水利枢纽和主要建筑物设计

水利枢纽和主要建筑物设计进一步培养我们理论联系实际的能力，特别是为了能使我们尽快的适应即将面临的工作，成为一名合格的水利水电工程技术人员，我们进行了历时一个学期的毕业设计。本次毕业设计是设计者根据自己所学的知识、参考许多相关的教③提高了我们设计、计算、绘图的能力以及编写设计说明书和计算书的能由于时间仓促，水平有限，本设计中难免有些不足之处，还希望各位老师装机容量为9000千瓦。经调洪演算得其设计洪水位为142.1143.08米。本枢纽主要建筑物由挡水建筑物、建筑物组成。主要建筑物为二级，次要建筑物为三级。坝型选用混凝土实体重装场段，厂房采用坝后式。施工导流选用两期两段的导流方法，一期由束窄河床泄流，二期由导流底孔泄流。详细说明参见正文，第一章概述一.流域概况(参阅J水流域及湘-01水利枢纽位置示意图)J水发源于山区,流经H,C等县市,而于H市附近汇入S江,其于流总长197公里,流域积3356平方公里,坝址控制流域面积711平方公里,占全流域面积的21%,J水属于山区性河流,流域内多为山区和丘陵区,年为最大.口人间斤/间斤/斤流域内虽然雨量较充沛,但年内分配极不均匀,往往在农作物生长季节久晴积年年年解放以来,本地区修建了很多小型水利工程抗旱能力大大提高,但为了根治限于小规模手工开采阶段,其他工业方面尚有陶瓷厂,冶炼厂和穴县厂等,这些工矿企业的发展,农附产品的加工及农村照明等,都迫切需要电力.J水上游盛产竹木和其他物资,因为交通不便,无法运往下游,造成水路交通不便的的原因是:山区性河流,坡度陡,在洪水期,水流湍急,不便航运,枯水期水深不足,不能航运,所以,为了沟通城乡物资交流,急需发展水利事业.湘-01水利枢纽位于J水上,距C县县城约40公里,根据国民经济发展要求,本枢纽是以防洪发电为主,并考虑灌溉,航运,渔业的综合利用的水利工程.11.8秒立方米.机组间距7.0米,厂房尺寸28.0*11.2平方米.发电机层高程112.7流灌溉.干渠长度约16公里,坡降约为0.5%,渠首高程要求不低于12012645Q1%Q2%Q5%Q10%Q1%Q2%Q5%Q10%本枢纽位于河段峡谷出口处，峡谷进口流向正东，距出口200米，即转流正南，峡谷水面宽约25~40米，峡谷长约800米左右，两岸山为泥盆（1）下泥盆纪：极坚硬的砾状厚层硅质砂岩及石英岩夹少许薄层碰质页峡谷地下水以裂隙水与空隙水为主，前者呈不连续分布，主要埋藏在硅质砾岩、石英岩及石英砂岩中，涌水量少，后者呈连续分布，以冲积沟中坡积层最为发达，涌水量变化较大，两者均为大气降雨补给，然后补给河水，地下第二章枢纽位置确定及各建筑物级别根据库容的要求，水电站正常高水位为140米，水库最高水位不得超过综合以上所述的库容和发电的要求，工程等别需要取最高等别，即该工程等别为二等。根据水工建筑物级别划分可查得主要建筑物为2级，次要建筑物建筑物级别洪水重现期134永久建筑物正常运用洪水标准2000～500100～50永久建筑物非常运用洪水标准5000500临时建筑物10～5拱坝是基本坝型里最晚发展起来的。其优点是利用拱作用于坝体上的水压力传至坝肩两岸的岩体中，坝内的主要应力为压应力，从而充分利用了混凝土抗压的性能，而且可以利用拱座下游的岩体抗历来维持坝的抗滑稳定，最终达到节约材料的目的；且拱座是整体性的空间结构，超载能力较强，坝体比较轻韧，弹性较好，只要基岩稳定，拱坝的抗震能力就比较高；因拱坝较薄，扬压力也较小。