坝后式水电站设计及发电机机座结构稳定计算说明书毕业论文.doc

摘摘 要要 J 电站在瓯江上游干流梯级开发的第一级水电站 工程以发电为主 兼 顾航运 放木及防洪等综合利用要求 瓯江流域处浙东南沿海山区 属于年 调节水库 本次设计的水库死水位为 263 5m 正常蓄水位为 283m 根据历史洪水 资料设计洪水 P 0 1 水库的设计洪水位 289 5m 校核洪水位 P 0 01 为 291 8m 根据地形地质的特点选择坝型为重力坝 坝长 270 5m 其中溢流坝段长 142 5m 其中有 8 孔溢洪道 净宽 102 5m 水电站进水口中心线高程 251 04m 水电站装机容量为 18 万 kW 四台机组单机 4 5 万 kW 水轮机型号为 HL220 LJ 300 为坝后厂房顶溢流式厂房 开关站布置在右岸 主厂房总宽 定为 19m 总长 68m 水轮机安装高程为 202 19m 起重机选用电动双钩桥式 起重机 最大起重量选 2 100 吨 跨度选用 16m 装配场长度取 20 8m 进 场公路布置在左岸 副厂房是为保证水电站正常运行需要 设置在主厂房与 坝的间隙 主要布置各种机电辅助设备 房间 生产间和必要生活设施房间 Abstract J plant is the first step hydropower station in upper reaches of the Oujiang River The main purpose of the project is to generate electricity but also considered the woods of the shipping and protect floods Oujiang River basin located in the southeast area which is near the say in Zheijang Province and the plant is a year adjust reservoir This design determined the dead water level is 263 5m the normal water level is 283m According to the historical flood date P 0 1 the designed flood level is 289 5m the proofread level is 291 8m P 0 01 坝后式水电站设计及发电机机座结构稳定计算 2 According to the characteristics of geology and topography gravity dam was chosen The total length of the dam is 270 5m and the over flow dam is 142 5m and eighi holes over flow causes is set and the last the net width is 100m The elevation of the water intake of the plant is 254 2m The total electric capacity is 180 000kW and four generates whose capacity is 45 000kW was installed The type of the turbine is HL 220 LJ 300 The units are installed in the main power house The width of the main power house is 19m the length is 68m All kinds of auxiliary equipment and other kinds of rooms assemble in deputy house 目录目录 摘摘 要要 1 Abstract 1 1 水文地址情况与枢纽布置水文地址情况与枢纽布置 8 1 1 流域概况流域概况 8 1 2 水文与气候水文与气候 8 1 3 地形与地质地形与地质 11 1 3 1 水库区工程地质 11 1 3 2 坝址地质 11 1 4 天然建筑材料天然建筑材料 12 1 4 1 土料 12 1 4 2 砂石料 12 1 51 5 给定设计控制数据给定设计控制数据 12 1 5 1 设计资料 12 1 5 2 设计任务 13 1 6 枢纽布置枢纽布置 13 2 重力坝挡水坝段设计重力坝挡水坝段设计 15 2 1 剖面设计剖面设计 15 2 1 1 坝顶高程的确定 15 2 1 2 坝底宽的确定 16 2 1 3 实用剖面 18 2 2 荷载计算 取单宽荷载计算 取单宽 1 米 米 19 坝后式水电站设计及发电机机座结构稳定计算 4 2 2 1 设计洪水位下荷载 20 2 2 2 校核洪水位下荷载 21 2 3 稳定分析稳定分析 22 2 