某水电站厂房机组选型及调压室结构设计说明书

某水电站厂房机组选型及调压室结构设计-PAGE６４--PAGE１-目录全套图纸加V信153893706或扣3346389411TOC\o"1-2"\h\z摘要 ３Abstract ４第一章设计基本资料 ６1.1地理位置 ６1.2水文与气象 ６1.3工程地质 ８1.4交通状况 ８1.5既给设计控制数据 ９第二章枢纽布置、挡水及泄水建筑物 ９2.1枢纽布置 ９2.2挡水及泄水建筑物 ９2.3坝内构造 ２２2.4溢流坝消能抗冲刷措施 ２３第三章水能规划 ２４3.1特征水头Hmax、Hmin、Hr、Hav的选择 ２４3.2水轮机选型比较 ２５第四章水电站引水建筑物 ３０4.1引水隧整体布置 ３０4.2细部构造 ３１第五章水电站厂房 ３９5.1厂房内部结构 ３９5.2主厂房尺寸 ４７5.3厂区布置 ４９第六章专题：调压室结构计算 ５０6.1荷载计算 ５０6.2配筋计算 ５８参考书目 ６５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238.0m（千年一遇），相应的下泄流量4600m3/s；校核洪水位240.0m（万年一遇），相应的下泄流量8350m3/s；正常挡水位230.0m.。本设计确定坝址位于山前峦附近，非溢流坝坝顶高程241.0m。坝底高程113m。最大坝高128.0m。上游坝坡坡度1：0.15，下游坝坡坡度1：0.74，溢流坝堰顶高程229.3m。引水遂洞进口位于坝址上游凹口处，遂洞全长1064m。洞径8.0m，调压室位于厂房上游210m左右处，高程245m的山峦上，型式为大井小井分离布置差动式调压室。厂房位于下游荻青位置。设计水头94.6m，装机容量4×4.0=16万kw，主厂房净宽17.0m，总长77.0m(包括装配厂及端部副厂房)。水轮机安装高程116.1m，发电机层高程124.5m，安装场层高程124.5m。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，坝址与厂区通过公路（公路段和遂洞段）连接，形成枢纽体系。另外，本设计还对调压室结构进行了布置结构计算。由此可见，本设计是合理可行的。AbstractTheWuxijianghydropowerstationislocatedinHuNanTowninZheJiangprovince,whichbelongstoachainofexploitation.Accordingtothedemandoftopographicform,Ichoosediversionhydropowerstation.Thegeologyconditionisgood.Themainconstructionconcludethewaterretainingstructure(theconcretenon–over-falldam),thereleaseworks(theconcreteover–falldam),thediversionstructure(pressureseepagetunnel,thesurge-chamber),andthesurfacepowerstation.Thedesignwaterlevelis238.0m,itscorrespondingflowamountis4600m3/s.Thechecklevelis240.0m,itscorrespondingflowis8350m3/s.Theregularwaterretaininglevelis230.0m.Thedamsiteisneartheformersaddle.Thecrestelevationofthenon-over-falldamis241.0m,andthebaseelevationis113m,Themaxheightofthedamis128.0m,Theupstreamdamslopeis1:0.15,thedownstreamdamslopis1:0.74,thespillwaycrestelevationis225.0m.Theinduceroftheseepagetunnelislocatedattherecessplace,Thelengthoftunnelis1064m,thediametricofwhichis8.0m.Thesurge-chamberislocatedatthemountain,whichis210mfromtheworkshopbuildingandistypeisdifferentialmotion.Theworkshopbuildingislocatedatdownstream,thedesignleveloftheturbineis94.0m,theequippedcapacitoris16×104kw,thecleanwidthis17.0m,itswholelengthis77.0m.Thefixleveloftheturbineis116.1m,andtheheightlfdynamois124.5m,theleveloftheadjustmentbayisalso124.5m(thesameasthedownstreamwaterlevel).Neartheworkshopbuilding,thereareswitchstationandthemaintransformerandsoon.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。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2～4m。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2～12m，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11～26m，右岸15～34m。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10～12m，右岸6～9m，河中6～8m，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0.5～0.8m，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：240.00m，校核最大洪水下泄流量8350m3/s。