月降水最多，约占全年总降水量37%左右。高风西风槽和地面锋系列相伴出现成锋面雨，是本流域雨季最主要的天气形势，也是暴雨的主要成因，一般台风雨对本流域影响不显著，但强台风与其他天气系统相遇时，容易晾成洪患。气象要素简述气温坝区年平均气温为19.3度，月平均气温在9度以上，最高气温≥35.0度的日数，全年平均为40.4天，其中以七八月份为最多。坝区最低气温≤0度的天数，全年平均为7.6天，以一月份出现的机会最多。坝区极端最高气温41.0℃，出现在1953年8月1日，极端最低气温-5.8℃，发生在1955年1月11日和1963年1月8日。湿度和水温本流域气候湿润，坝区年平均相对湿度为79%，月平均最大达83%，发生在六月，月平均为78%，出现在七月。坝区多年平均水温为20.8度，极端最高水温达35度，极端最低水温为5.7度。蒸发西溪花竹以上流域蒸发量以邵武，延宁，将乐，清流，永安，沙县六站观测资料为计算的依据，根据1952~1978年资料求得，多年平均水面蒸发量970.3mm，年最大蒸发量1092.9mm，年最小蒸发量888.6mm，年内各月蒸发量以七月最大，为144.2mm，二月最小为38.5mm，陆地蒸发量按水量平衡原理推求，多年平均为792.7mm。风向风力坝区年平均风速仅为1.0秒米，全年各月东北风占优势，定时最大风速实测记录大于20m/s，出现在1962年的6月，相应的风向为西南风，发生大风日数以7~9月的频次较多。沙溪口大坝的设计最大风速建议值采用25~30秒米。径流本流域径流形成至降水，花竹站具有1954~1956及1961~1966年实测资料，根据九年实测资料与上下游的沙县，洋口，南平，七里街各站点的流时资料，建立了四种同期上下游年月平均流量的相关图，经比较得选用最大误差较小，且较为简单的插补计算花竹站年月日平均流量，并将花竹站查补延伸而得1939到1978年间的40年径流系列。考虑支池潭径流系列较短，从1954年起才同步，故坝址多年平均流量采用花竹站1951~1978年流量系列计算得为778秒立方米，径流模数为30.4万立方米/秒×平方公里。花竹站径流年内分配很不均匀，从一月递增，六月最大，占全年流量24.5%，然后逐月的递减，最小为12月，只占全年流量的2.7%，最大与最小月份比达9倍，花竹径流年内分配可见见表1。表1-1花竹站径流年内分配表名称名称一二三四五六七八九十十一十二全年月平均径流267407618108017302290946606470379288253778占年内比例（%）2.864.366.611.018.315.510.148.495.844.805.892.71100花竹站最小流量可以根据沙县及洋口站1950~1978年实测资料进行插补计算得，最小值在1968年，仅为78.8m3/s。洪水西溪洪水由暴雨形成，特大洪水发生在4~6月，尤其以六月发生机会最多，每年五，六月份由于高空西风槽，低涡特别的活跃，地面低压锋系出现较为频繁，西南方向来的暖湿气流又加强，当两气团在流域上空交汇时，将形成静止锋，不仅降水持久且强度大，这是造成本流域大范围降水主要的天气系统，也是洪水主要成因，本流域距台风源地较远，东南面受博平等山脉的阻挡，一般台风对本流域的影响不大，若强台风与其它天气系统相遇也将会造成洪灾。根据30年来的实测资料分析，较大洪水形成原因以及历史特大洪水大部分均属与锋雨造成。本流域洪水历时一次可达5至10天，一般5至7天可以包括最大洪量，锋型以C复峰及多峰居多。对于入库的洪水，通过计算入库洪峰与天然洪峰的相对增值在0.25%至1%之间，可见影响非常小，建议本水电站直接采用坝址设计洪水。坝址洪水过程线，考虑将沙溪与富屯溪的洪水相组合。泥沙坝址没有实测的资料，考虑采用洋口与沙县两站实测悬移质输沙率多年平均值，经过年径流比推算，以洋口与沙县两站多年平均侵蚀模数综合分析的成果比较推得坝址悬移质年输沙量约为0.094公斤/立方米。推移质由于闽北地区无实测资料，可参照新安江罗桐埠站的分析成果，按悬移质的30%进行估计，推得多年平均总输沙量为302万吨。1.3水库地质库区位于闽西北的华夏地区，地层以前震旦第建欧群一变质岩和燕山花岗岩体为主。库区地层褶皱多呈复式，以向半构造为主习峰期褶皱形态较复杂次，数褶皱较发育，华力近—即光期属于燕山期，大体可分成北东~北北东向。北西向和南北向三组，北东向断层多属压性，但也有弹性的，北西向断层多属张性。南北向断层，则是以压性为主。电站所在地区地震基本烈度定位6度。渗漏：库区群山环抱，地下分水岭高于水库设计蓄水位。库岔中无碳酸盐类岩石分布，故无渗漏之虑。矿产淹没：未发现有工业价值的矿产，因此不会影响水库的兴建。库岸稳定：已查明，不稳定或滑块体有沙溪口公路上游600米右岸及沙溪口公路桥上游的一块，规模估计总计约数万立方米。此两处距坝址约为7公里，纵使坍滑对电站也无影响。在绿水坑上游侧2200米处，岩层有侏罗系有顺坡向断层构成滑动面。经推算，认为不论是现在或蓄水以后都应该是稳定的。原上坝址右岸距电站厂房约为500米，边坡地形较平缓，120米高程以上坡积层经过多次滑动，已经趋于稳定，下部岩体风化较发育，T4和附近岩体张开松弛，拉裂，T4的缓倾角结构面末出坡脚，高程80米以下的基岩出露与河库风华岩无露头，片理结构均可延续，边坡下部不存在滑裂面，蓄水后不可能在坡脚长生脆性破裂，酿成严重滑坡。