衢州一级水电站厂房及隧洞设计说明书

摘 要衢州一级水电站座落于浙江省乌溪江湖南镇，属于梯级开发电站，根据地形要求，其开发方式为有压引水式。坝区地质条件较好，主要建筑物（砼非溢流坝），泄水建筑物（砼溢流坝），引水建筑物（有压引水遂洞，调压室），地面厂房。水库设计洪水位238m（千年一遇），相应的下泄流量4800m3/s；校核洪水位240m（万年一遇），相应的下泄流量8500m3/s；正常挡水位232m.本设计确定坝址位于山前峦附近，非溢流坝坝顶高程242m。坝底高程120m。最大坝高122m。上游坝坡坡度1：0.15，下游坝坡坡度1：0.78，溢流坝堰顶高程224m。引水遂洞进口位于坝址上游凹口处，遂洞全长1100m。洞径8.20m，调压室位于厂房上游250m左右处，高程250m的山峦上，型式为差动式。厂房位于下游荻青位置。设计水头95.76m，装机容量44.25=17万Kw，主厂房净宽16m，总长72.0m。水轮机安装高程115.86m，发电机层高程126.41m，安装场层高程130.11m（比下游校核洪水位128.3m略高）。厂房附近布置开关站，主变等。受地形限制，尾水平台兼作公路用，坝址与厂区通过盘山公路连接，形成枢纽体系。另外，本设计还对发电引水隧洞进行了专门布置和详细的荷载计算、配筋设计。由此可见，本设计是合理可行的。关键词：水利枢纽；挡水建筑物；泄水建筑物；稳定；应力；水轮机；选型；引水隧洞；调压室；厂房；发电引水隧洞。第 页 共 56 页AbstractThe quzhou hydropower station is located in HuNan Town in ZheJiang province ,which belongs to a chain of exploitation .According to the demand of topographic form ,I choose diversion hydropower station . The geology condition is good .The main construction conclude the water retaining structure (the concrete non over-fall dam) ,the release works (the concrete over fall dam) ,the diversion structure (pressure seepage tunnel ,the surge-chamber ) ,and the surface power station .The design water level is 238m ,its corresponding flow amount is 4800m3/s .The check level is 240m ,its corresponding flow 8500m3/s .The regular water retaining level is 232m .The dam site is near the former saddle .The crest elevation of the non-over-fall dam is 242m ,and the base elevation is 120m ,The max height of the dam is 122m ,The upstream dam slope is 1:0.15 ,the downstream dam slop is 1:0.78,the spillway crest elevation is 224m .The inducer of the seepage tunnel is located at the recess place ,The length of tunnel is 1100m ,the diametric of which is 8.2m .The surge-chamber is located at the mountain , which is 250m from the work shop building and is type is differential motion.The workshop building is located at downstream ,the design level of the turbine is 95.76m , the equipped capacitor is 17104Kw ,the clean width