b.设计洪水位：238.00m，设计洪水最大下泄流量4600m3/s。c.设计蓄水位：230.00md.设计低水位：198.00me.装机容量：4×40MW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100m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坝轴线位置选择根据已知资料，山前峦坝址地形图，选择轴线应满足：尽量选择在河谷狭窄的地方；尽量避开较大的裂隙；满足施工条件的要求。综合考虑后选择的坝轴线与左岸的交点坐标为（20679191，3176358），与右岸的交点坐标为（20679640，3176358），穿过右岸部分裂隙，避开左岸裂隙；坝轴线总长约440m，。由于坝轴线较短，穿过裂隙不多可作地基处理。2.2挡水及泄水建筑物2.2.1坝高确定根据水电站装机16万kw，水库总库容15.84×108m3，取工程等级为一等，主要建筑物级别：1级，次要建筑物：3级，临时建筑物：4级。2.2.1.1坝顶超出静水位高度△h的计算本水电站未给出风速资料，参照工程经验，校核情况取浪高影响h=0.8m，设计情况取浪高影响h=0.5m。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△h设=h+

hc=1.5m△h校=h+

hc=1.0m2.2.1.2坝顶高程设计洪水位+△h设=239.5m坝顶高程=校核洪水位+△h校=241.0m取坝顶高程为241.0m查坝轴线工程地质剖面图，得出可利用基岩最低点高程113.0m，由此知大坝实际高度为241.0-113.0=128.0m。2.2.2挡水建筑物——混凝土重力坝2.2.2.1基本剖面由于电站形式为引水式，故坝上游侧无有压进水口，上游坝坡坡度不受限制，a．由应力条件公式确定坝底的最小宽度：（2-1）b．由稳定条件公式确定坝底的最小宽度：（2-2）式中B——坝底宽度；H——实际坝高（基本剖面H=238-113=125m）；——坝体材料容重，取24；——水的容重,取10；α——扬压力折减系数，取0.3；K——基本组合安全系数，查《水工建筑物》表2—7为K=1.1。两种条件所求得的坝底宽度分别为：B=86.26m及B=96.29m。初步拟定坝底宽度为92.5m，下游坡度为m=92.5/125=0.74。2.2.2.2实用剖面考虑运行交通及施工的要求坝顶宽度取为：B=(8%～10%)H=11m灌浆廊道距坝底5m，距上游坝面14.7m，廊道宽2.5m，高3m为了利用水重增加稳定，上游面距坝底50m处以下设一折坡，坡度取为：n=0.15实际的坝底宽度为B=92.5+50×0.15=100m剖面示意图如下：2.2.2.3坝底面的应力及稳定分析（1）荷载的计算（图中坝底面设有上下游排水，扬压力有三次折减，折减系数自左至右分别为：α=0.25；α1=0.2；α2=0.5）计算结果列表如下：表2-1设计状况下的荷载计算荷载名称荷载符号荷载值（KN）荷载方向作用力臂（m）对截面形心的弯矩值（KNm）自重W146257↓24.353561357.95水压力P178125→41.673255468.75P21824←3.76748.8P37500↓46.25346875P41349.8↓42.957906.42扬压力U111940.25↑43513430.75U22823↑3290336U310019.5↑110019.5U44798.9↑40191956浪压力PL14.4→1251800表2-2校核状况下的荷载计算荷载名称荷载符号荷载值（KN）荷载方向作用力臂（m）对截面形心的弯矩值（KNm）自重W146257↓24.353561357.95水压力P180645→42.333413971.4P22668←7.720543.6P37650↓46.25353812.5P41974.4↓41.4581838.88扬压力U112325.25↑43529985.75U22979↑3295328U310715.5↑110715.5U45803.9↑40232156浪压力PL5.8→127736.6注：表中荷载值为坝体单位长度1m的荷载大小。（2）稳定分析计算利用下述公式计算：

（2-3）式中：——抗滑稳定安全系数（设计情况取1.1，校核情况取1.05）；——滑动面上的抗剪摩擦系数（采用0.68）；——作用在滑动面以上的力在铅直方向投影的代数和；——作用在滑动面以上的力在水平方向投影的代数和；——作用在滑动面上的扬压力。计算结果为：设计情况下：=1.12>1.1，满足稳定要求；校核情况下：=1.08>1.05，满足稳定要求。（3）应力分析计算利用下述公式计算：a．水平截面上的边缘正应力：（2-4）式中——作用在计算截面以上全部荷载的铅直分力总和；——作用在计算截面以上全部荷载对截面形心的力矩总和；——计算截面沿上下游方向的宽度。b．边缘剪应力：（2-5）式中——分别为计算截面上下游的水压力强度；——分别为上下游坝面坡率。c．铅直截面上的边缘正应力：（2-6）式中——分别为上下游边缘扬压力强度。d．边缘主应力：（2-7）（2-8）计算结果列表如下：表2-3坝底面应力计算表设计情况1371.851138.65-205.8842.630.9623.51402.701762.20校核情况1371.021248.7-197.55924.129.6683.81346.601932.60注：表中各应力值单位为（KPa）。经过计算，坝底面没有出现拉应力，剖面满足应力条件要求。