【《S水电站水能规划及防洪设计》18000字】

S水电站水能规划及防洪设计摘要白莲崖水库坝址位于淠河西支的漫水河中游，距淠河入淮口189千米，下游26千米为已建的佛子岭水库，流域面积745平方公里。该水库是一座以防洪为主、兼顾发电和灌溉的大（2）型水利枢纽工程，其主要防洪任务是和佛子岭、磨子潭水库进行联合调度，从而提高下游佛子岭水库的防洪标准。白莲崖水库为年调节水库，正常蓄水位为210m，死水位为190m，保证出力为0.47万kW，多年平均发电量为9910.37万kW•h。防洪标准按百年一遇洪水设计、千年一遇洪水校核，设计洪水位为211m，设计最大下泄流量4909.3m3/s；校核洪水位为217.4m，校核最大下泄流量9227.5m3/s；下游安全泄量为4000m3/s。白莲崖水电站重力坝非溢流坝段的坝顶高程为220m，坝顶宽度为10m，最大坝高为90m；溢流坝段堰顶高程为202.5m，溢洪道净宽为60m，采用挑流消能，平面闸门高为6m。水电站装机容量为10万kW，两台机组，单机容量为5万kW。水轮机型号为HL220-LJ-380；厂房为坝后式，主厂房总长53.6m，总宽21.2m，机组安装高程为144.875m。关键词：兴利调节；电力电能平衡；调洪演算；防洪设计；挡水建筑物；泄水建筑物；水轮机；坝后式厂房目录摘要 I目录 III第一章基本资料 11.1流域概况与电站位置 11.2水文与气象 11.3工程地质 81.4电力系统负荷资料 91.5其他资料 91.6设计任务 10第二章水能规划 112.1水文资料分析 112.1.1年径流频率分析 112.1.2水库调节性能判断 142.2水能指标分析 142.2.1确定调节流量 142.2.2计算保证出力和多年平均年发电量 152.2.3复核水库调节性能 172.3装机容量选择 182.3.1电力负荷图 182.3.2确定最大工作容量N"水工 232.3.3确定各种备用容量 242.3.4确定重复容量 252.3.5确定装机容量 252.3.6电力电能平衡图 262.4防洪设计 272.4.1防洪设计标准 272.4.2泄水建筑物方案拟选 272.4.3泄流量计算 282.4.4确定安全泄量 292.4.5防洪调度设计 30第三章枢纽布置及挡水、泄水建筑物设计 333.1工程等级确定 333.2枢纽主要组成建筑物及枢纽布置 333.3非溢流坝剖面设计 333.3.1剖面设计计算 333.3.2构造设计 353.3.3稳定与强度复核 363.4溢流坝剖面设计 403.4.1剖面设计计算 403.4.2构造设计 433.4.3稳定与强度校核 43第四章水电站厂房设计 464.1特征水头的确定 464.2水轮机选型 474.3.1水轮机主要参数的选择 474.3.2水轮机方案的比较分析 494.3蜗壳、尾水管设计 504.3.1蜗壳设计 504.3.2尾水管设计 524.4水轮发电机选型 524.4.1发电机型式选择 524.4.2主要尺寸估算 534.4.3外形尺寸估算 544.4.4发电机重量估算 564.4.5发电机尺寸和重量计算结果 564.5起重设备选择 574.6油压设备和调速装置 574.6.1调速功的计算 574.6.2接力器的选择 574.6.3调速器的选择 584.6.4油压装置的选择 584.7主厂房主要尺寸的确定 594.7.1主厂房长度L 594.7.2主厂房宽度B 604.7.3主厂房各层高程的确定 614.8厂房布置 62参考书目 63第一章项目来源自拟选定第二章水能规划2.1水文资料分析2.1.1年径流频率分析按照水文年度进行年径流分析，即原则上在一个水文年度内降雨和它产生的径流不被分割在两个年度内。已知白莲崖水电站水库1950年1月至2002年12月期间历年逐月平均流量资料，考虑大多数年份的径流变化特性，拟定水文年为每年3月至次年2月，可得1950年3月至2002年2月共52个水文年的逐月平均流量资料。对该52年的年径流资料进行频率分析，采用目估适线法估计频率曲线参数，总体分布曲线选定为皮尔逊=3\*ROMANIII型。以期望公式来估计经验频率 P=mn+1式中m是大于等于x的次数（即序数）；n是样本容量，此处n=52。根据径流数据，多年平均流量x=19.5m³/s，频率计算见表2-1。表2-1白莲崖水电站年径流量频率计算表水文年平均流量降序排列（m³/s）序号经验频率P（%）模比系数Ki=Xi/（Ki-1）^21954~195541.511.892.12821.27281991~199241.523.772.12821.27281969~197031.835.661.63080.39791983~19843147.551.58970.34771980~198129.859.431.52820.2791963~196427.6611.321.41540.17261975~197627.5713.211.41030.16831996~199726.2815.091.34360.11811977~197824.9916.981.27690.07671956~195724.31018.871.24620.06061952~195323.51120.751.20510.04211987~198823.21222.641.18970.0361953~195423.11324.531.18460.03411962~196323.11426.421.18460.03411993~199423.11528.31.18460.03411989~1990231630.191.17950.03221990~200022.71732.081.16410.02691958~195921.71833.961.11280.01271964~196521.71935.851.11280.01271970~197120.82037.741.06670.00441982~198320.72139.621.06150.00381981~198220.62241.511.05640.00321971~197220.32343.41.0410.00171955~195620.22445.281.03590.00131960~196120.12547.171.03080.00091972~197319.62649.061.005101984~198519.32750.940.98970.00011950~1951192852.830.97440.00071973~197418.82954.720.96410.00131985~198617.93056.60.91790.00671957~195817.83158.