is 16m , its whole length is 72m . The fix level of the turbine is 115.86 m , and the height lf dynamo is 126.41m , the level of the adjustment bay is 130.11m (higher than the downstream water level ,which is 128.3m) . Near the workshop building , there are switch station and the main transformer and so on .This design layout the bent structure inside the main workshop building and calculate its distributed steel.目录摘 要1Abstract2第1章 设计基本资料1.1 流域概况和地理位置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2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坝轴线位置的比较和选择2.2 挡水及泄水建筑物2.2.1坝高的确定2.2.1.1坝顶超出静水位高度h2.2.1.2坝顶高程2.2.1.3 坝体高度2.2.2挡水建筑物形式：砼重力坝2.2.2.1基本剖面2.2.2.2实用剖面2.2.2.3稳定及应力计算2.2.3 泄水建筑物：砼溢流坝2.2.3.1堰顶高程2.2.3.2溢流坝实用剖面设计2.2.3.3溢流坝坝基面稳定计算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第3章 水能规划错误！未定义书签。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）：3.1.2 Hmin的可能出现情况（水头损失按2%计）：3.1.3 Hav 的确定：3.1.4 Hr的确定：3.2 水轮机选型比较3.2.1 HL200水轮机方案的主要参数选择3.2.2 HL180水轮机方案主要参数选择3.2.3 HL200和HL180方案参数对照表：3.2.4水轮机安较高程第4章 水电站引水建筑物4.1 引水隧洞整体布置4.1.1洞线布置（水平位置）4.1.2洞线布置（垂直方向）4.2 细部构造4.2.1隧洞洞径4.2.2隧洞进口段4.2.3 隧洞细部构造4.2.4闸门断面尺寸4.2.5进口底高程的计算4.2.6隧洞渐变段4.2.7压力管道设计4.2.8调压室设计4.2.8.1根据近似准则判断是否要设调压室4.2.8.2计算调压室托马断面4.2.8.3调压室选型的方案比较：第5章 水电站厂房5.1 厂房内部结构5.1.1 水轮机发电机外形尺寸估算5.1.2 发电机重量估算5.1.3 水轮机蜗壳及尾水管5.1.4 调速系统，调速设备选择5.1.5 水轮机阀门及其附件5.1.6 起重机设备选择5.2 主厂房尺寸5.2.1 长度5.2.2 宽度5.2.3 厂房各层高程的确定5.3 厂区布置第6章 专题部分：发电引水隧洞衬砌计算6.1 衬砌厚度h的确定6.2 荷载（轴力N、弯矩M）计算6.2.1 均匀内水压力作用下：6.2.2 垂直山岩压力作用下：6.2.3 衬砌自重作用下：6.2.4 无水头洞内满水压力作用下：6.2.5 外水压力作用下：6.3 配筋计算6.3.1 组合（1）：内水压力+山岩压力+衬砌自重+无水头洞内满水压力6.3.2 组合（2）：山岩压力+衬砌自重+最大外水压力：参考书目第1章 设计基本资料1.1 流域概况和地理位置乌溪江属衢江支流，发源于闽、浙、赣三省交界的仙霞岭，于衢县樟树潭附近流入衢江，全长170公里，流域面积2623平方公里。流域内除黄坛口以下属衢江平原外，其余均属山区、森林覆盖面积小，土层薄，地下渗流小，沿江两岸岩石露头，洪水集流迅速，从河源至黄坛口段，河床比降为1/1000，水能蕴藏量丰富。1.2 水文与气象1.2.1 水文条件湖南镇坝址断面处多年平均径流量为83.0m3/s。实测最大洪峰流量为5440 m3/s，（1954年），千年一遇洪水总量（4日）为11.0亿立方米，洪峰流量为11300m3/s。万年一遇洪水（4日）总量为16.2亿立方米，洪峰流量为16600m3/s。保坝洪水总量为17.2亿立方米，洪峰流量为22000m3/s。