2.2.2.4上游折坡点所在平面的应力分析荷载的计算计算结果列表如下：表2-4设计状况下的荷载计算荷载名称荷载符号荷载值（KN）荷载方向作用力臂（m）对截面形心的弯矩值（KNm）自重W120644.8↓22.25459346.8W235703.2↓2.0874262.66水压力P128125→25703125扬压力U13046.9↑24.574649.05U24593.75↑3.2514929.7浪压力PL14.4→751080表2-5校核状况下的荷载计算荷载名称荷载符号荷载值（KN）荷载方向作用力臂（m）对截面形心的弯矩值（KNm）自重W120644.8↓22.25459346.8W235703.2↓2.0874262.66水压力P129645→25.67760987.2扬压力U13128.1↑24.576638.45U24716.25↑3.2515327.81浪压力PL5.8→77446.6应力分析计算采用计算公式同式（2-4）～（2-8）计算结果列表如下：表2-6上游折坡点所在平面应力计算设计情况429.51331.80985.60729.3429.502061.10校核情况299.81425.401054.80780.5299.802205.90注：表中各应力值单位为（KPa）。经过计算，上游折坡点所在平面没有出现拉应力，剖面满足应力条件要求。2.2.3泄水建筑物—混凝土溢流坝2.2.3.1堰顶高程考虑到基岩存在挤压破碎带，故取设计状况下的单宽流量q=65m3/s,则溢流坝前缘总净宽L=4600/65=70.7m，设计状况下洪水下泄量忽略发电引水部分。溢流堰闸孔数初定n=5,每孔净宽b=14m计算堰上水头（设计状况下）Q=LmH2/3（2-9）式中Q=4600m—流量系数,设计水头下取0.5—侧收缩系数,取=0.9g—重力加速度，取g=9.81计算得Ho设=10.3m校核状况下Q=LmH2/3（2-10）式中Q=8350,=0.9,m=0.5计算得Ho校=15.3m,堰顶高程=设计洪水位–Ho设=227.7m堰顶高程=校核洪水位-Ho校=224.7m考虑闸门的布置要求，初定堰顶高程为：▽=224.7m,正常蓄水位230m取闸门高度10m，闸墩厚度d=4m2.2.3.2溢流坝实用剖面设计（1）溢流面曲线堰顶最大水头=校核洪水位-堰顶高程=15.3m设计堰上水头 Hd=85%=13.0m溢流面曲线采用WES曲线Xn=KHdn-1y（2-11）式中Hd—定型设计水头K．n—与上游坝面坡度有关的系数和指数（查手册知k=2.0,n=1.85）则Y=x1.85/(2×13.00.85)=x1.85/17.7堰顶点上游椭圆曲线+=1（2-12）取a=0.3b=a/(0.87+3a)=0.17则椭圆方程为：对WES曲线求导，令其结果为下游坝面坡度，得出曲线与直线段切点的横坐标为x=20.31，代入坝面直线方程：y=x/0.74-13.3得出y=14.15，代入曲线方程得出y=14.83，据此，将溢流坝顶点向下游平移（14.83-14.15）×0.74=0.5m。直线段为原基本剖面坝面直线。下部反弧段采用圆弧曲线，由R/H=0.3～0.7确定反弧半径为R=32m。（2）消能设计拟采用挑流消能方式：下游最高尾水位136.1m，根据鼻坎应高出下游水深1～2m,取鼻坎高程为137m，高度为h=137-113=24m；鼻坎挑角取α＝25o由图量得鼻坎伸出基本剖面长度L=13.0m。由于L/h=13.0/27=0.48＜0.5，不必验算鼻坎截面应力。反弧处水深计算查《水力学》（下）P53取=0.95，由公式（2-13）式中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）φ——流速系数查表取0.9设计情况下：To=238-136.1=101.9m；单宽流量q=4600/70=56.7m/s经试算得：hco=1.41m；反弧段流速v=q/hco=56.7/1.41=46.6m/s校核情况下：To=240-136.1=103.9m；单宽流量q=8350/70=119.3m/s经试算得：hco=2.42m；反弧段流速v=q/hco=119.3/2.42=49.3m。2.2.3.3坝底面的应力及稳定分析荷载的计算计算方法与非溢流坝相同，结果列表如下：表2-7设计状况下的荷载计算荷载名称荷载符号荷载值（KN）荷载方向作用力臂（m）对截面形心的弯矩值（KNm）自重W154740↓14.252258410动水压力PX972←2423328PY3773.73↓38.75146232.04静水压力P177746.55→41.673239699P21824←6.3711618.88P37500↓53397500扬压力U111940.25↑49.75594027.4U22823↑38.75109391.3U310019.5↑9.7597690.13U44798.9↑40191956表2-8校核状况下的荷载计算荷载名称荷载符号荷载值（KN）荷载方向作用力臂（m）对截面形心的弯矩值（KNm）自重W154740↓14.252258410动水压力PX1867.4←2444817.6PY7274.88↓38.75281901.6静水压力P180072.55→41.673336623P22668←6.3716995.16P37650↓53405450扬压力U112325.25↑49.75613181.2U22979↑38.75115436.3U310715.5↑9.75104476.1U45803.9↑40232156注：表中荷载值为坝体单位长度1m的荷载大小。（2）稳定分析计算利用公式（2-3）计算：计算结果为：设计情况下：=1.24>1.1，满足稳定要求；校核情况下：=1.22>1.05，满足稳定要求。（3）应力分析计算利用公式（2-4）～（2-8）计算：计算结果列表如下：表2-9坝底面应力计算表设计情况608.11786.35-91.221321.913.7978.2621.8302764.50校核情况544.11895.6-81.611402.712.21032556.3102933.60注：表中各应力值单位为（KPa）。经过计算，坝底面没有出现拉应力，剖面满足应力条件要求。2.3坝内构造2.3.1坝顶结构2.3.1.1非溢流坝坝顶宽11m，两边设栏杆，路面中间高，两略边低，呈圆拱状，以便于排水，道路两旁设排水管，具体布置见大图。2.3.1.2溢流坝溢流坝段坝顶较非溢流坝段向上游伸出4m，向下游伸出8.5m，故坝顶总宽为23.5m，坝上布置门机轨道，溢流堰上设置两道闸门，上游侧设事故检修闸门，堰顶稍偏下游布置工作闸门。闸墩宽度4m，边墩2m，故溢流坝段总长86m，闸门门槽深1m宽1.5m。