1.4坝址工程地质条件及坝轴线选定1坝址选择在西溪的花竹，鲤鱼州河段选定两个比较坝址，相距约500米，称为上下坝址，选坝会议认为：从地质条件上比较，上下坝址无质的差别，均可修建50米左右混凝土重力坝，相对下坝址好。并要求对下坝址两岸坝头稳定条件及河库倾角软弱夹层分布和力学性质作进一步查明，以分析其对坝基稳定的影响。综合其它条件，选定下坝址作为沙溪口水电站的坝址。2选定坝址的工程地质条件坝址地层是由石英片岩、长英片岩和云母片岩所组成，左岸、左河床由石英片岩与云母长英片岩组成。河床礁滩部分及右岸则为云母长英片岩，夹石英片岩和云母片岩。岩性以石英片岩最为坚硬，长英片岩次之，云母片岩最软，但其抗压强度一般也有500kg/cm2。岩层走向为北东向，倾向下游偏右岸。坝址位于鲤鱼洲向斜的西北翼，构造线以北东北北东为主，被向斜构造多呈小型复式褶皱，背斜较紧密，向斜较舒缓。揉褶多发育在云母片岩之中，断裂以北东—北东向较为发育，北北东，北西，北西西次之，断层宽度在0.13~3.0米，规模最大的北西，北西西向F50断层通过左河槽，宽为10~15米。断层带由胶结角砾岩压碎岩组成，对工程地质条件影响不大。F50断层宽30米，需作防渗处理。左右岸均无深层滑动可能，左岸控制其过坡稳定的滑动面的为片理面，在坝肩开挖后，坝肩上下游局部地区片理面和顺层撞压带，可能会引起边坡失稳。左岸各种岩面的稳定坡角若坡高为20~30米，可用45~60°。右岸大部由全风化和强风化所组成，其稳定坡角建议为40~45°。坝基下游不存在临空地形条件，也没有发现有较缓倾角泥化层和贯穿河床的缓倾角结构面，可以认为基础是稳定的。坝基岩面属于裂隙性的含水层，受构造断裂影响，方向性明显，局部断裂带和断裂影响带为较严重的透水带，经推算得绕坝渗漏和坝基渗漏量约为500立方米/一昼夜，相对降水层的埋深不大。综上所述，可认为本坝址对于径流式水电站来说是比较理想的坝址。3坝轴线选定选定坝址后，对于原拟订三条勘探线的勘1，因上游临近左河床深潭，潭底最底高程为44.0米，同时1，2勘线之间河床深槽存在F50，F6等断裂聚汇带；3勘线下游右岸靠近冲沟。为此放弃勘2线的上游和勘1线的下游作为坝轴线比较范围。将坝轴线比较范围限在勘2线~勘1线之间，且增设4线加密勘探，结果认为4勘线两岸新鲜基岩利用面较高，尤其右岸在4线附近的岩体新鲜坚硬完整，可作为齿墙基础，因此从地质条件分析，认为勘4线作为坝轴线是最合适的。4岩石物理力学性质坝基各类岩石的室内物理性能实验成果见表1—2表1-2岩石室内物理性能的实验成果注：1.石英片岩近似平行于理面的两组干抗压强度平均值为841.2公斤/平方厘米。2.云母片近似平行于理面的一组干抗压强度值为296.7公斤/平方厘米。坝基是由三种岩性所组成的。在坝体结构及裂隙发育程度并考虑软化系数较低情况建议利用区内岩石抗压强度1/10，其值可表1—3。岩石与岩石，岩石与混凝土之间抗剪强度实验，选取河床微风化~新鲜岩石，制备20×20×20厘米试样确定，其成果可见表1—4。根据室内单点法实验组，结合坝基得地形地质条件分析，摩擦系数可采用算术平均值，乘上折减系数0.85，粘聚力建议可采用算术平均值的1/5，见表1—5。建筑物部位的分段混凝土/岩摩擦系数建议值右岸挡水段f=0.5船闸f=0.45溢流段f=0.51厂房段f=0.50各类岩石变形的模具量建议值如下：新鲜石英片岩20×104公斤/厘米2新鲜云母长英片岩15×104公斤/厘米2新鲜云母片岩10×104公斤/厘米2表1-3坝基岩石承载能力列举数值岩岩性建议数据（公斤/厘米2）垂直片理岩平面片理岩微风化~新鲜的石英片岩10055微风化~新鲜的云母长英片岩9045微风化~新鲜的云母片岩5010表1-4岩石室内实验成果表岩岩性实验条件抗剪组数算术平均值图解法最小二乘法tgYCtgYCtgYC云母片岩岩/岩0.511.020.512.050.482.2718混/岩0.572.720.553.10.513.429云母长英片岩岩/岩0.532.700.532.770.513.1411混/岩0.553.02石英片岩混/岩0.582.820.563.16备注分析中舍去少数偏大的成果表1-5岩石抗剪强度指标建议值岩石名称岩石名称边界条件建议值摩擦系数粘聚力（C）公斤/厘米2云母片岩岩/岩0.430.38云母长英片岩岩/岩0.450.54云母片岩混/岩0.480.54云母长英片岩混/岩0.500.6长英片岩混/岩0.550.6F4F4岩/岩岩/岩混/岩0.40/1.5建筑材料在坝址附近缺少沙石料。土料在坝址的上下游范围内均有分布。涉沙净沙料场，沙的质量良好，初步估计储量约为15~20万立方米，运输条件较好，可供工程前期施工时使用。二公里半道口采石场岩石为燕山早期花岗岩，无论质量储量均可满足要求，唯需人工沙作实验论证。土料最优开采地段为下坝址的右岸，高程在120~170米左右，储量为50~60万立方米以上，质量可满足围堰施工强度要求。1.6综合利用本工程以发电为站为主兼顾航运过木，投产后将接入福建省点系统运行。开发本电站主要目的是适应福建省工农用电需要。