3 1 设计洪水位下稳定计算 22 2 3 2 校核洪水位下稳定计算 22 2 4 应力校核应力校核 23 2 4 1 原理 23 2 4 2 设计洪水位下 24 2 4 3 校核洪水位下 24 2 5 坝内构造坝内构造 25 2 5 1 坝内廊道 25 2 5 2 坝基处理 25 2 5 3 坝体分缝 26 3 重力坝溢流坝段设计重力坝溢流坝段设计 27 3 1 剖面设计剖面设计 27 3 1 1 堰顶高程的确定 27 3 1 2 堰面曲线 30 3 1 3 下游反弧段 31 3 2 荷载计算荷载计算 33 3 2 1 设计洪水位下 33 3 2 2 校核洪水位下 33 3 3 稳定分析稳定分析 34 3 3 1 设计洪水位下 34 3 3 2 校核洪水位下 35 3 4 应力校核应力校核 35 3 4 2 设计洪水位下 35 3 4 3 校核洪水位下 36 3 5 溢流坝消能抗冲刷措施溢流坝消能抗冲刷措施 36 3 5 1 挑距 36 3 5 2 冲坑 37 3 5 3 导墙高度 37 4 水电站引水建筑物水电站引水建筑物 38 4 1 进水口高程进水口高程 38 4 2 压力钢管的布置压力钢管的布置 38 4 3 压力钢管的厚度压力钢管的厚度 39 4 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 40 4 5 通气孔通气孔 41 5 水电站建筑物设计水电站建筑物设计 42 5 1 特征水头的选择特征水头的选择 42 5 1 1 校核洪水位下 42 5 1 2 设计洪水位下 42 5 1 3 正常蓄水位 一台机组满发 42 5 1 4 正常蓄水位 四台机组满发 42 5 1 5 设计低水位 一台机组满发 43 5 1 6 设计低水位 四台机组满发 43 5 2 水电站水轮机组的选型水电站水轮机组的选型 44 5 2 1 转轮直径 D1 44 5 2 2 转速 n 最优工况 44 5 2 3 效率修正 45 5 2 4 工作范围检验 45 5 2 5 吸出高度 Hs 46 5 3 水轮发电机的选择与尺寸估算水轮发电机的选择与尺寸估算 47 5 3 1 主要尺寸估算 47 坝后式水电站设计及发电机机座结构稳定计算 6 5 3 2 平面尺寸估算 48 5 3 3 轴向尺寸 48 5 4 蜗壳和尾水管的计算蜗壳和尾水管的计算 49 5 4 1 金属蜗壳尺寸 49 5 4 2 尾水管尺寸 50 5 5 调速器与油压装置的选择调速器与油压装置的选择 51 5 5 1 调速器 51 5 5 2 油压装置 52 5 6 厂房桥吊设备的选择厂房桥吊设备的选择 53 5 7 厂房形式与布置厂房形式与布置 54 5 8 主厂房的特征高程主厂房的特征高程 55 5 8 1 水轮机安装高程 55 5 8 2 尾水管底板高程 55 5 8 3 水轮机层地面高程 55 5 8 4 定子安装高程 55 5 8 5 发电机层地面高程 定子埋入式 56 5 8 5 装配场地面高程 56 装配场与发电机层同高 212 50m 56 5 8 6 吊车轨顶的高程 56 5 8 7 厂房顶部高程 56 5 9 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 56 5 9 1 主厂房宽度的确定 56 5 9 2 主厂房长度的确定 57 5 10 主厂房各层的布置主厂房各层的布置 59 5 10 1 发电机层 59 5 10 2 水轮机层 59 5 10 3 蜗壳层 60 5 11 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 60 6 专题专题 发电机机座及结构稳定计算发电机机座及结构稳定计算 62 6 1 设计假定设计假定 62 6 1 1 动力计算中的假定 62 6 1 2 静力计算中的假定 62 6 2 荷载及组合荷载及组合 63 6 2 1 荷载 63 6 2 2 组合 64 6 3 机墩动力计算机墩动力计算 64 6 3 1 机墩强迫振动频率 64 6 3 2 机墩自振频率 65 6 3 3 共振检验与动力系数确定 66 6 3 4 振幅检验 66 6 4 机墩静力计算机墩静力计算 68 6 4 1 垂直正应力 68 6 4 2 剪应力 68 6 4 3 主拉应力 69 6 4 4 应力校核 69 主要参考文献主要参考文献 71 坝后式水电站设计及发电机机座结构稳定计算 8 1 水文地址情况与枢纽布置水文地址情况与枢纽布置 1 1 流域概况 紧水滩水电站在瓯江支流龙泉溪上 坝址以上流域面积 2761 平方公里 龙泉溪发源于浙闽交界仙霞岭 洞官山 河流长度 153 公里 直线长度 77 公 里 平均宽度 36 公里 除龙泉县城附近及赤石仁三处有小片盆地外 其余地 段多为峡谷 河床覆盖多以大块石和卵石组成 险滩较多 本流域东侧与瓯江支流小溪相邻 西侧与钱塘江支流乌溪江相邻 南侧为 闽江支流松溪 北侧为瓯江支流松阴溪 河流四周均为岭南山系洞官山脉包围 山脉走向与河流流向一致 