水电站初步设计报告

工程布置及建筑物牛头水电站总装机容量2×5000+2500=12500kW，引水坝为浆砌石重力坝，最大坝高为4.8m，根据水利水电工程等级划分及洪水标准〔SL252-2000〕的规定，电站工程规模属小〔1〕型，工程等别为Ⅳ等，主、次要建筑物分别按4级和5级设计。根据水利水电工程等级划分及洪水标准〔SL252-2000〕的规定并结合本工程的具体情况，引水坝设计洪水标准为10年一遇洪水，校核洪水标准为20年一遇洪水；电站发电厂房为非挡水式地面厂房，发电厂房的设计洪水标准为30年一遇洪水，校核洪水标准为100年一遇洪水。a)引水坝正常引水水位419.50m；设计洪水位〔P=10%〕=423.56m，相应洪峰流量497m3/s，相应下游洪水位423.45m；校核洪水位〔P=5%〕=423.98m，相应洪峰流量587m3/s，相应下游洪水位423.89m。b)发电厂房m。a)地震根本烈度根据国家质量技术监视局2001年2月发布的中国地震动参数区划图〔GB18306－2001〕，本工程区地震动峰值加速度为0.05g，对应地震根本烈度值Ⅵ度。b)基岩物理力学参数1)坝址：卵石层fak=250kpa，=0.45；2)厂址：坡积层fak=170kpa，=0.35；强风化岩石fak=500kpa，f=0.55。a〕引水坝稳定平安控制标准引水坝沿建基面按抗剪强度和抗剪断强度方法计算抗滑稳定，稳定平安度控制标准见下表5.1-1。稳定平安度控制标准表荷载组合平安系数备注抗剪Kc抗剪断K′c根本特殊b〕地基应力控制标准：最大正应力σmax<250；最小正应力σmin>0。牛头电站属引水式水电站，工程在三湖河仰屯自然村附近的三湖河修建引水坝，通过引水隧洞引水至牛头镇下游3km牛头河左岸发电。工程主要建筑物有：引水坝、引水隧洞〔明渠〕、前池、压力钢管、发电厂房及升压站等。三湖河流域周边分水岭均属砂岩地形，中间区域属喀斯特地形，溶洞发育，支流多为暗河，三湖河主流明暗交替，根据牛头电站的前期规划成果以及三湖河流域的地形、地质条件，主干流的隐现情况，牛头电站的引水坝选在仰屯自然村附近，即三湖河流入溶洞前460m处，坝址上游有常年冒水的荡屯岩洞、农干洞、古榜洞和陇眉洞。根据引水工程沿途地形、地质条件和下游哥盖梯级电站的正常回水位及前期踏勘成果，牛头电站的发电厂房位置初拟两个布置方案，方案(Ⅰ)发电厂房布置在牛头牛头河的左岸阶地上，方案(Ⅱ)发电厂房布置在牛头镇下游3km处牛头河的左岸山脚上。两方案的平面布置详见“牛头初-总图-01〞。a〕方案(Ⅰ)该方案引水线路自引水坝进水口引水至A点进入隧洞至E点延伸到I点，然后左拐至J点出口，隧洞出口与前池相接，通过发电隧洞、压力钢管引水至厂房发电，引水线路总长8825.5m，其中无压隧洞7633m，引水涵洞292.5m，发电隧洞550m，压力钢管350m，另外尾水渠长790m。电站装机2×5000+2500=12500kW。b〕方案(Ⅱ)该方案引水线路在E点前与方案(Ⅰ)一样，通过E点后经F点在G右拐，在H点出口，隧洞出口与前池相接，通过压力钢管引水至厂房发电，引水线路总长9620m，其中无压隧洞8689.5m，引水涵洞292.5m，压力钢管638m。电站装机2×5000+2500=12500kW。c)方案比拟1〕引水工程两方案的枢纽布置根本一样，都为引水式水电站，方案(Ⅰ)的引水线路总长度为8825.5km，方案(Ⅱ)的引水线路长度为9620km，两方案相比，方案(Ⅱ)比方案(Ⅰ)长794.5km，其中无压隧洞长1056.5m，压力管长288m，但方案(Ⅰ)有550m长的发电隧洞及需增加790m长的尾水渠。另外，方案(Ⅰ)的前池位于高山山顶上，交通不方便，运行管理因难，并在压力隧洞段需设90m深的井竖。2〕厂区布置方案(Ⅰ)厂址距离牛头河较远，机组安装高程较高，厂房周围地形开阔，不需要考虑厂房防洪问题，管理和生活等附属建筑物可就近布置。方案(Ⅱ)厂址处地形较窄，靠近牛头河布置，管理和生活等附属建筑物距离厂房较远，管理运行不方便。3〕工程占地方案(Ⅰ)厂址周围以水田为主，并且需修建790m长的尾水渠，占用水田20亩，旱地3亩，林地5亩，所占用土地以耕地为主，占地补偿投资共计125万元，征地补偿工作较困难；方案(Ⅱ)厂址布置在山脚，前池与压力管沿着山坡布置，占用旱地5.04亩，林地29.22亩，所占用土地以林地为主，占地补偿投资共计60万元，较方案(Ⅰ)少65万元，征地补偿工作相对较容易。4〕工程效益方案(Ⅰ)的设计尾水位为245m，比牛头河正常水位高7m左右，不能充分利用水资源，年均发电量4337kW.h；方案(Ⅱ)的设计尾水位为238m，能与牛头河水位衔接，可充分利用水资源，年均发电量4434kW.h，比方案多97万kW.h。5〕工程施工两方案的施工均以无压引水隧洞为主，控制工期均为引水隧洞，方案(Ⅱ)的引水隧洞较长，但最大单向进深与方案(Ⅰ)根本一样，施工工期相差不大；方案(Ⅰ)的发电隧洞中间有竖井，隧洞后接压力钢管，施工工序较多，竖井施工难度也较大。在工程施工难易程度上方案(Ⅱ)略优于方案(Ⅰ)。