沙溪口水电站位于闽北电网中心，电站开发主要是向福州，三明，南平等地区供电，其范围主要在闽北，参加全省电力平衡，考虑水口电站投产后，福建华东联网，本电站负担适当的调峰任务。有通航要求，估计近期过坝货运量为30~60万吨。木材过坝量1990年为20万立方米，2000年为50万立方米。毛竹500~600万株。要求枢纽设置船闸，满足过木及通航要求。枢纽建成后，因水库小无力承担下游防洪任务，下游无灌溉要求。1.7枢纽布置 由沙溪口的水文地质资料可知，坝址位置设计洪水位90.00m，对应下游水位可由下泄流量在流量与下游水位关系曲线查得79.7.00m,水头为10.m。校核洪水位91.00m,同理可查得下游水位81.50m，水头为9.50m，汛期限制水位88.00m，设计低水位84.00m。本电站水头不高，水深较小，水头在20m左右，水深不足40m，初步设计选择采用河床式厂房发电；洪水期下泄流量较大，河床较宽，可以选择溢流坝表孔泄洪；两岸山体不高，地质状况一般，选择重力坝挡水；考虑通航过木过竹需要，设置较高通航能力的船闸。考虑河床式水电站枢纽布置特点，为保证洪水季节泄水安全迅速，保证水流流态平稳，防止产生回流，初步将泄水建筑物即溢流坝布置在河床中间。经综合分析，确定了(Ⅰ).左岸船闸河床中部溢流坝右岸厂房布置方案，和(Ⅱ).左岸厂房河床中部溢流坝右岸船闸布置方案进行比选。(Ⅰ).左岸船闸中部溢流坝右岸厂房布置方案考虑主河槽位于左河床靠近左岸30~50m之间，开挖至弱风化岩层需至48.00m高程左右，初步设计布置船闸易于通航需求；沿坝轴线自此至右岸500~600m之间，开挖至弱风化岩层需至57.00m高程左右，初步设计选择布置溢流坝和河床式厂房，考虑溢流坝洪水期泄洪不对电厂发电造成影响，其间用重力挡水坝衔接；考虑河流右岸交通便利，山坡较缓，易于出线进厂布置，而将河床式厂房置于右岸，且右岸现有铁路线沿河岸通过坝址，将厂房布置在右岸有利于利用铁路在工程施工时建筑材料的转运及机电设备安装时机电设备的运输。枢纽布置沿坝轴线从左岸至右岸的水工建筑物依次为：重力挡水坝、船闸、溢流坝、重力挡水坝、河床式厂房，开关站初步布置于河道右岸装配厂下游。(Ⅱ).左岸厂房中部溢流坝右岸船闸布置方案由于厂房布置在左岸原主河槽处，厂房施工时需开挖土石方较第一种方案小，相对节省工程投资。但由于开关站布置在河岸处，需要大量块石护岸，所以厂房施工开挖所产生的石料可用于开关站地基铺填，因此，在开挖问题上两种方案实际工程费用相差不大。综上，初步设计采用(Ⅰ).方案，即左岸船闸河床中部溢流坝右岸厂房方案，并采用重力坝挡水，溢流坝泄洪，底流消能。本工程按水利水电枢纽工程等级划分设计标准，确定工程等别为二等，主要建筑物级别二级，次要建筑物级别三级，临时建筑物级别为四级。第二章重力坝挡水坝段设计沙溪口水利枢纽河床较宽，初步选择用重力坝挡水，由于重力坝坝体与地基的接触面积大，受扬压力的影响也大。扬压力的作用会抵消部分坝体重量的有效压力，对坝的稳定和应力情况不利，故需采取各种有效的防渗排水措施，以消减扬压力，节省工程量。沙溪口水利枢纽在洪水季节上下游水位均较高扬压力较大，初步设计坝型不能采用基本坝型剖面，需做一定调整。此外，沙溪口坝址处岩石抗剪性能较差，应注意大坝的抗滑稳定分析的研究。基本设计参数：a).水位。上游设计洪水位：90.00m；校核洪水位：91.00m；正常蓄水位（汛期限制水位）88.00m；下游设计洪水位：79.7m；下游校核洪水位：81.50m；正常蓄水位（一台机组发电）：64.67m。b).坝底高程。坝底高程取未风化岩石边界开挖线49.00m。c).材料重度。混凝土重度可由《水工建筑物荷载设计规范》取大体积混凝土结构γ=24.0KN/m3,水的重度取γ=9.81KN/m3。1 0d).岩石抗剪强度。由《沙溪口水电站基本情况简要说明》中表7得岩石抗剪强度指标建议值知，云母长英片岩与混凝土边界摩擦系数f=0.5，粘聚力c’=0.6kg/c㎡，K’=3.0，K=1.052．1剖面设计2．1．1坝顶高程坝顶高程由静水位+相应情况下的风浪涌高和安全超高。即：坝顶高程▽=静水位+Δh（2-1）式中：Δh=h+h+h l% z c式中：h——累积频率为1%的波浪高度，m；l%h2 2Hh——波浪中心线高出静水位的高度，可用h=1%cth 计算，m；z z Lm Lmh——取决于坝的级别和计算情况的安全超高，m；浪要素h由官厅水库公式计算，得l%ghm0.0076v121(gD)13gLm0.331v2.115(gD)3.175v20v2v20v2 0 0 0 0 gD gD式中：h——波浪高，当=20～250时，为累计频率5%的波高；当=250～m v2 v2 0 01000时，为累计频率10%的波高；V——计算风速，m/s；D—风区长度，即吹程，可由坝前水域形状确定，m；2．1剖面设计2．1．1坝顶高程坝顶高程由静水位+相应情况下的风浪涌高和安全超高。