2.3.2坝体分缝2.3.2.1纵缝溢流坝段和非溢流坝段纵缝间距均为25m，具体位置见正图2.3.2.2横逢溢流坝段的横逢分在闸墩中间，每个闸墩分一逢；非溢流坝段分逢从溢流坝段两侧边墩起每隔25m分一条横逢。上游侧设有三道止水片。具体见正图。2.3.3坝内廊道沿灌浆廊道向上，间隔30m布置一层廊道，共分三层，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。为了进一步减小扬压力以利于坝体的稳定，坝基面上下游布置了两道主排水廊道。灌浆廊道尺寸宽3m，高4m，除灌浆廊道外，其余廊道尺寸宽2m，高3m，由于上游坝面折坡点较低，故廊道上下垂直布置，排水管亦垂直布置。2.3.4坝基地基处理坝址处岩基抗渗性较好，故防渗帷幕灌浆处理比较简单。左岸有断层破碎带贯穿整个山坡，故需进行灌桨加固处理，除适当国深表层砼塞外，仍需在较深的部位开挖若干斜并和平洞，然后用砼回填密实，形成由砼斜塞和水平塞所组成的刚性支架，用以封闭该范围内的破碎填充物，限制其挤压变形，减小地下水对破碎带的有害作用。河床段及右岸靠近河床段了裂隙，采用砼梁和砼拱进行加固，具体分法是将软弱带挖至一定深度后，回填砼以提高地基局部地区的承载力。2.4溢流坝消能抗冲刷措施消能方式采用挑流消能挑距按下式计算（2-14）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；α——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。计算得L＝248.7m冲刷坑深度按下式计算（2-15）式中——冲刷坑深度H——上下游水位差hk——取决于出坎单宽流量g的临界水深，——取决于岩石抗冲刷能力的无因次参数，对于坚硬岩石Kr1=0.7~人1此处取1.1t——下游平均水深计算得tr＝8.2m。L/=248.7/8.2=30.3＞5，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1m宽的导水墙，下游岸坡做简单防浪措施即可。第三章水能规划3.1特征水头Hmax、Hmin、Hr、Hav的选择3.1.1最大水头Hmax校核洪水位下四台机组满发情况：上游水位为240m，忽略发电引用流量，由下泄流量8350m/s查狄青水位流量曲线得下游水位为128.15m。取水头损失为3%，则最大水头为Hmax=（240-128.15）×3%=108.49m设计洪水位下四台机组满发情况：同样，Hmax=（238-123.94）×3%=110.64m设计蓄水位下一台机组发电情况：上游水位为230m，效率η=η水×η电=90%×96%=86.4%假定单机引用流量Q，由式Q=N/9.81Hη试算得出最大水头为Hmax=111.24m，此时Q=42.4m/s综上，最大水头为111.24m3.1.2最小水头Hmin取设计低水位下四台机组满发情况：上游水位为198m，效率η=86.4%同样假定单机引用流量Q，由式Q=N/9.81Hη试算得出最小水头为Hmin=78.97m，此时Q=59.76m/s3.1.3平均水头Hav平均水头=上游平均水位-下游平均水位-水头损失对于引水式电站，上游平均水位为压力前池正常水位与最低水位平均值，即（230+198）/2=214m下游平均水位取四台机组满发情况，同样经过试算可得出平均水头为Hav=94.6m，此时Q=50.0m/s3.1.4设计水头Hr引水式电站取Hr=Hav=94.6m3.2水轮机选型比较根据水头工作范围和设计水头查资料选择水轮机型,适合的有HL200和HL180两种型号，下面将对它们比较方案进行选择。3.2.1HL200水轮机方案的主要参数选择3.2.1.1转轮直径D1查《水电站》表3-6得限制工况下单位流量=950L/S=0.95m3/S效率＝89.4％，由此初步假定原型水轮机在此工况下的单位流量＝=0.95m3/S,假定效率η＝91.1％水轮机额定力Nr=4×104／96％＝41700kW设计水头Hr=Hav=94.6m=2.31m（3-1）取之相近而偏大的标称直径D1＝2.5m3.2.1.2转速n计算查《水电站》表3-4HL200最优工况下单位转速=68r/min，初步假定原型==68r/minr/min（3-2）选用与之接近的同步转速n=250r/min3.2.1.3单位转速n的修正值查《水电站》表3-4，HL200最优工况下ηMmax=90.7%,模型转轮直径D1M=0.46m则原型效率其中——模型最优工况下效率；D1M——模型转轮直径。考虑制造工艺差异性，取与假定值相同。（3-3）由于，故单位转速可不加修正，也可不加修正最后求得η＝91.1%，D1＝2.5m，n=250r/min3.2.1.4工作范围检验在Hr，Nr条件下（3-4）则水轮机最大引用流量Qmax=Q1maxD12=49.24m3/S与特征水头Hmax、Hmin、Hr相对应的单位转速为3.2.1.5吸出高度Hs计算设计工况下参数=77.11r/min=811L/s气蚀系数＝0.084修正值＝0.019（3-5）式中——水轮机安装位置的海拔高程，在初始计算时取下游平均水位海拔110m；H——水轮机设计水头。计算得Hs＝0.134m,3.2.2HL180方案主要参数选择3.2.2.1转轮直径D1查《水电站》表3-6得限制工况下单位流量=860L/S=0.86m3/S效率＝89.5％，由此初步假定原型水轮机在此工况下的单位流量＝=0.86m3/S,假定效率η＝90.8％水轮机额定力Nr=4×104／96％＝41700kW设计水头Hr=Hav=94.6m=2.43m取之相近而偏大的标称直径D1＝2.5m3.2.2.2转速n计算查《水电站》表3-4HL180最优工况下单位转速=67r/min，初步假定原型==67r/min选用与之接近的同步转速n=250r/min3.2.2.3效率修正及单位参数修正查《水电站》表3-4，HL180最优工况下ηMmax=92%,模型转轮直径D1M=0.46m则原型效率考虑制造工艺差异性，取与假定值相同。由于，故单位转速可不加修正，也可不加修正最后求得η＝90.8%，D1＝2.5m，n=250r/min

3.2.2.4工作范围检验在Hr，Nr条件下则水轮机最大引用流量Qmax=Q1maxD12=49.48m3/S与特征水头Hmax、Hmin、Hr相对应的单位转速为

