紧水滩水电站设计及坝内埋管计算书final.doc

水利水电工程专业毕业设计目 录第一章 自然地理及工程地质41.1 流域概况41.2 水文与气候41.3 地形与地质61.3.1 水库区工程地质61.3.2 坝址地质61.4 天然建筑材料71.4.1 土料71.4.2 砂石料71.5 既给设计控制数据7第二章 挡水建筑物72.1基本剖面的拟定72.1.1坝高确定72.1.2实用剖面92.2非溢流坝段坝基面稳定及应力校核102.2.1设计洪水位102.2.2校核洪水位122.2.3正常蓄水位14第三章 泄水建筑物163.1溢流坝段剖面基本尺寸163.1.1堰顶高程确定163.1.2溢流坝实用剖面设计173.2消能工设计193.2.1挑距193.2.2 冲坑深度193.2.3 导墙高度203.3溢流坝段坝基面抗滑稳定校核203.3.1设计洪水位203.3.2校核洪水位223.3.3正常蓄水位23第四章 机电设备及辅助设备的选择254.1特征水位254.1.1 Hmax可能出现情况254.1.2 Hmin可能出现情况274.1.3 设计水头284.2水轮机选型284.2.1 转轮直径D1284.2.2 转速n294.2.3 效率修正294.2.4 工作范围检验304.2.5 吸出高度Hs314.3发电机尺寸估算314.3.1 发电机主要尺寸314.3.2 平面尺寸324.3.3 轴向尺寸324.3.4 发电机重量估算334.4调速器及油压装置的选择334.4.1 调速器334.4.2 油压装置354.5金属蜗壳及尾水管尺寸354.5.1 金属蜗壳尺寸354.5.2 尾水管尺寸364.6起重设备选择与尺寸36第五章 水电站厂房385.1 主厂房各层高程确定385.1.1 水轮机安装高程385.1.2 尾水管底板高程385.1.3 水轮机层地面高程385.1.4 定子安装高程395.1.5 发电机层地面高程395.1.6 装配场地面高程395.1.7 吊车轨顶高程395.1.8 厂房顶部高程395.1.9 厂房基础开挖高程395.2厂房主要尺寸的确定405.2.1 机组间距405.2.2 主厂房长度405.2.3 主厂房宽度41第六章 水电站引水建筑物416.1压力钢管的布置416.1.1 进水口型式416.1.2 压力钢管内径426.1.3 闸门尺寸426.1.4 启闭设备426.1.5 渐变段426.1.6 上、下弯段436.1.7 进水口高程436.1.8 进水口布置436.1.9 拦污栅436.2水头损失计算436.2.1 沿程水头损失436.2.1 局部水头损失446.3水锤压力系数的计算456.4压力钢管厚度确定476.5压力钢管周围混凝土配筋486.6判断混凝土开裂情况516.6.1 未开裂情况516.6.2 内圈部分开裂情况546.7抗外压稳定校核54参考文献561自然地理及工程地质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2761km2。龙泉溪发源于浙闽交界仙霞岭、洞官山，河流长度153km，直线长度77km，平均宽度36km。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1.15m/s，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32m/s。紧水滩坝址与石富站流域面积仅差41km2，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。石富站根据实测及外延长的1951至1976年共26年径流资料，求得多年平均流量为100秒立米。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）280285290295300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。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 坝址地质紧水滩峡谷长约300米，坝址上游河谷为东西向，进入坝址后转为南北向，水流湍急，河流径急滩折向南偏东流出峡谷，在坝址上游转变和下游急滩两地段，水流集中冲刷形成深潭。河流深切，河谷呈“V”型，两岸地形坡度：200-220米高程为35度，220-260米高程为45度，260-340米高程为50-60度，河底高程约200米，谷宽80-100米，一般枯水期水面宽度：50米，水深1-3米。坝区位于90km2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5kg/cm2，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1.45103KPa。