湖南镇水电站枢纽布置及调压室设计计算书（一）

目 录目 录- 1 -第一章设计基本资料- 3 -1.1.地理位置- 3 -1.2.水文与气象- 3 -1.2.1.水文条件- 3 -1.2.2.气象条件- 3 -1.3.工程地质- 3 -1.4.交通状况- 3 -1.5.既给设计控制数据- 3 -第二章枢纽布置、挡水及泄水建筑物- 4 -2.1.枢纽布置- 4 -2.1.1.枢纽布置形式- 4 -2.1.2.坝轴线位置比较选择- 4 -2.2.挡水及泄水建筑物- 4 -2.2.1.坝高确定- 4 -2.2.2.挡水建筑物砼重力坝- 4 -2.2.2.1.基本剖面- 4 -2.2.2.2.实用剖面- 5 -2.2.3.泄水建筑物砼溢流坝- 10 -2.2.3.1.堰顶高程- 10 -2.2.3.2.溢流坝实用剖面设计- 11 -2.2.3.3.溢流坝稳定应力计算- 11 -2.3.坝内构造- 14 -2.3.1.坝顶结构- 14 -2.3.1.1.非溢流坝- 14 -2.3.1.2.溢流坝- 14 -2.3.2.坝体分缝- 14 -2.3.3.坝内廊道- 15 -2.3.4.坝基地基处理- 15 -2.4.溢流坝消能防冲措施- 15 -第三章水轮机选型- 15 -3.1.水头Hmax、Hmin、Hr确定- 15 -3.1.1.Hmax 的可能出现情况（水头损失按2%计）- 15 -3.1.2.Hmin 的可能出现情况（水头损失按2%计）- 16 -3.1.3.Hav 的确定- 16 -3.1.4.Hr的确定- 16 -3.2.水轮机选型比较- 16 -3.2.1.HL200水轮机方案的主要参数选择- 16 -3.2.2 HL180水轮机方案主要参数选择- 17 -3.2.3 HL200和HL180方案参数对照表- 18 -3.2.4 水轮机安装高程- 18 -第四章水电站厂房- 18 -4.1.厂房内部结构- 18 -4.1.1.水轮机发电机外形尺寸估算- 18 -4.1.2.发电机重量估算- 18 -4.1.3.水轮机蜗壳及尾水管- 19 -4.1.4.调速系统，调速设备选择- 19 -4.1.5.起重机设备选择- 20 -4.2.主厂房尺寸- 20 -4.2.1.长度- 20 -4.2.2.厂房各层高程的确定- 20 -4.3.厂区布置- 20 -第五章水电站引水建筑物- 20 -5.1.引水隧洞整体布置- 20 -5.1.1.隧洞洞径- 20 -5.1.2.隧洞进口段- 20 -5.2.细部构造- 20 -5.2.1.隧洞洞径- 20 -5.2.2.隧洞进口段- 20 -5.2.3.隧洞细部构造- 21 -5.2.4.闸门断面尺寸- 21 -5.2.5.进口底高程的计算- 21 -5.2.6.隧洞渐变段- 21 -5.2.7.压力管道设计- 21 -5.2.8.调压室设计- 22 -5.2.8.1 根据近似准则判断是否要设调压室- 22 -5.2.8.2 计算调压室托马断面- 22 -5.2.8.3 调压室方案比较- 30 -第一章 设计基本资料1.1. 地理位置1.2. 水文与气象1.2.1. 水文条件1.2.2. 气象条件1.3. 工程地质1.4. 交通状况1.5. 既给设计控制数据第二章 枢纽布置、挡水及泄水建筑物2.1. 枢纽布置2.1.1. 枢纽布置形式2.1.2. 坝轴线位置比较选择2.2. 挡水及泄水建筑物2.2.1. 坝高确定h = 2h1+ho+hc设计情况下：h = 2h1% +hz +hc =21.31+0.49+0.7=3.81校核情况下：h = 2h1% +hz+hc =20.79+0.27+0.5=2.352.2.2. 挡水建筑物砼重力坝2.2.2.1. 基本剖面M=B/H=0.69 （应力条件） M=0.79 （稳定条件）2.2.2.2. 实用剖面坝顶宽度8%10%110.4取为12m坝基面稳定及应力计算设计洪水位情况下，下游水位20.34m坝基面：自重:G1=GGk=1.00.57.24823.5=4060.8 （垂直向下）力臂L1=55.2-7.232=50.4m 弯矩M1= G1L1=4060.850.4=204664.32KN.m （逆时针） G2=GGk=1.012130.623.5=36829.2KN （垂直向下）力臂L2=55.27.26=42m 弯矩M2= G2L2=36829.242=1546826.4KN.m （逆时针）G3=GGk=1.00.591.2115.423.5=123662.64KN （垂直向下）力臂L3=55.27.21291.23=5.6m 弯矩M3= G3 L 3=123662.645.6=692510.78KN.m （逆时针） 水压力： P1=GGk=1.00.59.81(238112)2=79380 KN （指向下游） 力臂L1=(238112)3=42m 