490.91280.00761959~196017.63260.380.90260.00951986~198717.43362.260.89230.01161951~195217.23464.150.88210.01391995~199616.53566.040.84620.02371961~196215.63667.920.80.041988~198915.33769.810.78460.04641998~1999153871.70.76920.05331974~197514.93973.580.76410.05561994~199514.54075.470.74360.06571968~196912.84177.360.65640.11811979~198012.84279.250.65640.11811967~196811.34381.130.57950.17681990~199111.24483.020.57440.18111966~196710.94584.910.5590.19452000~200110.64686.790.54360.20831997~199810.54788.680.53850.2131976~197710.24890.570.52310.22741965~19669.64992.450.49230.25782001~20028.35094.340.42560.32991992~19938.15196.230.41540.34181978~19796.45298.110.32820.4513变差系数Cv的近似无偏估计量为 CV=根据式（2-2）计算得Cv=0.386，取Cv=0.4。偏态系数Cs根据经验假定为Cv的某一倍数，取Cs分别为1.5Cv、3Cv、5Cv来进行配线计算。频率曲线选配计算见表2-2，频率曲线图见图2-1。表2-2频率曲线选配计算表频率P（%）第一次配线第二次配线第三次配线Cv=0.4Cs=Cv=0.4Cv=0.4Cs=1.5Cv=0.6Cv=0.4Cs=2Cv=0.8KpXpKpXpKpXp12.0539.982.140.952.1642.1221.937.051.9437.831.9838.6151.733.151.7233.541.7433.93101.5329.841.5329.841.5430.03201.3325.941.3225.741.3125.55500.9718.920.9618.720.9518.53750.7214.040.7113.850.7113.85900.519.950.5210.140.5310.34950.397.610.428.190.458.78990.193.710.254.880.35.85图2-1白莲崖水电站年径流量频率曲线根据图2-1可知，频率曲线1和2首尾偏于经验点据之下；频率曲线3与经验点据配合较好，取为最后采用的频率曲线，其参数为：x=19.5m³/s，Cv=0.4，Cs=2Cv=0.8。由频率曲线查得，设计枯水年平均流量为Q（P=90%）=10.9m³/s,设计平水年平均流量为Q（P=50%）=18.8m³/s,设计丰水年平均流量Q（P=10%）=29.8m³/s。考虑最不利年内分配,选择设计枯水年为1966年3月至1967年2月；选择设计平水年为1973年3月至1974年2月,设计丰水年为1980年3月至1981年2月。三个设计代表年的年径流过程见表2-3。表2-3设计枯、平、丰水年年径流分配表单位:m3/s月份三四五六七八九十十一十二一二设计枯水年13.126.623.216.631.31.31.41.52.72.33.86.5设计中水年25.230.132.639.729.412.132.26.12.82.12.910.1设计丰水年21.717.413.747.987.212118.69.43.72.73.3112.1.2水库调节性能判断先用库容系数β初步判定调节能力 β=V兴/ V兴=式中V兴是兴利库容，m3W年是多年平均来水量，m由水文资料得，W年=6.15亿m3/s；由水位库容关系曲线查得V正计算得β=18.08%∈（8%,30%），初步判定该水库为年调节水库。2.2水能指标分析2.2.1确定调节流量年调节水电站可根据三个设计代表年进行完全年调节的情况，以确定完全年调节所需的调节流量。当不计入水量损失时 Q调=（W Q调'=（式中Q调和Q调'分别是供水期和蓄水期的调节流量，m3W设供和W天蓄分别是供水期和蓄水期的来水总量，m³·月/T供和T三个设计代表年的年径流过程见表2-3，分别根据式（2-3）和式（2-4）求出蓄水期和供水期以及相应的调节流量，计算结果见下表。表2-4设计枯、平、丰水年各时段调节流量汇总表设计枯水年设计平水年设计丰水年供水期8月～次年2月10月～次年2月10月～次年2月Q调8.82613.2614.48蓄水期4月～7月3～7月7～8月Q调13.85522.9482.96不供不蓄期3月8～9月3～6、9月2.2.2计算保证出力和多年平均年发电量保证出力N保的计算采用设计枯水年法，取该供水期的平均出力作为年调节水电站的保证出力。月平均出力 N=AQ（Z式中A=9.81η，取A=8.0，则η=0.815。多年平均年发电量E年采用三个代表年法进行估算 E年三个设计代表年的出力及发电量计算分别见表2-5～2-7。表2-5设计枯水年电站出力及发电量计算时段/月三四五六七八九十十一十二一二Q天m³/s21.717.413.747.987.212118.69.43.72.73.311Q调21.717.413.747.982.9682.9618.614.4814.4814.4814.4814.48ΔQ00004.2438.040-5.08-10.78-11.78-11.18-3.48ΔW亿m³00000.11210-0.134-0.284-0.31-0.294-0.092V初1.0351.0351.0351.0351.0351.1462.1462.1472.0131.731.421.126V末1.0351.0351.0351.0351.1462.1462.1462.0131.731.421.1261.035Z初m209.6209.6209.6209.6209.6209.6210210210209.8209.7209.6Z末209.6209.6209.6209.6209.6210210210209.8209.7209.6209.6Z上209.6209.6209.6209.6209.6209.8210210209.9209.8209.7209.6Z下133.7133.6133.5134.1134.4134.4133.7133.5133