沙溪口水电站厂房设计及稳定分析计算书

沙溪口水电站厂房设计及稳定分析2目录目录TOC\o"1-2"\h\z\u1.重力坝挡水坝段设计 -2-1.1挡水坝剖面设计 -2-1.2挡水重力坝的应力及稳定分析 -6-1.3挡水重力坝坝体构造 -12-1.4说明 -13-2.重力坝溢流坝段设计 -14-2.1溢流坝段剖面设计 -14-2.2溢流坝稳定与应力分析 -18-2.4溢流坝坝内构造 -23-2.5说明 -24-3.水电站机电设备选择 -25-3.1特征水头的选择 -25-3.2水电站水轮机组的选型 -30-3.3水轮发电机的选择与尺寸估算 -38-3.4调速器与油压装置的选择 -42-4.水电站厂房 -46-4.1蜗壳尺寸的确定 -46-4.2尾水管尺寸的确定 -47-4.3厂房桥吊的选择 -48-4.4主厂房各层高程及长宽尺寸的确定 -50-5.水电站厂房的稳定计算 -53-5.1荷载的计算 -53-5.2厂房抗滑稳定计算 -58-1.重力坝挡水坝段设计1.1挡水坝剖面设计参考《水工建筑物》1.1.1坝顶高程的计算1.1.1.1正常蓄水位情况库区多年平均最大计算风速25-30m/s,取27m/s，河谷覆盖层高程可由坝址剖面图查的为64m，则=88-64=34，吹程取D=4km。将=27m/s，=34m，D=4×m/s代入(2-2)式得=0.13×0.3842×0.20275求得=0.7525m。=0.022查表2-12（《水工建筑物》），得=2.2952×0.7525=1.727m将=27m/s，=0.7525m代入(2-3)式 得=13.9×0.10029求得=3.84m由和可用理论公式算出平均波长，对于≥0.5的深水波，有代入数据得==23.03m显然满足≥0.5波浪要素在挡水建筑物设计时可按下式计算。代入数据得=0.407m查规范得正常蓄水位下，=0.5m则有Δh=++=2×1.727+0.407+0.5=4.361m坝顶高程=88+4.361=92.361m1.1.1.2校核洪水位情况相应库区多年最大计算风速=27/1.5=18m/s，=88.56-64=34.56m。将=18m/s，=34.56m，D=4×m/s代入(2-2)式得=0.13求得=0.4366m=0.0126查表2-12（《水工建筑物》），得=2.2808×0.4366=0.996m将=18m/s，=0.4366m代入(2-3)式得=13.9×0.1147求得=2.92m代入(2-4)得==13.32m显然满足≥0.5代入(2-6)得=0.234m查规范得正常蓄水位下，=0.4m则有Δh=++=2×0.996+0.234+0.4=2.626m坝顶高程=88.56+2.626=91.186m理论上坝顶高程取为92.4m就能满足条件，考虑到吹程4km，取值有可能比实际偏小，所以坝顶高程取比计算值大的整数，可取93m。1.1.2非溢流坝基本剖面的计算初步设计无试验资料时，宜取23.5，本设计取23.5；对于河床段实体重力坝，EQEQEQ0.25；典型剖面河谷开挖高程初定为57m，有H=88-57=31m；考虑到溢流坝剖面设计，宜取n=0。按强度要求计算，为使坝的上下游边缘都不出现拉应力EQ有=0.683初步设计取m=0.7，则B=0.7H=0.7×31=21.7m。按稳定要求校核(分项系数法)取右岸挡水坝段的摩擦因数，=0.5，=0.58公斤/自重W==7904.425kN扬压力U==824.90kN静水压力P==4713.705kNS(*)=1.0×P=4713.705kN==3134.456kN所以坝基不能稳定要求，需要对坝的剖面进行改进。改进方案：1．放缓下游坝面的坡度，取m=0.75；2.提高基本三角形的顶点高程，取为91.18m(考虑溢流坝剖面设计，此时溢流坝上游面与非溢流坝上游面平齐)；3.在上游面设置折坡面，折坡点的高程取为69m，坡度n=0.45；4.设置2条基础纵向排水廊道，廊道内设置集水井并用水泵排水；5.坝顶宽度双线公路要求，取为12m。1.2挡水重力坝的应力及稳定分析1.2.1正常蓄水位情况下荷载计算1.2.1.1坝基面上的荷载计算正常蓄水位情况上游水位88.0m，下游水位64.5m(1台机组满发)。129.4129.4687.635317.5m=0.45n=0.7512343636图1-1挡水坝正常蓄水位时基础扬压力分布图(单位：m)图1-1挡水坝正常蓄水位时基础扬压力分布图(单位：m)(扬压力为1m水头的扬压力值)表1-1正常蓄水位情况下坝基面上的荷载计算如表(弯矩逆时针为正)序号作用类别作用力作用力引起的弯矩作用方向计算结果单位作用方向力作用点计算结果单位1自重1↓761.4KN+11.91759073.985KN.m2↓10295.4KN+1.572516189.523↓2769.24KN-2.48826890.352上游侧静水压力水平向→4713.71KN-10.333348708.3KN.m竖直向↓1324.35KN+13.033517260.92KN.m3下游侧静水压力水平向←415．16KN+3.06671273.16KN.m坚直向↓311.37KN+13.21754115.534扬压力1↑1400.49KN00KN.m2↑1291.00KN-12.205115756.83↑47.09KN-4.1175193.894↑157.94KN+13.18422082.325浪压力1→112.29KN-313480.99KN.m坝基面抗滑稳定(分项系数法)S(*)=1.0×(4713.71-415．