6〕工程投资方案(Ⅰ)的工程占地投资125万元，引水工程投资2423万元，发电工程投资1460万元，投资合计4008万元，方案(Ⅱ)的工程占地投资60万元，引水工程投资2653万元，发电工程投资1125万元，投资合计3838万元，比方案(Ⅰ)多170万元。两方案的主要工程特性表见下表5.2-1。表5.2-1厂址方案比拟工程特性表序号工程名称单位数量备注方案(Ⅰ)方案(Ⅱ)(推荐方案)(Ⅰ)-(Ⅱ)1引水线长度km96202前池正常水位m3设计尾水位m74设计毛水头m5装机容量kW125001250006年均发电量43374434-977投资合计万元40083838170其中：1)引水工程(前池之前)万元24232653-230.2)发电工程万池万元150100发电隧洞万元340压力钢管土建局部万元130194电站工程万元370323尾水渠万元160金结万元3105083)工程占地补偿投资万元1256065注：1、上述工程投资不包括引水坝局部投资；2、土建局部投资仅为直接费。d〕厂址选择从上述分析可看出，方案(Ⅱ)的引水线路比方案(Ⅰ)长794.5km，但设计毛水头比方案(Ⅰ)多6m，年均发电量多97万kW.h，工程投资少170万元，经济效益较好。另外，方案(Ⅱ)在工程占地征用和工程施工及运行环境方面均优于方案(Ⅰ)，只是在厂区布置上略差于方案(Ⅰ)。在综合考虑上述因素后，本阶段推荐方案(Ⅱ)的厂址，即电站的发电厂房布置在牛头镇下游3km处牛头河的左岸阶地上。5.3坝线、坝型选择根据三湖河仰屯自然村附近的地形地质条件，本段阶初步拟定上、下两条坝线进展比拟，上坝线即为现状水轮泵引水坝，下坝线距上坝线340m。上坝线为原引水坝，引水坝运行多年，施工质量差，有漏水的现象，下游两岸冲刷严重。本设计拟对该引水坝进展改建加固，改建方法是撤除原引水坝的上部浆砌石，保存下部浆砌石根底。在原浆砌石根底上砌筑浆砌石和浇筑砼，上游设砼铺盖，下游设消力池。mmm，坝顶高程为421m，最大坝高为4.8m，坝顶宽度2m，无交通要求。坝顶总长为118m，浆砌石重力坝分非溢流坝段和溢流坝段；溢流坝采用折线型堰，坝体采用M水泥砂浆砌毛石，外包C20砼防渗、防冲，上游设C20砼铺盖厚400mm，长5m。堰顶高程419.5m〔取同现状引水坝堰顶高程〕，溢流段长84m，消能方式采用底流消能，底板高程为417.3m，消力池宽14.5m，长84m，池深0.5m，底板厚0.5m，消力池出口后接护坦，护坦长4m，浆砌石厚0.3m；左岸非溢流浆砌石坝段总长25m，右岸非溢流浆砌石坝段长9m。浆砌石坝段上游面为垂直，下游面坡比为1:0.65，坝体为Mm设置引水涵洞进水口，进水口前设有拦污栅，孔口尺寸为4m×4m〔宽×m设置冲砂闸，冲砂闸孔口尺寸为1m×1m〔宽×高〕，采用平面铸铁闸门，进口底高程为417.8m，闸门启闭机平台高程421m，采用1台3t手动螺杆式启闭机启闭。mmm，坝顶高程为421m，最大坝高为6.8m，坝顶宽度2m，无交通要求。坝顶总长为32m，浆砌石重力坝分非溢流坝段和溢流坝段；溢流坝采用折线型堰，坝体采用Mmm。浆砌石坝段上游面为垂直，m设置冲砂闸，冲砂闸孔口尺寸为1m×1m〔宽×高〕，采用平面铸铁闸门，进口底高程为415.8m，闸门启闭机平台高程421m，采用1台3t手动螺杆式启闭机启闭。5.3.3坝线选择a〕上、下坝线各种坝型主要工程量及投资估算见下表5.3-1。表5.3-1上、下坝线各种坝型主要工程量及估算投资表序号工程名称单位上坝线下坝线一建筑工程㈠枢纽工程万元31土方开挖m3440423162填土方m311432783砼m310173964浆砌石m319349265撤除浆砌石m33076钢筋t17.00㈡引水建筑物投资万元㈢万元二万元1备注推荐注：表中工程量仅列引水坝局部，引水建筑物仅为隧洞前涵洞段，工程总投资为直接费。b〕坝线选择1〕从地形、地质条件分析上坝线河床较宽，下坝线河床较窄。上下坝线河床表层均存在松散砾砂，坝基为卵石，下部为砾质粘土，下伏基岩均为弱风化灰岩。上坝线卵石层顶高程约为417.0m，下坝线卵石层顶高程约为415.0m，上坝线建基面较高，修筑的拦水坝坝高较下坝线少2m，上下坝线坝基下部均存在软弱下卧层砾质粘土，较小的坝高可降低坝体发生不均匀沉陷的可能，有利于拦水坝的抗滑和抗变形稳定。上下坝线下伏基岩均具岩溶普遍发育现象，但溶洞绝大局部被软塑状砾质粘土全填充。下坝线北面约110m处发育有两个较大的落水洞，该落水洞与河段溶洞具连通性，可能形成强透水岩溶渗漏通道，不利于库区防渗漏。两岸岸坡根本稳定，未见有土洞、地面塌陷、滑坡、泥石流等不良地质作用，具备建重力坝条件。2〕从枢纽布置条件、交通条件分析现状引水坝运行多年，施工质量差，有漏水现象，下游两岸冲刷严重。现对引水坝进展改建加固，改建方法是撤除原提水坝的上部浆砌石，保持下部浆砌石根底，在原浆砌石根底上砌筑浆砌石和浇筑砼，上游设砼铺盖，下游设消力池。上坝线右岸有村级公路经过，只需进展平整即可满足施工道路的要求，上坝线河床比拟宽，有利于枢纽布置。下坝线需占用农田修建一段施工道路，河床比拟窄，不利于枢纽布置。