.5133.5133.5133.5H75.8675.9776.0875.5275.2475.4576.3476.4476.3676.2576.1476.07N万kW1.3171.0570.8342.8944.9945.0081.1360.8850.8850.8830.8820.881E水万kW·h961.4771.9608.7211236453655829.3646.4645.8644.8643.9643.3表2-6设计平水年电站出力及发电量计算时段/月三四五六七八九十十一十二一二Q天m³/s25.230.132.639.729.412.132.26.12.82.12.910.1Q调22.9422.9422.9422.9422.9412.132.213.2613.2613.2613.2613.26ΔQ2.267.169.6616.766.4600-7.16-10.5-11.2-10.4-3.16ΔW亿m³0.0590.1880.2540.4410.1700-0.19-0.28-0.29-0.27-0.08V初1.0351.0941.2821.5361.9772.1472.1472.1471.9591.6841.391.118V末1.0941.2821.5361.9772.1472.1472.1471.9591.6841.391.1181.035Z初m190191.3195.5200.9207.6210210210207.3203.2198191.9Z末191.3195.5200.9207.6210210210207.3203.2198191.9190Z上190.7193.4198.2204.2208.8210210208.7205.3200.6194.9190.9Z下133.7133.7133.7133.7133.7133.5133.9133.5133.5133.5133.5133.5H56.9259.6964.4770.575.0676.5476.1475.1771.867.161.457.42N万kW1.0451.0951.1831.2941.3780.7411.9610.7970.7620.7120.6510.609E水万kW·h762.5799.7863.7944.51006540.81432582.1556519.6475.5444.7表2-7设计丰水年电站出力及发电量计算时段/月三四五六七八九十十一十二一二Q天m³/s21.717.413.747.987.212118.69.43.72.73.311Q调21.717.413.747.982.9682.9618.614.4814.4814.4814.4814.48ΔQ00004.2438.040-5.08-10.8-11.8-11.2-3.48ΔW亿m³00000.11210-0.13-0.28-0.31-0.29-0.09V初1.0351.0351.0351.0351.0351.1462.1462.1472.0131.731.421.126V末1.0351.0351.0351.0351.1462.1462.1462.0131.731.421.1261.035Z初m209.6209.6209.6209.6209.6209.6210210210209.8209.7209.6Z末209.6209.6209.6209.6209.6210210210209.8209.7209.6209.6Z上209.6209.6209.6209.6209.6209.8210210209.9209.8209.7209.6Z下133.7133.6133.5134.1134.4134.4133.7133.5133.5133.5133.5133.5H75.8675.9776.0875.5275.2475.4576.3476.4476.3676.2576.1476.07N万kW1.3171.0570.8342.8944.9945.0081.1360.8850.8850.8830.8820.881E水万kW·h961.4771.9608.7211236453655829.3646.4645.8644.8643.9643.3由表2-5数据可得，N保供=0.47万kW，E保供=2387.44万kW·h。由表2-5～2-7数据可得2.2.3复核水库调节性能以对设计枯水年按等流量进行完全年调节所需兴利库容V完为界限，当实际兴利库容小于V完时，为年调节水库。V完 V完=Q式中Q设年为设计枯水年平均天然流量，m3T枯W设枯为设计枯水年枯水期来水总量，m3由表2-3数据可得，Q设年=10.9m³/s，T枯=7×2.63×8106s，W设枯=19.5×2.63×106故判明该水库确属年调节。2.3装机容量选择2.3.1电力负荷图（1）根据电力系统负荷资料，每个季度的典型日负荷图采取同样的百分比，按比例得到各个月的24小时的负荷变化情况，具体数据见表2-8。表2-8各月典型日最大负荷变化列表单位：万kW时序1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月139.8939.0738.537.6836.8636.0336.8537.6738.539.3240.1440.7238.8138.0237.436.635.8134.9635.7536.5437.438.238.9939.6337.7336.9636.335.5334.7633.8834.6535.4236.337.0737.8438.5436.6535.935.234.4533.732.833.5534.335.235.9536.737.4538.8138.0236.335.5334.7633.8834.6535.4236.337.0737.8439.6639.8939.0738.537.6836.8636.0336.8537.6738.539.3240.1440.7743.1242.2440.739.8338.9738.1839.0539.9240.741.5742.4344847.4346.4642.941.9941.0740.3341.2542.1742.943.8144.7348.4951.7450.6947.346.2945.2944.145.146.147.348.3149.3152.81049.5948.5846.245.2244.2343.024444.9846.247.1848.1750.61147.4346.464443.0642.1341.4142.3543.294444.9445.8748.41245.2844.3542.941.9941.0740.3341.2542.1742.943.8144.7