但其也存在许多缺点，如拱坝的修建对河谷的形状要求较高，对两岸的岩石完整性要求较高，对坝体材料的强度和防渗要求及施工要求都比较严拱坝的修建对地形条件和河谷的要求比较高。河谷的形状特征常用坝定高河谷，拱坝的弧弦长相对于坝高较小，拱的作用能更好的发挥，大部分荷载通过拱的作用传至两岸，仅有小部分荷载通过梁的作用传至坝基，故坝体可以修建的较薄。根据工程经验，在L/H＜1.5的深窄河谷可以修建薄拱坝，在要的传力系统，一般认为只能修建重力坝或拱支墩坝由一系列支墩和盖板所组成。至墩沿坝轴线排列，前面设有盖板，形成挡水面。库水压力由盖板传给支墩，在由支墩传给地基。支墩坝可以节约混凝土方量，随受力情况调整厚度，从而充分利用混凝土的容许抗压强度，从施工条件难易并存，溢流要慎重。由于支墩坝应力复杂，并存在许多问题未得到解决，且近几年的工程中已经很少采用支墩坝了，土石坝是土坝和堆石坝的总称。土石坝历史悠久，在国内为广泛采用。因为它可以就地取材，节约水泥、木材和钢筋等重要的建筑材料；对地质要求较低，能适应地基变形；结构简单，便于维修和加高、扩建；施工技术较简单，工序少，便于组织机械化快速施工；有较丰富的修建经验。但其抵御洪水漫顶的能力差，坝身一般不能溢流，需另设溢洪道；施工导流不如混凝土坝方便；粘性土料的填筑受气候条件的影响较大。在甲坝轴线上，没有垭口，不能设置岩基上的重力坝在水压力作用下，主要依靠坝体自重产生的抗滑力维持稳定。与常用坝型比较，混凝土重力坝具有如下优点：重力坝设计和建造的经验比较丰富，安全可靠，剖面尺寸大，应力较低，筑坝材料强度高，耐久性好，因而抵抗水的渗漏、洪水漫顶、地震和战争的能力较强，使用年限较长，养护费用较低；由于坝体作用于地基面上的压应力不高，对地形、地质条件适应性强，任何形状的河谷都可以修建重力坝；重力坝可以做成溢流的，也可以在坝内设置泄水孔，一般不需要另外设置溢洪道或泄水隧洞，枢纽布置紧凑，泄洪问题容易解决；便于施工导流，在施工期可以利用坝体导流，一般不需要另开导流隧洞；大体积混凝土可以采用机械化施工，在放样、立模和混凝土浇捣方面都比较简便；重力坝沿坝轴线用横缝分成若干坝段，各坝段独立工作，结构作用明确，应力分析和稳定计算都比较简单；在严寒地区，与拱坝或支墩坝相比，受到冻害的影响较小。但是由于依靠自身重力维持稳定，所以坝体的体积较大，要消耗大量的水泥；坝体应力较低，材料强度不能充分发挥；坝体与地基的接触面积大，因而坝底的扬压力较大，对稳定不利；由于坝体体积大，施工期混凝土的温度应力和收缩应力较大，在施工期对混凝土温度控制的要求较经过以上几种坝型相比较，本工程适合选用拱坝和重力坝，由于毕业设计在重力坝中根据坝的横断面的结构型式可分为实体重力坝、宽缝重力坝、 一般重力坝沿坝轴线所设横缝很宽，又称实体重力坝。宽缝重力坝是在实体重力坝的基础上，将横缝扩宽成为空腔而成的。设置宽缝后，坝基的渗透水可从宽缝中排出，所以扬压力显著降低，作用面积也相应减小；由于宽缝重力多；宽缝增加了坝体的侧向散热面，加快了坝体混凝土的散热过程。但是宽缝重力坝增加了摸板用量，尤其是倒坡部分更增加了立模的复杂性；在某些部为上存在局部的不利应力分布，温度应力问题也较多；施工比较复杂，需要的人空腹重力坝是在坝内布置大型空腔，空腔下面不设底板，坝底所受的荷载因而混凝土方量可较实体重力坝节省203上游坝踵的应力较大，扬压力可进一步得到降低；可以适应某些不利的地质条件（例如坝修建在具有软弱断层的地基上，可用空腹越过软弱层）同时尚可利用空腹布置水电站的厂房等。