即：坝顶高程▽=静水位+Δh（2-1）式中：Δh=h+h+h（2-2）式中：h——累积频1的波浪高度，m；l% h2 2Hh——波浪中心线高出静水位的高度，可用h=1%cth计算，m；z zLL m mh——取决于坝的级别和计算情况的安全超高，m；波h由官厅水库公式计算，得l%ghm0.0076v121(gD)13（2-3）v2 0v2 0 0gLm331v1(gD)3.175（2-4）0.2.15 v2 0 v2 0 0 gD gD式中：h——波浪高，当=20～250时，为累计频率5%的波高；当=250～m v2 v2 0 01000时，为累计频率10%的波高；V——计算风速，m/s；D—风区长度，即吹程，m；a).设计洪水位情况：计算风速v取为20m/s；设计洪水下吹程D为3.00km；1(9.813000)132021.01m得h=0.00762012 5% 202 9.811(9.813000)3.17520210.54mLm=0.331302.15202 9.81由荷载设计规范查表得h/h=1.95,h/h=2.42， 5% m 1% m所以h=2.42/1.95×h=1.26m 1% 5% h2 2Hh=1%cth（2-5）zL Lm m3.141.262=0.99914.2=0.473mh=0.5m则=h+h+h=1.26+0.473+0.5=2.233m坝顶高=蓄水位+Δh=85.5+2.998=92.233mb).校核洪水情况： 计算风速v取为16m/s；校核洪水下吹程D为3.00km；1(9.813000)131620.765m得h=0.00761612 m 162 9.811(9.813000)3.1751628.43mLm=0.331162.15162 9.81由荷载设计规范查表得h/h=1.95,h/h=2.42 p5% m p1% m所以h=2.42/1.95×h=2.89/1.92×h=0.95m 1% 5% mh2 2H 3.140.952h=1%cth = 0.9990.336mh=0.4mzL L 8.43 c m m则Δh=h+h+h=0.95+0.336+0.4=1.686m坝顶高=蓄水位+Δh=91.00+1.686=92.686m坝顶桥梁采用装配式钢筋混凝土结构，桥下会有过流，为使工作桥与水流保持一定距离。并考虑其他因素，取重力坝坝顶高程取93.00m2．1．2坝顶宽度非溢流坝的坝顶宽度一般可取为坝高的8%~10%（即2.72~3.4），且不小于3m。由本水利枢纽非溢流坝坝高=93.00-49=44m可初步取坝顶宽度为4m，为了满足设备布置和双线交通的要求，最终选定坝顶宽度为10m。2．1．3廊道的布置坝体内灌浆廊道上游壁到上游坝面的距离应不小于0.05~0.10倍水头，且不小于4~5m，取4m，宽度2.5~3m，取2.5m。高度3~4m，取3m。坝体纵向排水检查廊道考虑坝高较小，只设基础排水廊道，高取2m，宽取1.5m。灌浆廊道距离基岩面距离不宜小于1.5倍底宽，即1.5×2.5=3.75m，取4m。2．1．4剖面形态因本水利枢纽坝址摩擦系数较小，所以不能按常规坝体设计。1.按应力条件确定坝底最小底宽（取=0.125） H 44B 30.14m 24 c(1)(2) (10.125)0.125(20.125)0.25 1 9.810（2-6）其中，9.81KN/m3，24KN/m3，0.25， 0 C 1河床底高程49m，H=93-49=44m2.按稳定条件确定坝底最小底宽 KH 1.0544B 39.8m（2-7） 24 f0c10.59.810.1250.25其中，K=1.05，f=0.5,其余同上。取坝底宽度40m。取上游折坡点为69.0m。上游坡n=0.2，下游坡m=0.8图2-1图2-1挡水坝段剖面图2．2坝体稳定分析和应力校核 1 22．2．1．1荷载计算自重w0.542024960KN1w44122412672KN2w0.5(4016)224/0.88640KN3 M18560KN.m逆时针1M152064KN.m逆时针2M51840KN.m顺时针3水压力上游水压力1pH20.59.81(9049)28245.305KNx21p0.54209.81392.4KNy1p4(9069)9.81824.04KN y2M12685.835Km.m顺时针xM8109.6KN.m逆时针y1M 1648.08KN.m逆时针y2下游水压力1pH20.59.81(79.749)24622.91KNx22py0.5（79.749）20.89.813698.33KN M47307.779KN.m逆时针xM51086.265KN.m顺时针y扬压力由于扬压力较大，坝体设有防渗帷幕和上下游主副排水系统，由规范DL5077-1997，坝基面渗透压力扬压力强度系数为：α=0.25α=0.20α=0.500 1 2图2-2设计洪水位时扬压力分布图u30.7449.8113251.348KN1u82.5759.81186.39KN2u0.5(10.32.575)89.81303.129KN3u0.5362.5759.81454.694KN4 M01M3355.02KN.m顺时针2M5860.494KN.m顺时针3M909.388KN.m顺时针4浪压力图2-3图2-3设计洪水位时浪压力分布图坝前水深H=41m≥Lm/2=5.27m，为深水波mP +2h+h （L/2）2L 0 m=9.81×(5.27+1.26+0.473)×5.27/2+9.81×5.275.27/2=181.03-136.23=44.80kNM=181.0338.06136.2337.496890.0025106.8091783.193KN.m顺时针2．