3〕施工条件及工期分析上坝线为原引水坝，本设计对原引水坝进展改建，撤除原引水坝浆砌石，量不多，施工工期也不长，左右坝端均有开阔地可满足施工场地布置。下坝址河床较窄，对施工导流布置不利，导流围堰高。4〕从淹没及工程占地情况和工程投资分析上坝线坝前特征水位不变，无淹没影响，而下坝线则增加了上坝线至下坝线区间的淹没耕地，上坝线方案工程占地及淹没合计：水田4.6亩，荒坡地、河滩地4.6亩，占地及淹没投资21.49万元，下坝线方案工程占地及淹没合计：水田15.2亩，荒坡地、河滩地5.6亩，占地及淹没投资74.97万元，该方案淹没较多，征地补偿工作困难，增加工程实施的难度。从上表5.3-1看，上坝线是在原引水坝的根底上进展改建，投资比下坝线工程总投资多16.97万元。综合以上分析，本阶段推荐采用上坝线方案。根据工程选择和坝线比拟的成果，引水坝布置在仰屯自然村附近，利用原水轮泵拦水坝进展改建加固；发电厂房布置在牛头镇下游3km处牛头河的左岸阶地上，发电厂房距下游斑马屯约500m；引水涵洞和引水隧洞根据沿线的地形地质条件、引水高程和施工支洞设置情况，折线布置，出口与前池相连；压力前池根据引水线高程布置在厂房背侧的山坡410m高程附近，前池与发电厂房通过压力钢管相连，压力钢管顺着山坡布置。为补偿原水轮泵抽水浇灌，拟在引水坝右端上游设一抽水站。工程的总布置详见“牛头初-总图-01〞。5.5.1.1坝顶高程确实定〔非溢流坝〕a〕特征水位m。mm。mm。b〕坝顶高程确实定由于三湖河为山区性河流，洪水瀑涨瀑落，两岸阶地经常被洪水淹没。为减少水库淹没，引水坝正常水位仍保持原提水坝的水位419.5m，两岸的非溢流坝段坝顶高程取与两岸阶地相平，即取坝顶高程为421m。原引水坝为砌石构造，坝线布置和坝型不规则，坝长约88m，坝顶宽2.5m，坝底宽5.9m，坝高4.5m，坝顶高程约419.5m，坝基置于砂卵石层上。本设计对原引水坝进展改建加固，改建方法是撤除原引水坝的上部浆砌石，保存下部浆砌石根底，在原浆砌石根底上砌筑浆砌石和浇筑砼，上游设砼铺盖，下游设消力池。mmm，坝顶高程为421m，最大坝高为4.8m，坝顶宽度2m，无交通要求。坝顶总长为118m，浆砌石重力坝分非溢流坝段和溢流坝段；溢流坝采用折线型堰，坝体撤除原浆砌石，外包C20砼防渗、防冲，上游设C20砼铺盖厚400mm，长5m。堰顶高程419.5m，溢流段长84m，消能方式采用底流消能，底板高程为417.3m，消力池长14.5m，宽84m，池深0.5m，底板厚0.5m，消力池出口后接海漫，海漫长4m，浆砌石厚0.5m；左岸非溢流浆砌石坝段总长25m，右岸非溢流浆砌石坝段长9m。浆砌石坝段上游面为垂直，下游面坡比为1:0.65，坝体为Mm设置引水涵洞进水口，进水口前设有拦污栅，孔口尺寸为4m×4m〔宽×m设置冲砂闸，冲砂闸孔口尺寸为1m×1m〔宽×高〕，采用平面铸铁闸门，进口涵洞底高程为417.8m，闸门启闭机平台高程421m，采用1台3t手动螺杆式启闭机启闭。引水坝平面布置见“牛头初-坝-01〞。消力池两侧为M7.5浆砌石斜坡护岸厚400mm，长19m，护岸顶高程为421m。消力池下游右岸为斜坡式浆砌石护岸，长38.1m，厚0.4m，坡比1:1.5，护岸顶高程为421m。a〕荷载作用于坝上的荷载有：坝体自重、静水压力、扬压力、泥砂压力、动水压力荷载。1〕自重：主要为坝体和水的重量，其重度分别取22KN/m3和10kN/m3。2〕静水压力p=γH式中：p——计算点处静水压力，kPa；γ——水的重度，取10kN/m3；H——计算点处的作用水头，m。3〕泥沙压力作用在坝面单位宽度上的水平泥沙压力，按下式计算：式中Psk——泥沙压力。kN/m；γsb——泥沙的浮重度，取γsb3；hs——坝前泥沙淤积厚度，8m；φs——泥沙的内摩擦角，取φs=20°。4〕动水压力〔只作用于溢流坝段〕作用在溢流坝面单宽反弧上的动水压力，按下式计算：式中：PH，PH——总动水压力有水平和铅直分量，kN；α1，α2——反弧最低点两侧弧段所对的中心角，度；q——单宽流量，m3/(s·m)；γ——水的重度，取10kN/m3；g——重力加速度，m/s2；υ——水的流速，m/s；b〕荷载组合：荷载组合分为根本荷载组合和特殊荷载组合两种。1〕根本荷载组合选择下面情况组合：工况1：自重+坝前正常水位下的静水压力+扬压力+泥沙压力工况2：自重+坝前设计洪水位下的静水压力+扬压力+泥沙压力；2〕特殊荷载组合选择下面情况组合：工况3：自重+坝前校核洪水位下的静水压力+扬压力+泥沙压力+动水压力。c〕计算表达式1〕抗滑稳定坝体稳定分析按下式公式进展：式中：K——抗滑稳定平安系数；W——作用于计算截面以上坝体的全部荷载对滑动平面的法向分值；∑P——作用于计算截面以上坝体的全部荷载对滑动平面的切向分值；A——滑动面截面积；——滑动面上的抗剪摩擦系数，根据地质资料只计算砂卵石层地基=0.45；2〕坝趾抗压强度计算式中∑W——作用于计算截面以上坝体的全部荷载对滑动平面的法向分值；∑M——作用于计算截面以上坝体的全部荷载对滑动平面的矩；B——坝底宽；m——下游边坡；Ra——浆砌石的抗压强度。3〕坝底应力计算d〕计算结果经计算坝体抗滑稳定及应力结果见表5.5-1和5.5-2。