乌溪江水电站厂房设计及岔管设计说明书.doc

摘要乌溪江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6000m3/s；校核洪水位241m（万年一遇），相应的下泄流量9700m3/s；正常挡水位231m.本设计确定坝址位于山前峦附近，非溢流坝坝顶高程243.4m。坝底高程112m。最大坝高131.4m。上游折坡坡度1：0.15，下游坝坡坡度1：0.79，溢流坝堰顶高程226.2m。引水遂洞进口位于坝址上游凹口处，遂洞全长1100m。洞径9.0m，调压室位于厂房上游280m左右处，高程180m的山峦上，型式为差动式。厂房位于下游荻青位置。设计水头92.9m，装机容量55=20万kw，主厂房净宽18.9m，总长57.4m。水轮机安装高程115.6m，发电机层高程125.6m，校核尾水位126.4m。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。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； AbstractThe Wuxijiang 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 238 m ,its corresponding flow amount is 6000 m3/s .The check level is 241 m ,its corresponding flow is 9700 m3/s .The regular water retaining level is 231m .The dam site is near the former saddle .The crest elevation of the non-over-fall dam is 243.4 m ,and the base elevation is 112m ,The max height of the dam is 131.4 m ,The upstream dam slope is 1:0.15 ,the downstream dam slop is 1:0.79 ,the spillway crest elevation is 226.2 m .The inducer of the seepage tunnel is located at the recess place ,The length of tunnel is 1100 m ,the diametric of which is 9.00 m .The surge-chamber is located at the mountain , which is 280 m 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 92.9 m , the equipped capacitor is 20.0104kw ,the clean width is 18.9 m , its whole length is 57.4 m . The fix level of the turbine is 155.6 m , and the height lf dynamo is 125.6 m , the level of the adjustment bay is 126.4 m (higher of the downstream water level 0.9 m ) . Near the workshop building , there are switch station and the main transformer and so on .目 录摘要IAbstractII目 录III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- 2 -1.3.工程地质- 2 -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- 5 -2.1.枢纽布置- 5 -2.1.1.枢纽布置形式- 5 -2.1.2.坝轴线位置比较选择- 5 -2.2.挡水及泄水建筑物- 5 -2.2.1.坝高确定- 5 -2.2.2.挡水建筑物砼重力坝- 6 -2.2.2.1.基本剖面- 6 -2.2.2.2.实用剖面- 7 -2.2.2.3.坝基面稳定及应力计算- 8 -2.2.3.泄水建筑物砼溢流坝- 13 -2.2.3.1.堰顶高程- 13 -2.2.3.2.溢流坝实用剖面设计- 14 -2.2.3.3.溢流坝稳定应力计算- 16 -2.3.坝内构造- 17 -2.3.1.坝顶结构- 17 -2.3.1.1.非溢流坝- 17 -2.3.1.2.溢流坝- 17 -2.3.2.坝体分缝- 18 -2.3.3.坝内廊道- 18 -2.3.4.坝基地基处理- 18 -2.4.溢流坝消能防冲措施- 18 -第三章 水轮机选型- 20 -3.1.水头Hmax、Hmin、Hr确定- 20 -3.1.1.Hmax 的可能出现情况（水头损失按2%计）- 20 -3.1.2.Hmin 的可能出现情况（水头损失按2%计）- 21 -3.1.3.Hav 的确定- 21 -3.1.4.Hr的确定- 21 -3.2.水轮机选型比较- 21 -3.2.1.HL200水轮机方案的主要参数选择- 21 -3.2.2.HL180水轮机方案主要参数选择- 23 -3.2.3.HL200和HL180方案参数对照表- 25 -3.2.4.水轮机安较高程- 26 -第四章 水电站厂房- 27 -4.1.厂房内部结构- 27 -4.1.1.水轮机发电机外形尺寸估算- 27 -4.1.2.发电机重量估算- 29 -4.1.3.水轮机蜗壳及尾水管- 29 -4.1.4.调速系统，调速设备选择- 30 -4.1.5.起重机设备选择- 32 -4.2.主厂房尺寸- 34 -4.2.1.长度- 34 -4.2.2.厂房各层高程的确定- 35 -4.3.厂区布置- 35 -第五章 水电站引水建筑物- 37 -5.1.引水隧洞整体布置- 37 -5.1.1.隧洞洞径- 37 -5.1.2.隧洞进口段- 37 -5.2.细部构造- 37 -5.2.1.隧洞洞径- 37 -5.2.2.隧洞进口段- 38 -5.2.3.隧洞细部构造- 38 -5.2.4.闸门断面尺寸- 39 -5.2.5.进口底高程的计算- 39 -5.2.6.