2．1．2挡水重力坝的稳定分析表2-1设计洪水时坝基面上荷载计算 序号 作用类别 作用力 作用力引起的弯矩抗滑稳定计算1)抗剪强度WU12991.209KNP3667.195KN Kf(WPU)1.77K1.052)抗剪断强度公式Kf(WPU)CA1.212991.209P0.61034411.45K'3所以满足抗滑稳定。分项系数法进行挡水坝段稳定分析S(*)=8245.305-4622.91+1.2×(181.03-136.23)=3676.155KNW960+12672+8640+392.4+824.04+3698.33-13251.4-186.39×1.1-303.129×1.1-454.694×!.2=12851.32KNR(*)=fWcA=0.512851.326004413742.82KNf C1.3 3 R RR(*) 10.953676.1553492.35 11452.35KN 0 d满足坝段稳定。水平截面上的边缘正应力M=12991.209kN·mW=15001.984kNB=44m上游面垂直正应力 W 6M15001.984612991.209'=341.75kN/m2>0yBB244442下游面垂直正应力 W 6M15001.984612991.209''=248.755kN/m2>0yBB244442边缘为压应力，所以也是稳定。2．2．2校核洪水位时（H42m,H32.5m） 1 22．2．2．1荷载计算自重w0.542024960KN1w44122412672KN2w0.5(4016)224/0.88640KN3 M18560KN.m逆时针1M152064KN.m逆时针2M51840KN.m顺时针3水压力上游水压力1pH20.59.81(9149)28652.42KNx21p0.54209.81392.4KNy1p4(9169)9.81863.28KN y2M121133.88KN.m顺时针xM8122.68KN.m逆时针y1M 17265.6KN.m逆时针y2下游水压力1pH20.59.81(81.549)25180.91KNx22py0.5（81.549）20.89.814144.725KN M56126.48KN.m逆时针xM55263KN.m顺时针y扬压力由于扬压力较大，坝体设有防渗帷幕和上下游主副排水系统，由规范DL5077-1997，坝基面渗透压力扬压力强度系数为：α=0.25α=0.20α=0.50图2-3图2-3校核洪水位时扬压力分布图u32.5449.8114028.3KN1u82.3759.81186.39KN2u0.5(9.52.375)89.81279.585KN3u0.5362.3759.81419.378KN4 M01M3355.02KN.m顺时针2M5395.99KN.m顺时针3M838.755KN.m顺时针4浪压力图2-4校核洪水位时浪压力分布图坝前水深H=42m≥Lm/2=4.22m，为深水波mP +2h+h （L/2）2L 0 m=9.81×(4.22+0.95+0.336)×4.22/2+9.81×4.24.22/2=113.87-87.35=26.52kN（2-8）M=113.8739.6287.3539.194511.533423.251088.28KN.m顺时针2．2．2．2挡水重力坝的稳定分析表2-2校核洪水时坝基面上荷载计算抗滑稳定计算1)抗剪强度WU12758.752KNP3498.03KN （2-9）Kf(WPU)1.82K1.052）抗剪断强度公式Kf(WPU)CA1.212758.3498752.030.61034411.92K'3（2-10）满足抗滑稳定条件。分项系数法进行挡水坝段稳定分析S(*)=8652.42-5180.91+1.2×(113.87-87.35)=3503.334KNW960+12672+8640+392.4+863.28-14028.3-186.39×1.1-279.585×1.1-419.378×!.2=12642.262KNR(*)=fWcA=0.512642.266004413662.41KN（2-11）f C1.3 3 R RR(*) 10.953676.1553492.35 11385.34KN 0 d满足坝段稳定。水平截面上的边缘正应力M=13223.834kN·mW=12758.752kNB=44m上游面垂直正应力 W 6M12758.752613223.834.' = 330.96P（2-12）y B B2 44 442 a下游面垂直正应力 W 6M12758.752613223.834''=248.99kN/m2（2-13）yBB244442边缘为压应力，所以也是稳定。第三章重力坝溢流坝段设计3．1溢流坝段孔口尺寸拟定溢流坝既是泄水建筑物，又是挡水建筑物，既要满足稳定强度要求，又要满足水力条件要求。要有足够的下泄能力，使水流平顺的流过坝面，避免产生振动和空蚀。