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。 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0.5km，有效储量426700m3。油坑料场：位于500550m高程的低平山丘上，为粘土及壤土组成，料场距坝址1.5km，有效储量747600m3。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16.5km。局村至坝址区十个料场，左岸4个，右岸6个，最远距坝址9km。坝址至赤石区七个料场，最远距坝址12.2km。共计23个料场，有效储量水下557000m3，水上3094600m3，合计3651600m3。 1.5 既给设计控制数据1 .校核洪水位：292.50m，校核最大洪水下泄流量14900m3/s2.设计洪水位：290.50m，设计洪水最大下泄流量11700m3/s3 .设计蓄水位：284.50m4 .设计低水位：264.00m5 .装机容量：44.75万kw，即19万kw2 挡水建筑物2.1 基本剖面的拟定2.1.1 坝高确定根据水电站装机19万kw，水库总库容14.1108m3，取工程规模为大型，主要建筑物级别：3级，次要建筑物：4级，临时建筑物：5级。2.1.1.1 坝顶超出静水位高度hh = 2hl+ho+hc2hl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1.52倍，校核情况宜采用洪水期多年平均最大风速；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。 多年平均风速Vf（1.52.0）1.151.7252.3m，取Vf2m吹程由地形图上量得D0.7km 套用官厅水库公式得：2hl2h10.0166Vf5/4D1/30.016625/40.71/30.035m2. 浪高2Ll=10.4(2hl)0.8 2Ll10.4（2hl）0.810.40.0350.80.713m3 =0.005m4. hc-查水工建筑物（上）河海大学出版社 基本组合：hc=0.7m，特殊组合hc=0.5m2.1.1.2 坝顶高程 设计洪水位+h设=290.478m坝顶高程=max校核洪水位+h校=292.238mh设2h1+ h0+hc0.035+0.005+0.70.74h校2h1+ h0+hc0.035+0.005+0.50.54 坝顶max291.24，293.04取坝顶高程为294m2.1.1.3 大坝高度 可利用基岩最低点高程196.00m，大坝实际高度为294.00-196.00=98.00m2.1.1.4 坝底最小宽度确定应力条件：取=0，=24/,=9.81/, =0.2=71稳定条件：取=0.7，=1.1，=0，=24KN/m3,=9.81KN/m3， =0.2=74.1同时满足应力和稳定要求取=77.5取上游坡=0，由可得=0下游坡=0.75，取=0.75上游折坡点高程一般在坝高的1/3-2/3范围内，故取折射坡点高程19634=230，所以=340.1596.50.75=77.52.1.2 实用剖面图2-1非溢流坝剖面图非溢流坝的坝顶宽度一般可取坝高的 810 %，并不小于2m，根据坝顶双线公路交通要求，坝顶B取为10m。坝顶高程294.00m，坝底高程196.00m，折坡点高程230.00m，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77.50m，上游侧5.10m，下游侧72.40m。灌浆廊道距坝底4m，距上游坝面5m，廊道宽2.5m，高3m。坝体纵向排水检查廊道一般靠近坝的上游侧，每隔15-30米高差设置一层，取25米高差。2.2 非溢流坝段坝基面稳定及应力校核2.2.1 设计洪水位（持久状况）2.2.1.1 自重G11/25.134242080.8G21/272.496.524=83839.2G31/2（3.5+16.8）10242436M1 G1(38.752/35.1）73556.28M2 G2（38.755.1-1/372.4）797869.72M3 G338.75-5.1-(10-3.5) 66137.42.2.1.2 静水压力上游：Px1/29.8194.5243802.88Py1/29.815.1（94.5+60.5）3877.4MxPx1/394.51379790.72MyPy（38.75e）141098.59 e（60.52+94.5）/（60.5+94.5）5.1/32.36m下游：Px/1/29.8122.422469.93 Py/1/29.8122.416.81845.85 Mx/ Px/1/322.418442.1 My/ Py/（38.751/316.8）61189.932.2.1.3 扬压力U177.522.49.8117030.16U21.21/272.1（1+0.3）6.39.813475.68U31.21/272.10.371.29.817553.97M2U2（38.75e）125699.3e（0.32+1）/（1+0.3）6.3/32.58M3U3（2/371.238.75）65845.44浪压力过小，忽略不计。