16)+1.2×112.29=4433.294kN=1.0×(761.4+10295.4+2769.24)+1.0×(1324.35+311.37)=15461.76kN=1.0×1400.485+1.1×(1290.996+47.088)+1.2×157.941=3061.907kNR(*)==5357.784kN所以坝基满足稳定要求坝址处抗压强度=761.4+10295.4+2769.24-1400.485-1290.996-47.088-157.941=12565.25kN=9073.985+16189.52+6890.346+17260.92-4415.53-48708.3+1273.155-15756.8-193.885+2082.32-3480.99=-19485.2kN·m==526.26kPa<981kPa显然满足要求坝踵处抗拉强度==283.49kPakPa显然满足要求1.2.1.2边缘应力的计算(折坡面)参考《水工建筑物》，取折坡面验算，扬压力计算取为0.2。表1-2正常蓄水位情况下折坡面上的荷载计算如表(弯矩逆时针为正)序号作用类别作用力作用力引起的弯矩作用方向计算结果单位作用方向力作用点计算结果单位1自重1↓4335.33KN+2.772512019.7KN.m2↓2769.24KN-0.42381173.732上游侧静水压力水平向→1770.71KN-6.333311214.5KN.m3扬压力1↑447.35KN-6.76193024.86KN.m2↑338.86KN-0.105835.864浪压力→112.29KN-313480.99KN.m下游边缘抗压强度4335.33+2769.24=6421.731kN12019.7-1173.73-11214.5-3024.6-24.9241-3480.99=-6899.26kN·m==535.63kPa<12500kPa显然满足要求上游边缘抗拉强度==236.46kPakPa显然满足要求1.2.2校核水位下的荷载计算1.2.2.1坝基面上的荷载计算校核洪水位情况上游水位88.56m,下游水位81.05m。9.49.4687.63512363123.65图1-2挡水坝校核洪水位时基础扬压力分布图(单位：m)图1-2挡水坝校核洪水位时基础扬压力分布图(单位：m)(扬压力为1m水头的扬压力值)虚线——理论计算的扬压力；实线——实际计算的扬压力表1-3校核洪水位情况下坝基面上的荷载计算如表(弯矩逆时针为正)序号作用类别作用力作用力引起的弯矩作用方向计算结果单位作用方向力作用点计算结果单位1自重1↓761.4KN+11.91759073.99KN.m2↓10295.4KN+1.572516189.53↓2769.24KN+2.48826890.352上游侧静水压力水平向→4885.55KN-10.5251395.9KN.m竖直向↓1354.02KN+13.028817641.2KN.m3下游侧静水压力水平向←2743.48KN+10.5251395.9KN.m坚直向↓2057.61KN-9.60519763.34扬压力1↑3600.16KN00KN.m2↑1529.44KN-10.250815678.13↑406.011KN-13.18425352.927浪压力→40.47KN-31.561277.23KN.m坝基面抗滑稳定(分项系数法)S(*)=1.0×(4885.545-2743.477)+1.2×40.47=2190.632kN=1.0×(761.4+10295.4+2769.24)+1.0×(1354.015+2057.608)=17237.66kN=1.0×3600.161+1.1×1529.443+1.2×406.0114=5769.762kNR(*)==4999.341kN所以坝基满足稳定要求坝址处抗压强度=761.4+10295.4+2769.24-1400.485-3600.161-1529.443-406.0114=11702.05kN=9073.985+16189.52+6890.346+17641.15-19763.3-51395.9+21627.74-15678.1-5352.922-1277.23=-11338.23kN·m==447.69kPa<981kPa显然满足要求坝踵处抗拉强度==306.43kPakPa显然满足要求1.2.2.2边缘应力的计算(折坡面)表1-4校核洪水位情况下折坡面上的荷载计算如表(弯矩逆时针为正)序号作用类别作用力作用力引起的弯矩作用方向计算结果单位作用方向力作用点计算结果单位1自重1↓4335.33KN+2.772512019.7KN.m2↓2769.24KN-0.42381173.732上游侧静水压力水平向→1876.62KN-6.5212235.6KN.m3下游侧静水压力水平向←665.72KN+3.88332585.21KN.m坚直向↓499.29KN-5.4052698.664扬压力1↑1901.16KN00KN.m2↑186.23KN-2.7619514.373↑120.74KN-2.0558248.247浪压力→40.47KN-31.561277.23KN.m下游边缘抗压强度4335.33+2769.24+499.289=5395.73kN12019.7-1173.73-2698.66-12235.6+2585.208-514.365-248.224-1277.23=-3542.87kN·m==401.178kPa<12500kPa显然满足要求上游边缘抗拉强度==247.543kPakPa显然满足要求1.3挡水重力坝坝体构造1.3.1坝顶结构坝顶宽12m，两边设1.0m的栏杆，路面中间高，两边低，以便于排水，道路两旁设排水管。1.3.2坝体分缝1.3.2.1横缝挡水坝段横缝间距为20m。1.3.2.2纵缝由于坝体宽度较小，可不设纵缝。