最高峰黄茅尖高达 1921 米 流域平均高度 662 米 河道坡降上游陡 下游缓 平均坡降为 6 32 0 97 因河道陡 河槽调蓄 能力低 汇流快 由暴雨产生的洪水迅涨猛落 历时短 传播快 所以一次洪 水过程尖瘦 属典型的山区性河流 龙泉溪是浙江省木材主要产地 境内森林茂盛 植被良好 水土流失不严 重 本工程为瓯江干支流规划的五个梯级开发中的一级 以发电为主 兼顾航 运 放木 竹 以及防洪等综合效益 电站建成后主要担任华东电网调峰并供 电丽水 温州 将使丽 温两地区通过 220 千伏输电线路联系 形成浙南电力 系统 为解决建坝后龙泉溪木材 竹 的流放和航运的发展 大坝左岸专门设 置有货筏过坝建筑物 水库有 1 53 亿立方米的防洪库容 用以减轻下游丽水 碧湖地区防洪的负担 1 2 水文与气候 本地区地处浙东南沿海山区 属温带季风气候 气候温和 坝址区历年平 均气温 17 3 月平均气温以 1971 年 7 月份 30 7 最高 1962 年 1 月份 13 最低 实测最高气温为 40 7 1966 年 8 月 最低气温 8 1 1969 年 2 月 流域内气候湿润 历年平均相对湿度 79 其中以 6 月份的 87 为最大 1 月份的 84 为最小 实测最小相对湿度仅 8 本流域距东海仅 120 180 公里 水汽供应充沛 坝址以上流域年平均雨 量为 1833 8 毫米 但在年内分配很不均匀 3 9 月占年雨量为 80 5 其中 5 6 两月为雷雨季节 降雨量占年雨量的三分之一 往往形成连绵起伏的洪水 本流域暴雨常出现在此期间 实测最大 24 小时雨量为 236 8 毫米 7 9 月间 台风侵袭 也有暴雨出现 最大 24 小时雨量曾达 145 4 毫米 流域多年平均降水日数为 172 天 最多达 201 天 最少 145 天 本流域 4 至 8 月为东南风 1 至 3 月 9 至 12 月一般为东北风及西北风 历年平均风速 1 15 米 秒 出现在 1970 年 4 月 风向西北偏西 坝址区可能 发生最大风力为 11 级 相当于风速 32 米 秒 紧水滩坝址与石富站流域面积仅差 41 平方公里 占控制流域面积的 15 故坝 址处流量资料均不加改正 直接采用石富站资料 泥沙对紧水滩水库使用不会 有严重的影响 表 1 1 厂区水位流量关系 水位 m 202203204205206207208209210 流量 m3 s 8024054088012801740230029003620 水位 m 211212213214215216217218219 流量 m3 s 438052006060700079408980100801120012340 图 1 1 厂区水位流量关系曲线 坝后式水电站设计及发电机机座结构稳定计算 10 表 1 2 水库面积 容积 高程 m 205215220225230235240 面积 km2 01 32 33 95 77 79 7 容积 108m3 00 050 20 350 60 9251 375 高程 m 245250255260265270275 面积 km2 11 613 615 918 321 324 527 7 容积 108m3 1 92 53 24 055 056 257 575 高程 m 80285290295300 面积 km2 31 235 240 348 158 4 容积 108m3 9 1010 7512 715 0517 7 图 1 2 水库容积曲线 1 3 地形与地质 1 3 1 水库区工程地质 水库周边地势高峻 无低矮分水岭 岩石坚硬较完整 虽有部分断层延伸 库外 但断层胶结好 山体雄厚 且地下水位分布较高 故无永久渗漏之虑 由于库岸有第四系松散地层分布 岩石节理发育 水库暂时渗漏损失甚小 对 水库蓄水无影响 库区岩石以山岩为主 物理地质现象以小型塌滑体居多 蓄水后小型的边 坡再造虽有可能但不致产生大规模的边坡不稳定 本地区地震烈度为 6 度 可 不考虑抗震设计 不计地震荷载 1 3 2 坝址地质 坝区位于 90 平方公里的 牛头山 花岗斑岩岩技的南缘 其中有后期的细 粒花岗岩和小型的石英岩脉 细晶岩脉 辉缘岩脉侵入穿摘其间与围岩接触良 好 混凝土 新鲜花岗斑岩抗剪摩擦系数 0 7 凝聚力 5 千克 平方厘米 抗剪 断摩擦系数 1 0 混凝土 混凝土抗剪断摩擦系数 1 25 凝聚力 1 45 103Kpa 根据坝址区资料分析 紧水滩坝址两岸地形对称 岩性均一 较新鲜完整 风化浅 构造不甚发育 水文地质条件较简单 故属工程地质条件较好的坝址 0 50 100 150 200 250 300 350 05101520 高程H 容积V 坝后式水电站设计及发电机机座结构稳定计算 12 1 4 天然建筑材料 1 4 1 土料 下村料场 位于平缓的山坡上 高程 300 以下 主要为壤土 料场距坝址 0 5 千米 有效储量 426700 立方米 油坑料场 位于 500 550 米高程的低平山丘上 为粘土及壤土组成 料场距 坝址 1 5 千米 有效储量 747600 立方米 1 4 2 砂石料 