346.21343.1242.2441.840.9140.0239.2640.1541.0441.842.6943.58441444.243.34443.0642.1341.4142.3543.294444.9445.8745.11545.2844.3545.144.1443.1842.4843.4544.4245.146.0647.0246.21646.3545.4146.245.2244.2343.024444.9846.247.1848.1747.31748.5147.5247.346.2945.2944.145.146.147.348.3149.3149.51850.6749.6349.548.4547.3946.2547.348.3549.550.5551.6151.71953.952.851.750.649.548.449.550.651.752.853.9552052.8251.7450.649.5248.4547.3248.449.4850.651.6852.7553.92150.6749.6348.447.3746.3445.1746.247.2348.449.4350.4651.72248.5147.5247.346.2945.2944.145.146.147.348.3149.3149.52344.243.34443.0642.1341.4142.3543.294444.9445.8745.12442.0441.1840.739.8338.9737.6438.539.3640.741.5742.4342.9Nmax53.952.851.750.649.548.449.550.651.752.853.955N45.2844.3543.4542.5241.640.6541.5742.543.4544.3845.346.2（2）日电能累积曲线根据表2-8的数据，进行日累积电能的计算，从而在日负荷图中进行日电能累积曲线图的绘制。图2-21月典型日负荷图与日电能累积曲线图2-32月典型日负荷图与日电能累积曲线图2-43月典型日负荷图与日电能累积曲线图2-54月典型日负荷图与日电能累积曲线图2-65月典型日负荷图与日电能累积曲线图2-76月典型日负荷图与日电能累积曲线图2-87月典型日负荷图与日电能累积曲线图2-98月典型日负荷图与日电能累积曲线图2-109月典型日负荷图与日电能累积曲线图2-1110月典型日负荷图与日电能累积曲线图2-1211月典型日负荷图与日电能累积曲线图2-1312月典型日负荷图与日电能累积曲线2.3.2确定最大工作容量N"水工由于白莲崖电站属于年调节电站，在确定最大工作容量时，应该以其在设计枯水年供水期所提供的保证电能为控制条件，让水电站在整个供水期承担系统的峰荷。先假定三个水电站最大工作容量方案N水工1"=6万kW、N水工2"=6.2万kW、N水工3"=6.5万kW，在各月的典型日电能累积曲线上分别定出相应的日电能量E水日i，以及各月月电能E月水电站各个最大工作容量N水工"方案与其相应的供水期保证电能E保供的关系曲线见图2-14，根据设计枯水年供水期内保证电能从关系曲线查出年调节水电站的最大工作容量N水工图2-14最大工作容量的确定 表2-9设计枯水年供水期各月最大工作容量N6.1供水期8910111212最大负荷50.651.752.853.95553.952.8水平线48.948.948.948.948.948.948.9N1.72.83.956.153.9E2.285.18.8614.3523.515.999.99E69.312155.04269.344436.24714.4486.096303.6962.3.3确定各种备用容量（1）负荷备用容量N取系统最大负荷的5%左右，得N系备=2.8万kW，此容量全部由白莲崖水电站承担，即N水负（2）事故备用容量N取系统最大负荷的10%左右，得N系事由于系统最大工作容量N系工"=55万kW，前面定出N水工"=6.1万kW，可得N火工"（3）检修备用容量N暂不考虑水电站的检修备用容量，即N水备=0万kW。由于火电站机组平均每台检修时间较长，且火电站机组较多，所以设置3万kW的检修备用容量，即（4）必须容量N必须容量是最大工作容量和备用容量的总和，即N系必=66.3万kW，N水必=9.5万kW（5）事故备用库容V事备在水电站中，考虑到事故备用容量的使用时间较长，通过式（2-8）来计算相应的事故备用库容 V事备= N必=A Hmin=式中T取连续工作10d（240h）；由V死+1QT和由式（2-9）试算可得Z下带入式（2-8）计算可得V事备2.3.4确定重复容量由表2-5～2-7知，三个设计代表年所有月份的N均小于N水必2.3.5确定装机容量装机容量是必须容量和重复容量的总和，在一定范围内进行取整，故取N系装=67万kW，N水装=10万kW取水电站机组为2台×5万kW。取火电站机组为8台×5.5万kW；2台×4万kW；1台×3万kW；1台×2万kW。2.3.6电力电能平衡图根据已经求出的电力系统、水电站及火电站装机容量等其它容量，可得电力系统的容量平衡及电能平衡表如下：表2-10水电站容量平衡表单位：万kW月份123456789101112电力系统装机容量676767676767676767676767工作容量53.952.851.750.649.548.449.550.651.752.853.955负荷备用容量2.82.82.82.82.82.82.82.82.82.82.82.8事故备用容量5.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.5受阻容量000000000000检修容量45.55.55.55.55.55.575.55.543空闲容量0.80.41.52.63.74.83.71.11.50.40.81水电站装机容量101010101010101010101010工作容量53.94.95.15.25.45.61.72.83.956.1负荷备用容量2.82.82.82.82.82.82.82.82.82.82.82.8事故备用容量2.23.32.32.121.81.60.54.43.32.21.1受阻容量000000000000检修容量000000050000空闲容量0.