它的缺点是在空腹附近的应力分布较复杂，可能存在一定的拉应力，须配置较多的钢筋，应力分析及施工过程比较复杂在实际坝的特点是利用预加应力措施来增加上游部分的压应力，以增加坝体的稳定性，并有效地改善坝身应力，从而可以大大消减坝体的断面，达到节约混凝土的用量。但这种坝也同样存在施工复杂钢筋用量多的缺点，在实际工程中很要考虑渗透和层与层之间的接触问题且施工复杂，因为我们现在的水平有实体重力坝是最原始也是最简单的型式。其优点是施工，计算，设计均较本工程所在坝址的地质条件比较好，因而也无须建空腹重力坝，从而减少施工难度；由于宽缝重力坝对扬压力的减少不明显，且其应力也复杂，故也无须修建宽缝重力坝；预应力重力坝的钢筋用量大，施工复杂，在此也不宜选用此重力坝；而实体重力坝其优点及本枢纽所在的地形地质条件（地质较好，河本枢纽的主要任务是防洪发电，主要建筑物有挡水建筑物，泄水建筑物：常用的坝身泄水建筑物有坝身泄水道（包括溢流坝、中孔泄洪孔、深式泄水孔、坝下涵管等）和河岸泄水道（包括河岸溢洪道和泄水隧洞河岸泄水道多用于土石坝的水利枢纽中，并且因为没有垭口，不适合用河岸溢洪道。本工程选用的是实体重力坝，坝身可过水，无需采用泄水隧洞。实体重力坝可做成溢流的形式，坝顶溢流式除宣泄洪水外，也能用于排除冰凌和飘浮物。由于坝顶闸门承受的水头较小，空口尺寸可以较大，随着库水位的升高，下泄量也迅速增大。因此，当遭遇意外洪水时，可有较大的超泄能力，而且闸门启闭操作方便，易于检查修理，工作安全可靠，所以本工程的泄水建筑第三章调洪演算本水库选择表孔泄洪，表孔和深孔相结合的放空方式。当来采取对称开启或局部开启，当来水量大于闸门全开时水库的运用方式是在洪水来临时，先用闸门控制使来洪量Q=下泄量q,来多少洪水泄多少洪水，此时，水库保持防洪限制水位不变；当来洪量继续加大，在来洪量Q大于下泄量q后，闸门全开，作为无闸门情况对待。泄洪单宽流量q与地基岩石有Q关，坚硬完整的岩石q=100～130米3/秒，较单宽流量q=60米3/秒，允许最大设计下泄流量max=900米3/秒，则可流坝段溢流前缘宽度L0=Qmax/q=900/60=30,孔口宽度b=15米。从而可确定孔口程为140.5米，从而闸门顶部高程为140.5-令f1（Z）=V1-q1/2,f2（Z）=V2+q2/2,f3（Z）=Q下。12分别为计算时段初、末的下泄流量（米3/秒）能力计算公式为mBH3/2,其中B=30米。方案12堰顶高程堰流前缘宽设计洪水位142.08142.1设计泄流量705645校核洪水位143.06143.08校核泄流量955960上述两个方案的下泄流量均满足要求，且由于坝高较低，两个方案各项数据相差均较小，作为安全考虑，因此选取的方案II作为最后方案，堰顶高程既第四章重力坝挡水坝段剖面设计无交通要求时，坝顶宽度可采用坝高的8%～10%，一般不小于2米。坝基面高程为102米，坝高为147-102=45米，所以坝顶宽度可取为4米。取上游边坡系数n1=01,下游边坡系数n2=0.7。根据资料给定淤沙高程为108米。上游边边坡系为了减小渗水对坝体的不利影响，在靠近上游面处需要布设排水管。排水管距上游面距离一般不小于坝前水深的1/10～1/20，且在坝顶处排水管据上游选择实用剖面1）适合于地基条件较好,坝体与基岩间摩擦系数较大的情况，坝体剖面由强度条件控制2）坝体剖面利用水重和布置坝体泄水孔3）适合于地基条件较差,坝体与基岩间摩擦系帷幕灌浆需要在坝体浇筑到一定高程后进行，以便于利用混凝土压重提高灌浆压力，保证灌浆质量，为此需在坝踵部位设置灌浆廊道。