乌溪江水电站厂房设计及岔管设计计算书（一）

目 录第一章设计基本资料- 1 -1.1.地理位置- 1 -1.2.水文与气象- 1 -1.2.1.水文条件- 1 -1.2.2.气象条件- 1 -1.3.工程地质- 1 -1.4.交通状况- 1 -1.5.既给设计控制数据- 1 -第二章枢纽布置、挡水及泄水建筑物- 2 -2.1.枢纽布置- 2 -2.1.1.枢纽布置形式- 2 -2.1.2.坝轴线位置比较选择- 2 -2.2.挡水及泄水建筑物- 2 -2.2.1.坝高确定- 2 -2.2.2.挡水建筑物砼重力坝- 2 -2.2.2.1.基本剖面- 2 -2.2.2.2.实用剖面- 3 -2.2.3.泄水建筑物砼溢流坝- 8 -2.2.3.1.堰顶高程- 8 -2.2.3.2.溢流坝实用剖面设计- 9 -2.2.3.3.溢流坝稳定应力计算- 10 -2.3.坝内构造- 12 -2.3.1.坝顶结构- 12 -2.3.1.1.非溢流坝- 12 -2.3.1.2.溢流坝- 12 -2.3.2.坝体分缝- 12 -2.3.3.坝内廊道- 13 -2.3.4.坝基地基处理- 13 -2.4.溢流坝消能防冲措施- 13 -第三章水轮机选型- 13 -3.1.水头Hmax、Hmin、Hr确定- 13 -3.1.1.Hmax 的可能出现情况（水头损失按2%计）- 13 -3.1.2.Hmin 的可能出现情况（水头损失按2%计）- 14 -3.1.3.Hav 的确定- 14 -3.1.4.Hr的确定- 14 -3.2.水轮机选型比较- 14 -3.2.1.HL200水轮机方案的主要参数选择- 14 -3.2.2 HL180水轮机方案主要参数选择- 15 -3.2.3 HL200和HL180方案参数对照表- 16 -3.2.4 水轮机安装高程- 16 -第四章水电站厂房- 16 -4.1.厂房内部结构- 16 -4.1.1.水轮机发电机外形尺寸估算- 16 -4.1.2.发电机重量估算- 16 -4.1.3.水轮机蜗壳及尾水管- 17 -4.1.4.调速系统，调速设备选择- 17 -4.1.5.起重机设备选择- 18 -4.2.主厂房尺寸- 18 -4.2.1.长度- 18 -4.2.2.厂房各层高程的确定- 18 -4.3.厂区布置- 18 -第五章水电站引水建筑物- 18 -5.1.引水隧洞整体布置- 18 -5.1.1.隧洞洞径- 18 -5.1.2.隧洞进口段- 18 -5.2.细部构造- 18 -5.2.1.隧洞洞径- 18 -5.2.2.隧洞进口段- 18 -5.2.3.闸门断面尺寸- 19 -5.2.4.进口底高程的计算- 19 -5.2.5.隧洞渐变段- 19 -5.3.压力管道设计- 19 -5.4.调压室设计- 20 -5.4.1.根据近似准则判断是否要设调压室- 20 -5.4.2.计算调压室托马断面- 20 -5.4.3.计算最高涌波引水道水头损失- 24 -5.4.4.计算最低涌波引水道水头损失- 26 -5.4.5.调压室方案比较- 28 - 1 -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%130.51=10.4413.05m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21.68m坝基面：自重:G1=GGk=1.00.57.24823.5=4060.8 （垂直向下）力臂L1=55.5-7.232=50.7m 弯矩M1= G1L1=4060.850.7=205882.56KN.m （逆时针） G2=GGk=1.012131.3523.5=37040.7KN （垂直向下）力臂L2=55.57.26=42.3m 弯矩M2= G2L2=37040.742.3=1566821.61KN.m （逆时针）G3=GGk=1.00.591.8116.223.5=125339.13KN （垂直向下）力臂L3=55.57.21291.83=5.7m 弯矩M3= G3 L 3=125339.135.7=714433.04KN.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=1.00.51021.68=2350.1 KN（指向上游） 力臂L2=7.2m 弯矩M2= P2L2=2350.17.2=16920.7KN.m （逆时针） P3=GGk=1.00.5(126+78) 7.210=7344 KN （垂直向下） 力臂L3=48.3m 弯矩M3= P3L3=734448.3=354715.2KN.m （逆时针） P4=GGk=1.00.521.6817.1310=1856.89KN （垂直向下） 力臂L4=49.79m 弯矩M4= P4L4=1856.8949.79=92454.5KN.