计算书：A坝后式水电站设计及发电机机座结构稳定计算

-1- 目录目录 1 重力坝非溢流坝段重力坝非溢流坝段4 1.1 剖面设计剖面设计4 1.1.1 坝高的确定4 1.1.2 坝底宽的确定4 1.1.3 实用剖面5 1.2 荷载计算荷载计算6 1.2.1 设计洪水位下荷载6 1.2.2 校核洪水位下荷载7 1.3 稳定验算稳定验算9 1.3.1 设计洪水位下9 1.3.2 校核洪水位下9 1.4 应力验算应力验算 10 1.4.1 设计洪水位下10 1.4.2 校核洪水位下10 1.5 坝内廊道及坝基处理坝内廊道及坝基处理11 1.5.1 坝内廊道11 1.5.2 坝基处理11 1.5.3 坝体分缝12 2 重力坝溢流坝段重力坝溢流坝段 13 2.1 剖面设计剖面设计 13 2.1.1 堰顶高程的确定13 2.1.2 堰面曲线14 2.1.3 下游反弧段15 2.2 荷载计算荷载计算 17 2.2.1 设计洪水位下荷载17 2.2.2 校核洪水位下荷载18 2.3 稳定验算稳定验算 19 2.3.1 设计洪水位下19 2.3.2 校核洪水位下19 2.4 应力校核应力校核 20 2.4.1 设计洪水诶下20 2.4.2 校核洪水位下20 坝后式水电站设计及发电机机座结构稳定计算 -2- 2.5 溢流坝消能抗冲刷措施溢流坝消能抗冲刷措施21 2.5.1 挑距21 2.5.2 冲坑21 2.5.3 导墙高度21 3 机电设备及辅助设备选择机电设备及辅助设备选择22 3.1 特征水头的计算特征水头的计算22 3.1.1 校核洪水位下22 3.1.2 设计洪水位下22 3.1.3 正常蓄水位+一台机组满发 22 3.1.4 正常蓄水位+四台机组满发 22 3.1.5 设计低水位+一台机组满发 23 3.1.6 设计低水位+四台机组满发 23 3.2 水轮机选型比较水轮机选型比较24 3.2.1 转轮直径 D124 3.2.2 转速 n（最优工况）24 3.2.3 效率修正24 3.2.4 工作范围检验25 3.2.5 吸出高度 Hs26 3.3 发电机选型及主要尺寸计算发电机选型及主要尺寸计算 26 3.3.1 主要尺寸估算26 3.3.2 平面尺寸估算27 3.3.3 轴向尺寸27 3.4 蜗壳及尾水管计算蜗壳及尾水管计算 28 3.4.1 金属蜗壳尺寸28 3.4.2 尾水管尺寸29 3.53.5 调速器与油压装置的选择调速器与油压装置的选择 29 3.5.1 调速器29 3.5.2 油压装置30 3.6 厂房桥吊设备的选择厂房桥吊设备的选择31 4 水电站厂房结构计算水电站厂房结构计算32 4.1 主厂房的特征高程主厂房的特征高程32 4.1.1 水轮机安装高程32 4.1.2 尾水管底板高程32 4.1.3 水轮机层地面高程32 4.1.4 定子安装高程32 4.1.5 发电机层地面高程（定子埋入式） 32 4.1.6 装配场地面高程32 -3- 4.1.7 吊车轨顶的高程32 4.1.8 厂房顶部高程33 4.2 水电站主厂房长宽尺寸的确定水电站主厂房长宽尺寸的确定33 4.2.1 主厂房宽度的确定33 4.2.2 主厂房长度的确定33 4.3 主厂房各层的布置主厂房各层的布置 35 4.3.1 发电机层35 4.3.2 水轮机层35 4.3.3 蜗壳层36 4.4 水电站副厂房各层高程及平面布置水电站副厂房各层高程及平面布置 36 5 水电站引水建筑物水电站引水建筑物37 5.1 进水口高程进水口高程37 5.2 压力钢管的布置压力钢管的布置37 5.3 压力钢管的厚度压力钢管的厚度37 5.4 拦污栅及进水口闸门的设计拦污栅及进水口闸门的设计 38 5.5 通气孔的面积确定通气孔的面积确定 39 6 专题专题发电机发电机（含安装场）层板，梁布置及结构计算（含安装场）层板，梁布置及结构计算 40 6.1 楼板设计楼板设计 40 6.1.1 第一部分41 6.1.2 第二部分42 6.1.3 第三部分44 6.1.6 总结46 6.2 次梁设计次梁设计 46 6.2.1 C1梁46 6.2.2 C2梁50 6.2.3 总结57 6.3 主梁计主梁计算算.57 6.3.1 主梁 Z4.57 6.3.2 总结63 6.4 安装间安装间63 坝后式水电站设计及发电机机座结构稳定计算 -4- 1 重力坝非溢流坝段重力坝非溢流坝段 1.1 剖面设计 1.1.1 坝高的确定 1.1.1.1 设计洪水位下 计算风速 Vf=(1.52)*1.15=1.7252.3 取 2m/s Hm=291.0-200=91.0m 吹程 D=1.4km hl=0.166vf5/4D1/3=0.045m mDVLm2 . 