应使下泄水流对河床不产生危及坝体安全的局部冲刷，不影响枢纽中其他建筑物的正常运行。设计洪水流量20500m3/s，设计洪水位为90m，一台发电机N=8万千瓦。根据公式：8.5QH=N（3-1）式中N——一台机组的装机容量Q——洪水流量H——水头求得Q=229.56m3/s，因为共有4台机组，4Q=918.22m3/s，故取单宽流量q=70m2/s。设计工况下，Q=20500m3/ss则Q=Q-αQ=20500-0.9×918.22=20300m3/s（3-2）s 0式中Q——通过枢纽下泄流量；sQ——通过泄水孔、水电站及其他建筑物的下泄流量；α—系数，正常运用时取0.75至0.9，校核情况取为0.9。则溢流前缘总净宽L=Q/q=20300/70=281.1m，取290m。取孔数n为18孔，溢流坝孔口形式采用初步设计采用开敞式溢流堰，则每空净宽b=L/n=290/18=16.1m，取17.0m。溢流堰闸门采用横轴弧形闸门，考虑将横缝布置在闸孔中间，则闸墩厚度可取稍薄一些，取d=2m。则溢流前沿总净宽L=L+(n-1)d=nb+(n-1)d=18×17+17×2=340m。（3-3）03．2溢流坝段剖面设计溢流坝基本剖面的确定原则与非溢流坝相同，剖面除应满足强度、稳定和经济条件外，其外形尚需考虑水流运动要求。通常它也是由基本三角形剖面修改而成，内部与非溢流坝段相同。溢流面由顶部溢流段、中部直线段及鼻坎组成，上游面为椭圆曲线。3．2．1堰顶高程根据公式QLεm2gH3/2，m0.5,.95求得H9.68m（3-4） 0 0根据V=Q/A，求得V=6.93m/s V2 6.932H=H9.687.22m（3-5）02g29.81堰顶高程=90-7.22=82.78m。3．2．2堰面曲线我国现行采用的为美国WES曲线，其曲线方程为：xny=（3-6）kHn1dH为定型设计水头。由于校核洪水位为91m，堰顶高程为82.78m，所以，dH=8.22；H(0.75~0.95)8.22(6.165~7.809)m,取H7mk、n为上游堰max d d面坡度有关的系数。采用WES5型曲线。k=2，n=1.85。得：y0.096x1.85d1)堰顶下游曲线与直线段的切点坐标，根据y1.25,y1.25xcdx得y'0.1776x0.85,y'1.25，最终解得x=9.922，y=6.700，直线方程：y=1.25x-5.70堰顶上游采用椭圆曲线连接x2bHy2aH2bHd21（3-7） d da0.28~0.30,取a0.3，a/b0.873a,代人a，得b0.17x21.19y2 椭圆方程为 1 4.41 1.416弧段由于电站所处位置为头较低，可选用底流消能。根据公式R0.30510x，（3-8）3.28v21H16x,（3-9）11.8H64v2gH0.9529.819.512.97m/s（3-10）求得x=1.465,R=8.89m,取R=10m。图3-1溢流坝剖面图3．2．3消能方式采用底流消能单宽流量q=70.7㎡/sV≈0m/s,0.95，堰上水头9.5m0T=H+a=9.5+82.78-49=43.28m（3-11）1V2 TT 43.28m（3-12） 0 2gq2h37.99m（3-13）c g T 43.2805.4（3-14）h7.99c T 43.28根据0.950 5.4，由《水力学》附录查得h 7.99chco0.77，h6.15mh cochco22.31h18.46mh co3ch81.54932.5mh t co2发生淹没水跃。可以不做消力池，做护袒即可，但是考虑到增加溢流坝坝体自重，使之更加稳定，仍然设置消力池。 h T 43.28消力池深由ht4.07，0 5.4，以及0.95查《水力学》附录h h 7.99 c c得：d/hc=0.52d=4.15m消力池长：ll(0.70.8)l（3-15） 0 j对于曲线型实用堰l=00l6.9(hh)（3-16） j co2 co1TTd43.284.1547.43m01 0由T/h5.940.95查《水力学》附录得01 ch/h=0.73h/h=2.405co1cc02c故：l6.9(hh)6.9(19.225.83)92.391m j co2 co1l0.7~0.8l64.674~73.913mj 取l=70m3．3坝体稳定分析和应力校核3．3．1设计洪水位时3．3．1．1荷载计算自重w0.542024960KN1w240.5(32.834)21603.2KN2w0.524108960KN3w241023.20.52419.223.255685345.2810913.2KN4w19.24240.545.21843.210.41853.6KN5 M18176KN.m逆时针1M26597.1KN.m逆时针2M11776KN.m逆时针3M54744.576KN.m逆时针4M1654.65KN.m逆时针5水压力上游水压力19.819082.789.81904933.787989.62KNpx2p2149.81824.04KNy1p0.54209.81392.4KN y2M103433.27Km.m顺时针xM18952.92KN.m逆时针y1M 9286.108KN.m逆时针y2下游水压力1pH20.59.81(79.749)24622.91KNx22py0.5（79.749）20.89.813698.33KN M47292.40KN.m逆时针xM3698.33KN.m顺时针y动水压力因为没有反弧段，所以不考虑水流离心力，只考虑斜坡直线段上的渐变流时均动水压力，方向垂直于过水断面，渐变流时均压力作用分项系数为1.05。