表5.5-1坝基抗滑稳定及应力分析成果表〔非溢流坝段〕项目工况1工况2工况3备注抗滑稳定平安系数K标准要求值[K]坝趾最大应力〔KPa〕2628坝踵最小应力〔KPa〕3833坝基容许压应力〔KPa〕250250250注：表中应力“+〞为压应力。表5.5-2坝基抗滑稳定及应力分析成果表〔溢流坝段〕项目工况1工况2工况3备注抗滑稳定平安系数K3标准要求值[K]坝趾最大应力〔KPa〕3536坝踵最小应力〔KPa〕522926坝基容许压应力〔KPa〕250250250注：表中应力“+〞为压应力。经计算可知抗滑稳定平安系数k大于标准要求的[k]，满足稳定要求。坝趾最大压应力小于坝体容许压应力及坝基容许压应力，坝踵最小应力为压应力，满足坝体的应力要求。图5.5-1非溢流坝段稳定计算简图图5.5-2溢流坝段稳定计算简图计算a〕根本资料坝基上部为卵石层，以卵石为主，含较多砾石、砂和少量粘土，厚度1.2～4.3m，呈松散状态，属强透水性，渗透系数大约为2×10-2cm／s；下部为砾质粘土，含较多灰岩砾石，土体呈软塑状态，土层厚度约0～6.9m，其透系数大约为6×10-5cm／s，属弱透水性。计算工况：以计算正常蓄水位419.5m来分析坝基渗流稳定。b〕抗渗稳定计算1)渗透压力计算坝基底渗透压力计算采用改良阻力系数法。(1)坝的地基有效深度按下式确定：当L0/S0≥5时Te0当L0/S0＜5时式中Te-----坝的地基有效深度〔m〕；L0-----地下轮廓的水平投影长度〔m〕；S0-----地下轮廓的垂直投影长度〔m〕。当计算的Te值大于地基实际深度时，Te值按地基实际深度采用。(2)分段阻力系数按下式计算：出口段：式中ζ0-----进、出段的阻力系数；S------齿墙的入土深度〔m〕；T------地基透水层深度〔m〕。内部垂直段：式中ζy-----内部垂直段的阻力系数。水平段：式中ζx-----水平段的阻力系数；Lx-----水平段长度〔m〕；S1、S2-----进、出口段齿墙的入土深度〔m〕。(3)各分段水头损失值按下式计算：式中hi-----各分段水头损失值；ζi-----各分段的阻力系数；n-----总分段数。(4)进、出口段修正后的水头损失值由下式计算：式中-----进、出口段修正后的水头损失值；-----进、出口段水头损失值；-----阻力修正系数，当计算的时，采用；-----板桩另一侧地基透水层深度〔m〕。(5)经计算结果如下表5.5-3。渗透压力计算成果表进口段内部垂直段水平段出口段合计阻力系数ξi水头损失值hi2)抗渗稳定性验算(1)坝基水平段抗渗稳定性验算①允许渗流坡降值确实定根据水闸设计标准〔SL265-2001〕，砂砾石闸基水平段的允许渗流坡降值由表6.0.4查得为0.22~0.28。②水平段渗流坡降值的计算水平段的渗流坡降值：J=1.338/24.93=0.05<0.22满足要求。(2)坝基出口段抗渗稳定性验算①允许渗流坡降值确实定首先由下式判断可能发生的渗流破坏形式：4Pf(1-n)>1.0时，为流土破坏<1.0时，为管涌破坏式中：Pf-----小于df的土粒百分数含量〔%〕；df-----坝基土的粗细颗粒分界粒径〔mm〕；n------坝基土的孔隙率；d15、d85------坝基土颗粒级配曲线上小于含量15%、85%的粒径〔mm〕。经计算，4Pf(1-n)>1.0，故可能发生的渗流破坏形式为流土破坏，查水闸设计标准〔SL265-2001〕表6.0.4得砂砾石闸基出口段防止流土破坏的允许渗流坡降值为0.50~0.55。②出口段渗流坡降值按下式计算：<0.50满足要求，不可能发生流土破坏。式中：J-----出口段渗流坡降值。计算根本资料引水坝设计洪水位为423.56m，相应下泄流量485m3/s，相应下游水位423.45m；校核洪水位为423.98m，相应下泄流量580m3/s，相应下游水位423.89m。溢流堰为低堰，堰顶高程为419.5m，消能采用底流消能。计算条件按水利水电工程等级划分洪水标准(SL252－2000)，并考虑渲泄小于消能防冲设计洪水标准的流量时可能出现的不利情况。因此，该坝的消能防冲设计洪水标准为10％，取10年一遇的洪水标准。消力池计算①消力池深度消力池深度按下式计算：式中d----消力池深度〔m〕；----水跃淹没系数，采用1.05~1.10；----跃后水深〔m〕；----收缩水深〔m〕；----水流动能校正系数，采用1.0~1.05；q-----过闸单宽流量〔m2/s〕；-----流速系数，取0.95；b1----消力池首端宽度〔m〕；b2----消力池末端宽度〔m〕；T0----由消力池底板顶面算起的总势能〔m〕；ΔZ----出池落差〔m〕；----出池河床水深〔m〕。②消力池长度消力池长度按下式计算：式中Lsj----消力池长度〔m〕；Ls-----消力池斜坡段水平投影长度〔m〕；β-----水跃长度校正系数，采用0.7~0.8；Lj-----水跃长度〔m〕。