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.0火电站装机容量575757575757575757575757工作容量48.948.946.845.544.34343.948.948.948.948.948.9负荷备用容量000000000000事故备用容量3.32.23.23.43.53.73.951.12.23.34.4检修容量45.55.55.55.55.55.525.55.543空闲容量0.80.41.52.63.74.83.71.11.50.40.80.7表2-11电能平衡表单位：万kW·h月份123456789101112电力系统33054.432375.531718.531039.63036829674.530346.13102531719323973306933726水电站486.1303.7440.8495.8530.5561.8595.869.3155269.3436.2714.4火电站32568.332071.831277.730543.829837.529112.729750.330955.731564321283263333012图2-15电力系统平衡图2.4防洪设计2.4.1防洪设计标准由于水库总库容在1～10亿m3之间，装机容量为10WkW=100MW，根据《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》确定本工程工程等级为二等，工程规模为大（2）型，主要建筑物为2级，次要建筑物为3级。永久性水工建筑物的设计洪水的标准取为百年一遇（P=1%），校核洪水标准取为千年一遇（P=0.1%）。下游防洪标准小于建筑物的设计标准，本次设计按五十年一遇的标准进行。所需要的白莲崖水库各频率设计洪水过程线从表1-2中提取。2.4.2泄水建筑物方案拟选正常蓄水位为210m，拟取低于该水位下2m作为防洪限制水位（208m），以此作为起调水位。采用闸门控制的溢洪道和中孔进行泄流。根据给定资料知溢流坝前缘总宽B=60m。取6孔，每孔宽10m。查《SL-74-2019水利水电工程钢闸门设计规范》得推荐闸门高度范围为4～13m，安全超高为0.5m，取闸门高为6m。拟取坝顶高程为202.5m。泄洪孔取4孔，每孔面积5×5，洞心高程为180m，低于死水位。2.4.3泄流量计算根据水库容积水位关系曲线和泄洪建筑物方案，求出水库下泄流量和库容之间的关系。同时，考虑水电站满负荷发电方式运行，求水库水位与水电站发电流量之间的关系。进而求得水库水位与水库总泄量之间的关系Z~Q。各流量计算公式见下式。溢洪道 q1=泄洪孔 q2=水轮机（两台机组满发） q3=式中实用堰的流量系数m=0.42～0.5，取m=0.5；取侧收缩系数ε=0.9，淹没系数σ=1；堰上水头h1=Z上-202.5；孔口出流系数μ1=0.75；ω为孔口出流面积；孔口中心水头h2=Z上-180；A=8；h3=Z上-Z下。泄流量计算结果见下表，并作出上游库水位与下泄流量之间的关系曲线（见图2-16）。表2-12上游水位-总下泄流量关系曲线（B=60m）Z上Z下h1q1h2q2h3q3∑qV202.5137.750022.51528.3364.75193.051721.381.637203137.850.542.28231545.2265.15191.861779.371.6681204138.181.5219.72241578.4565.82189.911988.081.7304205138.642.5472.7625161166.36188.372272.131.7926206139.143.5783.13261642.9066.86186.962612.991.8635207139.64.51141.69271674.2067.4185.463001.351.9344208140.25.51542.68281704.9267.8184.373431.972.0052209140.866.51981.99291735.1068.14183.453900.532.0761210141.657.52456.54301764.7668.35182.894404.182.1470211142.58.52963.87311793.9368.5182.484940.292.2268212143.39.53502.00321822.6468.7181.955506.592.3066213144.110.54069.26331850.9068.9181.426101.582.386421414511.54664.21341878.7369181.166724.102.4662215145.912.55285.62351906.1669.1180.907372.682.5460从表1-12中可知，Z限图2-16库水位与下泄流量关系曲线2.4.4确定安全泄量对五十年一遇洪水进行调洪演算时，起调水位为防洪限制水位208m，相应库容为2.0052亿m3，相应下泄能力为3432m3/s。当来水流量小于3432m3/s时，可通过闸门控制下泄流量，使下泄流量等于来水量，维持防洪限制水位；当来水流量大于3432m3/s时，不能再维持防洪限制水位，水位被迫上升，水库按下泄能力下泄，所能达到的最高水位对应的流量为下游安全泄量。试算得到下游安全泄量为4231.57m3/s。实际选用比计算值稍小的泄量值作为安全泄量，即取q安=4000m3/s，此时对应的水位为209.23m，库容为2.11亿m3。2.4.5防洪调度设计考虑安全泄量，再次对五十年一遇、百年一遇、千年一遇的洪水过程线进行调洪计算。当来水流量小于3432m3/s时，可通过闸门控制下泄流量，使下泄流量等于来水量，维持防洪限制水位；当来水流量大于3432m3/s时，不能再维持防洪限制水位，水位被迫上升，水库按下泄能力下泄；当水位高于209.23m、下泄流量大于下游允许泄流量4000m3/s时，控制闸门，使流量维持在安全下泄流量4000m3/s，此时水位将会先增高后降低，计算的最高水位分别为防洪高水位、设计洪水位和校核洪水位；当水位降至防洪限制水位208m时，通过闸门控制下泄流量，使下泄流量等于来水量，维持防洪限制水位。图2-1750年一遇的洪水调度设计图2-18百年一遇的洪水调度设计图2-19千年一遇的洪水调度设计通过试算得到的特征水位及相应的数据见下表：表2-13特征水位特征水位（m）下泄流量（m3/s）下游水位（m）防洪限制水位2083432140.2防洪高水位209.74228.5141.4正常蓄水位2104379.7141.6设计洪水位2114909.3142.5校核洪水位217.49227.5148.5