局村至小顺区六个料场 左右岸各三个 最远距坝址 16 5 公里 局村至坝址区十个料场 左岸 4 个 右岸 6 个 最远距坝址 9 公里 坝址至赤石区七个料场 最远距坝址 12 2 公里 共计 23 个料场 有效储量水 下 557000 立方米 水上 3094600 立方米 合计 3651600 立方米 1 5 给定设计控制数据 1 5 1 设计资料 设计原始资料 1 份 附图 3 张 水能规划 1 校核洪水位 291 80 m 校核洪水最大下泄流量 15400 m3 s 2 设计洪水位 289 5m 设计洪水最大下泄流量 12250 m3 s 3 设计蓄水位 283 0m 4 设计低水位 263 5m 5 装机容量 18 万 kW 3 台 6 机组机型 自 选 7 其 它 挡水建筑物及泄水建筑物 1 挡水建筑物 混凝土重力坝 2 泄水建筑物 混凝土溢流坝 3 其它 引水建筑物 压力钢管 水电站建筑物 坝后式地面厂房 其它 1 5 2 设计任务 1 水能利用 无 2 枢纽布置 挡水及泄水建筑物 根据所给资料确定挡水及泄水建筑物的断面型式 并进行必要的稳定计算 确定溢流坝后消能工型式及尺寸 绘出挡水 泄水建筑物及消能工的剖面图 进行水利枢纽布置并绘出平面布置图 3 水电站引水建筑物 确定压力钢管的布置方式 以及钢管的材料 进行管身应力分析及结构设 计 4 水电站厂房 根据所选机型和水位 流量关系 确定厂房的轮廓尺寸 并对水电站厂房 进行稳定计算 绘出水电站厂房各层的平面布置图和厂房的纵剖面图 上 下 游立视图 进行厂区布置 绘出厂区布置图 5 其它 发电机机座结构稳定计算 1 6 枢纽布置 枢纽由非溢流坝段 溢流坝段 坝后式溢流厂房 开关站 进厂公路及上 坝公路等组成 坝轴线垂直水流方向 坝顶高程 292 35 米 坝基面高程 200 米 坝高 92 35m 坝长 270 5m 溢流坝段 5 13 布置在河谷中间 总宽 142 5 米 溢流前沿总宽 坝后式水电站设计及发电机机座结构稳定计算 14 102 5m 分八孔 有机组段闸墩宽 7m 孔口宽 7 5m 无机组段闸墩宽 3m 孔口 宽 16m 采用鼻坎挑流消能 反弧半径 30m 非溢流坝段 1 4 14 17 布置在河谷两岸 采用溢流式厂房 厂房位于溢流坝坝趾处 厂房顶兼作溢洪道 电站厂房 中间机组段长 14 5 米 总长 68 米 装配场长度 20 8m 将装配场放在厂房左 边 发电机层与装配场层同高 均为 212 50m 主厂房与坝设纵缝分开 厂房上部与坝体之间的空间较大 将副厂房布置 于此 关于进厂公路 设计时考虑了两种方案 由于设计及校核情况下下游尾水 位很高 设计情况下下游尾水位为 218 92m 校核情况下下游尾水位为 221 68m 而装配场的高程为 212 50m 采用公路进厂在丰水期公路有被淹的危 险 但若采用隧洞进厂 则开挖量很大 费用也很高 而且尾水平台的启闭机 也不易安装及检修 施工时运输也比较麻烦 故应考虑与装配场层同高的进厂 公路 在洪水期电站工作人员从坝顶进厂 如新安江就是采取这种方式 引水道采用压力钢管 压力钢管布置在坝体内 进水口布置在溢流坝闸墩 内 压力钢管与蜗壳之间用伸缩节相连 变压器布置在溢流坝顶 母线通过出线洞到坝顶 采用扩大单元接线 两 台机组设一台主变 高压开关站设置在右岸 采用露天式 大小为 30m 乘 45m 2 重力坝挡水坝段设计重力坝挡水坝段设计 2 1 剖面设计 重力坝剖面设计的任务在于选择一个既满足稳定回去强度要求 又使体积 最小和施工简单 运行方便的剖面 先确定基本剖面 再在基本剖面的基础上 确定实用剖面 重力坝的基本剖面 一般指在主要载荷作用下满足坝基面稳定和应力控制 条件的最小三角剖面 因此 基本剖面分析的任务是在满足强度和稳定的要求 下 根据给定的坝高求得一个最小的坝底宽度 也就是确定三角形的上下HB 游坡度 为分析方便计 沿坝轴线方向取单位长度的坝体进行研究 其上下游 面的水平投影长度分别为和 假定上游库满水位平三角形顶点水深 B B 1 为 下游无水 坝的载荷只考虑上游水平压力 水重和坝体自重以及HP Q G 扬压力 在此情况下 讨论及应如何取值才能满足安全和经济的要求 U B 2 1 1 坝顶高程的确定 坝后式水电站设计及发电机机座结构稳定计算 16 根据水电站装机 18 万 kw 水库总库容 13 7 108m3 取工程规模为大 1 型 2 1 1 1 坝顶超出静水位高度 h h 2hl ho h 2 1 式中 2hl 波浪涌高 ho 波浪中线高出静水位高度 hc 安全超高 1 2hl 0 166vf5 4D1 3 式 中 V f 为计算风速 设计情况宜采用洪水期多年平均最大风 速的 1 5 2 倍 校核情况宜采用洪水期多年平均最大 风速 此处设计洪水位下取 2m s 校核洪水位下取 1 15m s D 库面吹程 km 指坝前沿水面至对岸的最大直线距离 可根据水库形状确定 但若库形特别狭长 应以 5 倍平 均库面宽为准 此处取 1 4km 求得设计洪水位下 2h1 0 09m 校核洪水位下 2h1 0 