W2436+2080.8+83839.2+3877.4+1845.85-17030.16-3475.68-7553.9766019.44M73556.28+797869.72+66137.41379790.72+141098.591+18442.161189.93125699.365845.44535421.3表2-1 坝基面持久状况稳定应力计算（设计洪水位） 名称荷载（KN）方向弯矩（KNm）方向自重88356.08937563.4静水压力上游43802.881379790.723877.4141098.59下游2469.9318442.11845.8561189.93扬压力28059.81252733合计66019.44535421.341332.952.2.1.4 稳定分析 1摩擦公式：=1.15K=1.1 2.抗剪断强度公式：= 4.17=3（其中f=0.7，f=1.2，c=1.2） 满足要求。3.极限状态法： r=1.0, fr=1.3, Cr=3.0, rd=1.2 S(x)=43802.88-2469.93=41332.95W=2080.8+2436+83839.2+3877.4+1845.85-1.017030.16-1.17553.97-1.23475.68 =64568.91R(x)=1.2/ frW+1.2/ CrA =90602.07因为r&SR(x)/rd 故满足抗滑稳定要求。2.2.2 校核洪水位（偶然状况）2.2.2.1 自重G11/25.134242080.8G21/272.496.524=83839.2G31/2（3.5+16.8）10242436M1 G1(38.752/35.1）73556.28M2 G2（38.755.1-1/372.4）797869.72M3 G338.75-5.1-(10-3.5) 66137.42.2.2.2 静水压力上游：Px1/29.8196.5245676.6Py1/29.815.1（96.5+62.5）3977.46MxPx1/396.51469263.5MyPy（38.75e）144700 e（62.52+96.5）/（62.5+96.5）5.1/32.37m下游：Px/1/29.8124.322896.35 Py/1/29.8124.318.232172.27 Mx/ Px/1/324.323460.44 My/ Py/（38.751/324.3）66580.082.2.2.3 扬压力U177.524.39.8118474.68U21.21/26.3（1+0.3）72.29.813480.5U31.21/272.20.371.29.819077.34M2U2（38.75e）125889.7e（0.32+1）/（1+0.3）6.3/32.58M3U3（2/371.238.75）79124.15 W2436+2080.8+83839.2+3977.46+2172.271469263.52896.3563473.21M73556.28+797869.72+66137.41469263.5+144700+66580.0823460.44125889.779124.15635133.59表2-2 坝基面偶然状况稳定应力计算（校核洪水位）名称荷载（KN）方向弯矩（KNm）方向自重88356.08937563.4静水压力上游45676.61469263.53977.46144700下游2896.3523460.442172.2766580.08扬压力283764.84228473合计63473.21635133.5942780.252.2.2.4 稳定分析1摩擦公式：=1.07K=1.12.抗剪断强度公式：= 3.95=3（其中f=0.7，f=1.2，c=1.2） 满足要求。3.极限状态法： r=1.0, fr=1.3, Cr=3.0, rd=1.2 S(x)=42780.25W=2080.8+2436+83839.2+3977.46+2172.27-1.018474-1.19077.34-1.23480.5 =64568.91R(x)=1.2/ frW+1.2/ CrA =88110.2因为r&SR(x)/rd 故满足抗滑稳定要求。