第三章枢纽布置及挡水、泄水建筑物设计3.1工程等级确定本工程工程等级为二等，工程规模为大（2）型，主要建筑物为2级，次要建筑物为3级。3.2枢纽主要组成建筑物及枢纽布置（1）主要组成建筑物由基本资料可知，主要组成建筑物为混凝土重力坝、混凝土溢流坝和坝后式水电站厂房。（2）枢纽布置坝轴线为直线。溢流坝布置于河床中部，两侧为非溢流坝段，溢流坝和非溢流坝的上游面保持相平，下游倾斜面也保持相平。具体信息详见枢纽总体布置图。3.3非溢流坝剖面设计3.3.1剖面设计计算3.3.1.1确定坝顶高程非溢流坝的坝顶距离水库静水位应保留一个安全超高的高度，即Δℎ。本次设计分别计算设计洪水位和校核洪水位加上相应的安全超高的高度，并取其最大值。 坝顶高程=max设计洪水位+Δℎ Δℎ=ℎ1%+式中ℎ1%为累积频率为1%的波浪爬高，m，用官厅水库公式ℎz为波浪中心线高于静水位的高度，m，用公式ℎℎc为安全超高，m，查《水工设计手册》得正常情况hc=0.5m，校核情况hc=0.4m最终计算结果见表3-1。表3-1坝顶高程计算表单位：m水位h1%hzhc坝顶高程最终坝顶高程坝高设计洪水2110.870.30.5212.6722090校核洪水217.40.870.30.4218.973.3.1.2基本剖面的设计基本剖面为上游坝面铅直（λ=0）的三角形剖面，已设计坝高为90m，现来根据设计的坝高H求得满足坝基面稳定和应力条件的最小坝底宽度B。（1）满足应力控制条件的最小底宽： B=Hγc式中H是坝高，H=90m；γc为坝体材料容重，取γγo为水容重，取γo＝10kN/mα1为扬压力折减系数，取α算得B=61.5m。（2）满足稳定条件的最小底宽： B=KHf（γ式中K为抗滑稳定安全系数，设计工况下K＝1.05，校核工况下K=1.00；f为滑动面上的抗剪摩擦系数，选取底裂面f＝0.65。算得设计工况的B=69.2m，校核工况的B=65.9m。（3）坝底宽度的确定综上，B取较大值，故取B=70m，则m=0.778。3.3.1.3实用剖面尺寸的确定（1）坝顶宽度取坝高的8%~10%，且不小于3m，故取坝顶宽度为10m。（2）剖面形态采用上游坝面上部铅直，下部倾斜的剖面形态。上游折坡的起坡点在坝高的1/3~2/3处，取于坝高的1/3处；上游折坡n取0.2。最终坝底宽度B=70+90/3×0.2=76m。图3-1非溢流坝剖面图3.3.2构造设计3.3.2.1廊道设置（1）基础帷幕灌浆廊道基础帷幕灌浆廊道沿纵向布设在坝踵附近，以便有效地降低渗透压力。廊道宽度一般为2.5~3m，高度约为3.0~4.0m，取廊道宽为3m，高为3.5m。廊道上游壁到上游坝面的距离应不小于0.05~0.1倍水头（按校核水头87.4m，距离不小于4.37~8.74m），且不小于4~5m，以免渗透坡降过大使混凝土受到破坏，也不致恶化廊道。取为7m。廊道底面至基岩面的距离宜不小于1.5倍底宽，以防廊道底板被灌浆压力掀动开裂。故廊道底面距基岩面得距离取为7m。（2）基础排水廊道基础排水廊道沿纵横两个方向布置，且直接设在坝底基岩面上。廊道宽度一般为1.5~2.5m，高度为2.2~2.5m，取宽为2.0m，高为2.5m。（3）纵向排水廊道纵向排水廊道一般靠近坝的上游侧每隔15~30m高差设一层，其上游壁离上游坝面的距离应不小于0.05~0.1倍水头作用，且不得小于3m。本设计取每20m高差设一层纵向排水廊道，其上游壁距上游坝面7m。取宽2.0m，高2.5m。3.3.2.2坝体排水为了减小渗水对坝体得有害影响，降低坝体中的渗透压力，在靠近上游坝面处设置排水管，将坝体渗水排入廊道，再由廊道汇集于集水井，用水泵排向下游。排水管至上游坝面的距离约为水头的1/15~1/25（按设计水头，5.83~3.5），且不小于2m。取为7m。排水管管内径取为20cm。3.3.3稳定与强度复核3.3.3.1荷载计算与荷载组合（1）主要荷载作用在非溢流坝上的主要荷载有坝体自重、上下游静水压力、扬压力和浪压力，本次设计只考虑这四种荷载。（2）荷载标准值计算取单宽坝体进行计算与复核。a.坝体自重 W=γcV式中γc为坝体材料容重，取γV为单宽坝体的体积，m3b.静水压力水平压力 Px=12垂直压力 Py=γ0式中γo为水容重，取γH为水深，m；V为折坡上水的体积，m3c.坝基扬压力坝踵扬压力 U1=坝趾扬压力 U2=排水孔中心线扬压力 U3=γ0式中H1H2α为扬压力折减系数，取α=0.25。d.坝体扬压力取扬压力折减系数α=0.2。e.浪压力由于坝前水深远大于半波长，即H>L Pw=14（3）荷载组合本次设计考虑基本组合、偶然组合和运用期情况。表3-2非溢流坝荷载组合表自重静水压力扬压力浪压力基本组合正常蓄水位★★★★偶然组合校核洪水位★★★★运用期正常蓄水位★★★★注：表中每一种荷载组合情况均要对坝基面和折坡面分别进行计算检验。3.3.3.2抗滑稳定分析本部分设计内容在基本组合和偶然组合两个工况下进行承载能力极限状态分析，针对坝基面进行坝体混凝土与岩基接触面的抗滑稳定极限状态，针对折坡面进行混凝土层间的抗滑稳定极限状态。作用效应函数为使得大坝产生滑动的力，包括水压力、浪压力等；阻止大坝滑动的力即为抗力函数，包括摩擦力，凝聚力等。坝基面 S∗=P R∗=f折坡面 S∗=P R∗=f安全时 γ0ψS式中、WR是坝基面上水平作用和铅直作用的设计值之和，，由标准值乘对应的分项系数得到，以右、下方向为正方向；PC、WC是折坡面上水平作用和铅直作用的设计值之和，fR'、fC'分别是坝基面和折坡面上的抗剪断摩擦系数的设计值，由标准值除以分项系数γm1=1.7CR'、CC'分别是坝基面和折坡面上的抗剪断凝聚力，kPa，由标准值除以分项系数γm2=2AR、AC分别是坝基面或折坡面面积，γ0为结构安全性系数，二级坝取ψ为设计状况系数，基本组合下为持久设计状况，取ψ=1.0；偶然组合下为短暂设计工况，取ψ=0.85；γd为结构系数，抗滑稳定极限状况下取γ计算结果见下表。表3-3抗滑稳定计算结果单位：kPaγ1是否满足抗滑稳定基本组合正常蓄水位坝基面32297.159628.6是折坡面12899.333904.7是偶然组合校核洪水位坝基面31966.157741.2是折坡面14399.333583.8是由表格数据可知，坝体的抗滑稳定性满足要求。3.3.3.3坝体应力复核（1）坝趾抗压强度验算本部分设计内容在基本组合（正常蓄水位）工况下进行承载能力极限状态分析，分别校核坝基混凝土和基岩的强度以及折坡面混凝土强度。混凝土强度应满足：最大垂直正应力，坝基面 S·=W折坡面 S·=WCA坝体最大主应力，坝基面 S∗=WRA折坡面 S∗=WCA R·=fc= γ0ψS基岩强度应满足： γ0ψS式中MR为外力荷载力矩和，kN·mJR为计算截面关于中性轴的惯性矩，，JRTx为计算截面中性轴与计算点距离，，Txm为坝体下游坡率，m=0.778；fc、fck分为混凝土抗压强度设计值与标准值，γm为材料性能分项系数，取γfR为基岩允许承载能力，取fγd为结构系数，抗压、抗拉极限状况下取γ坝体各部位工作条件不同，对混凝土材料性能指标的要求也不同。