v2gH0.9529.819079.713.5m/sZq62.97h4.66m/s v13.50.8phcos9.81104.66 285.7KN1.28p178.56KNx P223.20KNY扬压力图3-2设计洪水位时扬压力分布图u30.742.39.8113010.41KN1u82.5759.81186.39KN2u0.535.22.5759.81303.129KN3u0.52.57510.32.5759.81444.59KN4 M01M3556.71KN.m顺时针2M831.38KN.m顺时针3M5739.24KN.m顺时针4浪压力，冰压力，地震荷载影响较小，不予考虑。3．3．1．2溢流坝的稳定分析表3-4设计洪水时坝基面上荷载计算抗滑稳定计算1)抗剪强度WU7467.835KNP3188.15KN Kf(WPU)1.17K1.052)抗剪断强度公式Kf(WPU)CA1.27467.83531880.15.610343.210.9K'3所以满足抗滑稳定。分项系数法进行挡水坝段稳定分析S(*)=3188.15KNW960+1603.2+960+5568+5345.28+1843.2+10.4+392.4+824.04+3698.33+223.20-13010.41—1.1202.086-1.2444.59-1.1303.129=7328.4KNR(*)=fWcA=0.57328.460043.211458.6KNf C1.3 3 R RR(*) 10.953188.153028.74 9548.8KN 0 d满足坝段稳定。水平截面上的边缘正应力M=32933.6kN·mW=7467.84kNB=43.2m上游面垂直正应力 W 6M7467.84632933.6'=278.75kN/m2>0yBB243.243.22下游面垂直正应力 W 6M7467.84632933.6''=66.99kN/m2>0yBB243.243.22边缘为压应力，所以也是稳定。3．3．2校核洪水位时3．3．2．1荷载计算自重w0.542024960KN1w240.5(32.834)21603.2KN2w0.524108960KN3w241023.20.52419.223.255685345.2810913.2KN4w19.24240.545.21843.210.41853.6KN5 M18176KN.m逆时针1M26597.1KN.m逆时针2M11776KN.m逆时针3M54744.576KN.m逆时针4M1654.65KN.m逆时针5水压力上游水压力19.819182.789.81914933.788321.0KNpx2p2249.81863.28KNy1p0.54209.81392.4KN y2M107756.91Km.m顺时针xM19855.44KN.m逆时针y1M 9286.108KN.m逆时针y2下游水压力1pH20.59.81(81.549)25180.91KNx22py0.5（81.549）20.89.814144.725KN M56126.53KN.m逆时针xM67683.36KN.m顺时针y动水压力因为没有反弧段，所以不考虑水流离心力，只考虑斜坡直线段上的渐变流时均动水压力，方向垂直于过水断面，渐变流时均压力作用分项系数为1.05。v2gH0.9529.819181.512.97m/sZq76.69h5.91m v12.970.8phcos9.81105.91 362.36KN1.28p226.475KNx P283.09KNY扬压力图3-2设计洪水位时扬压力分布图u32.542.39.8113773.24KN1u82.3759.81186.39KN2u0.535.22.3759.81410.058KN3u0.57.12589.81279.585KN4 M01M3280.46KN.m顺时针2M766.81KN.m顺时针3M5292.54KN.m顺时针4浪压力，冰压力，地震荷载影响较小，不予考虑。3．3．1．2溢流坝的稳定分析表3-3设计洪水时坝基面上荷载计算抗滑稳定计算1)抗剪强度WU7324.302KNP2913.615KN Kf(WPU)1.26K1.052)抗剪断强度公式Kf(WPU)CA1.27324.3022913.0615.610343.211.9K'3所以满足抗滑稳定。分项系数法进行挡水坝段稳定分析S(*)=2913.615KNW960+1603.2+960+5568+5345.28+1843.2+10.4+863.28+392.4+4144.73+283.09-13773.2—1.1186.39-1.2410.058-1.1279.585=7324.302KNR(*)=fWcA=0.57324.30260043.211457.04KNf C1.3 3 R RR(*) 10.952767.9343028.74 9547.53KN 0 d满足坝段稳定。