③消力池底板厚度t消力池底板厚度t按以下公式并取其最大值：抗冲抗浮式中t-----消力池底板始端厚度〔m〕；ΔH’----泄水时的上、下游水位差〔m〕；k1-----消力池底板计算系数，取0.15~0.20；k2-----消力池底板平安系数，取1.1~1.3；U-----作用在消力池底板底面的扬压力〔kPa〕；W-----作用在消力池底板顶面的水重〔kPa〕；Pm----作用在消力池底板上的脉动压力〔kPa〕，取跃前收缩断面流速水头值的5%；γb----消力池底板的饱和重度〔kN/m3〕。④计算成果计算成果见下表5.5-4。表5.5-4消能工水力计算成果表工程设计洪水位〔421m〕堰顶高程〔m〕相应下游水位〔m〕下泄流量〔m3/s〕消力池深度〔m〕长度〔m〕池底厚度〔m〕0.37〔0.18〕注：消力池池底厚度栏括号中的数值为按抗浮要求计算得的数值。根据以上计算结果，结合工程布置，确定消力池深度采用0.5m，消力池长度采用14.5m，消力池底板厚度采用0.5m。海漫长度4m，底板厚度采用0.5m。〔1〕根本资料本工程坡式护岸稳定计算为整体稳定计算，计算方法按瑞典圆弧滑动法计算。计算工况：按施工期计算坡式护岸稳定，此工况为最危险情况。计算断面护岸顶高程为421m，地面高程为417.80m，坝高为3.2m。填土的土料设计参数：坝身填土湿容重γ湿=19.4kN/m3，饱和容重γ湿=20.7kN/m3，凝聚力C=30Kpa，内摩擦角Φ=14°。〔2〕稳定计算的方法①荷载计算自重：浸润线以下为饱和重，浸润线以上为天然重，在坝坡外水位以下的土条重力，为浮容重。孔隙水压力：孔隙水压力按等势线垂直的假定计算。②计算公式根据碾压式土石坝设计标准〔SL274—2001〕规定，采用不计条块间作用力的瑞典圆弧法计算，公式如下：式中W—土条重，浸润线以上为湿容重，浸润线以下为饱和容重；Q、V—分别为水平和垂直地震惯性力〔向上为负，向下为正〕，U—作用于土条底面的孔隙压力；ɑ—条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角；b—土条宽度；с′、φ′—土条底面的有效应力抗剪强度指标；R—圆弧半径。③稳定分析方法岸坡稳定计算采用瑞典圆弧法算出滑裂面的平安系数，并找出相应于瑞典圆弧法最小平安系数及相应的滑裂弧位置。根据碾压式土石坝设计标准〔SL274-2001〕第8.3.2条及附录D的要求，按有效应力法计算坝坡的稳定最小平安系数。计算采用北京理正软件设计研究院编制的理正岩土计算4.0版边坡稳定分析，按程序要求输入坝体的外形轮廓尺寸、土料物理力学指标，然后由计算机按优选法自动计算找出坝内外坡最小平安系数。〔3〕岸坡稳定计算结果岸坡最小平安系数见表5.5-5，圆弧位置分别见图5.5-3。表5.5-5岸坡稳定计算结果表设计工况Cx(m)Cy(m)R(m)K标准允许值备注施工期从表5.6-3得知，岸坡的稳定平安系数K=2.14大于标准要求[K]=1.05，故岸坡是稳定的。图5.5-3岸坡稳定计算简图根据牛头水电站的引水布置，引水线路从仰屯拦水坝通过引水涵洞和引水隧洞调水至压力前池。本工程的引水线路总长9620m，其中：引水无压隧洞长8689.5m，涵洞长292.5m、压力钢管长638m。引水线路沿线建筑物分别为：1#引水涵洞、1#引水隧洞、2#引水涵洞和2#33/s。a〕引水口及1#引水涵洞引水口前沿长度33.96m，前沿底板高程为418.3m，M7.5浆砌石护底厚300m，与沉砂池m3/s，长，断面形式为钢筋砼箱型构造，进口底板高程417.10m，底坡坡降1/500，底宽，设计水深2.2mmm×m〔宽×高〕的拦污栅一道，涵洞线沿河岸阶地布置，涵洞末与1#引水隧洞相连。b〕1#引水隧洞该段引水隧洞接1#引水涵洞引水至2#引水涵洞，为一无压隧洞，总长4018m，设计引用流量为Q=m3/smm。隧洞进出口段30m范围内底采用C20砼全断面衬砌，厚度为30cm；中间段在底部衬砌C20砼10cm，直墙采用C20砼衬砌15cm。另外，由于引水线路所处地区为溶岩地区，根据本阶段设计深度，隧洞按洞长的25%进展全断面衬砌。在该引水隧洞进口设一闸门控制水流，闸门进口尺寸为2.4m〔宽〕×2.8m〔高〕m×4m的启闭机房，闭机房内装10t手电两用启闭机对闸门进展操作运行。c〕2#引水涵洞该段引水涵洞接1#引水隧洞引水至2#引水隧洞，总长170m，设计引用流量为Q=m3/smmm。涵洞过水面进展M10水泥砂浆抹面。d〕2#引水隧洞隧洞2#引水涵洞前池1#引水隧洞涵洞〔隧洞〕的特性详见下表5.5-6。工程名称设计流量(m3/s)断面形式比降长度〔m〕断面尺寸底宽×净高(m)水深(m)糙率流速(m/s)计算流量(m3/s)1#引水涵洞矩型1/500×1#引水隧洞城门型1/10004018×2#引水涵洞矩形1/1000170×2#引水隧洞城门型1/1000×a〕构造布置前池与引水隧洞出口连接，前池底板高程405.4m，正常水位410.2m，最低水位408.7m，最高水位411.1m，工作容积约为1030m3，前池压力墙和挡水墙为M浆砌石构造，迎水面现浇C20防渗砼，厚250mm，四周墙顶高程411.7m，顶宽1000mm，底板为现浇C20砼厚500mm。进水室底板高程405.9m，长3.3m，宽4.0m，进水室设有拦污栅、工作闸门各一道，闸后通气孔，孔径500mm，压力管进口采用圆弧形进口。