为满足坝体各部分的要求，节省水泥用量及对坝体混凝土进行分区，坝体外部选用C25砼（fck=16.7MPa），坝体内部选用C20砼（计算结果见下表。表3-4坝趾抗压强度计算结果单位：kPaγ1γd是否满足强度要求坝基面最大垂直正应力1067.86185.2C25砼满足要求94000基岩满足要求坝体最大主应力1714.26185.2C25砼满足要求折坡面最大垂直正应力586.24962.9C20砼满足要求坝体最大主应力997.7由表格数据可知，坝趾抗压强度满足要求。（2）坝体拉应力验算本部分设计在运用期（正常蓄水位）工况下对坝踵处和折坡点处拉应力进行正常使用极限状态分析，此时应取作用的标准值进行计算，需满足的条件为：坝踵处 Sl·=折坡点处 Sl·计算得坝踵处Sl·=687.7kPa>03.3.3.4小结综上所述，该非溢流坝的剖面设计满足稳定和强度要求。3.4溢流坝剖面设计3.4.1剖面设计计算3.4.1.1堰顶高程与溢流坝段总宽由调洪演算可知堰顶高程为202.5m，溢流坝前缘总宽B=60m，取6孔，每孔径宽10m，闸墩宽4m，边墩取为4m,则溢流坝段总宽为84米。3.4.1.2堰面曲线的确定（1）堰顶上游段堰面曲线上游面是铅直面时，采取三圆弧曲线将堰面曲线与上游铅直面平滑连接，具体参数取值见下表和图3-2。表3-5三圆弧曲线参数取值单位：mR1=0.5Hd7a=0.175Hd2.45R2=0.2Hd2.8b=0.276Hd3.864R3=0.04Hd0.56c=0.282Hd3.948（2）堰顶下游堰面曲线堰顶下游堰面采用WES幂曲线，可按下式计算： xn=kH式中Hd为堰面曲线定型设计水头，m，可根据容许负压的大小按堰顶最大作用水头Hmax的75%~95%计算，取Hd=14m；x，y是原点下游堰面曲线的横、纵坐标；游面是铅直面时，k=2，n=1.85。故上式可写成 y=x图3-3堰上曲线及上游曲线（3）倾斜直线段的确定倾斜直线段与曲线相切，则直线方程为 y=x0.778−12.163（4）剖面布置调整考虑到倾斜直线段应与非溢流坝下游坝面完全重合，需要将溢流堰设计得到的直线方程与非溢流坝段的直线方程进行比较复核。经计算符合，当非溢流坝、溢流坝上游铅直面重合时，二者的下游倾斜直线段几乎也重合，符合要求，故此时上游面顶部不需做成悬臂状。（5）反弧段的确定a.挑坎高程确定据校核洪水位查得对应的下游最高水位∇=148.5m，挑坎高程应高出下游最高水位，最终挑坎高程定为∇坎b.反弧段半径采取挑流消能，则反弧段半径为 R=（4~6）ℎc0 T0=ℎc式中hc0为校核洪水位闸门全开时反弧段最低点处的水深，m；T0为有效总水头，m；φ为流速系数，查《水力学》表10-1取φ=0.95；q为校核洪水对应的单宽流量，m3/s。试算得，ℎc0=4.65mc.鼻坎挑角的确定鼻坎挑角的合理范围，取α=20º。图3-4溢流坝剖面图3.4.1.3消能设计评价（1）水舌挑距L： L=V1cos式中L为是鼻坎末端至冲坑最深点的水平距离，m；V1为坎顶水面流速，α为鼻坎挑射角度，α=20º；ℎ1为坎顶平均水深ℎc0ℎ2为坎顶至河床表面高差，m经计算得L=183.81m。（2）最大冲坑水垫厚度tk tk=kq式中tk为水垫厚度，H为上下游水位差，m，采用校核洪水位的上下游水位差；K为冲刷系数，取K=1.1；q为单宽流量，m3/s。经计算得tk（3）冲坑本身最大深度 ts=tk式中t为原河床水深，m，取校核洪水位时河床水深。经计算得ts=20.8m，则L3.4.2构造设计同非溢流坝。3.4.3稳定与强度校核3.4.3.1荷载计算与荷载组合（1）主要荷载作用在溢流坝上的主要荷载有坝体自重、上下游静水压力、扬压力和反弧段水流离心力，本次设计只考虑这四种荷载。（2）荷载标准值计算取单宽坝体进行计算与复核，其中前三种荷载的计算与非溢流坝一致。反弧段水流离心力： Px=式中Px、Py为水流离心力的水平分力和垂直分力，kq为单宽流量，m3ν为流速，m/s，ν=qφ1、φ图3-5溢流坝挑角示意图（3）荷载组合本次设计考虑基本组合、偶然组合和运用期情况。表3-6溢流坝荷载组合表自重静水压力扬压力水流离心力基本组合正常蓄水位★★★偶然组合校核洪水位★★★★运用期正常蓄水位★★★注：表中每一种荷载组合情况均要对坝基面和折坡面分别进行计算检验。3.4.3.2抗滑稳定分析设计内容和分析方法同非溢流坝，计算结果见表3-7。表3-7抗滑稳定计算结果单位：kPaγ1是否满足抗滑稳定基本组合正常蓄水位坝基面31978.959582.1是折坡面12586.031156.8是偶然组合校核洪水位坝基面28117.062263.4是折坡面13421.430791.1是由表格数据可知，坝体的抗滑稳定性满足要求。3.4.3.3坝体应力复核设计内容和分析方法同非溢流坝。（1）坝趾抗压强度验算表3-4坝趾抗压强度计算结果单位：kPaγ1γd是否满足强度要求坝基面最大垂直正应力1194.76185.2C25砼满足要求94000基岩满足要求坝体最大主应力1917.86185.2C25砼满足要求折坡面最大垂直正应力709.64962.9C20砼满足要求坝体最大主应力1139.1由表格数据可知，坝趾抗压强度满足要求。（2）坝体拉应力验算计算得坝踵处Sl·=483.9kPa>03.4.3.4小结综上所述，该溢流坝的剖面设计满足稳定和强度要求。

第四章水电站厂房设计4.1特征水头的确定水头由上游库水位减去下游水位计算得。坝后式水电站的输水系统水头损失为毛水头的1%~3%，本次设计取2%，则净水头 H=98%×∇特征水头包括最大水头Hmax、最小水头Hmin、平均水头Hav和设计水头Hr，需考虑的工况见下表：表4-1特征水头考虑的水头工况水头工况上游库水位机组情况H1校核洪水位2台机组满发H设计洪水位2台机组满发H正常蓄水位2台机组满发H正常蓄水位1台机组满发H死水位2台机组满发H死水位1台机组满发根据经验确定各特征水头的值，则 Hmax= Hmin= Hav=5% Hr=0.95Hav各工况的水头值和特征水头的取值见表4-2。表4-2各工况的水头值单位：mHHHHHHHHHH67.5267.1367.0367.1351.9452.1467.5251.5962.5759.444.2水轮机选型由求得的特征水头可知，水头范围为51.94~67.52m。根据水头范围查《水电站》表3-6，初步选取HL220、HL230两种型号的水轮机，其模型转轮的主要参数见表4-3。