3.2.2.5吸出之度Hs确定设计工况下参数=77.11r/min=814L/s气蚀系数＝0.081修正值＝0.019计算得Hs＝0.42m,3.2.3HL200和HL180方案比较表3－1方案参数对照

项目HL200HL180模型参数推荐用水头范围（m）最优单位转速n10＇（r//min）最优单位流量Q10＇（L/S）最高效率bMmax(%)√气蚀系数包含高效率区的多少90~1256880090.7%0.084较多90~1256772092%0.081较多原

型工作水头（m）转轮直径D1（m）转速n(r/min)最高效率额定出力Nr(kw)最大引用流量Qmax(m3/s)√吸出高度（m）71~1172.525093.4%4170049.240.13471~1172.525094.3%4170049.480.42比较之后选择机型HL1803.2.4水轮机安装高程水轮机采用立轴式，安装高程按下式计算：Zs＝ω＋HS＋bo／2（3-6）式中ZS－水轮机安装高程ω－设计水尾位，bo-导叶高度,bo=0.2D1=0.5mHs-吸出高度求得ZS＝116.1m第四章水电站引水建筑物4.1引水隧整体布置4.1.1洞线布置（水平位置）根据洞线布置要求，隧洞进口段设在坐标（20679660，3176318）处洞线起始沿南北向正向延伸，至第一个拐弯处的坐标为（20679600，3176850），至第二个拐弯处的坐标为（20679428，3177158），至第三处的坐标为（20679390，3177300）使洞线方向北偏东9度直至厂房。整条线路上所有节理，断层破碎带均与洞线以较大的角度相交，且压力管道出口处地势较陡，便于布置。4.1.2垂直方向隧洞进口断面为矩形，渐缩至主闸门段，过闸门段之后由矩形渐变圆形，至压力管道处再度渐变，隧洞段坡降0.4％，至压力管道后以45度角向下拐弯至坐标高程116.1m（水轮机安装高程）后水平布置分岔管直至厂房。4.2细部构造4.2.1隧洞洞径设计水位下四台机满发隧洞流量Q＝4Qmax=197.92m3/S假定有压隧洞中的经济流速v=4m/s,采用圆形断面，则隧洞直径=7.94m，取D=8.0m。4.2.2隧洞进口段根据地形条件隧洞采用洞式进水口。4.2.2.1闸门孔口断面断面宽度略小于洞径，取7.8m，高度略大于洞径，取8.2m。断面面积A=7.8×8.2=63.96m2断面流速v=Q/A=197.92/63.96=3.1m/s通气孔面积根据经验公式取通气孔面积为4m24.2.2.2进口高程闸门顶低于最低水位的淹没深度为：m（4-1）式中Scr——闸门低于最低水位的临界淹灭深度c——经验系数，取C＝0.6d——闸门孔口高度考虑半个浪高0.3m，进水口底部高程为：▽=198-6.2-0.3-8.2=183.3m4.2.2.3拦污栅断面过栅流速取v=0.8m/s，断面净面积为A=Q/v=197.92/0.8=247.4m2进口段底面为平面，顶部采用椭圆曲线连接，拦污栅与闸门之间侧墙用直线连接方式。椭圆曲线长轴a=(1.0~1.5)D，取12m短轴，取4m则椭圆曲线方程为：断面采用矩形，栅片倾斜60°放置。进口顶高h=8.2+4=12.2m宽度b=m中间设置隔墩，估算每片拦污栅宽度为5m进口布置如图：4.2.2.4闸门段及渐变段、事故闸门与检修闸门之间间距约0.4h=3.28m，考虑门槽布置，闸门段长取8m，闸门段后断面渐变为圆形，渐变段长度为（1.5~2）D=12m~16m，取15m。4.2.3拦污栅设计设支墩宽2m，共计18个栅片，每个栅片6×h=2.6×3.5m2,栅条厚取10mm，间距取84mm。其结构示意图如下：在高程215m处设置拦污栅清污平台。4.2.4压力管道设计管道内径估算，（4-2）取6.4m。式中Qmax——钢管最大设计流量；Hr——设计水头岔管采用卜型布置各分管内径均用经济直径公式估算。估算压力管道主管段全长160m。上游如需调压室，则布置在最靠近厂房地面高程的地方。4.2.5调压室设计4.2.5.1根据近似准则判断是否要设调压室厂房上游=6.13s>2~4s；（4-3）所以引水隧洞上必须设置调压室。式中L——压力水道（包括螨壳及尾水管）长度，m；g——重力加速度，9.81；H——设计水头，m；Tω——压力水道的惯性时间常数，s。4.2.5.2计算托马断面（4-4）式中——隧洞洞线总长——隧洞断面面积此时水位取死水位，引水隧洞糙率取小糙率，钢管采用大糙率死水位4台机组满发对应的隧洞流量Q＝245.76m3/s（4-5）式中hw0——隧洞段水头损失hwmo——压力管道段水头损失hwo=hf+hwhf－沿程水头损失hw－局部水头损失隧洞段水头损失hwo=hw+hf=（1.4~1.62）m压力管道部分hwmo=hfm+hwfm=9.26m。则H1=HO-hwo-3hwmo=65.4m则=406.64.2.5.3调压室选择设计（1）阻抗式取大井断面为F=410m2，大井直径D=22.85m。增荷情况取m=0.5，（由2台机组增加到4台）最高低浪计算：水头损失取大值1.62m参数＝77.62（4-6）（4-7）=3.52＝3.52×1.62＝4.08m;为达到平衡设计，取则阻抗孔口水头损失hco=13.08×1.62=21.19b．减荷情况取丢弃全负荷计算最高涌浪计算：水头损失取小值1.4m参数＝103.93S==72.75m（4-8）XO==0.019（4-9）最高涌浪由下式经过试算得出：（4-10）经过试算，Xm=-0.103涌浪水位为Zm=XmS=-7.49m由于，（4-11）不满足平衡设计。重新假定η值为7.5，，可以满足平衡设计。此时，可见，阻抗式调压室不适用。（2）差动式计算托马断面时计入底部流速的影响：（4-12）为了避开破碎带，升管与大井分开布置。升管直径取8m，与隧洞洞径相同。断面面积为=50.265m2，大井直径初选18m，断面面积为=254.469m2+=304.734m2＞282.03m2，满足波动衰减条件。a.突增负荷情况取m=0.5，（由2台机组增加到4台）最低涌浪计算：水头损失取大值1.62m（4-13）最大下降水位：（4-14）则水由大井流进升管的孔口阻抗系数为： ==16.08（4-15）阻抗损失：m（4-16）阻抗孔口面积为：（4-17）式中——水由大井流进升管的孔口流量系数，取0.8。b．