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=1.021.6810111=24064.8 KN （垂直向上）力臂L1=0弯矩M1=0 U2=0.25(126-21.68) 1018.2=4746.6 KN （垂直向上） 力臂L2=46.4m弯矩M2= U2 L2=4746.646.4=220242.24 KN.m （顺时针）U3=100.25(126-21.68) 91.80.5=11970.7KN （垂直向上） 力臂L3=6.4m弯矩M3= U3 L3=11970.76.4=178760 KN.m （顺时针）U4=100.5(126-21.68) 18.20.75=7119.8KN （垂直向上） 力臂L4=49.4m弯矩M4= U4 L4=7119.849.4=351720 KN.m （顺时针）综上，=118159 KN （垂直向下）=1222220.23（顺时针）=80557.8KN=127891.5KN故满足稳定要求=1824.9KPa=6851.8KPa=1721.5 KPa故满足应力要求折坡面：自重:G1=GGk=23.51283.351.0=23504.7KN力臂L1=27 弯矩M1= 23504.727=634626.9 KN.mG2=GGk=1.053.968.223.5=43192.7KN （垂直向下）力臂L2=3.7m 弯矩M2= G2L2=43192.73.7=159813.2KN.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=27.5m弯矩M1= U1 L1=214527.5=58987.5 KN.m （顺时针）U2=0.5100.257854.9=5352.8 KN （垂直向上） 力臂L2=3.7m弯矩M2= U2 L2=5352.83.7=19805.4 KN.m （顺时针）U3=0.510780.7511=3217.5 KN （垂直向上） 力臂L3=29.3m弯矩M3= U3 L3=3217.529.3=19805.4 KN.m （顺时针）综上，=53839 KN （垂直向下） =193209.42 KN.m（顺时针）=1914.4KN=19277.8KN故满足稳定要求=1900KP=故满足应力要求,校核洪水位情况下，下游水位25.3m坝基面：自重:G1=GGk=1.00.57.24823.5=4060.8 （垂直向下）力臂L1=55.5-7.232=50.7m 弯矩M1= G1L1=4060.850.7=205882.56KN.m （逆时针） G2=GGk=1.012131.3523.5=37040.7KN （垂直向下）力臂L2=55.57.26=42.3m 弯矩M2= G2L2=37040.742.3=1566821.61KN.m （逆时针）G3=GGk=1.00.591.8116.223.5=125339.13KN （垂直向下）力臂L3=55.57.21291.83=5.7m 弯矩M3= G3 L 3=125339.135.7=714433.04KN.m （逆时针） 水压力： P1=GGk=1.00.59.81(241112)2=83205 KN （指向下游） 力臂L1=(241112)3=43m 弯矩M1= P1L1=8320543=3577815KN.m （顺时针） P2=GGk=1.00.51025.3=3200.45KN（指向上游） 力臂L2=8.4m 弯矩M2= P2L2=3200.458.4=26993.8KN.m （逆时针） P3=GGk=1.00.5(129+81) 7.210=7560 KN （垂直向下） 力臂L3=50.5m 弯矩M3= P3L3=756050.5=381780KN.m （逆时针） P4=GGk=1.00.525.32010=1265KN （垂直向下） 力臂L4=48.8m 弯矩M4= P4L4=126548.8=61732KN.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=123.46 m弯矩M1=P1 L1=198.2123.46=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=121.86 m弯矩M2=P2 L2=149.1121.86=17871.1 KN.m （逆时针）扬压力:浮托力：U1=GGk=1.025.310111=24064.8 KN （垂直向上）力臂L1=0弯矩M1=0 U2=0.25(129-25.3) 1016.2=4199.85 KN （垂直向上） 力臂L2=46.4m弯矩M2= U2 L2=4199.8546.4=194873.04 