大河底一级水电站工程工程布置及建筑物设计方案

大河底一级水电站工程工程布置及建筑物设计方案设计依据工程等别及建筑物级别大河底一级水电站是以发电为主的小（2）型水电工程，工程等别为=5\*ROMANV等，永久性主要建筑物为5级，次要建筑物及临时建筑物为5级。设计洪水标准：引水坝为20年一遇洪水设计，100年一遇洪水校核，引水式电站厂房及其它主要建筑物按20年一遇洪水设计，50年一遇洪水校核，次要建筑物相应洪水标准为10年一遇设计，20年一遇校核，临时建筑物(导流建筑物等)相应设计洪水标准为5一遇年。地震设计烈度为VI度。设计基本资料大河底一级水电站位于文山州麻栗坡县境内的八布河下游南青河左岸支流，下金厂乡境内，距麻栗坡县城41km。大河底水电站是一个集灌溉与发电一体的综合性水利工程项目，电站在下金厂乡现有的云岭村灌溉渠道下游取水发电，下金厂乡云岭村灌溉渠道的引水水源是大河底河，现有引水渠道总长4361m，现有渠道标准断面宽0.8m，高为0.9m，渠道沿山坡布置，渠底纵坡陡缓不均匀，最缓段渠道纵坡为1/100，相应断面宽0.8m，高为1.0m，按水力计算，渠道现有过流能力为1.69m3/s。水经过溶洞后由大河底古溶洞河流入大河底电站引水渠道。大河底一级水电站所处河段为峡谷地带，上、下游无通航要求，是一个发电和灌溉综合利用工程。工程项目由一级水电站引水渠道、前池，压力管道和发电厂房及输电线路组成。法律法规依据和技术规范及文件《中华人民共和国水法》（2002年修订）《中华人民共和国森林法》（2009年修订）；《中华人民共和国环境保护法》（2014年修订）《中华人民共和国防洪法》《中华人民共和国水土保持法》《中华人民共和国水污染防治法》《防洪标准》GB50201－94；《小型水力发电站设计规范》GB50071－2002；《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252－2000；《水利水电工程可行性研究报告编制规程》DL5020－2007；《砼重力坝设计规范》SL319-2005；《浆砌石坝设计规范》SL25－2006；《混凝土拱坝设计规范》SL282－2003；《溢洪道设计规范》SL253－2000；《水电站厂房设计规范》SL266－2001；《水工隧洞设计规范》SL279－2002；《水工建筑物荷载设计规范》DL5077－1997；《水利水电工程进水口设计规范》SL258－2003。工程总体布置物大河底一级水电站位于麻栗坡县下金厂乡云岒村杨开坪组，电站通过新建一条长450m输水渠（管）道从现有灌溉渠道末端取水引入一级电站前池，由前池用压力钢管将水引到云岒村桃子湾，新建发电厂房。根据现有灌溉渠道水面高程位置，确定大河底一级电站前池正常水位为1225.6m。前池后面接压力管道，根据地形条件，管道采用钢管明敷布置，钢管管径为0.8m，管道长度350m。一级电站厂房位于云岭村桃子湾，电站设计尾水高程1083m。设计水头142.6m，一级电站（P＝90%）保证出力为165.1kW；装机1800kW(2×900kW)，年均发电量634.1万kWh，装机年利用小时为3522.6h。发电尾水排入下游渠道。工程总体布置是：水经过溶洞后由大河底古溶洞河一并流入大河底河，然后经大河底右岸引水渠道引水到金厂云岭杨开坪。大河底一级水电站通过新建一条长450m输水渠（管）道从现有灌溉渠道末端取水引入一级电站前池，由前池用压力钢管将水引到云岒村桃子湾，一级水电站发电厂房发电，电能经升压后并入麻栗坡南方电网。工程建筑物取水枢纽大河底一级水电站本次设计由灌溉渠道把水流引到大河底一级电站输水渠（管）道的压力前池。大河底一级水电站为无调节径流式水力发电站，引水坝均采用浆砌石重力坝（已建）。发电输水渠（管）道大河底一级水电站通过新建一条长450m输水渠（管）道从云岭村杨开坪灌溉渠道末端取水引入一级电站前池，依据规范《水电站引水渠道及前池设计规范（DL/T5079-2007）》及实地线路情况，在前池上游侧设置溢流侧堰，引水渠道采用矩形断面，设计引用流量1.69m3/s。溢流堰前段的渠道过水面按（B×H）1.2m×1.2m设计，坡降采用1/200，渠内设计水深0.85m，渠道安全超高0.35m满足要求。溢流堰后段的渠道过水面宽度按1.5m设计，坡降采用1/500，渠内设计水深0.9m，渠道按全断面衬砌厚0.1m。过水能力计算：渠道的过流能力，按明渠均匀流公式计算：溢流堰前渠道过流断面为矩形断面：ω=bhox=b+2hoR=ω/xC=1/n×R1/6渠道底坡i=1/200，断面宽度b=1.2m，水深ho=0.85m时，渠内过水面按衬砌条件取n=0.02。