1.3.3坝内廊道本设计坝内设基础灌浆廊道、基础排水廊道、坝体纵向排水检查廊道。1.3.3.1基础灌浆廊道基础灌浆廊道廊道上游壁到上游坝面的距离应不小于0.05～0.10倍水头，且不小于4～5m。廊道底面至基岩的距离，宜不小于1.5倍底宽。廊道断面一般采用城门洞形，宽度约为2.5～3m，高度约为3.0～3.5m。本设计基础灌浆廊道采用城门洞形，宽度为2.5m，高度为3m。廊道上游壁到坝轴线的距离为4m，廊道底面高程为64m。1.3.3.1基础排水廊道基础排水廊道一般宽度为1.5～2.5m，高度为2.2～2.5m。本设计设2条纵向基础排水廊道，宽度为1.5m，高度为2.2m，廊道内设置集水井并用水泵排水。靠近上游的排水廊道上游壁距坝轴线10m，两廊道间距为8m。1.3.3.2坝体纵向排水检查廊道坝体纵向排水检查廊道一般靠近坝的上游侧，每隔15～30m高差设置一层。其上游壁距离上游坝面的距离，应不小于0.05-0.1倍的坝面作用水头，且不小于3.0m。廊道最小宽度为1.2m，最小高度2.2m。本设计距基岩面20m设一排水检查廊道，廊道上游壁距离上游坝面的距离为4m，廊道宽1.2m，高2.2m。1.4说明由于在非溢流坝的坝基面稳定验算中，采用极限状态法是偏于危险的，而且计算结果显示只有很少的富余度，所以建议采取以下工程措施来提高抗滑稳定性。1.在坝踵或坝只设置深入基岩的齿墙；2.利用预应力提高抗滑稳定性；3.对不稳定坝段的断裂带在坝址处采用开挖与回填混凝土塞的方式进行处理。2.重力坝溢流坝段设计2.1溢流坝段剖面设计溢流坝剖面通常是由基本三角形剖面修改而成。溢流面由顶部溢流段、中部直线段和反弧段组成，上游面为直线或折线。2.1.1确定单宽流量及孔口尺寸2.1.1.1计算由溢流坝下泄的流量（1）正常蓄水位情况=20500，=4×1069.52=4278.08取=0.8，得Q=-=20500-0.8×4278.08=17077.54。（2）校核洪水位情况=22500，=4×1115.5=4462取=1.0，得Q=-=22500-1.0×4462=18038。故按校核洪水位情况确定孔口尺寸。2.1.1.2确定过水净宽河床的基岩较好，初步设计时取q=70。则有L=Q/q=18038/70=257.7m初步可取16孔，每孔净宽16m(实际过水净宽为256m)。为了增加坝体自重，可在满足设计标准情况下尽量增加闸墩的宽度，中墩宽取为3m，边墩宽取为3m。溢流段总宽度=L+(n-1)d+2=256+15×3+2×2=305m不再设其他泄水设施,故校核洪水位下单宽流量q=70.46，设计洪水位下的单宽流量q=66.71。2.1.2确定堰顶高程将q=70.46，m=0.502，=1.0，=1.0代入下式得计算得=10.0m。则堰顶高程=校核洪水位-=78.56m。校核洪水位情况下，下游水位为80.65m，故校核洪水位下发生淹没出流。经验证在充分考虑<1.0，<1.0的情况下，堰顶高程取为78m可完全满足下泄流量，故堰顶高程取为78m。本设计采用弧形闸门，闸门顶应高出水库正常挡水位，考虑闸门宽高比应在1.5~2左右，所以取闸门高为12m。露天式闸门弧形面板的曲率半径与门高之比一般在1.1-1.5左右。本设计取为1.5，故弧形面板的曲率半径为16m。2.1.3确定堰面曲线堰顶下游堰面曲线采用的为WES曲线，其曲线方程为：Hd为定型设计水头。因为设计洪水位88.0m，堰顶高程为78m，所以==10m；k、n为上游堰面坡度有关的系数,由于上游面铅直，故k=2.0，n=1.85。得：堰顶下游堰面与下游面切点坐标按下式计算：｛得｛c=-9.418上游堰面与堰顶采用两段圆弧相连，m、=1.75m、=2m、=2.82m。当y=78-57=21时，x=22.8135溢流坝上游面与非溢流坝上游面齐平时，(22.8135+2.82)/0.75=34.18故基本三角形的顶点高程最高为57+34.18=91.18m。2.1.4消能方式采用底流消能，设计参考<<水力学>>。1.求设计洪水位下，单宽流量q=66.71堰上水头H=88-78=10mT=88-60=28m行进流速0上游总有效水头=T=28m==7.684m=3.644查表10-1(《水力学》)，选取流速系数=0.95。由及查附录得=0.406则有=0.42×=0.406×7.684=3.120m2．求由=3.644及=0.95，查附录得=2则有=2×=2×7.684=15.367m3.判别水跃形式下游水深=79.75-60=19.75m,故发生淹没水跃。可以不做消力池，做护袒即可。4.计算护袒长度=6.9×()=6.9×()=6.9×(15.367-3.120)=84.5m护袒长=0.8×83.767=67.6m取为68m。5.计算护袒厚度考虑到溢流坝本身不能满足稳定要求，需要靠护袒提供一部分阻滑力，故护袒的厚度按抗滑稳定及上浮稳定要求计算，并取较大值。按抗滑稳定计算：(分项系数法)根据溢流坝的稳定分析，护袒需要提供700kN的阻滑力(见本章稳定与应力分析部分)，使溢流坝满足稳定要求。但由于仅靠护袒与基础的粘聚力就能满足稳定要求，故只需考虑上浮稳定要求。按上浮稳定计算：护袒厚度应满足：按设计洪水位情况计算，发生淹没出流。故==2.8m为了增加溢流坝的稳定性，护袒可尽量取厚度些，取3m。2.1.5确定反弧段尺寸采用底流消能，反弧段半径可近似按下式计算｛将v=20.67，H=10m，代入得=1.627则有2.2溢流坝稳定与应力分析由于溢流坝较难满足稳定性，故需要护袒提供部分阻滑力。