隧洞渐变段- 39 -5.3.压力管道设计- 39 -5.4.调压室设计- 40 -5.4.1.根据近似准则判断是否要设调压室- 40 -5.4.2.计算调压室托马断面- 41 -5.4.3.调压室选型的方案比较- 42 -5.4.3.1.简单式方案- 42 -5.4.3.1.差动式方案- 43 -第六章 岔管专题设计- 45 -6.1.岔管的布置原则- 45 -6.2.岔管形式的选择- 45 -6.3.设计工况分析、荷载和允许应力要求- 45 -6.4.结构设计- 46 -6.4.1.管壁厚度的计算- 46 -6.4.2.岔管体形设计- 47 -6.4.2.1.腰线转折角- 47 -6.4.2.2.公切球半径- 48 -6.4.2.3.本体三锥沿腰线的节距- 48 -6.4.3.肋板计算- 49 -6.4.3.1.三锥两两交线与三锥- 49 -6.4.3.2.肋板顶点的位置c的计算- 50 -6.4.3.3.肋板与主岔、支岔- 51 -6.4.3.4.主岔、支岔两锥对肋板中央截面的作用力- 52 -6.4.3.5.肋板宽度（）和厚度（）- 54 -参考文献- 56 -VII水利水电工程专业毕业设计第一章 设计基本资料1.1. 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。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图1-1 坝址断面处山前峦水位流量关系曲线表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；7、8、9月份会受台风过境影响，时有台风暴雨影响。1.3. 工程地质本工程曾就获青、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。坝址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，其走向与地形地线一致，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，故坝基和坝肩渗透极微，帷幕灌奖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，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：241.00m，校核最大洪水下泄流量9700m3/s，相应的水库库容2095.97108m3b .设计洪水位：238.00m，设计洪水最大下泄流量6000m3/sc .设计蓄水位：231.00md .设计低水位：191.00me .装机容量：45.0Mw，即20 万kw- 3 -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. 坝轴线位置比较选择根据已知资料，山前峦坝址地形图，选择两条坝轴线。a线沿东西向与河道垂直，纵坐标76380，b线也沿东西向，纵坐标76370。a线总长428m，穿过左岸部分裂隙；b线总长425m，避开左岸裂隙。由于坝轴线较短，穿过裂隙不多可作地基处理故选择a 线方案。2.2. 挡水及泄水建筑物2.2.1. 坝高确定根据水电站装机20万kw，水库总库容2095.97108m3，取工程规模为大（1）型，主要建筑物级别：1级，次要建筑物：2级，临时建筑物：4级。坝顶超出静水位高度hh = 2h1+ho+hc2hl波浪涌高ho波浪中线高出静水位高度hc安全超高a. 2hl=0.166vf5/4D1/3 vf 风速D 吹程b. ho=cthc. hc-查水工建筑物（上）河海大学出版社 P53表2-8基本组合：hc=0.7m，特殊组合hc=0.5m 设计洪水位+h=241.81m坝顶高程=max校核洪水位+h=243.35m则坝顶高程为243.4m。查坝轴线工程地质剖面图，得出可利用基岩最低点高程112.0m，由此知大坝实际高度为243.4-112.0=131.4m。2.2.2. 挡水建筑物砼重力坝2.2.2.1. 基本剖面由于电站形式为引水式，在右岸设有压进水口，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 B/H= （应力条件） B= （稳定条件）B坝底宽度H实际坝高（基本剖面H=243.4-112=131.4m）坝体材料容重（23.5）水的容重(10)扬压力折减系数k基本组合安全系数图2-1 非溢流坝基本剖面示意图取=0 计算得 B=103.8m上游折坡系数 n=0 m=0.75 根据工程经验，一般上游坡n=00.2,下游坡m=0.60.85,坝底宽约为坝高的0.70.9，故取n=0.15，m=0.79， B/H满足要求2.2.2.2. 实用剖面坝顶宽度=8%10%H=12m。考虑坝体的稳定在上游侧距坝底60m高处设一折坡，坡度为1：0.15。灌浆廊道距坝底5m，距上游坝面12.45m，廊道宽2.5m，高3.25m。2.2.2.3. 坝基面稳定及应力计算（1） 稳定及应力计算设计洪水位情况下表2-3设计状况下坝基面稳定应力计算荷载名称垂直力(KN)水平力(KN)力臂(m)弯矩(KNm)自重 G14060.80 50.70 205882.56 G237040.70 42.30 1566821.61 G3125339.13 5.70 714433.04 水压力P179380.00 42.00 3333960.00 P22350.10 7.20 16920.70 P37344.00 48.30 354715.20 P41856.89 49.79 92454.50 浪压力P1198.20 120.46 23875.20 P2149.10 119.86 17871.10 扬压力U124064.80 0.00 U24746.60 46.40 220242.24 U311970.70 6.40 76612.50 U47119.80 49.40 17871.10 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，=80557.8KN=127891.5KN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。