水平截面上的边缘正应力M=34599.91kN·mW=7324.303kNB=43.2m上游面垂直正应力 W 6M7324.303634599.91'=280.78kN/m2>0yBB243.243.22下游面垂直正应力 W 6M7324.303634599.91''=58.3kN/m2>0yBB243.243.22边缘为压应力，所以也是稳定。第四章水电站建筑物设计水电站建筑物的尺寸是由水轮机和发电机的主要尺寸来决定的，初步设计要首先选择水轮机、发电机的型号，确定其安装高程。机组台数型号选定后，先拟定厂房下部块体结构布置，并估计以上各层的各种要求，订出主厂房各层及副厂房的高程及布置。4．1特征水头的选择装机容量：N=32万kw，单机容量（机组台数4台）8万kw。设计洪水位90.00m，由上下水尺水位~流量关系曲线可查得对应设计洪水流量为20500m3/s时的下游水位为79.7m，则此时水头为10.3m。校核洪水位910m,由上下水尺水位~流量关系曲线可查得对应设计洪水流量为25000m3/s时的下游水位为81.5m，则此时水头为9.50m。正常蓄水位时，四台机组发电。假设四个下泻流量Q，从水位流量关系图上查出相应的下游水位。由N8.5QH可得Q～N关系曲线。Q=1600m3/sZ=66.1mH=21.90mN=297.84MW下Q=1700m3/sZ=66.20mH=21.80mN=315.01MW下Q=1800m3/sZ=66.40mH=18.24mN=330.48MW下由插值得正常蓄水位，四台机组发电时Q=1732.3m3/s,对应H=21.73m,Z下=66.27m正常蓄水位时，一台机组发电。假设四个下泻流量Q，从水位流量关系图上查出相应的下游水位。由N8.5QH可得Q～N关系曲线。Q=400m3/sZ=64.61mH=23.39mN=79.53MW下Q=450m3/sZ=64.67mH=23.33mN=89.24MW下Q=500m3/sZ=66.71mH=21.29mN=90.48MW下由插值得正常蓄水位，一台机组发电时，Q=405m3/s,对应H=23.38m,Z下=64.62m设计低水位时，四台机组发电。假设四个下泻流量Q，从水位流量关系图上查出相应的下游水位。由N8.5QH，可得Q～N关系曲线。Q=2000m3/sZ=66.75mH=17.25mN=293.25MW下Q=2100m3/sZ=66.80mH=18.20mN=307.02MW下Q=2200m3/sZ=66.85mH=17.15mN=320.71MW下由图得设计低水位，四台机组发电时，Q=2185m3/s,对应H=17.16m,Z=66.85m下设计低水位时，一台机组发电。假设四个下泻流量Q，从水位流量关系图上查出相应的下游水位。由N8.5QH，可得Q～N关系曲线。Q=490m3/sZ=64.79mH=19.21mN=80.01MW下Q=480m3/sZ=64.75mH=19.25mN=78.54MW下Q=470m3/sZ=6468mH=19.32mN=77.183MW下由图得设计低水位，一台机组发电时，Q=489m3/s,对应H=19.21m,Z=64.79m下由以上水头值可得： 最大水头H =23.38mmax最小水头H=9.5mmin加权平均水头为H=H1×60%+Hmax×20%+Hmin×20%（4-1）av=21.73×0.5+23.38×0.2+9.5×0.2=19.614m(其中H为正常蓄水位四台机组满发时的水位)1设计水头Hr=0.9H=17.65m（4-2）av4．2水电站水轮机组的选型在水轮机型普表查得可选水轮机有：ZZ460，ZZ560，HL310四种型号，下面进行选型比较计算。4．２．１ZZ460水轮机方案的主要参数选择转轮直径D1D=N/(9.81Q'H3/2)（4-3） 1 r 1r式中：Nr——水轮发电机额定出力（kW）N=8/0.97=8.25万kwrH——设计水头（m），取17.65m。rQ'——设计流量（m³/s），它是限制工况下的Q值查表3-7得 1 1p1.75m³/sη——原型水轮机的效率（%），由限制工况下的模型水轮机的效率修正可得，由于转轮直径未知，△η为知，可先估算效率修正值△η=7%，限制工况下的模型水轮机的效率为η=79.0%，η=η+△η m m=86.0%。代入计算得D=N/(9.81Q'H3/2)=82500/(9.811.7517.653/20.86)=8.68m 1 r 1r根据水轮机转轮直径模型水轮机尺寸系列的规定，由上述计算出的转轮直径，选用比计算值稍大的转轮直径值。D=9.0m1选择水轮机的转速nHavnn'/D=11619.614/9.00=57.08r/min（4-2）Hav101水轮机的转速一般采用发电机的标准转速，选择与上述计算值相近的发电机标准转速n=60r/min，P=50。效率及单位参数的修正1(1)(0.30.75D/D10H/H（4-3） max Mmax 1M 1 MD=0.195m,H=15.0m,D=9.0m,H=17.65m,代入上式可求得： 1M M 11(1)0.623max Mmax叶