2.2.3 正常蓄水位（持久状况）2.2.3.1 自重G11/25.134242080.8G21/272.496.524=83839.2G31/2（3.5+16.8）10242436M1 G1(38.752/35.1）73556.28M2 G2（38.755.1-1/372.4）797869.72M3 G338.75-5.1-(10-3.5) 66137.42.2.3.2 静水压力上游：Px1/29.8188.5238417.19Py1/29.815.1（88.5+54.5）3577.22MxPx1/388.5108848.71MyPy（38.75e）3962321.4 e（54.52+88.5）/（54.5+88.5）5.1/32.35m2.2.3.3 扬压力U11.2/2(26.55+88.5) 6.19.814130.82U21.21/226.5571.29.8111126.66M1U1（38.75e）149411.76e（0.32+1）/（1+0.3）6.3/32.58M2U2（2/371.238.75）96987.386 W76675.74M4544636.544表2-3 坝基面偶然状况稳定应力计算（正常洪水位）名称荷载（KN）方向弯矩（KNm）方向自重88356.08937563.4静水压力上游38417.191108848.713577.223962321.4扬压14合计76677.224544636.54438417.192.2.3.4 稳定分析1摩擦公式：=1.4K=1.12.抗剪断强度公式：= 4.82=3（其中f=0.7，f=1.2，c=1.2） 满足要求。3.极限状态法： r=1.0, fr=1.3, Cr=3.0, rd=1.2 S(x)=42780.25W=76675.74R(x)=1.2/ frW+1.2/ CrA =101777.6因为r&S Hmax/2 = 4.8 取d=5m3.1.2.2 反弧段：采用挑流消能，按校核洪水期允许下泄流量Q=14900m3/s 查得下游最高水位为220.37米， 故T1=292.5-220.37=72.13m取q=80m3/s，由水力学计算得：=72.13To- 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试算得hco=3.887m则反孤段半径 R（610）hc0（23.338.9）m 取 R25m鼻坎挑角25 鼻坎高程=220.37+（1-cos25）25=222m最低点高程=222-（1-cos25）25=220.37m3.2 消能工设计3.2.1 挑距:=25 h1=hc0cos25=3.523 h2=222-196=26m挑距: =163.62m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,取38.87m 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3.2.2 冲坑深度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。取决于岩石抗冲刷能力的无因次参数，对于坚硬岩石Kr1=0.71.1此处取1.0计算得tr=33.8T/Ts = L/(tr-t)=8.39故抗冲满足要求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。3.2.3 导墙高度 掺气水深 ha=h/(1-c)c=0.538(Ae-0.02) Ae=nv/R3/2=0.014 135.14/3.8875/2=0.24c=0.122 ha=2.38mh导=2.38+1.5=3.88m 取h导=4.0m3.3 溢流坝段坝基面抗滑稳定校核3.3.1 设计洪水位（持久状况）3.3.1.1 自重G11/25.134242080.8G21/272.496.52483839.2G31/2（5+20）14244200M1 G1(41.252/35.1）78758.28M2 G2（41.255.1-1/372.4）1007467.72M3 G341.25-2.51627503.3.1.2 静水压力上游 Px1/29.8194.5（94.5+7.5）47279.3Py11/25.19.81（94.5+60.5）3877.4MxPx1/394.51489298MyPy（41.25e）150776.53下游 Px/1/29.8122.422461.13 Mx/ Px/1/322.418376.443.3.1.3 扬压力U122.482.59.8118128.88U21.21/2（1+0.3）9.8172.16.13475.68U31.21/20.376.472.19.819726.8 M2U1（41.25e）134404.55e（0.32+1）/（1+0.3）6.3/32.58M3U2（2/376.441.25）94187.8 W62667.5M-299762.5SP44818表3-3 坝基面持久状况稳定应力计算（设计洪水位）名称荷载（KN）方向弯矩（KNm）方向自重90119.21248976静水压力上游4481814709213877.4150776.53扬压力31330.68228592.35合计62667.5299762.5448183.3.1.4 稳定分析1摩擦公式：=1K=1.12.