04m 2 ho cth Ll hl 2 4 2 Ll Hl 求得设计洪水位下为 0 07m 校核洪水位下为 0 0024m 3 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 故设计洪水位下 hc 0 7m 校核洪水位下 hc 0 5m 2 1 1 2 坝顶高程 设计洪水位 h设 290 297m 坝顶高程 max 校核洪水位 h校 292 35m 取坝顶高程为 292 35m 2 1 2 坝底宽的确定 基本剖面是以校核洪水位为高程 再以应力条件和稳定条件求得最小坝底宽 来确定的 2 1 2 1 应力条件 m H B c 72 63 25 0 35 2 35 92 0 式中 B 坝底宽度 m H 基本剖面坝高 m 基本剖面 H 238 0 110 0 128m 坝体材料容重 c 3 mKN 水的容重 0 3 mKN 扬压力折减系数 按规范坝基面取 0 25 1 摩擦系数 由资料可得本设计采用 0 72 f 2 1 2 2 稳定条件 m f kH B c 83 65 2 039 2 7 0 8 911 1 1 0 式中 B 坝底宽度 m H 基本剖面坝高 m 基本剖面 H 238 0 110 0 128m 坝体材料容重 c 3 mKN 水的容重 0 3 mKN 扬压力折减系数 按规范坝基面取 0 25 1 坝后式水电站设计及发电机机座结构稳定计算 18 摩擦系数 由资料可得本设计采用 0 72 f K 基本组合安全系数 取 B 65 85m 此时 m 0 75 图 2 1 非溢流坝基本剖面 2 1 3 实用剖面 2 1 3 1 坝顶宽度 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 8 10 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 10m 2 1 3 2 剖面形态 上游折坡的起坡点位置应结合应力控制条件和引水 泄水建筑物的进口高 程来选定 一般在坝高的 1 3 2 3 的范围内 为尽量利用水重 在满足应力 要求前提下 上游坡应尽可能缓 同时考虑电站进水口闸门拦污栅和操作便利 为尽量利用水重 在满足应力要求的前提下 折坡点高程定在 235 00m 处 坝顶高程 292 35m 坝底高程 200 00m 折坡点高程 235 00m 上游坝坡坡度 1 0 15 下游坝坡坡度 1 0 75 坝顶宽 10 00m 坝底宽 74 10m 上游侧 5 25m 下游侧 68 850m 图 2 2 非溢流坝的实用剖面 2 2 荷载计算 取单宽 1 米 荷载计算时仅考虑自重 静水压力及扬压力 浪压力较小 略去不计 在验算稳定时需用荷载的设计值 用极限状态法验算应力时 需用荷载的标 准值 以下是各荷载的作用分项系数 表 2 1 作用分项系数 序 号 作用类型 分 项 系 数 坝后式水电站设计及发电机机座结构稳定计算 20 1 自重 1 0 2 水压力 1 静水压力 2 动水压力 时均压力 离心力 冲 击力 脉动压力 1 0 1 05 1 1 1 1 1 3 3 扬压力 1 渗透压力 2 浮托力 3 扬压力 有抽排 4 残余扬压力 有抽排 1 2 实体重力坝 1 1 宽缝 空腹重力坝 1 0 1 1 主排水孔之前 1 2 主排水孔之后 4 淤沙压力 1 2 5 浪压力 1 2 注 其它作用分项系数见 DL5077 表 2 2 结构系数 序 号 项 目 组合 类型 结构 系数 备 注 1 抗滑稳定极限状 态设计式 基本组合 偶然组合 1 2 1 2 包括建基面 层面 深层滑 动面 2 混凝土抗压极限 状态设计式 基本组合 偶然组合 1 8 1 8 2 2 1 设计洪水位下荷载 设计洪水位下荷载见下表 具体计算见说明书 表 2 3 设计洪水位下荷载 名称荷载 KN 方 向 力臂弯矩 kN m 方 向 2159 06 33 5 5 72436 46 21702 25 26 8581620 3 自重 54261 02 2 18118289 39290 28 29 8 3 1172160 0 2 上 游 3708 18 34 6 4 128442 73 1755 82 6 3111073 37 静 水 压 力 下 游 1316 87 27 5 9 36332 44 13753 34 00 1081 55 33 9 25 36691 58 5870 67 8 1848041 65 扬压力 1622 94 34 9 7 56754 21 2 2 2 校核洪水位下荷载 表 2 4 校核洪水位下荷载 名称荷载 KN 方 向 力臂弯矩 kN m 方 向 2159 06 33 5 5 72436 46 21702 25 26 8581620 3 自重 54261 02 2 18118289 静 水 压 力 上 游 41335 6 28 6 3 1183438 2 282 坝后式水电站设计及发电机机座结构稳定计算 22 3826 64 34 6 4 132554 80 96 2305 