引水式水电站拦河坝设计方案

引水式水电站拦河坝设计方案1.1非溢流坝段的设计基本资料：正常高水位191.5m，=191.7m=191.7m河床微风化，岩石摩擦系数为0.65，Ⅱ级设计标准，岩石与混凝土摩擦系数为0.6，吹程D=1.13km,风速V=16m/s.由图可知桩号0+479处坝基开挖高程为157.8m.1.1.1坝顶高程的确定坝顶应有足够的安全超高，坝顶或坝顶防浪墙高出水库静水位的高度可按下式计算(《水工建筑物》(2-57))—坝顶或坝顶防浪墙的顶距水库静水位的高度—波高(按官厅水库公式计算)—波浪中心线在水库静水位的高度，按(2-8)计算A—安全超高按表1-11选用查的=0.5=0.4=0.918m=9.716m=0.553m=6.475m按计算可得=0.272m=0.148m故=0.918+0.272+0.5=1.69m=0.553+0.148+0.4=1.10m坝顶高程或坝顶上游防浪墙顶高程按下式计算，并采用较大值。防浪墙顶高程=设计洪水位+=191.7+1.69=193.30m防浪墙顶高程=校核洪水位+=191.7+1.10=195.80m故=195.80m1.1..2坝高的确定坝高H=195.80-157.8=38m1.1.3顶宽度的确定确定坝顶的宽度时，应考虑以下因素：A、强度要求——能够承受外荷载作用B、施工简单，经济美观，且满足交通运输的要求C、一般取坝高的（8%~10%）H，且不小于2m，当在坝顶布置移动或启闭机时，坝顶宽度要满足安装门机轨道的要求。本设计取坝宽b=8m1.1.4上、下游坝坡m、n的确定根据工程经验，上游坝坡系数常采用n＝０～0.2，常做成铅直上部或下部倾向上游，下游坝坡系数采用m＝0.6~0.8，坝底宽约为坝高的0.7~0.9倍。本设计上游坝坡坡率采用n＝0(铅直)下游坝坡坡率采用m＝0.751.1.5上、下游折坡点的确定由于本设计上游坝面铅直，故无上游折坡点，下游折坡点根据几何知识求得：y＝x+1.1=10.67+1.1=11.77m故下游折坡点高程为195.8-11.77=181.03m。1.1.6坝底宽度的确定Ｔ＝(191.7-157.8)×0.75=27.68m1.2溢流坝设计1.2.1确定孔口尺寸，型式，孔数及闸门基本资料：池水重力坝力在水利枢纽中，承担泄洪，向下游输水，排沙，放空不库和施工导流等任务，采用开敞式设置闸门，溢流孔其闸门顶略高于正常蓄水位。设计洪水位（１％）191.7m，相应下游水位172.0m，正常蓄水位191.5m，死水位190.0m校核洪水位（0.1%）191.7m，相应下游水位171.2m，堰顶高程181.5m，孔尺寸12m*10.5m共14孔，采用弧形闸门，设计洪水位下泄能力为11100m3/s，校核洪水位下泄能力为16200m3/s，底孔尺寸4m*3.5m，共４孔，采用平面闸门，设计洪水位下泄能力920m3/s核校洪水下泄能力1000m3/s，溢流坝最大剖面处的坝基高程为155m，在桩号0+429处，校核尾水位为171.2m,设计尾水位为172m。1.2.2溢流坝剖面设计堰顶最大工作水头Hzmax=191.7-181.5=13.2m,溢流坝剖面为三角形，由顶部溢流段（AOB），中间直线段（BC）和下部反弧段（CD）组成，(1)溢流面曲线溢流堰面曲线常采用非真空剖面曲线，采用较广泛的非真空剖面曲线—幂曲线（WES曲线），这样便于计算和放样且过流量大。下图中：Hemax－堰顶最大水头Hs——定型设计水头，按Hzmax的75%~95%计算。a、b——分别为椭圆曲线的长轴和短轴系数。(2)AO段曲线原点上游采用椭圆曲线，其方程式为（《水工建筑物》（2-64））式中：,—分别为椭圆曲线的长轴和短轴选取a=0.28~0.30本设计取a=0.3,则求得b＝0.17—定型设计水头，一般按Hzmax的75%~95%Hs=(0.75~0.95)Hzmax=(0.75~0.95)×13.2=9.9~12.54m取=12.0m故原椭圆曲线方程为：根据椭圆曲线方程特性，X的临界值XA=aHs=0.3*12=3.6列表计算如下X-3.6-3.0-2.5-2.0-1.5-1.00Y2.040.9110.5710.3470.1840.0820(3)OB段曲线要求OB段曲线，先求B点坐标，利用幂曲线方程《水工建筑物》P37（2-66）变形式中Hs——定型水头n.k——与上游坝面坡度有关的指数和系数，由表2—10上游坝面坡垂直K=2n=1.85X、Y——溢流曲线的坐标，其原点设在堰面曲线最高点。