核算最高涌浪丢弃全负荷计，流量减小到0。最高涌浪计算：水头损失取小值1.4m水升管由流进大井的孔口阻抗系数为：==28.59（4-18）式中——水由升管由流进大井的孔口流量系数，取0.6。用试算法计算：假定最高波动水位Zm相应大井水体积为：（4-19）升管溢流量为：（4-20）溢流水舌厚度：（4-21）式中M——堰顶流量系数，取1.5；B——堰顶周长，m。堰顶高于静水位高度：（4-22）进入大井水的体积为：（4-23）经试算最高波动水位Zm为–15.5m升管溢流量为溢流水舌厚堰顶高于静水位高度：最低涌浪水位=198–6.92=191.08m最高涌浪水位=230+15.5=245.5m从进水口到调压室处坡降为0.4%,进水口处闸门中心线高程∇=187.3m调压室处隧洞中心线高程∇=184.1m溢流堰顶高程∇=230.0+2.38=232.38m差动式调压室由两个直径不同的圆筒组成，其底部阻力孔口与外面的大井相通，它综合地吸取了阻抗式与溢流式调压室的优点，并且多用与高水头地质条件好的地形，与本电站相符合。第五章水电站厂房5.1厂房内部结构5.1.1水轮机发电机外形尺寸5.1.1.1主要尺寸（1）极距（5-1）式中Sf——发电机额定客量（KVA）；——系数，取8~10此时取9；P——磁极对数P=12。（2）定子内径（5-2）（3）定子铁芯长度（5-3）式中C——系数查表C=4×10-6~6.5×10-6取C=5×10-6（4）定子铁芯外径（5-4）5.1.1.2外形尺寸估算（1）定子机座外径（5-5）（2）风罩内径St>20000KVAD2=612+240=852mm（3）转子外径D3=Di=451cm（4）下机架最大跨度10000<St<100000KVAD4=D5+60=410cm其中D5为水轮机坑直径，查表为350cm。（5）推力轴承外径D6和励磁机外径D7查表得D6=300cm；D7=200cm5.1.1.3轴向尺寸计算（1）定子机座高度ne=250>214r/min，（2）上机架高度悬式承载机架，上机架高度h2=0.25Di=113cm（3）推力轴承高度励磁机高度h4和永磁机高度h6，副励磁机h5h3=170cmh4=210cm（其中机架高度800mm）h5=100cmh6=70cm（4）下机架高度悬式h7（5）定子支座支承面至下机架支承面或下挡风板之间的距离悬式非承载机架h8（6）下机架支承面至主轴法兰底面距离h9=100cm（7）转子磁轭轴向高度无风扇时，取h10（8）发电机主轴高度发电机总高H=h1+h2+…+h9-h7=1124cm主轴高h11=0.8H=899cm5.1.2发电机重量（5-6）式中K1——系数，悬式K1=8~10，这里取9发电机转子重约为Gf=158t发电机飞轴力矩估算（5-7）5.1.3水轮机蜗壳及尾水管水头范围78.97~111.24>40m，故采用金属蜗壳，对于D1=2.5m<3m的高水头混流水轮机，采用圆形焊接或铸造结构蜗壳半径：Vc—蜗壳断面流速座环外径Da=4200mm，内径D6=3400mm表5-1蜗壳渐变段内径数据表断面φiρi(mm)ai=ra+ρi(mm)Ri=ra+2ρi(mm)034515923867545913001484375952432255136936445013321012423517475941651101337644775120939321441536757423017375973046927443213尾水管尺寸（标准混凝土肘管）h=2.6D1=7.15m，L=4.5D1=12.375m，B5=2.72D1=7.48mD4=h4=1.35D1=3.713m,h6=0.675D1=1.856mL1=1.82D1=5.005mmh5=1.22D1=3.355m5.1.4调速系统，调速设备选择5.1.4.1调速功计算A=（200~250）QD1>30000N.m（5-8）（属大型调速器）式中Hmax—最高水头D1——水轮机直径5.1.4.2调速器选择（1）接力器直径ds=（5-9）根据手册选择ds=350mm的标准接力器（2）接力器最大行程Smax=1.4a0max（5-10）a0max——水轮机导叶最大开度由综合特性曲线上查得a0Mmax=30mma0max=a0Mmax则Smax=0.228m（3）接力器容积计算（5-11）（4）主配阀直径（5-12）式中选用导叶关闭时间Ts=4S油管中流速v=4.5m/s根据主配阀直径查手册选用DT-100型电气液压型调速器5.1.4.3油压装置选择VK=（18~20）VS=1.06~1.18m3选用组合式油压装置HYZ-1.6组合型油压设备。5.1.5水轮机阀门及其附件由一根输水管向几台机组供水时，需设进水阀，水头较大，故选用蝴蝶阀（配套设备：伸缩节、空气阀、旁通阀）（5-13）压力油源及设备:a.油泵输油量V=80L/minb.油压装置>4.5VS=4.5×0.08=0.36m3取组合式油压装置HYZ-4.0油压装置的外形及尺寸如下：表5-2：油压装置外形尺寸型号油罐长度宽n(mm)总高H油罐高h油罐外径HYZ-1.62400mm170032702370φ1028HYZ-4.02950mm200044503050φ1300进水阀附件旁通阀：直径取φ400mm,空气阀：直径φ=400mm.为便于进水阀安装有拆卸、附设伸缩节。5.1.6起重机设备选择1、设备型号台数选择：最大起重量158t，机组台数4台，选用一台双小车起重机，跨度14m（根据厂房净宽确定）具体尺寸参数如下：表5-3工作参数表名义起重量（t）单台小车起重量（t）跨度Lkm起重高度m速度（m/min）单台小车重（t）起升运行主钩副钩主钩副钩小车大车2×1001002015261613.727.719起重机最大轮压起重机总重（t）电动机（型号/KW）总容重（KW）单台小车起重量(t)起升机构运行主副小车大车61.594JZR2-51JZR2-22-6JZR2-41-89310020-1812×2/5×2/11×2主要尺寸小车轮距LT小车轮距KT大车轮距K大梁底面至轻道距F起重机最大宽度B轻道中心距起重机外端距离B1轨道面至起重机顶端距离H4400200044006509200460370轨道面至缓冲器距离H1车轨中心至缓冲器外端距离操作室底面至轨道面h3两小车吊钩间极限位置推荐用大车