5*0062 75. 3 1 0 ho=cth=0.486m m l hl 2 4 m L Hl hc=0.7m 坝高为 291+0.045+0.486+0.7=292.23m 1.1.1.2 校核洪水位下 计算风速 Vf=1.15m/s Hm=292-200=92m 吹程 D=1.4km hl=0.166vf5/4D1/3=0.022m ho=cth=0.203m Ll hl 2 4 2 Ll Hl hc=0.5m 坝高为 292+0.022+0.203+0.5=292.73m 1.1.1.3 坝高 坝高取较大者 292.73m。 1.1.2 坝底宽的确定 基本剖面是以校核洪水位为高，再确定一个满足应力和稳定条件的最小坝底 宽。 稳定条件 -5- m H B f c 99.63 25 . 0 35 . 2 73.92 72 . 0 25 . 0 0 应力条件 mB m f kH B c 55.69 54.66 )2 . 039 . 2 (7 . 0 73.921 . 1 )( 1 0 m=0.75 图 1-1 非溢流坝基本剖面 1.1.3 实用剖面 坝顶需要有一定的宽度，以满足设备布置、运行、交通及施工的需要，非溢 流坝的坝顶宽度一般可取坝高的 810 %，并不小于 2m，如作交通要道或有移 动式启闭机设施时，应根据实际需要确定，当有较大的冰压力或漂浮物撞击力 时，坝顶最小宽度还应满足强度的要求。根据坝顶双线公路交通要求，坝顶 B 取为 9m。 坝后式水电站设计及发电机机座结构稳定计算 -6- 坝顶高程 292.73m，坝底高程 200.00m，折坡点高程 230.91m，上游坝坡坡 度 1：0.15，下游坝坡坡度 1：0.75，坝顶宽 9.00m，坝底宽 74.19m，上游侧 4.64m，下游侧 69.55m。 图 1-2 重力坝非溢流坝实用剖面 1.2 荷载计算 1.2.1 设计洪水位下荷载 1.自重 G11/24.6430.9123.51685.21 G292.73923.519612.40 G31/260.5580.7323.557436.37 2. 静水压力 上游：Px1/29.8191240618.31 Py1/29.814.64（91+60.09）3438.69 MxPx1/3911232088.74 MyPy（74.19/2e）120096.25 -7- e（61.822+92.73）/（61.82+92.73）4.64/32.17 下游：Px/1/29.81142961.38 Py/1/29.811410.5721.84 Mx/ Px/1/3144486.44 My/ Py/（74.19/21/310.5）24250.21 3. 扬压力 U174.1149.8110189.25 U25.640.25919.811258.72 U30.55.64（91-14-0.25*91）9.811500.78 U40.50.2591（74.19-5.64）9.817649.41 4. 浪压力过小，忽略不计。 表 1-1 设计洪水位下荷载 名称荷载（KN）方向力臂弯矩 （kNm） 方向 1685.21 34.0057297.14 19612.40 27.96548362.70 自重 57436.37 3.27187816.93 40618.31 30.331232088.74 上游 3517.43 34.93120096.25 961.38 4.674486.44 静 水 压 力 下游 721.84 33.6024250.21 10189.25 00 1258.72 34.2843148.92 1500.78 35.2252857.47 扬压力 7649.41 8.6165861.42 1.2.2 校核洪水位下荷载 坝后式水电站设计及发电机机座结构稳定计算 -8- 1. 