ω=bho=1.2×0.85=1.02m2x=b+2ho=1.2+2×0.85=2.9mR=ω/x=1.02/2.9=0.3517mC=42=1.02×42×(0.3517/0.005)1/2=1.8m3/s>Q设=1.69m3/s；渠道过流能力满足要求。压力前池根据地形条件，大河底一级水电站压力前池布置在渠道末端山脊上，布置方式为侧进正处方式。前池有前室、进水室、溢流堰和排砂口等设施。前室是引水隧洞末端下进水室的扩大加深部分，主要作用是把引水隧洞断面形状平缓地过渡到进水室前缘，以减缓前池中的流速，使泥砂和污物沉积下来通过排砂孔排走，前室设溢流堰和排砂槽，槽口设排砂孔排砂，进水室是压力水管的入口，布置有拦污栅等设施。5.3.3.1前池设计基本资料机组台数：2台；单机容量900kW；引水渠设计引水流量1.69m3/s；单机引水流量0.9m3/s；引水渠末端底板高程1224.80m；引水渠末端渠底宽度1.5m；引渠末端设计水深0.9m；输水渠（管）道末端设计流速1.33m/s；压力钢管根数1根；压力钢管直径0.8m；堰顶与过境水流的水面的高差0.1m。5.3.3.2侧堰布置及水力计算一、侧堰堰顶高程的确定：根据《水电站引水渠道及前池设计规范》第4.5.3条的规定，侧堰的堰顶高程应高于设计流量下水电站正常运行时的过境水流水面高程△h(0.1～0.2m)，本工程取△h＝0.1m。过境水流水面高程▽2＝渠末渠底高程+渠道正常水深＝1225.60m；侧堰堰顶高程▽3＝▽2+△h＝1225.70m；2、侧堰堰顶长度、堰上平均水头的确定根据《水电站引水渠道及前池设计规范》第A.0.3条，对于设一道侧堰的布置，当水电站在设计流量下正常运行，侧堰不溢水；当水电站突然甩全部负荷待水流稳定后全部流量从侧堰溢出，为控制工况。此时，侧堰下游泄水渠道流量为零，侧堰泄流能力按如下公式确定：流量系数mL宜取（0.9～0.95）mo，本工程取mL=0.9m0，即mL=0.38。根据《水电站引水渠道及前池设计规范》第4.5.3条，侧堰的堰顶长度，堰上平均水头，需经计算比较确定。溢流堰长度与溢流堰顶水深有关，溢流水深过大，则单宽流量大，消能工程量大，但溢流水深小，则溢流堰长度就长，影响前池平面布置，所以在计算时两者应统筹兼顾。根据上述原则，经试算确定堰顶长度和堰上平均水头。取H堰＝0.5m,则L堰=2.99m;取L堰＝5m,则H堰＝0.355m。本次设计取堰顶长L堰＝5m，相应堰上水头H堰＝0.355m。5.3.3.3压力前池各部分平面尺寸的拟定对于中小型电站进水室长度L进=3～5m，本工程取L进＝3m单管的进水室宽度b进=1.8D=1.44m，取b进=3.0m进水室宽度B进=n2b进+(n2-1)d=2.5m，取B进=3.0m前池池身宽度B前=1.5B进＝3.75m，取B前=3.0m前池池身长度L前=3.0B前=9.0m，取L前=10.0m。。5.3.3.4压力前池特征水位的拟定1、前池正常水位根据《水电站引水渠道及前池设计规范》第7.0.4条，应以设计流量下水电站正常运行时的水位作为前池的正常水位Z正常＝渠末渠底高程+渠道正常水深＝1225.60m2、前池最高水位根据《水电站引水渠道及前池设计规范》第7.0.5条，前池和引水渠道内的最高水位，应按照设计流量下正常运行时，水电站突然甩全部负荷时的最高涌波水位确定。根据《水电站引水渠道及前池设计规范》第D.0.5条，侧堰作为控制泄流建筑物，对涌波起到控制作用，即对引水道系统来说，控制工况是：电站甩满负荷待水流稳定后（涌波已消失），全部流量从侧堰侧堰溢出时，将恒定流时的堰上水头乘以1.1～1.2的系数，把这时的水位定为最高涌波水位。即：Z最高＝堰顶高程▽3+1.2H堰Z最高＝1226.126m。3、前池最低水位设计根据《水电站引水渠道及前池设计规范》第7.0.6条，前池最低水位可根据水电站运行要求确定。一般前池最低水位为电站突然增加负荷前前池的起始水位Zo减去突然增荷时的最低涌波△hmax.大河底一级水电站引水渠道属于非自动调节引水道，起始水位位Zo可取溢流堰顶高程▽3，最低涌波△hmax按一台机组运行突增到两台机组，由于水电站二台机容量一致，前池涌波计算按一台机组运行时突然增加一台机组运行，取发电流量由0.85m3/s突然增加1.69m3/s时的前池水位降落。