廊道断面一般采取城门洞形，由于坝高限制，廊道底宽取为2米，高可取为3米。距上游面的距离可取0.05～0.1倍水头处，廊道地面距基岩不小于1.5倍基岩宽度，因此廊道为了检查巡视和排除渗水，常在靠近坝体上游面设置检查廊道，断面形式多采取城门洞形，最小宽度为1.2米，最小高度为2.2米，距上游面的距离应不剖面优化为电算过程，计算结果附于设计计算书最后。经过剖面优化，可坝体稳定和坝基边缘应力的具体计算过程详第五章溢流坝段设计堰形选择：溢流堰堰面曲线以往国内多采用克—奥曲线。从我国工程采用的克—奥曲线情况看，有些工程并不符合该曲线的边界条件。近年来的一些工算切点位置及放样均方便的多，与上游面成坡形连接，按定型水头设计此堰面曲线时，在不同水头下可增加泄流量。因此我国“混凝土重力坝设计规范”推当溢流坝剖面超出基本剖面时，为节约坝体工程量并满足泄流条件，可以底流消能可适用于高、中、低水头，大、中、小流量的各类泄水建筑物，对地质条件要求较低，对尾水变幅的适应性较好，但当应用于高水头、大流量泄水建筑物时工程费用较大，且还需注意空面流消能适用于下游尾水位较深，单宽流量变化范围较小，且水位变幅不大或有漂流的情况。但面流式消能坝下游有波浪发生，甚至几公里范围内的水戽流消能有较好的效能效果和较小的冲刷范围，工程量也较小，适用于尾水较深、变幅较小的情况。但消力戽的底部旋滚会把下游河床沙石带入戽内，并随戽内旋滚运动，磨损消力戽及坝面，增加了维修养护费用，下游水面波动挑流消能利用鼻坎将泄下的高速水流向空中抛射，使水流在空中扩散，并掺入大量空气，然后跌入下游河床水垫中，一般不需对下游河床设保护工程，可大大节省工程费用，同时设计与施工均较方便简单，运用也较安全可靠。只要有足够的水头，能保证水舌有一定的挑距，使冲坑远离建筑物，一般适用于通过计算的出挑流消能水舌的挑射距离L=35.63m，冲刷具体的消能计算详见设计计算书第三章，经过计算，冲刷坑深度不会危及直升式平板闸门的门叶结构简单，便于制造、安装和运输；闸门可吊出孔口，便于检修和维护；互换性好，各孔闸门可以互换，工作们可以兼做检修门启闭设备构造简单，便于使用移动式启闭机。但平板闸门启门力较大，需要较大的启闭设备；由于启门高度较大，工作桥的支墩或支承排架较高；由于设置水流条件也较好，但由于闸门支承较长，故闸墩较长；闸墩设计较复杂，钢筋用量较多，制作安装也较平板门复杂，由于弧形闸门不能提出孔口，故检修维护不如平板门方便，不能用于检修门。本工程中工作闸门选定为弧形闸门，检墩中分缝可避免地基的不均匀沉降所引起的止水不严问题，但闸墩厚度需要增大，本工程坝轴线出地基情况良好，不会发生严重的不均匀沉降，因此溢本枢纽的工作闸门采用弧形闸门，根据需要，可以不设置门槽，但工作闸闸墩的断面形状应使水流平顺，减小孔口水流的侧收缩，闸墩的上游可采边墩设在溢流坝的两侧，以分隔溢流坝段和非溢流坝段，并作为边跨桥梁导墙的墙顶应高于掺气后溢流水面1～1.5米。经计算，导墙高度为3.99米，反为了防止出现温度裂缝，沿导墙每隔15米作一道伸缩缝，在护坦部分可和第六章深孔坝段设计根据泄水孔中水流的流动状态可将泄水孔分略而不计。但无压泄水孔的无压段，因流速大，压力小，带来了高速水流的掺气、气蚀以及明满流交替出现等问题，流态相对较压力管段复杂，因此孔内净空余幅要求大，对体型布置及衬砌不平整度要求较高。