抗剪断强度公式：= 3.89=3（其中f=0.7，f=1.2，c=1.2） 满足要求。3.极限状态法： r=1.0, fr=1.3, Cr=3.0, rd=1.2 S(x)=44818W=60999.9R(x)=1.2/ frW+1.2/ CrA =89307因为r&SR(x)/rd 故满足抗滑稳定要求。3.3.2 校核洪水位（偶然状况）3.3.2.1 自重G11/25.134242080.8G21/272.496.52483839.2G31/2（5+20）14244200M1 G1(41.252/35.1）78758.28M2 G2（41.255.1-1/372.4）1007467.72M3 G341.25-2.51627503.3.2.2 静水压力上游 Px1/29.8196.5（7.5+96.5）49226.58Py11/25.19.81（96.5+62.5）3977.5MxPx1/396.51583455MyPy（41.25e）154683.42下游 Px/1/29.8124.322905.21Mx/ Px/1/324.323532.23.3.2.3 扬压力U124.382.59.8119666.6U21.21/2（1+0.3）9.8172.26.13370U31.21/20.372.276.49.819740.29M2U2（41.25e）130318e（0.32+1）/（1+0.3）6.3/32.58M3U2（2/376.441.25）94318.47 W61321.26M-380901SP46321表3-3坝基面偶然状况稳定应力计算（校核洪水位）名称荷载（KN）方向弯矩（KNm）方向自重90119.21248976静水压力上游4632115599223977.5154683.42扬压力32778224636合计61321.26380901463213.3.2.4 稳定分析1摩擦公式：=1K=1.12.抗剪断强度公式：= 3.73=3（其中f=0.7，f=1.2，c=1.2） 满足要求。3.极限状态法： r=1.0, fr=1.3, Cr=3.0, rd=1.2 S(x)=46321W=59672.8R(x)=1.2/ frW+1.2/ CrA =88082因为r&SR(x)/rd 故满足抗滑稳定要求3.3.3 正常蓄水位（持久状况）3.3.3.1 自重G11/25.134242080.8G21/272.496.52483839.2G31/2（5+20）14244200M1 G1(41.252/35.1）78758.28M2 G2（41.255.1-1/372.4）1007467.72M3 G341.25-2.51627503.3.3.2 静水压力上游：Px1/29.81(1.5+88.5)8738406.15Py1/29.815.1（88.5+54.5）3577.22MxPx1/388.51132981.4MyPy（41.25e）141277.7 e（1.52+88.5）/（1.5+88.5）5.1/31.73m3.3.3.3 扬压力U11.2/2(1+0.3) 88.56.19.814130.82U21.21/288.576.49.8111939.28M1U1（41.25e）159738.8e（0.32+1）/（1+0.3）6.3/32.58M2U2（2/376.441.25）115612.03 W77628M17977.8P=38406.15表2-2 坝基面持久状况稳定应力计算（正常蓄水位）名称荷载（KN）方向弯矩（KNm）方向自重88356.08937563.4静水压力上游38406.151132981.413577.223141277.7扬压力16070275350.83合计7762817977.838406.153.3.3.4 稳定分析1摩擦公式：=1.41K=1.12.抗剪断强度公式：= 5=3（其中f=0.7，f=1.2，c=1.2） 满足要求。3.极限状态法： r=1.0, fr=1.3, Cr=3.0, rd=1.2 S(x)= 38406.15W=77628R(x)=1.2/ frW+1.2/ CrA =240841.6因为r&S166.7rpm DaDi+662.84cm发电机型号为：SF 5032/745.6图4-4 发电机示意图4.3.2 平面尺寸4.3.2.1 定子机座外径 D11.2Da795.41cm4.3.2.2 风罩内径 D2 D1+2401035.41cm4.3.2.3 转子外径 D3Di2Di596cm4.3.2.4 下机架最大跨度D4 D5+0.6480cm水轮机机坑直径D5420cm4.3.2.5 推力轴承外径D6300cm励磁机外径D7200cm4.3.3 轴向尺寸4.3.3.1 定子机座高度h1lt+2306.38cm4.3.3.2 上机架高度 h20.25Di149cm4.3.3.3 推力轴承高度 h3200cm励磁机高度 h4220cm副励磁机高度 h