2.2.1正常蓄水位下的荷载计算2.2.1.1坝基面上的应力及稳定分析24247.58.6869.41234图2-1溢流坝正常蓄水位时基础扬压力分布图(单位：m)图2-1溢流坝正常蓄水位时基础扬压力分布图(单位：m)(扬压力为1m水头的扬压力值)表2-1在正常蓄水位情况下坝体基面上的荷载如下表(弯矩逆时针为正)序号作用类别作用力作用力引起的弯矩作用方向计算结果单位作用方向力作用点计算结果单位1自重1↓761.4KN+14．221827.11KN.m2↓8920.577KN+2.541222668.942闸墩重1↓1650.25KN-2.61074308.30KN.m3上游水压力水平向→4713.71KN-10.333348708.3KN.m坚直向↓1324.35KN+15.33620310.234下游侧静水压力水平向←415.16KN+3.06671273.16KN.m竖直向↓474.37KN-13.5086407.774扬压力1↑1608.29KN00KN.m2↑1291.00KN-4.507618729.33↑47.09KN-6.42302.314↑191.79KN+13.95172675.737浪压力1→112.29KN-31-3480.99KN.m8护袒力1←700.00KN00KN.m坝基面抗滑稳定(分项系数法)S(*)=1.0×(4713.71-415．16)+1.2×112.29-1.0×700=3733.294kN=1.0×(761.4+8920.577+1650.248)+1.0×(1324.35+474.3684)=13130.94kN=1.0×1608.291+1.1×(1290.996+47.088)+1.2×191.7855=3310.326kNR(*)==4528.652kN所以坝基满足稳定要求坝址处抗压强度=761.4+8920.577+1650.248+1324.35+474.3684-1608.291-1290.996-47.088-191.7855=12565.25kN=10827.11+22668.97+4308.304+20310.23-6407.77-48708.3+1273.155-18729.3-302.305+2675.727=-15565.1kN·m==353.905kPa<981kPa显然满足要求坝踵处抗拉强度==206.857kPakPa显然满足要求2.2.1.1边缘应力的计算参考《水工建筑物》按要求应考虑坝基面和折坡面的边缘应力，此处只进行了坝基面的相关计算。2.3.2校核水位下的荷载计算校核洪水位情况上游水位88.56m，下游水位80.65m。2.3.2.1坝基面上的应力及稳定分析36362412.23869.43123.65图2-2挡水坝校核洪水位时基础扬压力分布图(单位：m)图2-2挡水坝校核洪水位时基础扬压力分布图(单位：m)(扬压力为1m水头的扬压力值)虚线——理论计算的扬压力；实线——实际计算的扬压力表2-2在校核洪水位下坝体基面上的荷载如下表(弯矩逆时针为正)序号作用类别作用力作用力引起的弯矩作用方向计算结果单位作用方向力作用点计算结果单位1自重1↓761.4KN+14．2210827.11KN.m2↓8920.577KN+2.541222668.942闸墩重1↓1650.25KN-2.61074308.30KN.m3上游侧静水压力水平向→4885.545KN-10.5251395.9KN.m坚直向↓1354.02KN+15.331320758.774下游侧静水压力水平向←2743.477KN+7.883321627.74KN.m竖直向↓3094.82KN-8.724721627.734扬压力1↑3600.16KN00KN.m2↑1529.44KN-12.553319199.63↑673.1089KN-11.64927841.167浪压力1→40.47KN-31.561277.23KN.m8护袒力1←700.00KN00KN.m坝基面抗滑稳定(分项系数法)S(*)=1.0×(4885.545-2743.477)+1.2×40.47-1.0×700=1490.632kN=1.0×(761.4+8920.577+1650.248)+1.0×(1354.015+3094.82)=9978.347kN=1.0×3600.161+1.1×1529.443+1.2×673.1089=6090.279kNR(*)==4477.716kN所以坝基满足稳定要求坝址处抗压强度=761.4+8920.577+1650.248+1354.015+3094.82-3600.161-1529.443-673.1089=9978.347kN=10827.11+22668.97+4308.304+20758.77-27001.4-51395.9+21627.73-19199.6+7841.16=-10842.1kN·m==331.190kPa<981kPa显然满足要求坝踵处抗拉强度==228.762kPakPa显然满足要求2.3.2.边缘应力的计算参考《水工建筑物》按要求应考虑坝基面和折坡面的边缘应力，此处只进行了坝基面的相关计算。2.4溢流坝坝内构造2.4.1坝顶结构坝顶总宽为20m，坝上布置门机轨道，溢流堰上设置两个闸门，上游侧事故检修闸门，堰顶布置工作闸门。2.4.2坝体分缝2.4.2.1横缝溢流坝段横缝间距为20m。2.4.2.2纵缝由于坝体宽度较小，亦可不设纵缝2.4.3溢流坝坝内廊道2.4.3.1基础灌浆廊道坝内基础灌浆廊道采用城门洞形，宽度为2.5m，高度为3m。廊道上游壁到坝轴线的距离为4m，廊道底面高程为64m。2.4.3.1基础排水廊道坝内设2条纵向基础排水廊道，宽度为1.5m，高度为2.2m，廊道内设置集水井并用水泵排水。靠近上游的排水廊道上游壁距坝轴线10m，两廊道间距为8m。2.4.3.2坝体纵向排水检查廊道由于溢流坝高度较小，故不再设纵向排水检查廊道。