溢流堰布置在进水室的左侧，堰顶高程410.3m，堰型采用实用堰，溢流宽8m，堰体为浆砌石构造，堰体与泄槽以圆弧连接，泄槽采用浆砌石构造，横断面为矩形°，泄槽底宽在堰后收缩为4.0m，渐变段长11.3m，收缩角10°，消能形式为挑流消能，反弧半径3m，挑角12°。b〕构造计算1〕淹没深度复核前池的最低发电水位为408.7m，压力管进口底高程为405.90m，压力管管为2.1m，最小淹没水深为0.7m，淹没深度复核按满发一台大机组时不产生贯穿式漏斗漩涡考虑，计算公式如下：S=CVd1/2式中：S——最小淹没深度；C——系数，本例取0.55；V——闸门处流速；d——闸门孔口高度。计算得S=0.63m<0.7m，满足淹没水深要求。2〕最高水位Z最高Z最高取电站正常运行条件下，突然丢弃全部负荷产生的最大涌波，约为前池溢流堰渲泄额定发电流量时的堰顶水头高H0。式中q－单宽溢流量〔m3/s〕，即每米溢流段的泄流量；M－流量系数，，m=0.38。由上式计算得H0=0.8m。Z最高≈Z堰顶+H0=410.3+0.8=411.1m。3〕进水室底板高程根据前池的最低发电水位和淹没水深及压力管的管径可计算出进水室底板高程。Z进底=408.7-0.7-2.1=405.90m。4〕前室底板高程Z前底=Z进底5〕压力墙顶和挡水墙顶高程Z顶=Z最高6〕稳定计算和地基应力3。墙后回填土石渣，容重为18kN/m3，有效内摩擦角为28°，砌体与地基间的摩擦系数取0.40。地基承载力设计值为300kN/m2。稳定计算工程包括：压力墙、挡水边墙、溢流堰体。压力墙：取最大断面，计算池内最高水位时的抗滑稳定及地基应力，作用荷载有水压力、土压力、自重，计算简图见5.5-4。挡水边墙：取最大断面，计算取池内最高水位时的抗滑稳定及地基应力，作用荷载有水压力、土压力、自重，计算简图见5.5-4；另外再取池内无水工况计算。溢流堰：取最大断面，计算取池内最高水位时的抗滑稳定及地基应力，作用荷载有水压力、土压力、自重，计算简图见图5.5-4。滑稳定计算公式：式中：Kc——抗滑稳定平安系数；f——摩擦系数； ——包括墙身自重、土重等垂直荷载的总和； ——水平土压力。②抗倾稳定计算公式：式中：K0——抗倾稳定平安系数；——作用于墙体的荷载对墙前趾产生的稳定力矩；——作用于墙体的荷载对墙前趾产生的倾覆力矩。③地基应力验算式中：——挡墙上下游边缘应力；——作用荷载对形心轴的力矩和。④水压力计算静水压强按Pwr=γwH计算式中：Pwr——计算点静水压强；H——计算点作用水头；γW——水容重。⑤土压力接主动土压力计算式中：Fa——主动土压力；γ——挡土墙背后填土重度；H——挡土墙后填土高度；Ka——主动土压力系数。接溢洪道设计标准〔SL253-2000〕式C.6.2-1计算。前池构造计算成果名称摩擦系数f抗滑稳定平安系数KC标准允许值K2抗倾平安系数K0标准允许值K2地基承载力计算值(kN/m2)最大应力(kN/m2)最小应力(kN/m2)压力墙45010067挡水墙45015769挡水墙〔池内无水〕45021413溢流堰4509557、挡水墙、溢流堰满足抗滑、抗倾、地基应力要求。前池与发电厂房用压力钢管连接，采用集中供水方式供水，侧向进水。管道采用焊接钢管，明管铺设，钢管材料采用16MnR，主管管径2100mm，长601m，管壁厚度8~16mm，叉管三根，长分别为37m、37m和43m，管线根据地形条件折线布置，在管道转弯处设镇墩，整个管路共设镇墩8个，镇墩间每隔8m设一支墩。a〕管径选择3/s，压力钢管的经济直径由下式试算：式中Qmax——压力钢管的最大设计流量〔m3/s〕；H——设计水头〔m〕。由上式计算得D=1.6m，相应流速为4.4m/s，流速较大，电站的水头损失为8m，根据工程经历，类似电站压力管的经济流速为2.7m/s左右，由此初拟本工程压力管的管径为2.1m。b〕水头损失计算1〕沿程水头损失hf沿程水头损失由下式计算：式中V——管道平均流速〔m/s〕；R——水力半径，圆管R=D/4，D为圆管直径；C——谢才系数，；n——糙率，对钢管取n=0.012；L——管长〔m〕2〕局部水头损失hj局部水头损失包括：进口、拦污栅、闸门槽、渐变段、水管转弯、岔管、电站出口等的局部水头损失。各个局部水头损失系数为：进口：喇叭形进口，取=0.15。拦污栅：拦污栅局部水头损失系数由下式确定：式中S——栅条宽度，S=10mm；b——栅条净间距，b=50mm；α——拦污栅倾角，α=75；β——栅条的形状系数，β=2.42；计算得=0.41。平面闸门槽：取=0.20。进口渐变段：进口渐变段断面由矩形变为圆形，圆断面渐缩小共取=0.15。圆形缓弯管：圆形缓弯管的由下式计算：式中D——管道内径,m；R——转弯半径，m；θ——转弯角。闸阀：电站机组满发时闸阀全开，取=0。岔管的局局部水头损失取=0.5。电站出口局局部水头损失：取0.15m。由上述计算公式可计算出电站满发时发电输水道的总水头损失为2.62m,其中沿程水头损失为1.9m，局部水头损失为0.72m。c〕管壁厚度确定1〕水锤计算(1)水锤波的传播速度：式中ε——水的弹性模量，ε×104kg／cm2；E——×106kg／cm2；D——压力水管内径〔cm〕；δ——管壁厚度〔cm〕；(2)水锤波在水管中往返一次所需要的时间由下式计算将水轮机导叶或阀门从全开〔τ=1.0〕到全关〔τ=0〕所需的时间Ts和Tr进展比拟，判别是发生直接水锤或是间接水锤。(3)判别水锤压力型式水击常数ρ和σ由下式计算：当水轮机导叶或阀门从全开到全关时，τ0=1，则由ρτ0及σ值查图表得知本水击所属第一相水锤。故水锤压力升高和降低的相对值为：从而水锤压力升高和降低的绝对值为：Δh升=Z末×HΔh降=Y末×H水锤计算成果见下表5.5-8。