表1-1 坝址断面处（山前峦）水位流量关系曲线水位（m）122.71123.15123.5124.04125.4126.6128.5流量（m3/s）105010020050010002000水位（m）130.1132.6135.3137.6139.8141.8流量（m3/s）300050007500100001250015000表1-2电站厂房处获青水位流量关系曲线水位（m）115115.17115.39115.57115.72115.87116流量（m3/s）1020406080100120水位（m）116.13116.25116.37116.47117.05117.9118.5流量（m3/s）1401601802004007001000水位（m）119.45120.3121.97123.2125.65127.8129.8流量（m3/s）150020003000400060008000100001.2.2气象条件乌溪江流域属副热带季风气候，多年平均气温10.4，月平均最低气温4.9，最高气温28。多年平均降雨为1710mm ，雨量年内分配极不均匀，4、5、6三个月属梅雨季节，降雨量占全年的50%左右。7、8、9月份会受台风过境影响，时有台风暴雨影响，其降雨量占全年的25%左右。1.3 工程地质库区多高山峡谷，平原极少。地层多为白垩纪流纹斑岩及凝灰岩分布，柱状节理及顺坡向节理裂隙普遍，断裂构造不甚发育，受水库回水影响，可能有局部土滑、崩塌等情况，但范围不会很大，因此库区的岸坡稳定问题是不严重的。唯坝前水库左岸的梧桐口至坝址一段地形陡峭，顺坡裂隙较为发育，经调查有四处山坡因顺坡裂隙切割，不够稳定，每处不稳定岩体为23万立方米，在水库蓄水过程中，裂隙中充填物受潮软化，易崩塌、滑落，由于距坝趾较近，在施工过程中应注意安全。库取未发现有经济价值的矿床，仅湖南镇上游破石至山前峦一带有30余个旧矿，经地质部华东地质局浙西队调查，认为无经济价值。本工程曾就获青、项家、山前峦三个坝址进行地质勘测工作，经分析比较，选用了山前峦坝址。山前峦坝址河谷狭窄，河床仅宽110m左右，两岸地形对称，覆盖层较薄，厚度一般在0.5m 以下，或大片基岩出露，河床部分厚约24m。岩石风化普遍不深，大部分为新鲜流纹斑岩分布，局部全风化岩层仅1m左右，半风化带厚约212m，坝址地质构造条件一般较简单，经坝基开挖仅见数条挤压破碎带，产状以西北和北西为主，大都以高倾角发育，宽仅数厘米至数十厘米，规模及影响范围均不大，坝址的主要工程地质问题为左岸顺坡裂隙发育，差不多普及整个山坡，其走向与地形线一致，影响边坡岩体的稳定性。坝址地下水埋置不深，左岸为1126m，右岸1534m。岩石透水性小，相对抗水层（条件吸水量0.01L/dm）埋深不大，一般在开挖深度范围内，因此坝基和坝肩渗透极微，帷幕灌浆深度可在设计时根据扬压力对大坝的影响考虑选用。坝址的可利用基岩的埋置深度，在岸1012m，右岸69m，河中68m，详见坝址地质剖面图。坝体与坝基岩石的摩擦系数采用0.68。引水建筑物沿线为流纹斑岩分布。岩石新鲜完整，地质条件良好。有十余条挤压破碎带及大裂隙，但宽度不大，破碎程度不严重。厂房所在位置地形陡峻，覆盖极薄，基岩大片出露，岩石完整，风化浅，构造较单一。有两小断层，宽0.50.8m，两岸岩石完好。本区地震烈度小于6度。1.4 交通状况坝址至衢县的交通依靠公路，衢县以远靠浙赣铁路。1.5 既给设计控制数据a .校核洪水位：240.00m，校核最大洪水下泄流量8500m3/s，相应的水库库容2125108m3；b .设计洪水位：238.00m，设计洪水最大下泄流量4500m3/s；c .设计蓄水位：232.00m；d .设计低水位：192.00m；e .装机容量：442.5Mw，即44.25=17万Kw；f.砼采用C20,容重取为24KN/m3,水的容重取为9.81 KN/m3；第 页 共 56 页第2章 枢纽布置、挡水及泄水建筑物2.1 枢纽布置2.1.1枢纽布置形式因坝址附近河道蜿蜒曲折，多年平均径流量83.0m3/s，较小；河床坡度比降1/1000，故根地形条件选用有压引水式地面厂房方案。上游山前峦断面布置挡水建筑物及泄水建筑物，大坝右岸上游约150m处有天然凹口，在此布置引水隧洞进水口。下游获青处布置地面厂房，开关站等建筑物，具体位置见枢纽布置图。2.1.2坝轴线位置的比较和选择根据已知的山前峦坝址地形图，选择两条坝轴线进行方案比较。a线沿东西向与河道垂直，纵坐标76350；b线也沿东西向且与河道垂直，纵坐标76388。a线总长440m，穿过左岸较多裂隙；b线总长450m，基本避开了左岸裂隙。由于坝轴线增加不多（10m），地基处理费用相对多浇注少量混凝土来说要昂贵的多，所以选择b线方案。