46 7 22 6 16659 254 下 游 1729 1 26 4 3 45700 113 15759 65 00 1289 77 33 9 25 43755 447 7000 87 8 1857267 111 6 扬压力 1934 65 34 9 7 67654 71 2 3 稳定分析 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 2 3 1 设计洪水位下稳定计算 2 3 1 1 抗剪断公式 0 313 4 14 39030 741002 1852 591032 1 p AcUWf K 2 3 1 2 抗剪稳定公式 1 118 1 46 37534 528 2404338 83147 7 0 p UWf K 2 3 2 校核洪水位下稳定计算 2 3 1 1 抗剪断公式 0 313 4 14 39030 741002 1852 591032 1 p AcUWf K 2 3 1 2 抗剪稳定公式 1 112 1 46 37534 75 2351107 83678 7 0 p UWf K 2 4 应力校核 2 4 1 原理 验算坝址抗压强度时 应按承载能力极限状态分别计算基本组合和偶然组 合两种情况 计算时按公式要求采用材料的标准值和作用的标准值或代表值 1 作用效应函数 2 2 1m J TM A W S R RR R R 2 抗压强度极限状态抗力函数 c fR 或 R fR 式中 R W 坝基面上全部法向作用之和 kN 向下为正 R M 全部作用对坝基面形心的力矩之和 逆时针方向 mKN 为正 R A 坝基面的面积 2 m R J 坝基面对形心轴的惯性矩 4 m R T 坝基面形心轴到下游面的距离 m 2 m 坝体下游坡度 c f 混凝土抗压强度 kPa fc 基岩抗压强度 kPa 坝后式水电站设计及发电机机座结构稳定计算 24 规范要求运行期按正常实用极限状态验算坝体上游面拉应力 应满足分项 系数极限状态表达式 并按作用的标准值分别计算作用的长期组合和短期组合 要求坝踵垂直应力不出现拉应力 计算公式为 0 c c c c c J TM A W 式中 c M 计算截面上全部作用对截面形心的力矩之和 逆 mKN 时针方向为正 c J 计算截面面积对形心轴的惯性矩 4 m c T 计算截面形心轴到上游的距离 m 2 4 2 设计洪水位下 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 坝踵抗拉强度验算 满足要求 004 638 R RR R R J TM A W 2 4 3 校核洪水位下 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 坝踵抗拉强度验算 满足要求 004 638 R RR R R J TM A W 2 5 坝内构造 2 5 1 坝内廊道 灌浆廊道距坝底 4 5m 距上游坝面 9m 廊道宽 3m 高 4m 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 27m 45m 沿灌浆廊道向上 间隔大概 20m 布置一层廊道 共分 3 层 各层的高程 为 224 5m 239 5m 258 86m 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 50m 高 4 00m 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 2 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 5 2 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 坝后式水电站设计及发电机机座结构稳定计算 26 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 2 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 横缝间距具体见枢纽 布置图 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 3 重力坝溢流坝段设计重力坝溢流坝段设计 3 1 剖面设计 溢流坝既是泄水建筑物 又是挡水建筑物 既要满足稳定强度要求 又 要满足水力条件要求 要有足够的下泄能力 使水流平顺的流过坝面 避免 产生振动和空蚀 应使下泄水流对河床不产生危及坝体安全的局部冲刷 不 影响枢纽中其他建筑物的正常运行 溢流坝剖面 除应满足强度 稳定和经济条件外 其外形尚需考虑水流 运动要求 通常它也是由基本三角形剖面修改而成 内部与非溢流坝段相同 溢流面由顶部溢流段 中部直线段及下游反弧段组成 上游面为直线 初步设计采用 8 孔开敞式溢流堰 有厂房段空口为 7 5m 闸墩宽为 7m 无厂房段空口宽为 16m 闸墩宽为 3m 3 1 1 堰顶高程的确定 3 1 