2.5说明由于在溢流坝的坝基面稳定验算中，采用极限状态法是偏于危险的，而且计算结果显示只有很少的富余度，所以同样建议采取以下工程措施来提高抗滑稳定性。1.在坝踵或坝只设置深入基岩的齿墙；2.利用预应力提高抗滑稳定性；3.对不稳定坝段的断裂带在坝址处开挖与回填混凝土塞的方式进行处理。3.水电站机电设备选择3.1特征水头的选择装机容量：N=30万kw，单机容量（机组台数4台）7.5万kw。3.1.1校核洪水位(88.56m)上游水位(m)下泄流量（）下游水位(m)水头(m)上尺(m)下尺(m)平均(m)88.562250080.980.480.657.913.1.2设计洪水位(88.00)上游水位(m)下泄流量（）下游水位(m)水头(m)上尺(m)下尺(m)平均(m)88.002050080.079.579.758.253.1.3正常蓄水位(88.00m)N=8.5QH3.1.3.11台机组发电上游水位(m)引用流量（）下游水位(m)水头(m)出力(kw)上尺(m)下尺(m)平均(m)88.0040064.8264.1464.4823.5278.81288.0060065.2864.5264.923.1117.8188.0080065.764.8467.5820.42154.5688.0038064.864.164.523.575作关系曲线，当N=75×kw时，Q=380。正常蓄水位正常蓄水位020406080100120140160180400600800流量（）4台机组出力(×103kw)1台机组3.1.3.14台机组发电上游水位(m)引用流量（）下游水位(m)水头(m)出力(kw)上尺(m)下尺(m)平均(m)88.00400×466.7665.666.1821.8274.18888.00600×467.5666.3266.9421.06107.4188.00800×468.1667.067.5820.42138.8688.00405×466.7865.6266.221.875作关系曲线，当N=75×kw时，Q=405。3.1.4汛期限制水位(85.00m)3.1.4.11台机组发电上游水位(m)引用流量（）下游水位(m)水头(m)出力(kw)上尺(m)下尺(m)平均(m)85.0040064.8264.1464.4820.5269.7885.0060065.2864.5264.920.1102.5185.0080065.764.8467.5817.42134.1685.0043564.8264.1464.4820.5275作关系曲线，当N=75×kw时，Q=435。汛期限制水位汛期限制水位020406080100120140160400600800流量()1台机组4台机组出力(×103kw)3.1.4.24台机组发电上游水位(m)引用流量（）下游水位(m)水头(m)出力(kw)上尺(m)下尺(m)平均(m)85.00400×466.7665.666.1818.8263.9985.00600×467.5666.3266.9418.0692.1185.00800×468.1667.067.5817.42118.45685.00478×467.1265.9666.5418.4675作关系曲线，当N=75×kw时，Q=478。3.1.5设计低水位(82.00m)3.1.5.11台机组发电上游水位(m)引用流量（）下游水位(m)水头(m)出力(kw)上尺(m)下尺(m)平均(m)82.0040064.8264.1464.4817.5259.5782.0060065.2864.5264.917.187.2182.0080065.764.8467.5814.42113.7682.0051065.164.3664.7317.2775作关系曲线，当N=75×kw时，Q=510。设计低水位设计低水位020406080100120400600800流量()1台机组4台机组出力(103kw)3.1.5.24台机组发电上游水位(m)引用流量（）下游水位(m)水头(m)出力(kw)上尺(m)下尺(m)平均(m)82.00400×466.7665.666.1815.8253.7982.00600×467.5666.3266.9415.0676.8182.00800×468.1667.067.5814.4298.0682.00584×467.3266.1266.7215.2875作关系曲线，当N=75×kw时，Q=584。综上：各工况下的水头列表如下表(3-1)各工况下的水头(m)工况上游水位(m)机组数引用流量（）下游水位(m)水头(m)校核洪水位88.564∕80.657.91设计洪水位88.004∕79.758.25正常蓄水位88.00138064.523.54405×466.221.8汛期限制水位85.00143564.4820.524478×466.5418.46设计低水位82.00151064.7317.274584×466.7215.28由以上水头值可得：最大水头H=23.5m最小水头H=7.9m由于不同的计算方法对应的设计水头的取值差异较大，设计水头可参考实际的设计水头，为=17m。3.2水电站水轮机组的选型参考《水电站》已知该水电站的最大水头=23.5m，设计水头=17m，最小水头=7.91m，发电机的额定出力N=7.5万kw。3.2.1水轮机型号的选择根据该水电站的水头的变化范围7.91-23.5m，查水轮机系列型谱表，查出合适的机型有ZZ560及ZZ460两种。现将这两种水轮机作为初选方案，分别求出其有关参数，进行比较分析。