2.2 挡水及泄水建筑物2.2.1坝高的确定根据水电站装机17万Kw，水库总库容2125亿m3，属级工程，主要建筑物级别：1级，次要建筑物级别：2级，临时建筑物级别：4级。2.2.1.1坝顶超出静水位高度hh = 2hl+ho+hc 公式2-12hl：波浪涌高；ho：波浪中线高出静水位高度；hc：安全超高；2hl=0.166Vf5/4D1/3 公式2-2 Vf ：风速；D ：吹程；该水库缘地势高峻，故采用官厅水库计算公式 Vf =10m/s，D=2.6Km 2hl=10.4(2hl)0.8 公式2-32Ll：波长ho=cth 公式2-4基本组合：hc=0.7m，特殊组合hc=0.5m 2.2.1.2坝顶高程 坝顶高程= 公式2-5 取坝顶高程为242m2.2.1.3 坝体高度查坝轴线工程地质剖面图，得出可利用基岩最低点高程120.00m，由此知大坝实际高度为242120.00=122m2.2.2挡水建筑物形式：砼重力坝2.2.2.1基本剖面由于电站形式为引水式，故坝上右侧无有压进水口，上游坝坡坡度不受限制，同时用应力条件和稳定条件公式确定坝底的最小宽度： 公式2-6B：坝底宽度；H：实际坝高（基本剖面H=122m）；：坝体材料容重；：水的容重；：扬压力折减系数；k：基本组合安全系数；f：坝体与坝基岩石的摩擦系数，采用0.68。计算得： B=84.18m 根据工程经验，一般上游坡n=00.2,下游坡m=0.60.85,坝顶宽约为坝高的0.70.9。故取n=0.15，上游折坡点高程为160m；m=0.78，此时 B=102.16m。2.2.2.2实用剖面坝顶宽度=8%10%H=10m灌浆廊道距坝底3.75m，距上游坝面6.7m，廊道宽2.5m，高3m。2.2.2.3稳定及应力计算设计洪水位坝基面： 表2-1设计状况下坝基面稳定应力计算：抗滑稳定计算 公式2-7 公式2-8：结构重要性系数，因本工程属级工程，取为1.1；：结构系数，对于水工建筑物，稳定校核时，取1.2，应力校核时，取1.8；：设计状况系数，对于设计洪水位，属短暂状况，取为0.95；对于校核洪水位，属偶然状况，取为0.85；：摩擦系数，混凝土与基岩之间，取为1.0，混凝土与混凝土之间，取为1.25；：黏聚力，混凝土与基岩之间，取为900KPa，混凝土与混凝土之间，取为1450 KPa；：材料性能分项系数，对于,取为1.3，对于，取为3.0；R(*)：结构构件抗力设计值；S(*)：荷载效应组合值；：作用于滑动面以上的力在铅直方向投影的代数和；：作用于滑动面以上的力在水平方向投影的代数和；A：单位坝段与基岩接触面面积。 经计算，=79167KN=98317KN故满足抗滑稳定要求。应力计算（计入扬压力） 公式2-9 公式2-10：上游面正应力；：下游面正应力；B：计算截面沿上下游方向的宽度；：所有外力对计算截面形心弯矩的矢量和。求得=149.96KPa，=2137.52KPa,经计算，=156.71KPa=6582KPa =2233.71KPa=6582KPa 故应力满足要求。上游折坡处： 表2-2设计状况上游折坡面稳定应力计算： 抗滑稳定计算：经计算，=25847KN=51384KN故满足抗滑稳定要求。应力计算（计入扬压力）：求得=181.5KPa，=1353KPa,经计算，=190KPa=6582KPa =1414KPa=6582KPa 故应力满足要求。校核洪水位坝基面： 表2-3偶然状况下坝基面稳定应力计算：抗滑稳定计算：经计算，=73983KN=96053KN故满足抗滑稳定要求。应力计算（计入扬压力）：求得=0.74KPa，=2195KPa,经计算， =0.74KPa=6582KPa =2195KPa=6582KPa 故应力满足要求。上游折坡面（160m高程处） 表2-4偶然状况上游折坡面稳定应力计算：抗滑稳定计算：经计算， =25463KN=51046KN故满足抗滑稳定要求。应力计算（计入扬压力）： 求得=181.5KPa，=1353KPa,经计算， =6.3KPa=6582KPa =1467KPa=6582KPa 故应力满足要求。2.2.3 泄水建筑物：砼溢流坝2.2.3.1堰顶高程坝址岩基状况良好，故对于设计洪水位的坝体下泻流量4800m3/s,取设计状况下的单宽流量q=70m2/s,则溢流前缘总净宽L为68.6m。溢流堰取5孔，每孔净宽14m，考虑到闸墩中设横缝，故闸墩取为4m，溢流坝每个坝段的长度为20m，故溢流前缘总净宽L为70m，溢流坝总长度L0为90m。计算设计状况下堰上水头： 公式2-11m：流量系数，设计水头下取0.5；：侧收缩系数，一般取为0.90.95，本设计取为0.9；g：重力加速度。 