引水道中产生落波时，波的传播速度c0和波高△h0可按以下两式联立求解：负荷变化前的流量Q0＝0.85m3/s负荷变化后的流量Q′＝1.69m3/s下面试算求解波速c0、起始断面波高△h0：假设△h0＝0.7m，波流量△Q＝0.85m3/sB'0=b+2m(h－△h0/2)=1.50m负荷变化前的过水面积W0=Q0/v0=0.9m2则波速c0=3.142m/s则起始断面波高△h0=0.191m△hmax=K△h0=2△h0=0.382mZ最低＝Z正常－△hmax=1225.218m。5.3.3.5压力前池各部位高程的拟定1、进水室淹没深度根据《水电站引水渠道及前池设计规范》第6.1.9条规定，水电站进水口上缘淹没于最低水位以下的深度，淹没深度按戈登公式确定：式中：C－系数，对于对称进水口，C=0.55d－进水口闸门高度，本工程d=0.8mV－进水口闸门断面流速，本工程V=3.362m/s经计算，s=1.65m.2、进水室底板高程公式1：设计进水室底板高程=最低水位-S-d=1222.768m。公式2：压力钢管管顶高程按低于最低涌浪水位减压力钢管内最大流速水头的2倍计算为取管顶高程为1224.20m，相应进水室底板高程为1223.00m；本工程进水室底板高程取1223.00m。3、前池前墙墙顶高程（▽池顶）按下式确定：▽池顶＝Z最高+安全超高＝1226.50m。压力管道5.3.4.1压力钢管布置大河底一级采用压力钢管联接前池和发电厂房，首端接压力前池，末端接电站厂房，压力钢管道管床主要利用旧引水渠道布置，局部跨山坡林地。5.3.4.2压力钢管管材选择和管径计算大河底一级水电站压力管道供水方式为联合供水方式。管道设计流量按电站设计流量并考滤电站机组汛期超额定出力运行要求，用1.2～1.3倍比系数取管道最大流量为1.69m3/s设计，管道最大静水头142.6m。钢管采用焊接钢管。钢材采用Q345的C级钢板。1、按经济流速条件选择管径小型水力发电站钢管经济流速一般为3～5m/s，一般低水压段用小流速，高水压力段用大流速。以经济流速选择管径时采用如下计算公式：(m)Qmax——钢管的设计引用流量(m3/s)压力管道设计取略大于机组额定流量取，按Qmax=1.69m3/s进行计算。得：D0=0.76-0.99m。2、按经验公式选择管径采用经济管径D0的经验公式计算采用“彭德舒”经验式 (m)H=300m计算得：D0=0.8054根据计算结果，本阶段选择采用D0=0.8m。5.3.4.3压力管道水力计算1、水击压力计算根据管道布置设计，压力管自前池进水口至厂房水轮机主阀前，管路总长350.m，水力计算按设计流量1.69m3/s计算，主管内径0.8m。水电站厂房装机二台混流式水轮发电机组。取调保计算取导叶关闭时间Ts为4秒。压力管流速V=Q/F＝3.362m/s。水锤波的传播速度按下式计算：ai＝ai＝1069.6m/s水锤波在管路中来回传播一次所需的时间为：Tr==2×350.0/1070＝0.632s〈Ts=4s故为间接水击水管特征常数计算：σ＝=(350×3.362)/(9.81×142.6×4)＝0.216ρ＝(aiV)/(2gH)=(1070×3.362)/（2×9.81×142.6）＝1.319由ρ、σ值查水锤形式判别图得知水锤在范围Ⅰ属末相水锤。Z末＞Z1y1＜y末水击压力升高值：Z末＝＝0.242水击压力降低值：y1＝＝0.170水击压力水头升高值(阀前)：△H＝Z1H＝34.8m水击压力水头降低值(阀前)：△H＝y1H＝－23.4m。2、水头损失计算管道管路水头损失为局部水头损失和沿程水头损失之和，在设计流量Q=1.69m3/s下，大河底水电站压力管道水流速度为V＝3.362m/s。=1\*GB3①、局部水头损失：h局=ζ局=式中ζ局=1.176经计算：h局=0.77m=2\*GB3②沿程水头损失计算采用公式h沿＝取钢管糙率n＝0.0125，计算得：h沿=4.93m3、水轮机工作水头计算总水头损失：∑h＝h局＋h沿＝0.77＋4.93＝5.7m设计工作水头H设＝H毛－∑h＝1225.6-1083.0－5.7=136.9m。5.3.4.4压力钢管管壁厚度计算1、按强度条件计算管壁厚度设计只按内水压力作用于管壁上所产生的环向应力计算，公式采用：式中：δ——钢管管壁厚度（mm）；H设——设计水头（m）；D——钢管内径（m）；［σ］——钢材允许应力（kg/cm2）；对小型电站，可适当降低，在此按降低30%计。对于3号钢，允许应力取1300×0.70=910kg/cm2；φ——接缝坚固系数，取0.9。本站管道最大工作水头发生在水轮机主阀前，最大工作水头