1 1 设计洪水位下 通过溢流坝顶的下泄流量为 3 1 0 QQQ s 式中 经由水电站 泄水孔及其他建筑物的下泄流量 0 Q 安全系数 正常运用时取 0 75 0 9 校核情况取为 1 0 smQs 3 12250 sm H N Q 3 0 61 236 5 895 8 180000 5 8 坝后式水电站设计及发电机机座结构稳定计算 28 12250 0 9 236 61 12037 05m3 s 0 QQQ s 坝址岩基状况良好 故取设计状况下的单宽流量 q 150 m2 s L Q q 80 247m 机组段的间距为 14 5m 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 L 7 5 3 16 5 102 5m 溢流坝总宽度 3 2 10 2 1 ddnnbL 式中 溢流段总宽度 m 0 L n 孔数 b 每孔净宽 m 闸墩宽度 m d 边墩宽度 m 1 d L0 102 5 4 7 4 3 142 5m 计算堰上水头 3 3 2 3 0 2 HgmLQ 式中 L 溢流前缘总净宽 m m 流量系数 与堰型有关 非真空实用剖面堰在设计水头下一般为 0 49 0 50 侧收缩系数 与闸墩形状 尺寸有关 一般为 0 90 0 95 重力加速度 g 坝顶溢流的堰顶水头 m 0 H 求得 H 17 85m 流速水头 则堰上水头 H 17 85 0 0135 17 836m 堰顶高程 289 5 17 836 271 66m 由水力学公式 2 2 2 0 2 co co hg q hT 试算得 hc0 3 923m 则堰顶高程 H 278 70m 正常挡水位 284 00m 闸门高度 284 278 7 安全超高 1 7 7m 3 1 1 2 校核洪水位下 15400 0 9 236 61 15169 32m3 s 0 QQQ s 坝址岩基状况良好 故取设计状况下的单宽流量 q 150 m2 s L Q q 101 129m 机组段的间距为 14 5m 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 L 7 5 3 16 5 102 5m 溢流坝总宽度 10 2 1 ddnnbL 式中 溢流段总宽度 m 0 L n 孔数 通过溢流坝顶的下泄流量为 0 QQQ s 式中 经由水电站 泄水孔及其他建筑物的下泄流量 0 Q 安全系数 正常运用时取 0 75 0 9 校核情况取为 1 0 smQs 3 15400 sm H N Q 3 0 61 236 5 895 8 180000 5 8 坝后式水电站设计及发电机机座结构稳定计算 30 b 每孔净宽 m 闸墩宽度 m d 边墩宽度 m 1 d L0 102 5 4 7 4 3 142 5m 3 1 1 3 堰顶高程及闸门尺寸 综上堰顶高程为 271 66m 闸门高度 正常蓄水位 堰顶高程 安全超高 283 0 271 66 0 5 11 84m 取 12 m 选择平面闸门 根据孔口大小 所以闸门有两种尺寸 取为 12 0m 8 1m 12 0m 16 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 1 3m 的净宽 本设计取净宽 1 5m 3 1 2 堰面曲线 溢流面曲线采用的为 WES 曲线 其曲线方程为 3 4 yKHX n d n1 式中 定型设计水头 d H K n 与上游坝面坡度有关的系数和指数 查设计手册知 k 2 n 1 85 即 85 1 23 22 1 xy 最大运行水头 max H 291 8 271 66 20 14m 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 75 0 95 取 17 84m d H max H d H 表 3 1 Y x1 85 2 17 850 85 X m 5101518 13 Y m 1 214 359 2013 6 堰顶与上游采用三圆弧连接 参数如下表所示 表 3 2 三圆弧参数 R1 0 5Hd 8 5R2 0 2Hd 3 4R3 0 04Hd 0 68 B1 0 175Hd 3 122B2 0 27Hd 4 698B3 0 281Hd 5 013 堰面形态如下图所示 图 3 1 堰面形态 3 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 反弧段的底高程定为 230 0m 反弧半径的计算 坝后式水电站设计及发电机机座结构稳定计算 32 3 4 2 0 2 2 00 2 c c hg q hT 式中 总有效水头 m 0 T 临界水深 校核洪水位闸门全开时反弧处水深 m 0c h 流速系数 查表取 0 95 q 单宽流量 sm L Q q 3 86 121 70 8530 mT836 91 0 经试算 mhc923 3 0 反孤段半径 取 mhR c 23 39 538 2310 6 0 mR30 鼻坎挑角 取 35 20 30 