经计算，H0为10.6m。距坝轴线上游35m处的水深为126m，过水断面平均宽度为250m,所以过水面积A为31500m2。所以坝前行进流速为0.17 m/s。因此，堰顶高程为设计洪水位减堰顶水头再加上坝前行进流速水头，经计算为227.4m。校核状况下洪水下泄可通过溢流坝，坝体下泻流量为8500 m3/s。保持溢流前缘总净宽L为70m不变的情况下，单宽流量=121.428 m2/s，满足要求。计算设计状况下堰上水头： 经计算，H0为15.26m。距坝轴线上游40m处的水深为129.5m，过水断面平均宽度为255m,所以过水面积A为33023m2。所以坝前行进流速为0.29m/s。因此，堰顶高程为设计洪水位减堰顶水头再加上坝前行进流速水头，经计算为232m。综合上述两种情况，取校核洪水位下的堰顶高程224.7m，为方便施工，取为224.00m. 洪水位240m， 所以闸门高度=洪水位堰顶高程+安全超高（0.20.3m）=240 224.7+0.7=16m，考虑到闸门高宽比的要求，结合闸门设计规范，取闸门高度为16m。2.2.3.2溢流坝实用剖面设计设计堰上水头Hd=15.3ma . 溢流面曲线采用WES曲线 Xn=KHdn-1y 公式2-12Hd：定型设计水头；Kn ：与上游坝面坡度有关的系数和指数（查手册知k=2.0, n=1.85）。经计算：y=x1.85/(213.85) 即溢流面幂曲线方程为y=0.0565x1.85。与曲线相切的直线方程经计算得：Y= 公式2-13b=0.175H=2.28表2-5最终定出的坐标曲线坐标反孤段设计： 查水力学（下）P53，取=0.95， q=118.96m3/s(校核状况下泄流量)， 公式2-14To：总有效水头；hco：临界水深（校核洪水位闸门全开时反弧处水深）；：流速系数查表取0.95；下游最高尾水位137.29m，故取挑坎高程133.29+（12）m=139mTo=102.5m试算得：hco=2.832m则反孤段半径R（610）hco=28m 鼻坎挑角300。2.2.3.3溢流坝坝基面稳定计算设计洪水位：表2-5设计状况下坝基面稳定计算：抗滑稳定计算：经计算，=77476KN=100549KN故满足抗滑稳定要求。校核洪水位：表2-6校核状况下坝基面稳定计算： 抗滑稳定计算：经计算，=71371KN24s，故需要设上游调压室。L：压力水道（包括螨壳及尾水管）长度，m；g：重力加速度；H：设计水头；Tw：压力水道的惯性时间常数，s。4.2.8.2计算调压室托马断面Fk= 公式4-7L：隧洞洞线总长；f：隧洞断面面积。此时的计算条件为：上游死水位（190m），引水隧洞可能的最小糙率（0.012），压力钢管采用可能的最大糙率(0.0125)。死水位4台机组满发对应的隧洞流量Q260.39m3/s。H1=H0hw03hwm0 公式4-8hw0：隧洞段水头损失； hwmo：压力管道段水头损失。hwo=hf+hwhf：沿程水头损失；hw：局部水头损失，。 公式4-9隧洞段水头损失：hwo=hf+hw =1.521+0.69=2.211m 公式4-10压力管道段水头损失：hwmo= hf+hw =0.781+2.768=3.549m 公式4-11H1=H0hw03hwm0 =61.392m 公式4-12 C：谢才系数：水头损失系数之和；R：隧洞水力半径；g：重力加速度。Fk=346.8m2所以调压室面积F=1.05Fk 公式4-13=1.05346.8=364.14m2。4.2.8.3调压室选型的方案比较：（1）、阻抗式最低涌浪Zmin计算（计算条件：上游设计低水位，采用引水道可能最大糙率0.015，流量从0.5Q0变化到Q0）： 公式4-1 4hwo=hf+hw=3.067mm=0.5Q0/Q0=0.5 公式4-15 Xmin=2.727Zmim=Xmin hwo 公式4-16=8.36m =9.908 公式4-17hco=30.39m=0.60.8,取为0.7 公式4-1815% 满足要求。（2）Zmax计算（计算条件：上游设计洪水位，引水道可能最小糙率0.012）Q0=173.53m3/s计算得=13.7,X0=0.0104, hwo=0.958，hco=13.12,由公式 公式4-19 算出Xm=0.08605 Zmax=XmS=7.905m 公式4-20因为hco=13.12mhw0+=8.863m，所以不宜选用阻抗式调压室。2、差动式方案选大井面积Fp为311.33m2,升管面积Fcm为52.81m2,即与发电引水隧洞的面积相同。引水隧洞全长1100m，断面积为52.81m2。计算最低涌