弯矩M1= P1L1=7938042=3333960KN.m （顺时针） P2=GGk=1.00.51020.34=2068.58 KN（指向上游） 力臂L2=6.78m 弯矩M2= P2L2=2068.586.78=14024.96KN.m （逆时针） P3=GGk=1.00.5(126+78) 7.210=7344 KN （垂直向下） 力臂L3=51.9m 弯矩M3= P3L3=734451.9=381153.6KN.m （逆时针） P4=GGk=1.00.520.3416.0710=1634.32KN （垂直向下） 力臂L4=49.84m 弯矩M4= P4L4=1634.3249.84=81454.51KN.m （顺时针） 浪压力： P1=G ro(Ll+2hl+h0) Ll/2=0.510(2.55+0.49+1.31)2.551.2=198.2 KN （指向下游）力臂L1=120.46 m弯矩M1=P1 L1=198.2120.46=23875.2KN.m （顺时针）P2=G roLl2/2=0.59.812.5521.2=149.1 KN （指向上游）力臂L2=119.86 m弯矩M2=P2 L2=149.1119.86=17871.1 KN.m （逆时针）扬压力:浮托力：U1=GGk=1.020.3410110.4=22455.36 KN （垂直向上）力臂L1=0弯矩M1=0U2=0.25(126-20.34) 1018.2=4807.53 KN （垂直向上） 力臂L2=46.1m弯矩M2= U2 L2=4807.5346.1=221627.13 KN.m （顺时针）U3=100.25(126-20.34) 92.20.5=12177.315KN （垂直向上） 力臂L3=6.27m弯矩M3= U3 L3=12177.3156.27=76351.77KN.m （顺时针）U4=100.5(126-20.34) 18.20.75=7211.3KN （垂直向上） 力臂L4=49.13m弯矩M4= U4 L4=7119.849.4=354291.17 KN.m （顺时针）综上，=117549.15 KN （垂直向下）=1366163.38（顺时针）=80852KN=127222.4KN故满足稳定要求=2948.5KPa=6851.9KPa=1921.5 KPa故满足应力要求折坡面：自重:G1=GGk=23.51282.61.0=23293.2KN力臂L1=26.6 弯矩M1= 23293.226.6=619599.12 KN.mG2=GGk=1.053.267.423.5=42131.74KN （垂直向下）力臂L2=2.9m 弯矩M2= G2L2=42131.742.9=122182.05KN.m （逆时针） 水压力： P1=GGk=1.00.510(238160)2=30420 KN （指向下游） 力臂L1=26m 弯矩M1= P1L1=3042026=790920KN.m （顺时针） 浪压力： P1=G ro(Ll+2hl+h0) Ll/2=0.510(2.55+1.49+1.31)2.551.2=198.2KN（指向下游）力臂L1=72.46 m弯矩M1=P1 L1=198.272.46=14361.6KN.m （顺时针）P2=G roLl2/2=0.5102.551.2=149.1KN（指向上游）力臂L2=71.86m弯矩M2=P2 L2=149.171.86=10714.3 KN.m （逆时针）扬压力:U1=0.25107811=2145 KN （垂直向上） 力臂L1=27.1m弯矩M1= U1 L1=214527.1=58129.5 KN.m （顺时针）U2=0.5100.257854.2=5284.5 KN （垂直向上） 力臂L2=3.5m弯矩M2= U2 L2=5284.53.5=18495.75 KN.m （顺时针）U3=0.510780.7511=3217.5 KN （垂直向上） 力臂L3=28.9m弯矩M3= U3 L3=3217.528.9=92985.75KN.m （顺时针）综上，=52648.54KN （垂直向下） =412154.07 KN.m（顺时针）=2357.7KN=6851.9KN故满足稳定要求=31850.47KP=故满足应力要求,校核洪水位情况下，下游水位24.22m坝基面：自重:G1=GGk=1.00.57.24823.5=4060.8 （垂直向下）力臂L1=55.2-7.232=50.4m 弯矩M1= G1L1=4060.850.4=204664.32KN.m （逆时针） G2=GGk=1.012130.623.5=36829.2KN （垂直向下）力臂L2=55.27.26=42m 弯矩M2= G2L2=36829.242.3=1546826.4KN.m （逆时针）G3=GGk=1.00.591.2115.423.5=123662.64KN （垂直向下）力臂L3=55.27.21291.23=5.6m 弯矩M3= G3 L 3=123662.645.6=692510.78KN.m （逆时针） 水压力： P1=GGk=1.00.59.81(240.25112)2=82240.31 KN （指向下游） 力臂L1=(240.25112)3=42.75m 弯矩M1= P1L1=82240.3142.75=3515773.25KN.m （顺时针） P2=GGk=1.00.51024.22=2933.04KN（指向上游） 力臂L2=8.07m 弯矩M2= P2L2=2933.048.07=23669.63KN.m （逆时针） P3=GGk=1.00.5(128.25+80.25)7.210=7506 KN （垂直向下） 力臂L3=51.9m 弯矩M3= P3L3=750651.9=389561.4KN.m （逆时针） P4=GGk=1.00.524.2219.110=2313.01KN （垂直向下） 力臂L4=48.83m 弯矩M4= P4L4=2313.0148.83=112944.28KN.m （顺时针） 浪压力： P1=G ro(Ll+2hl+h0) Ll/2=0.510(0.79+0.27+3.65)=86 KN （指向下游）力臂L1=123.92 m弯矩M1=P1 L1=86123.92=10657.1KN.m （顺时针）P2=G roLl2/2=0.59.813.653.65=66.6 KN （指向上游）力臂L2=123.57 m弯矩M2=P2 L2=66.6123.57=8229.8 KN.m （逆时针）扬压力:浮托力：U1=GGk=1.024.2210110.4=26738.88 KN （垂直向上）力臂L1=0弯矩M1=0 U2=0.25(128.25-24.22) 1018.2=4733.37 KN （垂直向上） 力臂L2=46.1m弯矩M2= U2 L2=4733.3746.1=218208.36 KN.m （顺时针）U3=100.25(128.25-24.22) 92.20.5=11989.46KN （垂直向上） 力臂L3=6.27m弯矩M3= U3 L3=11989.466.27=75173.91 KN.m （顺时针）U4=100.5(128.25-24.22) 18.20.75=7100.05KN （垂直向上） 力臂L4=49.13m弯矩M4= U4 L4=7100.0549.13=348825.46 KN.m （顺时针）综上，=113687.6KN （垂直向下）=1545047（顺时针）74174.06KN故满足稳定要求 =2718.75KPa=6581.85KPa故满足应力要求折坡面：自重:G1=GGk=23.51282.61.0=23293.2KN力臂L1=26.6 弯矩M1= 23293.226.6=619599.12 KN.mG2=GGk=1.053.267.423.5=42131.74KN （垂直向下）力臂L2=2.9m 弯矩M2= G2L2=42131.742.9=122182.05KN.m （逆时针） 水压力： P1=GGk=1.00.510(240.25160.25)2=32200.31 KN （指向下游） 力臂L1=2.9m 弯矩M1= P1L1=32200.312.9=861358.3KN.m （顺时针） 浪压力： P1=G ro(Ll+2hl+h0) Ll/2=0.510(0.79+0.27+3.65)=86 KN（指向下游）力臂L1=75.92 m弯矩M1=P1 L1=8675.92=6529.1KN.m （顺时针）P2=G roLl2/2=0.59.813.653.65=66.6 KN KN（指向上游）力臂L2=75.57m弯矩M2=P2 L2=66.675.57=5033KN.m （逆时针）扬压力:U1=0.251080.2511=2206.88 KN （垂直向上） 力臂L1=27.1m弯矩M1= U1 L1=2206.8827.1=59806.45 KN.m （顺时针）U2=0.5100.2580.2554.2= 5436.94KN （垂直向上） 力臂L2=3.5m弯矩M2= U2 L2=5436.943.5=19029.29 KN.m （顺时针）U3=0.51080.250.7511=3310.31 KN （垂直向上） 力臂L3=28.9m弯矩M3= U3 L3=3310.3128.9=95668 KN.m （顺时针）综上，=52279.98 KN （垂直向下） =330777 KN.m （顺时针）=1926.57KN故满足稳定要求=8190KPa =30129KPa=77015.37KPa故满足应力要求2.2.3. 泄水建筑物砼溢流坝2.2.3.1. 