3.2.2ZZ560型水轮机方案的主要参数选择3.2.2.1转轮直径计算查得ZZ560型水轮机在限制工况下的单位流量=2000L/s=2.00，同时可查得在该工况下的气蚀系数为=0.75，并查得气蚀系数的修正值约为=0.06，在允许吸出高度=-2.142m(见水电站厂房设计关于的计算)时，其相应的气蚀系数为EQ==0.666<0.75在满足-2.142m吸出高度的前提下，可查得选用工况点(，)处的单位流量=1840L/s=1.84，同时可查出该工况点的模型效率=83.1，并据此假定水轮机的效率为88.2%。12MW<75MW<100MW,初步判断属于中型水轮机，取为96%，则有=78125kw将以上的，，，各参数代入下式，得D1===8.37m选用与之接近而偏大的标称直径=8.5m3.2.2.2水轮机n的计算对于河床式水电站，=18.9m，代入下式，得==66.5r/min选用与之接近而偏大的同步转速n=68.2r/min。3.2.2.3效率及单位参数的修正对于轴流转桨式水轮机，必须对其模型综合特性曲线上的每个转角的效率进行修改。当叶片转角为时的原型水轮机最大效率可以用下式计算查表得=0.46m、=3.0m，并已知=8.5m、=17m，代入上式可算得叶片在不同转角时的可由模型综合特性曲线查得，从而可求出相应值的原型水轮机的最高效率。当选用效率的制造工艺影响修正值=1%时，即可计算出不同转角时的效率修正值。计算结果见下表表3-2ZZ560型水轮机效率修正值叶片转角(%)87.788.58988.487.485.983.6(%)92.392.893.192.792.191.489.74.64.34.14.34.75.57.6(%)3.63.33.13.33.74.46.6查得ZZ560型水轮机最优工况的模型效率为=89.0%。由于最优工况接近于=0°，故采用=3.1%作为其修正值，从而得原型最高效率为=89%+3.1%=92.1%已知在吸出高度-2.142限制工况点(，=1840L/s)处的模型效率为=83.1%，而该工况点处于=+15°等转角线，得修正值=5.1%，由此可得该工况点的原型水轮机效率为=83.1%+5.1%=88.2%(与上述假定=88.2%接近)由于=1.73%<3.0%，故单位转速可不作修正，同时，单位流量可不作修正。由此可见，以上=8.5m，n=68.2r/min是正确的。3.2.2.4工作范围的检验在选定=8.5m，n=68.2r/min后，可求出水轮机的及与各特征水头相适应的值=1.783则水轮机的最大引用流量为==531.15则与特征水头、、相对应的单位转速为=119.58r/min=206.25r/min=140.60r/min在ZZ560水轮机模型综合特性曲线图上绘出=206.25r/min，=119.58r/min和=1783L/s为常数的直线。由图可见，这三根直线围成的水轮机的工作范围包含了大部分的高效区。3.2.3ZZ460型水轮机方案的主要参数选择3.2.3.1转轮直径计算查得ZZ560型水轮机在限制工况下的单位流量=1750L/s=1.75，同时可查得在该工况下的气蚀系数为=0.6，并查得气蚀系数的修正值约为=0.06，在允许吸出高度=-0.625m(见水电站厂房设计关于的计算)时，其相应的气蚀系数为EQ==0.551<0.6在满足-2.142m吸出高度的前提下，可查得选用工况点(，)处的单位流量=1610L/s=1.61，同时可查出该工况点的模型效率=80.5，并据此假定水轮机的效率为87.3%。=78125kw将以上的，，，各参数代入下式，得D1===8.99m选用与之接近而偏大的标称直径=9.0m3.2.3.2水轮机n的计算=18.9m，代入下式得==56.03r/min选用与之接近而偏大的同步转速n=60r/min。3.2.3.3效率及单位参数的修正对于轴流转桨式水轮机，必须对其模型综合特性曲线上的每个转角的效率进行修改。当叶片转角为时的原型水轮机最大效率可以用下式计算查表得=0.195m、=15.0m，并已知=9.0m、=17m，代入上式可算得叶片在不同转角时的可由模型综合特性曲线查得，从而可求出相应值的原型水轮机的最高效率。当选用效率的制造工艺影响修正值=1%时，即可计算出不同转角时的效率修正值。计算结果见下表表3-3ZZ560型水轮机效率修正值叶片转角(%)8083.684.48381.980(%)87.689.890.389.488.7687.67.66.25.96.47.867.6(%)6.65.24.95.46.866.6查得ZZ560型水轮机最优工况的模型效率为=85.0%。由于最优工况在=0°和=5°之间，用内插法可求得该点的效率修正值=5.0%作为其修正值，从而得原型最高效率为=85%+5%=90%已知在吸出高度-2.142限制工况点(，=1840L/s)处的模型效率为=83.1%，而该工况点处于=+15°和=20°等转角线之间，用内插法可求得该点的效率修正值=6.8%，由此可得该工况点的原型水轮机效率为=80.5%+6.8%=87.3%(与上述假定=87.3%接近)由于=2.9%<3.0%，故单位转速可不作修正，同时，单位流量可不作修正。由此可见，以上=9.0m，n=60r/min是正确的。3.2.3.4工作范围的检验在选定=8.5m，n=60r/min后，可求出水轮机的及与各特征水头相适应的值=1.559则水轮机的最大引用流量为==520.5则与特征水头、、相对应的单位转速为=111.4r/min=192.12r/min=129.94r/min在ZZ560水轮机模型综合特性曲线图上绘出=192.12r/min，=111.4r/min和=1559L/s为常数的直线。由图可见，这三根直线围成的水轮机的工作范围包含了部分的高效区。