表5.5-8水锤计算成果表计算项目3备注电站毛水头H毛〔m〕水锤波的传播速度C〔m/s〕水锤波往返一次的时间Tr〔s〕水轮机导叶关闭所需的时间Ts〔s〕7混流机组水击类型间接水击水击常数ρ水击常数σρτ0水击范围范围Ⅱ，第一相水击水锤压力升高相对值Z末水锤压力降低相对值Y末水锤压力升高绝对值Δh升〔m〕水锤压力降低绝对值Δh降〔m〕压力管末端最大设计水头Hmax〔m〕压力管末端最小设计水头Hmin〔m〕2〕管壁厚度计算参照水电站机电设计手册〔金属构造二〕，按下式初估管壁厚度：式中Hj──计算水头(m)；D──钢管直径(cm)；[σ]ch──许用应力(kgf/cm2)，对16MnR取[σ]ch=0.75[σ]=1500kgf/cm2；δ──管壁厚度〔cm〕。为节约钢材，分段计算压力管管壁厚度，列表计算如下5.5-9：

表5.5-9压力钢管管壁厚度计算成果表管段序号管径(m)终点钢管中心高程

(m)设计水头h(m)计算管壁厚度δ(mm)考虑锈

蚀厚度

(mm)选用管

壁厚度

δ(mm)主管12822103212421452166214叉管12102210d〕钢管抗外压分析1〕先假定本工程的压力管为无加劲环的光面管，则管壁的临界外压由下式计算：式中：——抗外压稳定临界压力计算值〔MPa〕；——钢材弹性模量〔MPa〕×105MPa；t——钢管管壁厚度，〔mm〕；D——钢管的内径，〔mm〕。钢管抗外压稳定平安系数由下式确定：K=Pcr/ΔP式中K——钢管抗外压稳定平安系数；ΔP——通气设备造成的负压〔MPa〕，取0.1MPa。列表计算如下表5.5-10。光面钢管抗外压稳定平安系数计算成果表序号管径(m)管壁厚度〔mm〕计算厚度〔mm〕Pcr〔Mpa〕ΔP〔Mpa〕K主管8610812101412161414120.211叉管1081080.16根据水电站压力钢管设计标准〔SL281－2003〕的要求，明钢管管壁和加劲环的抗外压稳定平安系数k不得小于2，从上表计算结果可知主管的抗外压稳定平安系数不满足标准要求，须设置加劲环，加劲环采用单腹板式构造；1#机组叉管的抗外压稳定平安系数k>2，能满足外压稳定要求；2#、3#号机组叉管的抗外压稳定平安系数k<2，须设置加劲环，加劲环采用单腹板式构造。2〕设有加劲环的明管，加劲环间管壁的临界外压按米赛斯公式计算。式中：——相应于最小临界压力的波数，由估算，取相近的整数；——加劲环间距〔mm〕。计算成果见下表5.5-11。压力钢管抗外压稳定平安系数计算成果表管径(m)管壁厚度〔mm〕计算厚度〔mm〕加劲环间距〔mm〕波数nPcr〔kPa〕ΔP〔kPa〕K备注8625006108400051210800030.2121412800030.334161480003108100002e〕钢管附件设计为使位于两镇墩间的管段分开，减少管段因温度变化而产生的轴向力，每两镇墩间均设伸缩节。为了方便对压力钢管进展内部检查、维护和修理，在9#镇墩〔位于主厂房背后〕上游侧设置一个进人孔。当压力钢管放空管内的水时，需要补充入空气以防止管内发生真空；当压力钢管冲水时，则又需要排除管内的空气。因此，在钢管上设置进气和排气阀。f〕镇墩计算镇墩采用M7.5浆砌石。地基为强风化岩石，摩擦系数f取0.45。稳定平安系数Kc≥1.5，砼容重为2.4t/m3，浆砌石容重为2.3t/m3。本计算中按温度升高，水管充水的情况进展计算，计算简图如以下图5.5-5：抗滑稳定系数按下式计算：式中：f——镇墩沿地基面上的摩擦系数；W——镇墩重量；ΣX——轴向力总和在X轴上的分力，水平轴为X轴，顺水流为正。ΣY=ΣA′sinα′+ΣA″sinα″ΣX=ΣA′cosα′+ΣA″cosα″ΣA′——来自镇墩上游侧的轴向力总和ΣA″——来自镇墩下游侧的轴向力总和α′——镇墩上游侧管段的倾角α″——镇墩下游侧管段的倾角作用在压力钢管上的力：1〕水管自重的轴向分力：A1'=g管L'sinα'A1"=g管L"sinα"式中：g管——每米长管重L'——镇墩中点至上游侧伸缩节间的长度L"——镇墩中点至下游侧伸缩节间的长度2〕作用在关闭阀门上的水压力3〕水管转弯处的内水压力：4〕水对管壁的摩擦力：式中：h摩——摩擦水头损失5〕温度变化时水管与支墩的摩擦力：A8=f〔N管+N水〕式中：f——N管、N水——镇墩中心至上游侧伸缩节间水管和管重在垂直管轴线的分力。N管=g管L′cosαN水=g水L′cosα6〕水管转弯引起水的离心力的轴向分力。