堰顶高程设计洪水位时，Qs=4800m3/s，Q0=55.69m3/s取=0.9，则A=126130=16380 m2 ，堰顶高程=设计洪水位Ho +=23811.98+校核洪水位时，Qs=8500m3/s，Q0=55.69m3/s(见后水能规划部分)，取=1，则：A=129130=16770 m2 ，堰顶高程=设计洪水位Ho +=240.2511.967+故取最小的堰顶高程：226m2.2.3.2. 溢流坝实用剖面设计反弧段设计试算过程：表2-1 hco试算得T0实际T02160.35103.812.3122.0353103.812.5103.844103.812.49104.6496103.812.48105.4652103.81所以hco为2.03m。2.2.3.3. 溢流坝稳定应力计算1）校核状况自重:G1=GGk=1.00.57.24823.5=4060.8KN （垂直向下）G2=GGk=1.0600023.5=141000KN（垂直向下） 水压力： 静水压力： P1=GGk=1.0100.5=82240.31KN （指向下游） P2=GGk=7506 KN （垂直向下） P3=GGk=1.00.59.8124.22=2933.04 KN （垂直向上） 动水压力： （指向上游） （垂直向下） 扬压力:U1=GGk=1.024.229.81105=24947.8KN (垂直向上)U2=0.5403105=7182.4 KN (垂直向上) U3=10656.1KN (垂直向上) 综上，=114618 KN （垂直向下） =P1P4Px=8108031401607=76333KN （指向下游） =108287.8=85514KN故满足稳定要求2）设计状况1）自重与校核状况相同 水压力： 静水压力： P1=GGk=0.5=79380KN （指向下游） P2=GGk=1.00.59.81(1262-48)=7344 KN （垂直向下） P3=GGk=1.00.59.81=2350.1 KN （垂直向上） 动水压力： 由表2-2 试算过程：hco试算得T0实际T0262.925105.22.348.36805293105.21.969.40692521105.21.786.02525952105.21.696.7953125105.21.5109.8111111105.21.55102.9860042105.21.54104.297632105.21.53105.6352587105.21.533105.2312004105.2所以：=2.50m； （指向上游） （垂直向下） 扬压力:U1=GGk=1.021.79.81125.4=27211.8 KN (垂直向上)U2=（1260.3-21.7）107.2 5=8629.6KN (垂直向上) U3=10956.4KN (垂直向上) 综上，=106541.58 KN （垂直向下） =76363.97 KN （指向下游） =104733.8=79800.35KN故满足稳定要求2.3. 坝内构造2.3.1. 坝顶结构2.3.1.1. 非溢流坝2.3.1.2. 溢流坝2.3.2. 坝体分缝2.3.3. 坝内廊道2.3.4. 坝基地基处理2.4. 溢流坝消能防冲措施 tr=第三章 水轮机选型3.1. 水头Hmax、Hmin、Hr确定3.1.1. Hmax 的可能出现情况（水头损失按2%计）1、H1=98% （Z上Z下 ）=109.71m2、H2=98% （Z上Z下 ）=111.54m 3、（3.1） 假设Q=80m3/s，则：Z下=115.72m，H3=Z上Z下 =114.28mN=AQH=7.7万Kw（3.2） 假设Q=40m3/s，则：Z下=115.39m，H3=Z上Z下 =114.61mN=AQH=3.85万Kw（3.3） 假设Q=46m3/s，则：Z下=115.44m，H3=Z上Z下 =114.56mN=AQH=4.42万Kw由（3.1）、（3.2）、（3.3）得NQ关系曲线：由N=4.5万Kw查NQ关系曲线得：Q=46.82m3/s Z下=115.45mH3=98% (Z上Z下 )=114.55m综合1、2、3得：Hmax=114.55m3.1.2. Hmin 的可能出现情况（水头损失按2%计）设计低水位时全部机组发电：（1） 假设Q=200m3/s，则：Z下=116.47m，H3=Z上Z下 =73.53N=AQH=12.34万Kw（2） 假设Q=300m3/s，则：Z下=116.8m，H3=Z上Z下 =73.24N=AQH=18.43万Kw（3）假设Q=293m3/s，则：Z下=116.74m，N=AQH=18.01万Kw由1、2、3得NQ关系曲线如右图所示：由N=18万Kw查NQ关系曲线得：Q=292.85m3/s Z下=116.74mHmin=98% (Z上-Z下)=73.26m3.1.3. Hav 的确定Hav=(Hmax+Hmin)/2=93.905m3.1.4. Hr的确定Hr=Hav=93.905m3.2. 