表4-3HL220、HL230水轮机模型转轮主要参数表转轮型号HL220HL230推荐使用水头范围（m）35～6550～85导叶相对高度b0/D10.250.315模型转轮D1M0.460.404最优工况n10M7071η0.910.907限制工况Q1M1.151.11η0.890.852σ0.1330.170计算确定这两种型号的水轮机的型号，并进行方案比较，确定最后的水轮机型号。4.3.1水轮机主要参数的选择4.3.1.1.转轮直径D1根据水轮机额定出力计算公式，可得 D1=式中Nr为单台水轮机组的额定出力，；Q1'为水轮机限制工况下单位流量，m3Hrη为限制工况下相应的原型效率。先假定η，计算求得D1，再根据《水电站》4.3.1.2转速n计算水轮机转速的计算公式为： n=n式中n10’为最优工况下相应的原型转速，Hav初步假定，计算求得n，再根据《水电站》表1-1选用与之接近而偏大的同步转速。4.3.1.3效率及单位参数修正（1）效率修正可根据模型最高效率进行修正。效率修正值Δη： ηmax=1− Δη=η原型水轮机在最优工况和限制工况下的效率： ηmax= η=ηM式中ξ为效率修正值，取ξ=1%。（2）单位参数修正单位转速修正判断公式： Δn1当满足式（4-12）时，单位转速可不作修正，同时单位流量也可不作修正。4.3.1.4工作范围的检验水轮机在设计水头Hr下，以额定出力Nr工作时，会产生最大单位流量，并可以此计算出水轮机最大引用流量。 Q1max Qmax=与特征水头、、相对应的最小单位转速n1min'、最大单位转速n1max'及设计单位转速n n1min n1max' n1r在相应型号的水轮机模型综合特性曲线图上绘出Q1max'，n1min'和n1max'的直线，这三根直线所围成的4.3.1.5吸出高度的计算以下两式均可进行吸出高度的计算： HS=10− HS=10−式中为水轮机安装位置的海拔高程，初始计算取为下游平均水位140.64m；取为设计水头，m；σm为模型水轮机气蚀系数，可在特性曲线Δσ为气蚀系数的修正值，可在《水电站》图2-26上查得；σz为模型水轮机气蚀系数当吸出高度满足HS4.3.2水轮机方案的比较分析表4-4原型水轮机参数对照表HL220HL230工作水头范围（m）51.94~67.5251.94~67.52转轮直径D1（m）3.83.8转速n（r/min）150150最高效率ηmax（%）9394.5额定出力Nr（kW）5.2×1045.2×104最大引用流量Qmax（m3/s）97.97100.2吸出高度Hs（m）2.29-0.26工作范围包含部分高效区包含部分高效区根据以上比较可知，两个方案的转轮直径和转速一样，HL220虽然气蚀系数较小，但是原型的最高效率略低，最大引用流量略小；而虽然HL230气蚀系数大，但是原型的最高效率和最大引用流量相较而言大些，且工作范围包含更多的高效区。综合分析，选择HL220型水轮机，直径3.8m，单位转速150r/min。4.3蜗壳、尾水管设计4.3.1蜗壳设计本水电站水头大于40m，故采用金属蜗壳。蜗壳的包角取345°；进口断面平均流速Vc可根据水轮机的设计水头Hr从经验曲线上查取，对于金属蜗壳可取上限值，取Vc=7.0m/s。查《水电站机电设计手册》可得转轮座环尺寸，见表4-4。表4-4转轮座环相关尺寸单位：mD1DaDbrarb3.85.852.92.5其他尺寸计算见下式：断面半径 ρi=Q断面中心距 ai=断面外半径 Ri=图4-1蜗壳尺寸示意图表4-5蜗壳各断面计算尺寸单位：mφi（º3075120165210255300345ρ0.6090.9641.2191.4291.6121.7771.9272.067a3.5093.8644.1194.3294.5124.6774.8274.967R4.1184.8285.3385.7586.1246.4546.7547.034图4-2金属蜗壳平面单线图4.3.2尾水管设计由于水电站水头小于150m，故不需要设置金属里衬。尾水管选用弯肘型尾水管，肘形型式选用标准混凝土肘管。表4-6尾水管尺寸表单位：mhLB5D4h4h6L1h59.8817.110.3365.135.132.5656.9164.636取进口直锥段中的单边扩散角θ=8º，中间弯肘段根据《水电站》图2-18的尺寸按比例放大，出口扩散段的顶板上翘角度经计算得α=11.5º。图4-3尾水管尺寸示意4.4水轮发电机选型当转速偏差<10%、出力偏差<20%时，可选择现有机组尺寸进行套用。经检查，无可套用的机组。4.4.1发电机型式选择采用立式发电机。由于额定转速n=150r/min，悬式和伞式发电机均可以进行选择，本次设计选择悬式发电机。，发电机额定容量可按照电学公式计算： Sf=N式中Nf为发电机单台机组装机容量，；cosφ为发电机功率因数，取。计算得Sf4.4.2主要尺寸估算主要尺寸包括和定子铁芯长度lt等的计算。4.4.2.1极距极距按照下式计算： τ=Kf4Sf2式中为磁极对数，与同步转速有关，查《水电站》表1-1查得p=20；Kf为系数，一般为，取为Kf4.4.2.2定子内径D Di=2pπτ（4.4.2.3定子铁芯长度l发电机运输条件和冷却方式是限制定子铁芯长度的决定因素。采用空冷的冷却方式。 lt=SfCD式中为额定转速，；为系数，采用空冷的冷却方式时，根据额定容量，查得。4.4.2.4定子铁芯外径Dne Da=D4.4.3外形尺寸估算4.4.3.1平面尺寸估算（1）定子机座外径D1由于=150rpm∈（136.4,214），故： D1=1.18（2）风罩内径D由于=5.88×10 D2=（3）转子外径D D3=式中δ为单边空气间隙，忽略不计。（4）下机架最大跨度D考虑到Sf=5.88× D4=式中D5为水轮机机坑直径，插值查《水电站机电设计手册》（5）推力轴承外径D6与励磁机外径插值查《水电站机电设计手册》表3-7得到D6=3.57m，D7=2.57m。4.4.3.2轴向尺寸计算（1）定子机座高度ℎ=150rpm∈（125，214），故： ℎ1=（2）上机架高度ℎ采用悬式 ℎ2=0.25（3）推力轴承高度ℎ3，励磁机高度ℎ4，副励磁机高度ℎ由于Sf=5.88×104KVA>20000KVA，查《水电站机电设计手册》表3-8，取=1.8m,=2.2m,=1m（4）下机架高度ℎ悬式： ℎ7=0.12（5）定子机座支承面到下机架支承面距离ℎ悬式： ℎ8=0.15（6）下机架支承面到主轴法兰盘底面距离ℎ9ℎ9∈700,1500m（7）转子磁轭轴向高度ℎ有风扇时 =lt+（700～1000）mm （4-36）（8）发电机主轴高度ℎ ℎ11=式中H为发电机总高度。 H=ℎ（9）定子铁芯水平中心线到主轴法兰盘的底面距离ℎ ℎ12=0.46图4-4发电机外形尺寸示意4.4.4发电机重量估算