KN.m （顺时针）U3=100.25(129-25.3) 92.80.5=12029.2KN （垂直向上） 力臂L3=6.4m弯矩M3= U3 L3=12029.26.4=76986.88 KN.m （顺时针）U4=100.5(129-25.3) 16.20.75=6299.775KN （垂直向上） 力臂L4=49.4m弯矩M4= U4 L4=6299.77549.4=311208.9 KN.m （顺时针）综上，=75993KN （垂直向下）=97053（顺时针）96053KN故满足稳定要求 =2200KPa=6582KPa故满足应力要求折坡面：自重:G1=GGk=23.51283.351.0=23504.7KN力臂L1=27 弯矩M1= 23504.727=634626.9 KN.mG2=GGk=1.053.968.223.5=43192.7KN （垂直向下）力臂L2=3.7m 弯矩M2= G2L2=43192.73.7=159813.2KN.m （逆时针） 水压力： P1=GGk=1.00.510(241160)2=32805 KN （指向下游） 力臂L1=27m 弯矩M1= P1L1=3280527=885735KN.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=75.46 m弯矩M1=P1 L1=198.275.46=14362KN.m （顺时针）P2=G roLl2/2=0.5102.551.2=149.1KN（指向上游）力臂L2=74.86m弯矩M2=P2 L2=149.174.86=10714.3KN.m （逆时针）扬压力:U1=0.75108111=6682.5 KN （垂直向上） 力臂L1=27.5m弯矩M1= U1 L1=214527.5=183768.75 KN.m （顺时针）U2=0.5100.258154.9= 5558.6KN （垂直向上） 力臂L2=3.7m弯矩M2= U2 L2=5558.63.7=20566.9 KN.m （顺时针）U3=0.510810.7511=334125 KN （垂直向上） 力臂L3=29.3m弯矩M3= U3 L3=3217.529.3=97898.6 KN.m （顺时针）综上，=53839 KN （垂直向下） =193209.42 KN.m （顺时针）=1813.4KN故满足稳定要求=190KPa =1980KPa=6400KPa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=6000m3/s，Q0=62.7m3/s取=0.9，则A=126130=16380 m2 ，堰顶高程=设计洪水位Ho +=23811.81+校核洪水位时，Qs=9700m3/s，Q0=62.7m3/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 +=24111.9+故取最小的堰顶高程：226.2m2.2.3.2. 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2.5m。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=1.06003.8723.5=141091KN（垂直向下） 水压力： 静水压力： P1=GGk=1.0100.5=83205KN （指向下游） P2=GGk=7488 KN （垂直向下） P3=GGk=1.00.59.8125.3=3200.45 KN （垂直向上） 动水压力： （指向上游） （垂直向下） 扬压力:U1=GGk=1.025.39.81105=31726.2 KN (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 ）=109.27m2、H2=98% （Z上Z下 ）=110.01m 3、（3.1） 假设Q=80m3/s，则：Z下=115.72m，H3=Z上Z下 =115.28mN=AQH=7.7万Kw（3.2） 假设Q=40m3/s，则：Z下=115.57m，H3=Z上Z下 =115.61mN=AQH=3.8万Kw（3.3） 假设Q=52m3/s，则：Z下=115.50m，H3=Z上Z下 =115.5mN=AQH=5.03万Kw由（3.1）、（3.2）、（3.3）得NQ关系曲线：由N=5万Kw查NQ关系曲线得：Q=51.6m3/s Z下=115.51mH3=98% (Z上Z下 )=113.20m综合1、2、3得：Hmax=113.203.1.2. 