坎顶高程 mH o 234 30cos1 30230 图 3 2 溢流坝剖面图 3 2 荷载计算 作用在溢流坝上的荷载主要有 坝体自重 上下游坝面上的水压力 扬压 力 浪压力 泥沙压力 地震荷载 冰荷载 动水压力等 此处考虑了坝体自 重 上下游坝面上的水压力 扬压力 其他力就暂不考虑 此溢流坝为一级主要永久建筑物 工况计算需考虑设计洪水位 校核洪水 位 荷载计算如下表 3 2 1 设计洪水位下 表 3 3 设计洪水位下荷载 名称荷载 KN 方 向 力臂弯矩 kN m 方 向 自重105941 844 6 1 85195992 4 37729 17 28 51075281 345 上 游 331 17 47 8515747 133 5 静 水 压 力 下 游 1755 82 6 3111073 37 13753 34 00 1081 86 45 72549468 048 7914 88 12 1295928 34 扬压力 1622 788 46 7775897 79 坝后式水电站设计及发电机机座结构稳定计算 34 3 2 2 校核洪水位下 表 3 4 校核洪水位下荷载 名称荷载 KN 方 向 力臂弯矩 kN m 方 向 自重105941 844 6 1 85195992 4 44895 17 28 121262452 18 上 游 3360 807 9 48 96164545 155 静 水 压 力 下 游 1755 82 7 22616659 25 20778 9 00 1289 77 45 72558974 73 9435 955 12 12114363 77 扬压力 1934 655 46 7790483 81 3 3 稳定分析 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 3 3 1 设计洪水位下 抗剪断公式 0 399 5 35 35973 977002 114 819002 1 p AcUWf K 2 3 1 2 抗剪稳定公式 1 159 1 35 35973 14 819007 0 p UWf K 3 3 2 校核洪水位下 2 3 1 1 抗剪断公式 0 389 4 71 42589 977002 13725 758632 1 p AcUWf K 2 3 1 2 抗剪稳定公式 1 124 1 71 42589 3725 758637 0 p UWf K 3 4 应力校核 3 4 2 设计洪水位下 坝趾抗压强度承载能力极限状态 作用效应函数 1723 9kPa 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 坝后式水电站设计及发电机机座结构稳定计算 36 坝踵抗拉强度验算 满足要求 026 573 R RR R R J TM A W 3 4 3 校核洪水位下 坝趾抗压强度承载能力极限状态 作用效应函数 1589 4625kPa 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 坝踵抗拉强度验算 满足要求 073 535 R RR R R J TM A W 3 5 溢流坝消能抗冲刷措施 由于坝址处基岩良好 故采用挑流消能 3 5 1 挑距 h1 3 923 h2 33m 89 0 125 81 9 21 0 1 125 0 25 0375 0 25 0 Kzl 63 29 5 5681 9 289 0 2 h gvc 59 321 1 1 c vv 挑距 124 94m 21 22 11 2 1 2sincossincos 1hhgvvvgL 式中 L 水舌距 m V1 坎顶水面流速 m s 可取坎顶平均流速 V 的 1 1 倍 鼻坎挑射角度 H1 坎顶平均水深在铅直方向的投影 H2 坎顶至河床表面高差 m g 重力加速度 3 5 2 冲坑 tHhKt Krr 11 0 89 0 44 2 tr 冲刷坑深度 m H 上下游水位差 m hk 取决于出坎单宽流量 q 的临界水深 g 为重力加速度 3 2 g q hk 取决于岩石抗冲刷能力的无因次参数 对于坚硬岩石 r K Kr1 0 7 1 1 此处取 1 0 计算得 tr 7 97 m 由于下游基岩质量较好 且水流沿河道较平顺 故抗冲刷措施比较简单 只需在溢流坝与非溢流坝交界处设 2 00m 宽的导水墙 下游岸坡做简单防浪措 施即可 3 5 3 导墙高度 掺气水深 ha hc 3 923m h导 3 923 1 4 923m 取 h导 5 0m 坝后式水电站设计及发电机机座结构稳定计算 38 4 水电站引水建筑物水电站引水建筑物 4 1 进水口高程 水电站进水口在枢纽中的位置 应尽量使入流平顺 对称 不发生回流和 漩涡 不出现淤积 不聚集污物 而泄洪时仍能正常进水 本电站采用坝式进 水口 有压进水口应低于运行中可能出现的最低水位 并有一定淹没深度 以免 进水口前出现漏斗状吸气漩涡并防止有压引水道内出现负压 不出现吸气漩涡 的最小淹没深度为 Scr cv 7 16m 4 1 d 式中 Scr 闸