水轮机选型比较3.2.1. HL200水轮机方案的主要参数选择1. 转轮直径 D1=2.47m2. 转速 =239.61r/min 3. 效率及单位参数的修正 =93.5%90.7%=2.8% =1.0% =1.8%max=90.7%+1.8%=92.5%，=89.4%+1.8%=91.2%4、工作范围检验 Qmax=Q11max D12= 0.862.752=67.42m3/s5、吸出高度Hs=10(0.09+0.019)93.905 =0.3637m3.2.2 HL180水轮机方案主要参数选择4. 1、转轮直径 D1=2.58m5. 转速 =236.09r/min 6. 效率及单位参数的修正 =94.4%92%=2.4% =1.0% =1.4%max=92%+1.4%=93.4%，=89.5%+1.4%=90.9%4、工作范围检验 Qmax=Q11max D12= 0.762.752=55.69m3/s5、吸出高度Hs=10(0.0775+0.019)93.905 =0.81m3.2.3 HL200和HL180方案参数对照表3.2.4 水轮机安装高程Zs=+Hs+=116.81m第四章 水电站厂房4.1. 厂房内部结构4.1.1. 水轮机发电机外形尺寸估算4.1.2. 发电机重量估算4.1.3. 水轮机蜗壳及尾水管4.1.4. 调速系统，调速设备选择接力器: 直径 : 最大行程 : 油压装置:4.1.5. 起重机设备选择4.2. 主厂房尺寸4.2.1. 长度4.2.2. 厂房各层高程的确定4.3. 厂区布置第五章 水电站引水建筑物5.1. 引水隧洞整体布置5.1.1. 隧洞洞径5.1.2. 隧洞进口段5.2. 细部构造5.2.1. 隧洞洞径=8.6m 5.2.2. 隧洞进口段a=1.01.5 D=8.612.9m，b= D=2.874.3m5.2.3. 隧洞细部构造5.2.4. 闸门断面尺寸bh=78.6m25.2.5. 进口底高程的计算v=Q/(bh)=4.0m/sScr=cv =0.554=6.45m隧洞进口底高程为1906.458.6=174.95m。5.2.6. 隧洞渐变段5.2.7. 压力管道设计 D= = =6.7m D= = =3.70mD= = =5.93mD= = =4.98m5.2.8. 调压室设计5.2.8.1 根据近似准则判断是否要设调压室上游调压室： =6.49sT24可不设下调压室，所以之需设上调压室5.2.8.2 计算调压室托马断面1）引水道的水头损失（1）沿程水头损失R= L=1100m计算选用糙率（最小）（2）局部水头损失拦污栅处污染物附着影响系数，机械清污=与栅条形状有关系数 2.42与栅柱形状有关系数 1.67栅条厚或直径0.03m栅柱厚0.6m栅条净距0.09m栅柱净距5m 过栅平均流速喇叭口段（取减缩段面积）闸门段（2个平板闸门）三个渐变段 隧洞转弯处=0.1310.1632()7/2()1/2=0.076 2）压力钢管的水头损失（1）沿程水头损失 糙率取最大值0.013 岔管前： 岔管后：（2）局部水头损失 转弯段=0.1310.1632()7/2()1/2=0.093共两处 蝶阀处全开时3）断面计算 式中 ： L引水隧洞长1100m引水道断面面积 58.06m2引水道水头损失系数 引水道通过流量Q时的水头损失压力管道通过流量Q时的水头损失为了保证稳定性和加快削减速度，实际调压室的面积还应比托马断面大，工程中往往将其乘以1.05，所以得：计算最高涌波引水道水头损失1）沿程水头损失R= L=1100m计算选用糙率（最小）（2）局部水头损失拦污栅处污染物附着影响系数，机械清污=与栅条形状有关系数 2.42与栅柱形状有关系数 1.67栅条厚或直径0.03m栅柱厚0.6m栅条净距0.11m栅柱净距5m 过栅平均流速喇叭口段（取减缩段面积）闸门段（2个平板闸门）=0.3三个渐变段 =3.23隧洞转弯处=0.1310.1632()7/2()1/2=0.076 计算最低涌波引水道水头损失1）沿程水头损失R= L=1100m计算选用糙率（最小）（2）局部水头损失拦污栅处污染物附着影响系数，机械清污=与栅条形状有关系数 2.42与栅柱形状有关系数 1.67栅条厚或直径0.03m栅柱厚0.6m栅条净距0.11m栅柱净距5m 过栅平均流速喇叭口段（取减缩段面积）闸门段（2个平板闸门）三个渐变段 隧洞转弯处=0.1310.1632()7/2()1/2=0.076 5.2.8.3 调压室方案比较1）简单式调压室（1）丢弃全负荷时的最高涌波水位计算： 式中：L引水隧洞长1100m引水道通过流量Q时的水头损失对应于Q时的引水道流速压力水道断面面积调压室断面面积 = 得出（2）丢弃全负荷时第二振幅计算： 得出（3）增加负荷时最低涌波计算：（两台机增加到四台机满发） 得出2）