轨道吊钩至轨道吊钩至轨道中心距离hh11200198029003100主钩副钩L1L2Qu-100124070011001600平衡梁吊点至大车轨顶极限位置189mm吊具：双小车平衡梁尺寸表5-5平衡梁参数吊钩起重量（t）平衡梁起重量(t)aa1a2a3bhh1自重(t)2×10020037803100145070013009406545785.2主厂房尺寸5.2.1长度5.2.1.1机组段长度蜗壳层L=5.74+5.11=10.85m尾水管层L=B+2δ2=6.86+2.4=9.26mC、发电机层L=φ+b+2δ=8.52+2×0.5+4=13.52m式中B——尾水管宽度;δ2——尾水管边墩砼厚度取1.2m;φ3——发电机风罩内径;δ3——发电机风罩壁厚，一般取0.3~0.4m；b——两台机组之间风罩外壁的净距，一般取1.5~2.0m；但因机组间布置楼梯，一般取3-4m；最终取机组段长度为13.5m。5.2.1.2端机组段长度L=7.5m5.2.1.3装配场长度1.0~1.5机组段长度再由吊车极限位置同时控制，确定装配场长度为15m，再设置端部副厂房，最终确定厂房段总长77m。5.2.2宽度由于厂房设置蝴蝶阀，故厂房宽度取决于下部尺寸，结合桥吊的标准跨度，取厂房宽度为17m。装配场宽度与主厂房相同。5.2.3厂房各层高程确定5.2.3.1水轮机安装高程HL180-LJ-2505.2.3.2尾水管底板高程（5-14）式中h1——尾水管高度（m）bo——导叶高度（m）5.2.3.3水轮机层楼板高程=ZS+r2+h3=118.5m（5-15）式中r2—蜗壳进口半径h3—蜗壳进口断面上部尺寸5.2.3.4发电机定子安装高程=+h1+h2=121.5m（5-16）式中h1——水轮机进人孔高h2——孔顶深梁高5.2.3.5发电机层楼板高程（定子埋入式）=+h=121.5+2.93=123.8m，取为124.5m采用发电机层和装配场层同高方案，装配厂高程124.5m。该高程低于校核情况下游水位，但高于设计情况下游水位。考虑洪水期对外交通，将主厂房大门作成止水门，洪水时关闭，暂时中断对外交通，人员经高处通道进出。5.2.3.6吊车轨顶的高程=134.5m；5.2.3.7厂房顶部高程=140.0m。5.3厂区布置厂房部分依山而建，可利用场地面积狭小，又因厂房尾水管尺寸较长故考虑将副厂房布置在厂房下游，厂房东面有一定面积的平整场地，故考虑厂房东侧布置开关站（220KV）厂房西侧布置主变和110KV开关站，公路厂房西侧过来，因厂房后身依傍山坡，无法作交通用，故考虑以尾水平台作公路用，公路空心盖板下面布置电葫芦起吊运送闸门。根据布置需要取下游副厂房总宽7.3m，尾水平台总宽3.9m，故尾水管长度需加长至15.4m。副厂房共分四层，最上层布置直接生产用房，（中控室，继电保护盘室等）具体布置见正图，第二层布置电缆层，第三层布置出线层，其作用是将电传至厂房西侧的主变。最下一层布置事故油层。第六章专题：调压室结构计算6.1荷载计算假设井壁与底板刚性连接，为埋于岩石中的调井受力计算：6.1.1基本假定：根据文克尔的假定，岩石为均匀弹性介质，当井壁及地板向岩石的方向变位时，岩石产生的抗力与变位成正比，P=ky;井壁与岩石紧密结合，其间的摩擦力已能维持井壁自重，故井壁的垂直位移为0；底板受到井壁传来的对称径向力（拉力或压力）所引起的变位与井壁挠曲变位相比很小可忽略不计。故假设底板没有水平变位；井壁及底板厚度与直径相比较薄，可用薄壳与薄板理论计算。6.1.2计算步骤：6.1.2.1求出大井底部的定端力矩、剪力及挠度：当井壁底端固定，承受内力压力作用时，井壁底部的定端力矩公式MF=（6-1）式中R——井壁中心线半径t——井壁衬砌厚度r——水的容重E——衬砌材料的弹性摸量μ——衬砌材料的泊松比H——水位高度β——系数，β=＝1.036D——挠曲劲度D==4.72×105计算得：MF=-269.7KNm/m定端剪力公式为：VF=（6-2）式中各符号意义同上，计算得：VF=563.48KN/m抗挠劲度公式为：=2βD（6-3）计算得：=9.78×105KNm/m6.1.2.2求出底板端部的定端力矩、剪力及挠度：底板的定端力矩和抗挠劲度同环行板：平均外半径b=9.3m，内半径a=1.86m。底部的定端力矩公式为：Mr=（6-4）式中——荷载强度 ——特性长度l===1.3 ——底板挠曲刚度 ==2.186×106δ——底板厚度，取1.0m。K′——弹性系数C1C2C3C4由下面方程求得：C1Z1+C2Z2+C3Z3+C4Z4+1=0C1Z1′+C2Z2′+C3Z3′+C4Z4′=0由z==1.82，查表求得Z1=0.8367Z2=-0.7953Z3=0.1588Z4=-0.1056Z1′=-0.3612Z2′=-0.8509Z3′=-0.15943Z4′=0.1056Z1″=-0.5945Z2″=-0.364Z3″=0.098Z4″=-0.2175由z==9.10，查表求得Z1=80.85Z2=20.72Z3=0.032144Z4=-0.0003616Z1′=67.14Z2′=-43.58Z3′=0.049289Z4′=0.03427Z1″=13.375Z2″=-75.78Z3″=-0.0003718Z4″=-0.0002613分别代入方程可解得：C1=-0.0016C2=-0.01555C3=-5.8146C4=-8.9139再由q=588.6KN/m2l=1.3m代入式（6-4）求得Mra=-843.94KNm/mMrb=-670.97KNm/m抗挠劲度公式为S=-(∑CnZn″+∑CnZn′)（6-5）式中∑Zn′及∑Zn″同上，∑Cn由下述方程组求得：C1Z1（a）+C2Z2（a）+C3Z3（a）+C4Z4（a）=0C1Z1′（a）+C2Z2′（a）+C3Z3′（a）+C4Z4′（a）=1C1Z1（b）+C2Z2（b）+C3Z3（b）+C4Z4（b）=0C1Z1′（b）+C2Z2′（b）+C3Z3′（b）+C4Z4′（b）=0代入得C1=0.0011C2=-0.00524C3=0.48719C4=-8.7725将相应数值代入式（6-5）得：内缘Sa=3.998×106外缘Sb=8.88×105传递系数Cab==0.2226.1.2.3对井壁和底板进行力矩分配MO=MF+△MV0=VF+△