轴向力ΣX及ΣY统计：ΣX=ΣA′cosα′+ΣA″cosα″ΣY=ΣA′sinα′+ΣA″sinα″镇墩抗滑稳定计算成果见下表5.5-12。表5.5-12镇墩抗滑稳定计算成果表墩号ΣX〔t〕ΣY〔t〕W〔t〕V〔m3〕Kc备注1290.965474.0552686.00111.913.802765.787468.0863317.00138.211.733910.385481.8383888.00162.011.684500.354487.5172981.00124.212.4351481.824490.6215921.00246.691.516303.280500.7952782.00115.903.797976.88486.103944.51164.351.798269.80594.042283.2295.132.92

从上表5.5-12可看出各镇墩的Kc值均大于1.5，故镇墩的抗滑稳定满足要求。g〕支墩1〕求出作用在支墩上的力作用于支墩上的荷载有钢管自重及管内水重的法向分力n管和n水、钢管与支墩的摩擦力a8以及支墩的自重q，计算简图如以下图5.5-6：2〕各力叠加并分为水平分力和垂直分力以支墩顶面的中点为原点，取水平轴为X轴，顺水流方向为正；垂直轴为Y轴，向下为正。各力在X轴上的水平分力为X=±a8cosα－〔n管+n水〕sinα各力在Y轴上的垂直分力为Y=±a8sinα+〔n管+n水〕cosα+q3〕支墩抗滑稳定计算按下式计算：计算时，根据对稳定最不利的情况取用a8的正号或负号。结果如下表5.5-13所示。

表5.5-13支墩稳定计算成果表支墩编号X〔t〕Y〔t〕fKcNo1～No8No9～No15No16～No24No25～No37No38～No47No48～No52No53～No59从以上计算结果可知，支墩满足抗滑稳定要求。a)厂房布置牛头水电站位于灌阳县牛头镇，结合地形、地质、施工、运行、对外交通、枢纽总体布置等综合考虑，牛头水电站的发电厂房布置在牛头镇下游黑水河左岸岸边的一级阶地上，距岭欧村东南约350m，距牛头镇约3km。厂址地势较平缓，地面高程242m～245m，场地内无崩塌、滑坡等不良地质作用。电站装机为2×5000kW的混流式水轮发电机加上1×2500kW的冲击式水轮机，混流式机组的主轴采用立式布置，厂房为非挡水岸边式地面厂房，m〔P=1%〕，设计洪水位为242.63m〔P=3.33%〕，正常发电尾水位为238.00m，m。本电站厂房采用单层与多层相结合的方式布置。混流式机组段共三层，分别为发电机层、水轮机层、水泵室层；冲击式机组段为单层，厂房为钢筋砼框架构造。主厂房平面尺寸根据机组及附属设备布置要求，同时考虑桥吊跨度要求，主厂房长37.50m，其中混流式机组段长20.0m，冲击式机组段长9.50m，宽14.50m，厂房地面高12.30m。1〕混流式机组段混流式机组段布置2台单机容量为5000KW的混流式水轮发电机，水轮机型号为HLA351－LJ—110，发电机型号为SFwm，水轮机层高程为239.25m，水泵室层高程为235.49m，厂房最低建基面高程233.52m，机组中心距8.0m，调速器和机旁盘柜布置在上游侧，每台机组设1个DN××2.58m。起吊设备选用1台20/5t电动双钩桥式起重机，跨度12.5m，吊车梁轨顶高程252.25m，屋面大梁底高程254.85m，屋面高程256.05m。×1.44m〔宽×高〕，流道底板面高程234.52m，尾水出口各设一扇检修闸门，闸门为平面钢闸门，启闭设备为两台5T电动葫芦，闸门检修平台高程为239.25m，启闭平台高程为244.30m。2〕冲击式机组段m，厂房最低建基面高程237.20m。水轮机型号为CJA237－W—135/2×16，发电机型号为SFw2500－16／2150，调速器和机旁盘柜布置在上游侧。设1个DN××1.69m〔长×宽×深〕。起吊设备与立式共用。×2.11m〔宽×高〕，流道底板面高程239.95m。m，地面高程为243.75m，比回车场高0.1m，载重汽车可由回车场直接进入电站厂房内进展装卸。副厂房布置在主厂房的上游侧，为砖混构造，长28.95m，宽8.0m，高5.2m。副厂房地面高程246.25m，根据不同功能设置有中控室、高压室、空压机室等。发电机层以下各层通风采光条件较差，通风以自然通风与机械通风相结合，采光以照明灯光为主。b)稳定分析厂房整体稳定按抗剪断公式进展计算，地基应力采用材料力学法进展计算。取混流式主厂房主机间一个机组段作为计算体。1〕荷载①构造自重厂房各局部构造自重按其几何尺寸及材料重度计算确定，材料重度按以下取用：砼重度厂房下部构造取24kN/m3，厂房上部构造取25kN/m3；浆砌石重度取22kN/m3；砖墙重度取18kN/m3；回填土石重度取17kN/m3；②设备自重厂房内机电设备重量计算固定的主要设备，不考虑附属设备及非固定设备重量。③水重水重按实际体积计算，重度取10kN/m3。④水压力作用在厂房上的静水压力应根据厂房在不同运行工况下的上、下游水位计算确定。⑤扬压力扬压力按垂直作用于计算截面全部面积上的分布力计算，电站厂房为引水