3.2.4两种方案的比较分析为了方便比较分析，现将两种方案的有关参数列入下表表3-4水轮机选型比较模型水轮机参数项目ZZ560ZZ460推荐使用水头范围（m）10-2215-26最优单位转速(r/min)130116最优单位流量(L\S)9401050最高效率(%)89.085.0气蚀系数σ0.300.24原形水轮机参数工作水头范围(m)7.9-23.52.9-23.5转轮直径(m)8.59转速n(r/min)66.756.8最高效率(%)92.190额定出力Nr(kw)7812578125最大引用流量()512.37531.13吸出高度(m)-2.142-0.625比较之后选择机型ZZ560。3.3水轮发电机的选择与尺寸估算采用伞式发电机，参照《水电站机电设备(Ⅱ)》。3.3.1水轮机发电机主要尺寸估算3.3.1.1极距取=0.85则=75000/0.85=88235.3kVA取=9，则有==50.6445cm3.3.1.2定子内径==1418.62cm3.3.1.3定子铁芯长度==107.15cm=107.15/50.6445=2.116通风条件良好。3.3.1.4定子铁芯外径rpm时，有=1418.62+1.2×50.6445=1479.4cm3.3.2水轮机发电机外形尺寸估算3.3.2.1平面尺寸（1）定子机座外径rpm，有=1.14×1479.4=1686.5cm（2）风罩内径，有m=1686.5+240=1926.5cm（3）转子外径m=1418.62cm（4）下机架最大跨度，有m=114+60=174cm式中查表得为1140mm。（5）推力轴承外径和励磁机外径查表得=400cm，=320cm3.3.2.2轴向尺寸计算（1）定子机座高度rpm，有mm=107.15+2×50.6445+60=268.44cm（2）上机架高度=0.1×1418.62=141.86cm（3）推力轴承高度励磁机高度和副励磁机和永磁机高度查表得=180cm=220cm=100cm=80cm（4）下机架高度=0.20×1418.62=283.7cm图3-1发电机外形尺寸示意图(伞式水轮发电机)（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=0.25×1418.62=354.66cm（6）下机架支承面主主轴法兰底面距离按已生产的发电机统计资料，一般为700-1500mm。取=100cm（7）转子磁轭轴向高度，无风扇时=107.15+(50～60)=157.15～167.15cm取=160cm（8）发电机主轴高度=885.47cm～1138.47cm取1000cm。（9）定子铁芯水平中心线至法兰盘底面距=0.46×268.44+160=283.5cm3.3.4发电机重量估算初步设计阶段，可以用下式来估算水轮发电机的总重量取=8，则有=950t发电机转子的重量一般按发电机总重量的1/2估算。=475t3.4调速器与油压装置的选择3.4.1调速功的计算水轮机的调速功A为A=（200-250）Q式中Q为水轮机在最大水头=23.5m下以额定出力=78125kw工作时的流量，可依下式求得水轮机在工况点(=23.5m，=78125kw)工作时的的效率，可由=8.5m，n=68.2r/min的ZZ560型水轮机运转特性曲线查得约为91.2%，由此=371.59A=(200～250)×371.59×=(10.5～13.13)Nm>30000Nm，属于大型调速，则接力器、调速柜和油压装置应分别进行计算和选择。3.4.2接力器的选择3.4.2.1导叶接力器直径的计算采用两个接力器来操作水轮机的导水机构，当油压装置的额定油压为2.5MPa时，每个接力器的直径可按下列经验公式计算：已知导叶数目=24，为标准正曲率导叶，选取=0.03，又导叶的相对高度，由型谱表查得为0.4，代入上式得：=0.782m=782mm本设计选用额定油压4.0MPa，则每个接力器的直径为=633.4mm由此，选用与之接近而偏大的=650mm的标准接力器。3.4.2.2接力器最大行程的计算接力器最大行程为=(1.4-1.8)导叶最大开度可由模型求得式中可由设计工况点=140.2r/min，=1767L/s在模型综合特性曲线上查得为39mm，同时查得=1.16×460=533.6mm，=24；选用水轮机的=1.16×8.5=9.86m=9860mm，=24。将各值代入上式得：=720.65mm当选用计算系数为1.8时，则=1.4×720.65=1009mm=1.009m3.4.2.3接力器总容积的计算两个接力器的总容积，可由下式求得==0.6703.4.3转桨式水轮机转轮叶片接力器的选择转桨式水轮机转轮叶片接力器的直径、最大行程和容积可按下列经验公式进行估算：==2.016～3.360mm>5m，选用较小的参数，故选用=2200mm的标准接力器。=0.306～0.712m>5m，选用较小的参数，故0.306==1.3853.4.4调速器的选择大型调速器的型号是以主配压阀的直径来表征的，主配压阀的直径d可由下式计算：选用，，则=0.169m=169mm选择与之接近而偏大的DT-200型双调节电气液压型调速器。3.4.5油压装置的选择对于转桨式水轮机，压力油缸的容积用下式估算。=(18～20)×0.67+(4～5)×1.385=17.6～20.325由此选择与之相近而偏大的YZ-20/2-40型分离式油压装置。4.水电站厂房4.1蜗壳尺寸的确定本电站的水头小于40m，故采用钢筋混凝土蜗壳。4.1.1确定进口断面尺寸初步设计取=3.4m/s==78.11选用断面如图所示=77.25此时=3.44m/s，在规范允许范围内。