有压深孔内阻力大，流速小，过流断面大，而且孔内压力比较稳定，气蚀可能②从运行条件考虑，无压深孔水力学条件较复杂，有掺气、气蚀等问题，在体型设计或施工上稍有疏忽运行中就可能出现问题。工作门和检修门均布置有压深孔内压力稳定，一般不会出现气蚀问题。工作门和检修门虽分设两段，管理操作不甚方便，但同时出现事故的可能性较小，而且易于控制洞内泄流条后为无压孔段，没有内水压力的作用，对坡段防渗、稳定均较有压深孔压力管洞形，放样控制、浇筑、施工均较便利，有利于加快施工。无压深孔采用圆形断面或矩形断面带隅角加圆，有的还加全断面钢板衬护，与无压深孔相比，施从目前国内外已建工程或正在设计施工的工程来看，无压深孔选用较多。的发电死水位为128米，进口中心线高程为111米。深孔断面可取为正方形，初拟孔口尺寸为3×2米2（宽×高共计2个泄水无压坝身泄水孔包含有较短的压力段和较长的无压段。压力段又分为进口段、事故检修门槽和压坡段三个部分，压坡段下游侧设工作闸门。检修闸门采用平板门，工作闸门多采用弧形门。明流段自上游至下游按顺序布置直线段、根据中国电力出版社出版的《混凝土重力坝设计规范》中所介绍的，进口222BC段为AB段在B点处的切线，其坡度J1一般取为1：4.5～1 4AC段侧面曲线可采用1/4椭圆，短半轴b2可取为（0.22～0.27）B,B为泄水孔的正常宽度，由放空计算的B=4.5米。取b2=1米，a2=3b2=310当事故检修闸门的止水为下游止水时，应在EF段的段首设置通无压段紧接在短有压段之后，无压段泄水孔2明流段的反弧段一般采用单圆弧式，末端为挑坎。鼻坎高程可取略高于下闸门一般布置在深孔的平直段上，需设置工作闸门和检修闸门。一般工作AJ1h1h2RR BB在深孔进行充水或放空过程中，闸门后需要排气和补气，特别是当动水下使用闸门时，问题更为严重，会引起孔内局部真空，形成负压，为此需要紧接目前依据水利水电工程钢闸门设计规范，设于泄水道中的工作闸门或事故a第七章电站坝段设计在需要利用库容调节发电流量，水库消落深度较大时，或者需要将水流直接引入水轮机输入压力管道时，须用有压进水口。因此本工坝式进水口位于混凝土坝或河床式电站厂房的上游坝体内，成为统一整体，通进水口的进口高程应按水电站运行中可能出现的最低水位决定，应在引水道顶部以上有一定的淹没深度，以保证不进入空气和不产生漏斗状吸气漩涡。2222进口流速一般不宜过大，进口面积建议不小C—收缩系数，一般取C=0.6～0.7，闸门是引水道和进水段的连接段，其体形主要根据所采用的闸门、门槽以及结构的受力条件而决定。闸门孔口常采用矩形，其宽度一般等于或稍小于压力管道直径D，高度一般等于或稍大于压力管道直径D。可采用4.2×渐变段是由闸门段（通常为矩形断面）到压力引水管道（通常为圆形）的过渡段，其断面面积和水流应逐渐变化，是水流不产生涡流并尽量减小水头损度一般取压力管道直径的1.0～1.5倍，可取为5米。渐DhabDhab为了拦阻漂浮物，进水口前一般要设置拦污栅。拦污栅可以布置成垂直的或倾斜的，进水口可以是多边形的或平面的。本工程可采用倾斜布置和平面拦在引水道进行充水或放空过程中，闸门后需要排气和补气，特别是当动水下使用闸门时，问题更为严重，会引起压力管内局部真空，形成负压，为此需Qa倾斜式布置，由于引水道较短，机组台数量只有2台，可以采用单管供水，即的和水平的。当进水口和水轮机之间的高差较大而水平距离较小的情况下，采用垂直布置，当情况恰好相反时可采用水平布置。本工程中进水口和水轮机之水文、气象等不同因素的影响，很难作到定型化，必防止淤积和冲刷3）尽量使厂内外交通方便；尺寸才能确定。