V△M由井壁与底板不平衡力矩及抗挠度分配求得，不平衡弯距为：Mrb-MF=-670.79+269.79=401.09KNm分配比为：=0.524（直井）1–0.524=0.476（底板）分配弯距401.09×0.524=210.17401.09×0.476=190.92故筒底最终弯距为M0=-269.7–210.17=-479.87KNm剪力为V0=563.48+1.036×210.17=781.22KN6.1.2.4求出升管底部的定端力矩、剪力及挠度：计算方法与大井相同，利用公式（6-1）及（6-2）计算可得：定端力矩为MF=-236.89KNm定端剪力为VF=-236.89KN6.1.2.5求出沿井壁的力矩、剪力及环向力的分布x由井底向上计取，在距离底板x处的力矩Mx、剪力Vx、倾角、变位Yx及环向力Tx分别用下式计算：Mx=Vx==Yx=（6-6）Tx=其中：φ=ξ=ψ=θ=计算结果列表如下：表6-1大井井壁荷载分布表xβxφψθξ0011100.50.5180.81220.22380.5180.294211.0360.4864-0.12340.18160.30491.51.5540.213-0.20370.00410.211422.0720.0502-0.1708-0.06030.11052.52.59-0.0245-0.1032-0.06380.039433.108-0.0431-0.0462-0.04470.00193.53.626-0.036-0.0112-0.0236-0.012444.144-0.02190.0047-0.0086-0.01344.54.662-0.00990.009-0.0004-0.009455.18-0.00250.00760.0025-0.00515.55.6980.0010.00460.0028-0.001866.2160.00190.00210.002-0.00016.56.7340.00160.00050.00110.000677.2520.00130.00010.00070.0006续：MxVxdy/dxYxTx-479.87781.220.001755-0.00088-1450.4-167.903467.35720.0011380.000228375.1327-3.49282206.75650.0005570.0006341042.59657.1980951.058390.0001730.0006521072.74359.23526-23.5633-1.6E-050.00054888.228241.46717-41.4469-7.7E-050.000407669.845522.11513-34.2032-7.2E-050.000311511.97067.924852-21.0789-4.6E-050.000258425.00860.404615-9.65175-2.1E-050.000237390.072-2.33755-2.31535-3.5E-060.000233382.9636-2.646080.8663935.03E-060.000235387.1449-1.83721.803898.01E-060.000239393.1412-0.987161.5411337.92E-060.000241396.242-0.315350.9871846.81E-060.000241396.4196-0.171390.6746966.19E-060.000239393.47086.1.2.6求出升管的力矩、剪力及环向力的分布同样利用公式（6-6）计算，结果列表如下：表6-2升管井壁荷载分布表xβxφψθξ0011100.55310.5180.81220.22380.5180.29421.10621.0360.4864-0.12340.18160.30491.65931.5540.213-0.20370.00410.21142.21242.0720.0502-0.1708-0.06030.11052.76552.59-0.0245-0.1032-0.06380.03943.31863.108-0.0431-0.0462-0.04470.00193.87173.626-0.036-0.0112-0.0236-0.01244.42484.144-0.02190.0047-0.0086-0.01344.97794.662-0.00990.009-0.0004-0.00945.5315.18-0.00250.00760.0025-0.00516.08415.6980.0010.00460.0028-0.00186.63726.2160.00190.00210.002-0.00017.19036.7340.00160.00050.00110.00067.74347.2520.00130.00010.00070.0006续：MxVxdy/dxYxTx-236.89528.020.000915-0.00014-486.097-51.948272.33170.0006110.0002981061.42930.3390194.609930.0003090.0004421571.23350.46693.2159260.0001040.0004321535.81640.86193-32.28387.73E-080.0003761336.31924.61376-33.8461-3.6E-050.0003161125.07211.11704-23.3989-3.5E-050.000275977.96372.608156-12.4114-2.3E-050.000252897.9831-1.2094-4.53991-9.4E-060.000243864.7661-2.14244-0.17342-2.1E-070.00024855.4015-1.842571.3405524.49E-060.00024854.8792-1.096231.4856926.23E-060.00024855.2044-0.497831.0564426.28E-060.00024852.4543-0.092580.578415.73E-060.000238846.9314-0.021510.3672025.41E-060.000236838.6426.1.2.7