将已知代入上式得：对堰面曲线求一阶导数列表计算OB段曲线如下：X12345791012151818.83Y00.060.220.461.182.203.501.255.958.9912.613.7采用倒悬堰顶，应满足d>6.6本设计取d=7.0M(4)BC段曲线m=0.75的直线段(5)OD段为反弧1.2.3消能防冲设计(1)消能方式的选择消能方式的选择主要取决于水利枢纽的具体条件，施工条件消能效果与经济比较选用，坝下消能防冲设计原则；应尽量利用水体内部撞击摩阻的消能效果，尽量减小水体对固体边界的冲刷磨蚀作用，限制下池水流对下游河床的冲刷范围，使其不危及坝体，坝下建筑物的安全，不引起岸坡的塌坍和河床的过度冲刷。岩基上溢流重力坝消能设施型式可分为底流式，挑流式，面流式和消力戽四种。①流消能底流消能是在坝下设置消力池等消能设施，通过水跃将池水建筑物泄出的急流转变为缓流，以消除多杀能的消能方式，底流消能是具有流态稳定，消能效果好，对地质条件和尾水变幅适应性强，可适用于高中低水头，大中小流量的各类泄水建筑物，多用于低水头，大流量的溢流重力坝。底流消能的主要问题在于，护坦板较厚较长，开挖量大，投资较大，断面落差H值大，水头较多时，护坦的前部承受较高的流速，易于发生空蚀及磨损，动水作用力及脉幼荷载问题也较突出。②挑流消能泄水建筑物的末端设置挑流鼻坎，利用集中急流的动能，把水股向下游河床的位置，范围和流量分布对尾水变幅适应性强，结构简单，施工维修方便，耗资省。其问题在于对下游产生同部冲刷，对工程和岸坡的稳定产生威胁且水花飞溅及雾化影响较大。适用于尾水位较深，地质条件较好的中高水头各类池水建筑物，是运用非常广泛的一种消能。③面流消能利用鼻坎将高速水流挑至尾水表面，在主流表面河床之间形成反漩流，使高速不流与河床隔开，避免了对临近坝址处河床的冲，一般不需做护坦。其问题在于，要防止反向漩流挟带石块磨蚀坝址地基，以及下池水流冲刷作用的危害，对下游水位和下池流量变幅的限制较严，下游水流在较长距离内不够平稳，影响发电和航运。适用于下游尾水较深，（大于跃后水深），水位变幅不大，下池流量变化范围不大，河床和两岸有较高的抗冲能力。④消力戽消能，挑流鼻坎潜没在水下，形成自由水面，水流在戽内产生漩滚径鼻坎将高速水流的挑至表面，可减轻对河床的冲刷，不需要做护坦。其问题与面流消能大体相同。适用于尾水较深（大于跃后水深）且下游水位和下泄流量的变幅较小，依据消能工作设计原则与各消能方式的特点，结合本电站具体情况，太平哨电站下游尾水位深，坝址岩基为黑云母混合片麻岩，河床及两岸抗冲能力较强，选用连续式消力戽消能方式。(2)连续式消力戽的尺寸选择①挑射角度的选择目前已建成的大多数工程采用450，当值较大时，发生稳定戽流的下游水范围较大。但涌浪的曲率和高度都较大，且戽坎下游的水深范围较大，但涌浪的曲率和高度都圈套，且戽坎下游的入水角也较大，冲刷能力较强，当值较小时，则形成稳定戽流的下游水深范围较小，海浪稍平缓，下游局部冲刷问题稍轻。本电站工程下游地质条件良好，综合考虑适用=450，②戽底高程一般取与下游河床同高，厚则上要保证在各吸流量和下游水位条件均能发生稳定戽流，戽底高程确定的较高时易形成挑流流态，太低时将增加开挖量，本设计取与下游河床同高即戽底高程为161m。③反弧半径R的确定消力戽戽底反弧半径R 愈大，坝上水流的出流条件愈好，同时增加戽内旋滚水体，对消能也有利；但当反弧半径R大于某一值时，R的增大对出流状况的影响不大，而且戽体工程加大。参照国内外二十七项工程的实际尺寸点出的关系图，查用《水力计算手册》P254消能比式中：q——单宽流量H——从戽底起算的上游水头，戽底取与原河床齐平高程161m，H=191.7-161.0=33.7m将已知代入上式，得：查图得：多数工程采用戽斗的反弧半径介于12~20m之间(《水工设计手册》P6-376)本设计采用R=12m④戽坎高度a的确定为了防止泥沙或石块卷入戽内，戽坝顶高于河床，对于戽端无切线延长时，有a=R(1-cos),一般尾水深的1/6，高度不够的可用切线延长加高（《水工设计手册》）a=12x(1-cos450)=3.5m尾水位=×（171.2-161.0）=2.2m，取戽坎高度3.5m。