4.1.2确定中间断面的顶角点、底角点变化规律4.1.3绘制辅助曲线=77.25在进口断面内作出若干个中间断面(如图所示)，可求出各中间断面的面积为=53.248=33.522=18.072=6.898又有中间断面面积和其包角的关系为则有=180°=124.1°=78.1°=42.1°=16.1°将对应每一个求出的用光画曲线相连，即得到辅助曲线，如图所示。4.1.3计算各断面尺寸根据计算需要，选定若干个，查出相应的及断面尺寸，计算结果如下表所示：表4-1蜗壳各断面尺寸断面0°45°90°135°180°外径(m)6.39.2410.8412.2213.34.2尾水管尺寸的确定=19.55m=38.25m=20.57m=10.2m=10.2m=5.1m=13.77m=10.795m4.3厂房桥吊的选择选用一台双小车桥式起重机，额定起重量250t，跨度25m（根据厂房净宽确定）。表4-2工作参数表名义起重量（t）单台小车起重（t）跨度lkm大车轨道主钩副钩2*2502505025QU120表4-3吊车梁主要尺寸表主要尺寸小车轨距小车轮距大车轮距K大梁底面至轨道距F起重机最大宽度B轨道中心距起重机外端距离轨道面至起重机顶端距离H580028805800250106804605400轨道面至缓冲器距离车轨中心至缓冲器外端距离操作室底面至轨道面两小车吊钩距离L极限位置平衡梁吊点至轨顶极限距离吊钩至轨道吊钩至轨道h中心距离120092025004300主钩副钩L1L2480130061016001800吊具：双小车平衡梁尺寸图4-1平衡梁表4-4平衡梁参数平衡梁起重量(t)abh总重(t)2*250550043002300100017121400100014．807表4-5吊钩尺寸（mm）吊钩型式起重量tAd重量(t)双钩2507702408009507507802704006．533图4-2吊钩4.4主厂房各层高程及长宽尺寸的确定4.4.1主厂房各层高程5.4.1.1水轮机组安装高程（1）设计尾水位的确定水轮机的额定流量为531，对应下游设计尾水位为64.8m。（2）吸出高度的计算设计水头情况==-2.142m最小水头情况==2.698m故取-2.142m==64.8-2.142+0.4085×8.5=66.13m取=66.1m。4.4.1.2尾水管地板高程和厂房基础开挖高程对于轴流转浆式水轮机，尾水管地板高程：尾水管的地板高程==66.1-19.55=46.55m尾水管地板高程为：厂房基础开挖高程=尾水管的地板高程-保护层厚度=46.55-4.55=42m4.4.1.3水轮机层地面高程=水轮机安装高程+蜗壳进口断面中轴线以上部分+蜗壳上部砼厚=66.1+4.3+3=73.4m4.4.1.4发电机地板高程和安装场高程发电机采用上机架埋入式布置。发电机地板高程=水轮机地面高程+定子支撑面至上机架顶部高度=73.4+2.6844+1.4186+3.5466=81.05m由于下游最高水位为81.05m，故安装场高程可取与发电机地板高程同高为81.05m。尾水平台亦与发电机地板高程同高为81.05m。4.4.1.5吊车梁轨顶高程吊车梁轨顶高程=安装场地面高程+发电机转子主轴长度+吊运部件与周围建筑物的最小间距+吊点距轨顶的极限距离=81.05+10+0.48+1=92.53m4.4.1.6屋顶面高程厂房屋顶高程=轨顶高程＋＋＋=92.53+5.4+0.4+2=100.33m厂房顶高程取为100.4m。4.4.1.7厂房总高厂房总高为=100.4-42=58.4m。4.4.2主厂房平面尺寸4.4.2.1混凝土蜗壳总宽当混凝土蜗壳的最小包角时，蜗壳的平面尺寸既总宽度按下式计算：=6.3+7+0.95×8.5=21.375m取B=21.4m。4.4.2.2每一台机组段长度对于混凝土蜗壳可按下式计算=21.4+2×3.2=27.8m4.4.2.3装配厂长度(1.0～2.0)=27.8～55.6m最终取43.2m4.4.2.4最后一台机组的段的附加长度(0.2～1.0)=1.7～8.5m最终取=4.6m4.4.2.5主厂房长度L=4×27.8+4.6+43.2+1.2=160.6m4.4.2.6厂房进水段采用开敞式进水口。5.水电站厂房的稳定计算5.1荷载的计算表5-1厂房稳定分析荷载及其组合序号力的方向及组合情况荷载说明及其组合1垂直力(1)自重，(2)水重，(3)机电设备重G，(4)基础杨压力U2垂直力总和=++G-U3水平力(1)上游水压力，(2)下游水压力，(3)浪压力，(4)泥沙压力，(5)风压力4水平力总和=-+++5正常运行情况(一)正常运行情况(二)=++G-U，=-+++，正常水位同上，水位为设计水位6特殊组合(一)同上，水位为校核水位7特殊组合(二)地震情况8其他情况机组大修：G=0，=0；施工情况：G=0，=0，按实际计算，亦不计地震5.1.1浪压力计算同挡水坝段浪压力计算正常蓄水位情况：=112.29则有=112.29×27.8=3121.662校核洪水位情况:=40.47则有=40.47×27.8=1125.0665.1.2泥沙压力由于本设计缺乏泥沙淤积高度的资料，且枢纽设有拦沙坎，故可以不考虑泥沙压力。5.1.3风荷载风速取30，基本风压，则风压压强正常水位时，机组段受压S=344.72平方米，则风压力=152.45校核水机时，机组段受压面S=329.15平方米，则风压=145.565.1.4静水压力(1)正常情况时，上游水位88米，下游水位64.5米=88-58.6(进水口闸门底高程)=29.4m=64.5-49.2(尾水管闸门底高程)=15.3m上游水压力=4239.69=4239.69×27.8=117863.26下游水压力=1148.21，EQ=1148.21×27.8=31920.28(2)校核情况时，上游水位88.56米，下游水位80.65米=88.56-58.6(进水口闸门底高程)=29.96m=80.