经计算，=1824.9KPa=6851.8KPa=1721.5 KPa=6851.8KPa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：（160m高程处）荷载名称垂直力(KN)水平力(KN)力臂(m)弯矩(KNm)重力G123504.70 27.00 634627.00 G243192.70 3.70 159813.00 水压力P130420.00 26.00 790920.00 P20.00 P30.00 P40.00 浪压力P1198.20 72.46 14362.00 P2149.10 71.86 10714.30 扬压力U12145.00 27.50 58988.00 U25352.80 3.70 19805.00 U33217.50 29.30 94273.00 抗滑稳定计算：经计算，=1914.4KN=19277.8KN故满足抗滑稳定要求。应力计算（计入扬压力）：求的=1950KPa，=1650KPa经计算，=1900KPa=6582KPa=1701 KPa=6582KPa故应力满足要求。（2） 校核洪水位坝基面：表2-3校核状况下坝基面稳定应力计算荷载名称垂直力(KN)水平力(KN)力臂(m)弯矩(KNm)自重 G14060.850.7205882.56G237040.742.31566821.61G3125339.135.7714433.04水压力P183205433577815P23200.458.426993.8P3756050.5381780P4126548.861732浪压力P1198.2123.4623875.2P2149.1121.8617871.1扬压力U124064.80U24199.8546.4194873.04U312029.26.476986.88U46299.77549.4311208.9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=740KPa，=2195KPa,经计算， =758KPa=6582KPa =2200KPa=6582KPa故应力满足要求。上游折坡面（160m高程处）：表2-4校核状况上游折坡面稳定应力计算荷载名称垂直力(KN)水平力(KN)力臂(m)弯矩(KNm)自 重G123504.727634627G243192.73.7159813水 压 力P132805 27885735P20P30P40浪压力P1198.272.4614362P2149.171.8610714.3扬 压 力U16682.527.5183768.75U25558.63.720566.9U333412529.397898.6抗滑稳定计算：经计算，=1813.4KN=182177.8KN故满足抗滑稳定要求。应力计算（计入扬压力）：=184KPa，=1970KPa,经计算，=190KPa=6400KPa=1980KPa=6400KPa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，故取设计况下的单宽流量q=90m3/s,则溢流坝前缘总净宽 L=5943.57/90=66m，设计状况下洪水下泄量来自溢流坝和电站厂房部分。溢流堰取5孔13m，边墩取2m，闸墩取4m。计算堰上水头 （设计状况下）ho=（）2/3m流量系数 设计水头下取0.52侧收缩系数 =0.90.95g重力加速度试算得 ho=10.58m校核状况下Q=LmH2/3Ho=11.81m , =0.941 m=0.51求得Q=6317.5m3/s9000m3/s故堰顶高程需按校核状况设计经度算得 H=11.79m时 m=0.51 0.928 Q总=9637.3+200=9837.3m3/s 满足要求则堰顶高程 H=226.2m , 正常挡水位231m取闸门高度6m 231 226.2+安全超高0.5=5.3m2.2.3.2. 溢流坝实用剖面设计设计堰上水头Hd=12.5ma . 溢流面曲线采用WES曲线 Xn=KHdn-1y Hd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, n=1.85） Y=x1.85/(1.97120.85)堰顶点上游采用三段圆弧组成 =0.5Hd=6.25m =0.175Hd=2.19 =0.2Hd=2.5m =0.276Hd=3.45 =0.04Hd=0.5m =0.282Hd=3.53图2-4 溢流坝面曲线示意图反孤段设计：查水力学（下） P53 取=0.9， q=118.14m3/s(校核状况下泄流量)To- 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）4流速系数查表取0.9下游尾水位137.3m，故取挑坎高程137.3+12m=140mTo=241-112-25.19=103.81m试算得上hco=2.50m则及孤段半径R（610）hco=21m 鼻坎挑角30度2.2.3.3. 溢流坝稳定应力计算校核洪水位情况：表25荷载计算荷载名称垂直力(KN)水平力(KN)自 重G14060.8G2141091水 压 力P183205P27488P33200.5P40浪压力P176.44P20扬 压 力U131726.2U27182.4U310656.1动水压力Px1149.46Py5913.46稳定计算：=85514KN=108287.8KN满足要求。设计洪水位情况表26荷载计算荷载名称垂直力(KN)水平力(KN)自 重G14060.8G2141091水 压 力P179380P27344P32350.1P40浪压力P176.44P20扬 压 力U127211.8U28629.6U310956.4动水压力Px688.78Py3543.47稳定计算：=79800.35KN166.7r/minDa=Di+=599.85cm 公式4-4平面尺寸：ne=250r/min轴向尺寸计算：5）定子机座外径D1 D1=1.20Da=719.82cm 公式4-56）风罩内径D2St20000KVA D2=D1+2.4m=959.0m 公式4-67）转子外径D3 D3=Di=530.45cm 公式4-78）下机架最大跨度D4=D5+0.6=440cm 公式4-89)推力轴承外径D6和励磁机外径D7St=61176.5KVA 查表得 D6=600cm D7=400cm轴向尺寸计算:1)定子机座高度h1ne214r/min 公式4-92)上机架高度判别型式 公式4-10采用悬式发电机上机架高度 h2=0.25Di=0.25530.45=132.61cm 公式4-113)推力轴承高度 h3、 励磁机高度h4、副励磁机高度h5、永磁机高度h6：h3