(3)溢流曲线上各物殊点坐标的确定①前面已求出：A点坐标为（-3.6,2.04）B点坐标为（18.83,13.69）②C点坐标的确定依图推求)C点高程=161+3.5=161.5m=1.3m故=161.5+1.3=165.8m=181.5-165.8=15.7m=0.75×(15.7-13.697)+18.83=20.33mC点的坐标为（20.73，15.7）③反弧段圆心坐标的确定=20.33+12=29.93=181.5-12-83=8.5mO’点的坐标（29.93，8.5）④点坐标的确定D点的坐标（38.42，17）(4)溢流坝坝底宽度本设计XD取值为38.42m(5)最大负压值验算最大负压值应在允许范围之内：查表《水工建筑物》P38（2-11），最大负压值0.18Hs=0.18×12=2.16m在3~6m水柱的允许，故符合设计要求。1.3溢流坝上部结构布置1.3.1闸墩闸墩的作用①将溢流坝分成若干孔，以便控制水流。②用来支承和引导堰顶，控制闸门及承受水压力。③支承坝顶的工作和交通桥，闸墩的尺寸和外形均需按这些要求设计。闸墩的中墩宽取值为4m，边墩宽为4m，闸墩的长度应满足布置闸门支撑部分所用的门槽和槽砻，工作故里和交通桥，以及水力条件等的要求，此外闸墩还应保证必要的稳定和强度，这里仅以结构要求来考虑，本设计中闸墩的长度为23.2m，闸墩的高度应使用闸门全部开启时的最优点或桥孔结构的底部在最高水位，水平线以上一定距离，故本设计闸墩工作桥顶高程定为198.8m与挡水坝顶高程相同，中部长为5.5米的工作桥，下部尾，墩长为9.7m，高程为191.5m（正常蓄水位）闸墩的前部轮廓应平顺，一般为半圆形，椭圆珠形或流线型，下游断面见多采用逐渐收缩的流线型，溢流坝横缝布置在闸门中间。（《水工设计手册》P5-55）1.3.2工作闸门本设计采用钢质弧形闸门，尺寸为12m*10.5m，面板进率半径R与闸门高度H的比值取1.1~1.5（《水工设计手册》）一般溢流坝上的露顶或闸门，支墩位置约在（1/2-3/4）倍高处，为了防止气蚀应将闸门在坝线的1~3m处。1.3.3检修闸门检修闸门于短期挡水，以便工作闸门及机械设备进行检修，一般在静水中启闭，启闭力较小，检修闸门工作闸门应留有1~3米净距，以便检修，全部溢流孔需设2个检修门，以便交替使用。1.3.4交通桥闸墩上游设交通桥（交通桥面一般应和非溢流坝顶位于同一高程）桥宽8米。其高程为195.8m。1.3.5工作桥闸墩中部设工作桥（工作桥由于开启闸门的要求；通常高于交通桥）桥宽5.5米，高程为198.8m，以便操作人员进出工作桥。1.4溢流坝及底孔尺寸进水能计算1.1.1溢流坝堰顶过流量计算太平哨水电站，表孔设计洪水下池能力为11100m3/s，校核洪水下池能力为16200m3/s,计算采用实用堰水力计算公式：式中：E1——侧收缩系数，根据闸墩厚度及墩头形状而定，初设时可取0.90~0.95。Qs——淹没系数，本设计为自由出流M——堰的流量系数，可查图而得。N——堰的孔数，n=14孔b＇——一个堰孔的净宽b=R米。H0——堰顶全水头1.1.2设计情况和校核情况分别计算(1)设计情况下①堰顶全水头H。H0≈H=191.7-181.5=10.2mH是堰顶最大工作水头②侧收缩系数1=1-2[ka+(n-1)]其中：Ka——边墩形状系数与混凝土非溢流坝段邻接的高溢流堰Ka=0.1，Kp——闸墩形状系数，由Kp~的关系曲线查得采用工型墩头，Hd为部面设计不头即定型水头。查图8-14得Kp=0.0251=1-2×[0.1+（14-1）×0.025]×10.2/（14×12）=0.948③流量系数m故为高堰计算中可不计行近流速水头，在这种情况下，当实际的工作至水头等于设计水头，即时，流量系数Md=0.502,查《水力学》P381图8-12得：m=0.489④堰用流量Q =11232m3/s>111