自重 G11685.21 G219612.40 G357436.37 2. 静水压力 上游：Px1/29.8192241515.92 Py1/29.814.64（92+61.09）3484.21 MxPx1/3921273154.88 MyPy（74.19/2e）121720.88 e（61.092+92）/（61.09+92）4.64/32.16m 下游：Px/1/29.8115.5421184.52 Py/1/29.8115.5411.66888.77 Mx/ Px/1/315.546135.81 My/ Py/（74.19/21/311.66）29514.57 3. 扬压力 U174.1915.549.8111310.07 U25.640.25929.811272.55 U30.55.64（92-15.54-0.2592）9.811481.55 U40.50.2592（74.19-5.64）9.817733.47 4. 浪压力过小，忽略不计。 表 1-2 校核洪水位下荷载 名称荷载（KN）方向力臂弯矩 （kNm） 方向 1685.21 34.0057297.14 19612.40 27.96548362.70 自重 57436.37 3.27187816.93 -9- 41515.92 30.331273154.88 上游 3484.21 34.93121720.88 1184.526 4.676135.81 静 水 压 力 下游 888.77 33.6029514.57 11310.07 00 1272.55 34.2843623.01 1481.55 35.2252180.19 扬压力 7733.47 8.6166585.18 1.3 稳定验算 稳定分析的主要目的是验算重力坝在各种可能荷载组合下的稳定安全 度。工程实践和试验研究表明，岩基上的重力坝失稳破坏可能有两种情况： 一种是坝体沿抗剪能力不足的薄弱层面产生滑动，另一种是在荷载作用下， 上游坝踵以下岩体受拉产生倾斜裂缝以及下游坝趾岩体受压发生压碎区而 引起倾倒滑移破坏。 为保证重力坝的安全可靠性，在结构设计的标准中，要明确规定出安 全储备要求。其表达形式有定值安全系数法和分项系数极限状态法。下面 就采取这两种方法验算稳定，定值系数法采用抗剪强度公式和抗剪断公式。 1.3.1 设计洪水位下 1.3.1.1 抗剪断公式 坝后式水电站设计及发电机机座结构稳定计算 -10- 0 . 313 . 4 93.39656 741902 . 109.623752 . 1 )( p AcUWf K 1.3.1.2 抗剪稳定公式 1 . 1101 . 1 93.39656 09.623757 . 0 )( p UWf K 1.3.1.3 极限状态法 2.10.32.1 )(0.1 2.10.1 0 dmR R f C 持久状况 09.136565 R 93.39656S 93.39656)( 11.163878)( 0 d RRRR S ACWfR 1.3.2 校核洪水位下 2.3.1.1 抗剪断公式 0 . 303 . 4 4 . 40331 741902 . 132.613092 . 1 )( p AcUWf K 2.3.1.2 抗剪稳定公式 1 . 116 . 1 4 . 40331 32.613097 . 0 )( p UWf K 2.3.1.3 极限状态法 2.10.32.1 )(0.1 2.10.1 0 dmR R f C 持久状况 满足要求 ）（ ）（75.89067 R 14.339030S 14.39030)( 3 . 