安装高程的确定，必须根据水轮机的吸能避免水轮机转轮不受气蚀破坏。水轮机的吸出高度为HS=10.0--(σm+Δσ)H式（6—3）H——设计水头，m；Z——电站厂房的海拔高程，m；Δσ——气蚀系数修正系数。在水轮机的安装高程确定后，由此往下绘出尾水管合理的尾水管底板厚度，即可以确定厂房最低点的4m。枢纽电站为高水头电站，采用金属蜗壳，内水压力围的混凝土主要承受上部传来的荷载，混凝土与钢板之互不传递。现取蜗壳顶板厚4m，故水轮机层高程为107.4。员巡回检查机组、监视仪表的场所。发电机层到水轮机机组主轴长短决定，主轴长、二者高差大，水轮机层层高就大，轴一般水轮机层层间高度不能小于3～4m，否则无法布置机电辅助设备。由于资桥吊的跨度与安装高程决定着发电机层以上主机了布置发电机的上部及机旁盘、调速器等设备以外，还及最长部件而不影响其他机组的正常运行。最大部件一机转轮。主副钩的极限位置由制造厂家给出。吊运部件扬机高度（1m再考虑吊车检修时有lm左右的检修高度，再减去屋顶大梁高可采用弯肘形，它是由进口直锥段、肘管和出口扩散段组成的。由金钟元hLB5D4h4h6L1h56.56.83.3753.3754.553.05层、蜗壳层最大需要的尺寸来确定。由于资料已给L——机组段长，m； 右边最边一台机组还有一半的蜗壳结构，蜗壳外还安装间与主厂房联在一起，一般厂房内，它不在左端通线密切联系，才便于设备由公路或铁路运进来组装段，便于回车，也安全，以免汽车或火车下坡时冲入主般为下列五大件：发电机转子带轴、上机架、下机架、第八章枢纽布置方案本枢纽的主要任务是防洪抗旱，其次是发电，所以本枢纽主要由挡水建筑物、泄水建筑物、发电建筑物、放空建筑物（水库检修或特殊情况下使用）组各建筑物的布置要求：溢流坝段主要宣泄汛期洪水，为使下泄的洪水大体上沿原河道主流方向平顺地与下游衔接，不致冲刷坝基和其它建筑物的基础，冲刷问题不明显，对其它建筑物也不会有太大影响，因此无特殊要求；厂房坝段主要用于发电，其布置基本要求是交通便利，尽量利用附近平地地形布置开方案：从左岸到右岸，分别布置非溢流坝段、溢流坝段、深孔坝段、非溢比较适合地下式厂房，交通运输主要靠左岸的公路干线，为了便于运输水轮机等大型机械设备，可将电站设置在左岸，详第九章细部构造及地基处理坝顶上、下游设栏杆，并在坝顶两侧设人行道，人行道一般高出路面20~将集水引至上游水库。溢流坝坝顶有工作桥和交通桥，二者应尽量结合使用。为了满足施工要求以及为了防止坝在运行期间由于温度变化和地基不均匀横缝垂直于坝轴线设置，将坝体分成若干个坝段。横缝有永久缝和临时缝两种。永久缝可分为沉降缝、温度缝和兼有两种作止水材料有金属片、橡胶、塑料和沥青等。对于高坝或很重要的坝，需设两道止水，中间设沥青井，前面设混凝土塞。当止水失效时，混凝土塞可起临时止水作用。第一道止水离上游面约0.5～2.0米，一般采用1.0～1.5毫米厚的紫铜片，每侧埋入混凝土中的长度约为20～25厘米。第二道止水也可用不锈钢片或镀锌钢片。在气候温和地区止水片可采用塑料，在寒冷地区可采用橡胶。沥青井尺寸大致为20×20至30×30厘米，井内灌注的填料由Ⅱ号或Ⅲ号石油沥青、为了适应混凝土浇筑能力和减小施工期温度应力，常用平行于坝轴线方向的纵缝把一个坝段分成几块浇筑，待坝体降低到稳定温度后再进行接缝灌浆，本工程可采用垂直纵缝，间距可取为20米。为了使缝面能够传递剪力，常在缝上设置三角形键槽，槽的短边和长边分别大致与第一和第二主应力方向正