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 =74.53N=AQH=12.51万Kw（2） 假设Q=300m3/s，则：Z下=116.8m，H3=Z上Z下 =74.53N=AQH=18.68万Kw（3）假设Q=321m3/s，则：Z下=116.7m，N=AQH=18.97万Kw由1、2、3得NQ关系曲线如右图所示：由N=20万Kw查NQ关系曲线得：Q=321.4m3/s Z下=116.82mHmin=98% (Z上-Z下)=72.70m3.1.3. Hav 的确定Hav=(Hmax+Hmin)/2=92.95m3.1.4. Hr的确定Hr=Hav=92.95m3.2. 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=2.61m2. 转速 =242.8r/min 3. 效率及单位参数的修正 =93.4%90.7%=2.7% =1.0% =1.7%max=92.7%+1.7%=93.7%，=89.4%+1.7%=91.1%4、工作范围检验 Qmax=Q11max D12= 0.862.752=62.70m3/s5、吸出高度Hs=10(0.088+0.02)92.95 =0.167m3.2.2 HL180水轮机方案主要参数选择4. 1、转轮直径 D1=2.61m5. 转速 =230.7r/min 6. 效率及单位参数的修正 =93.4%90.7%=2.7% =1.0% =2.5%max=92%+1.5%=93.5%，=89.5%+1.5%=91%4、工作范围检验 Qmax=Q11max D12= 0.862.752=62.70m3/s5、吸出高度Hs=10(0.088+0.02)92.95 =0.167m3.2.3 HL200和HL180方案参数对照表3.2.4 水轮机安装高程Zs=+Hs+=115.50.167+0.275=115.6m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=9.0m 5.2.2. 隧洞进口段a=1.01.5 D=9.013.5m，b= D=3.04.5m5.2.3. 闸门断面尺寸bh=7.29.5m25.2.4. 进口底高程的计算v=Q/(bh)=4.0m/sScr=cv =0.554=6.6m隧洞进口底高程为1916.69=175.4m。5.2.5. 隧洞渐变段5.3. 压力管道设计 D= = =7.21m D= = =3.90mD= = =6.25mD= = =5.25m5.4. 调压室设计5.4.1. 根据近似准则判断是否要设调压室上游调压室： =6.67sT24可不设下调压室，所以之需设上调压室5.4.2. 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0.11m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 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 63.59m2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：5.4.3. 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）三个渐变段 隧洞转弯处=0.1310.1632()7/2()1/2=0.076 5.4.4. 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 5.4.5. 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）差动式调压室（1）阻抗孔面积S与增加负荷时的最低涌波计算： 式中： 升管断面面积，取与引水道相同 大室断面面积， 压力管道断面面积，代入数据： 带入算出阻抗孔面积： 式中： 水自大室流入升管（或压力水道）时的孔口阻抗损失相对值 水自大室流入升管（或压力水道）时的孔口流量系数，取代入数据： 阻抗直径： （2）丢弃全负荷时的最高涌波水位计算：设计情况： 水自升管（或压力水道）流入大室时的孔口阻抗损失相对值 水自升管（或压力水道）流入大室时的孔口流量系数，取假定： 最高涌波水位（净水位以上）与丢弃负荷前库水位（净水位以下）之间所需的大井容积：经升管顶溢入大室溢流量：升管顶部溢流厚度 ： 式中 ：M堰顶流量系数取1.8B溢流前沿长（半个周长）升管堰顶在静水位以上的高度：从升管顶溢入大井和孔口溢入大井的水量V 令：需要进行进一步试算表5-1 试算成果表zmaxwqyh1zbxbxmaxabv-9.00 3110.99 73.27 2.03 -6.97 -7.04 -9.09 0.11 0.13 4748.24 -10.00 3422.40 68.72 1.