106881)( 0 d RRRR S ACWfR -11- 1.4 应力验算 采用分项系数极限状态法进行坝体强度验算 1.4.1 设计洪水位下 1.4.1.1 坝趾抗压强度承载能力极限状态 作用效应函数=1495.63kPa 2 0 1m J TM A W S R RR R R 极限状态抗力函数 kPafR c 10000 满足要求 RS 1.4.1.2 坝踵抗拉强度验算 满足要求 004.638 R RR R R J TM A W 1.4.2 校核洪水位下 1.4.2.1 坝趾抗压强度承载能力极限状态 作用效应函数=1858.43kPa 2 0 1m J TM A W S R RR R R 极限状态抗力函数 kPafR c 10000 满足要求 RS 1.4.2.2 坝踵抗拉强度验算 满足要求 004.638 R RR R R J TM A W 1.5 坝内廊道及坝基处理 1.5.1 坝内廊道 坝后式水电站设计及发电机机座结构稳定计算 -12- 灌浆廊道距坝底 5m，距上游坝面 4m，廊道宽 3m，高 3.5m。由于下 游尾水位较高，产生较大的扬压力，为增加坝的安全稳定，在坝基面上设 两个基础排水廊道以减小扬压力。两廊道距上游坝面距离分别为 19m，49m 沿灌浆廊道向上，间隔 30m 布置一层廊道，共分 3 层，每层纵向廊道 布置向下游延伸的横向廊道，并在下游再布置一条纵向贯穿廊道作为连接。 非溢流坝段除底层廊道横向不贯穿至下游外，其余横向廊道均贯穿，非溢 流坝段横向廊道连接两排纵向廊道。 廊道尺寸宽 2.1m，高 2.4m，由于上游坝面倾斜，故廊道上下并非垂直 布置，而是向下游倾斜，这使得排水管亦倾斜布置，但角度不大，在允许 的范围内。 1.5.2 坝基处理 重力坝承受较大的荷载，对地基要求较高。然而天然基岩经受长期地 质构造运动及外界因素的作用，多少存在着风化，节理，裂隙，破碎带等缺 陷，因此，必须对地基进行适当的处理。 地基处理一般包括坝基开挖清理，对基岩进行固结灌浆和防渗帷幕灌浆， 设置基础排水系统，对特殊软弱带如断层，破碎带和溶洞等进行专门的处理。 紧水滩峡谷而岸风化层零星分布，一般厚 0.52 米，所以坝基开挖比较 容易 帷幕灌浆作用是降低坝基的渗透压力，减少渗透流量，防止坝基内产生 机械或化学管涌。帷幕灌浆是在靠近上游坝基布设一排或几排钻孔，利用高 压灌浆填塞基岩内的裂隙和孔隙等渗水通道。防渗帷幕的深度因根据基岩的 透水性，坝体承受水头和降低坝体渗透压力的要求确定。 此外在基岩表面设置排水廊道。 1.5.3 坝体分缝 横缝将坝体沿坝轴线方向分成若干坝段，其缝面常为平面，不设键槽， 不进行灌浆，使各坝段独立工作。缝的宽度器取 1cm，横缝间距为 20m， 横缝止水用两道金属止水片（紫铜片或不锈钢片）和一道防渗沥青井。 纵缝是为了适应混凝土的浇筑能力和减小施工期温度应力而设置的临 时缝。 本设计采用两条垂直纵缝，详细见图纸。 为了加强坝体的整体性，缝面一般设置键槽，槽的短边和长边大致与 第一及第二主应力相交，使槽面基本承受正压力。且键与槽互相咬合，可 提高纵缝的抗剪强度。 -13- 2 重力坝溢流坝段重力坝溢流坝段 2.1 剖面设计 2.1.1 堰顶高程的确定 2.1.1.1 设计洪水位下 7000-0.9 232.71=6790.56m3/s 0 QQQ s 当河谷狭窄、岩石坚硬、且下游水深较大时，应选择较大的单宽流量，本 工程所处河谷狭窄、坝址两岸地形对称，岩性均一，较新鲜完整，风化浅，构 通过溢流坝顶的下泄流量为： smQs 3 7000 sm H N Q 3 0 71.232 915 . 8 180000 5 . 8 坝后式水电站设计及发电机机座结构稳定计算 -14- 造不甚发育，水文地质条件较简单，故属工程地质条件较好的坝址。单宽流量 取为 100。 3 /ms m LQ/q 67.91m 机组段的间距为 14.26m，机组进水口设置在闸墩里，故有机组段的孔口 宽需考虑机组段长，有机组段闸墩宽 7m，则孔口大小为 14.26-7=7.26m，取 L7.263+164=85.78m 溢流坝总宽度： L0 85.78+47+23119.78m 计算堰上水头： 2 3 0 2 HgmLQ 求得 H=11.61m 流速水头： 则堰上水头 H=11.61-0.004=11.61m 堰顶高程=291-11.61=279.39m 2.1.1.2 校核洪水位下 8500-0.9 230.18=8292.84m3/s 0 QQQ s 坝址岩基状况良好，故取设计状况下的单宽流量 q100 m2/s LQ/q82.93m 机组段的间距为 14.26m，机组进水口设置在闸墩里，故有机组段的孔口 宽需考虑机组段长，有机组段闸墩宽 7m，则孔口大小为 14.5-7=7.5m，取 L7.53+16485.78m 溢流坝总宽度： 10 2) 1(ddnnbL L0 85.78+47+23119.78m 计算堰上水头： 2 3 0 2 HgmLQ 通过溢流坝顶的下泄流量为： smQs 3 8500 sm H N Q 3 0 18.230 925 . 8 180000 5 . 8 m gA Q g V 004 . 0 )26391(81 . 9 2 7000 22 2 2 2 22 0 -15- 求得 H=13.264m 流速水头： 则堰上水头 H=13.264-0.006=13.26m 堰顶高程=292-13.26=278.74m 2.1.1.3 堰顶高程及闸门尺寸 综上堰顶高程为 279.39m 闸门高度=正常蓄水位-堰顶高程+安全超高=285.0-279.39+1.5=7.11m 取 7.2m。 选择平面闸门，根据孔口大小，闸门有两种尺寸，取为 12.5m8.1m 12.5m16.6m。 工作闸门一般布置在溢流堰顶点，以减少闸门高度。为了避免闸门局部 开启时水舌脱离坝面而产生真空，将闸门布置在堰顶偏下游一些，以压低水 舌使其贴坝面下泄。检修闸门位于工作闸门之前，为便于检修，两者之间留 有 13m 的净宽，本设计取净宽 1.5m。 2.1.2 堰面曲线 溢流面曲线采用的为 WES 曲线，其曲线方程为： yKHX n d n1 即： 85. 1 25.18 1 xy 最大运行水头 max H =292-279.39=12.61m max H校核洪水位堰顶高程 定型设计水头，为使实际运行时 m 较大而负压绝对值较小，对于 WES d H 剖面设计，常取=（0.750.95），取=11.35m d H max H d H 堰顶与上游采用三圆弧连接，参数如下表所示 表 2-1 三圆弧参数 R1=0.5Hd=5.68R2=0.2Hd=2.27R3=0.04Hd=0.45 B1=0.175Hd=1.99B2=0.27Hd=3.06B3=0.281Hd=3.19 m gA Q g V 006 . 0 )26392(81 . 9 2 8500 22 2 2 2 22 0 坝后式水电站设计及发电机机座结构稳定计算 -16- 堰面形态如下图所示： 图 2-1 堰面形态 2.1.3 下游反弧段 由于采用厂房顶溢流式，反弧段的高程应结合厂房的顶高程，根据厂 房部分的计算，反弧段的底高程为 230.0m。 2 0 2 2 00 2 c c hg q hT m hg q hT co co 836.91036.08.91 2 2 2 2 0 试算 hc0： 假定：hc0=3 34.153 13.1353 2 0 co co h hT 假定：hc0=4 57.88 13.1353 2 0 co co h hT 假定：hc0=3.8 51.97 13.1353 2 0 co co h hT -17- 假定：hc0=3.9 86.92 13.1353 2 0 co co h hT 假定：hc0=3.92 98.91 13.1353 2 0 co co h hT 假定：hc0=3.922 89.91 13.1353 2 0 co co h hT 假定：hc0=3.923 846.91 13.1353 2 0 co co h hT 假定：hc0=3.924 802.91 13.1353 2 0 co co h hT 假定：hc0=3.923 846.91 13.1353 2 0 co co h hT 试算得：hc0=2.011 反孤段半径，取 mhR c 11.20066