“GT”水电站设计研究

一月二月三月四月五月六月七月八月九月十月十一十二年平均193627.811.192.227331638460150753715016145.425919372017.720.93204555.612294812054.524413.214619389.78.446.673.694.221962438553224014240.5201193922.44440.117422651429969.59301.849.722208194014.29.740.481.273.3356340105018658.775.932.9193194115.97.815123732047897.634012616197.436.2173194218.81377.916014536.7112070117290.510234.4222194314.41196.83793101012095393899653.629.3185194420.416.966.315312030440930525861.942.319.614819459.27324.593.635435014518958.734420.213.2109194614.414335.724112763.376438155.944.723.818.4148194721.815.623.427515112563381434154.473523.3209194817.817.158.624713614020722799.066.13219.2105194912.226.235.425835495.260847412580.452.930.3179195016.910.136.582.780.835785210678.67356.811.614719512.82.228.38973.4231158172021832716769.2258195222.616.756.625013610714925613210210720.811319537.16.841.61092425219639221094319.411250195412.510.6138164134164312191069514397.967.2318195521.317.477.81441881546188660.150.568.830.2126195610.47.446.313428538041923839070.88327177195717.113.122.3386127162360105030611470.347.7216195821.416.210713211273.659245271.965.941.319.598.3195911.114.535.113615315372028034822712363.98919602519.093.7117169599298166030391.562.227290196115.615.079.314396.346.851054253514196.295.1194196220.615.641.326320251.222963728414494.147.4170196321.615.538.310275.946.7116028610712485.5342177196422.313.847.2700152136635150026166.446.321.1301196518.218.553.32123538051329285.248.440.617.9107表1.3.4太平哨电站年径流系列表（流量：秒立米）表1.3.5浑江下游主要站年径流参数表（流量：秒立米）站名多年平均流量CVCS/CV设计值P%510509095桓仁1440.3222272051398978回龙山1780.32228025417211096.6太平哨1870.322295266181116101沙尖子2440.322353319216138121根据多年来东北地区的暴雨分布规律，鸭绿江中下游(含浑江流域)的暴雨发生几率和强度均高于其他流域。太平邵水库的来犯洪水是桓仁的来犯洪水。通过对桓仁水库的调整，得到了惠龙山水库的入库洪水;通过对惠龙山水库的调整，得到了太平邵水库的入库洪水，详见表1.3.6。0.010.10.5123.351020桓仁入流量出流量库水位2980018500308.32320014600306.01850011200305.46165009470304.85144008780304.2289907750301.2280206880301.665505830300.9549604120300.86回龙山入流量出流量库水位1690016800225.821200012000223.251100011000222.7395009500221.8592909250221.7475007500220.5865506100219.9245004500218.50回—太区间洪峰流量31702530226019701610902835557太平哨入库流量1750014000.12400108009820807069504980表1.3.6太平哨水库入库洪水成果表单位水位：米流量：秒立米1.4水利、动能及水库1.4.1电站任务太平邵水电站位于浑河干流上，下界是桓仁、回龙山，项目开发的主要目的是发电。由于该电站承担了桓仁上游等梯级水库对浑河富水量的调节任务，能以较小的库容获得较好的能源指数。电站建成后，下游没有大型城镇和工矿企业，水库也没有防洪要求。宽甸县太平邵公社有5000亩农田可供灌溉。1.4.2水库水位浑江自然水量大，水量丰富。太平哨水库的回水多为高山，淹没的农田和村庄较少。尽管铅锌矿石在库区老营沟附近发现,根据辽宁省地质调查局的调查,矿石的储量是有限的,它的规模不足以被包括在全国矿业计划,和只生产团队组织挖掘。摘要桓仁水库的建设改变了浑江径流的不均匀分布，弥补了太平邵水库库容小和调节效果差的不足。太平哨站应充分利用河段自然落差。因此，从其上级回龙电站尾部的水位连接角度分析，太平哨站水库正常高水位应设置为191.5米。通过对输水建筑物的布置分析，确定水库的静水位。(死水位190米，正常的高水位为191.5米，设计洪水位(P=1%)191.7米，Q=12400m3/s，检查洪水位(P=0.1%)194.7米，Q=17500m3/s)。根据本工程条件，应采用Ⅱ级的设计标准，即水利枢纽永久性建筑物按百年一遇的洪水设计，千年一遇洪水的校核。考虑惠龙上段地下电站交通隧道标高，水库设计洪水位不应超过198.0m高度。1.4.3装机容量的选择随着东北地区工农业生产的不断提高，现有的电力供应，尤其是水电，远远不能满足系统负荷增长的需求。东北电力部门根据研究,太平天国邵水电站将工作负荷曲线的峰值,并且应该适当的储备能力,由于这个原因,电站的利用小时不应过高,可以控制在2500小时或更少,可以合理确定结合单位的选择。最后，确定太平邵水电站装机容量N为16万千瓦，保证发电量2.5万千瓦，年发电量4.3亿千瓦时，年利用小时2680小时。特点水头:最大水头38.1m，最小水头34.6m，设计水头36.2m，加权平均水头36.2m，发电效率98%。尾水位152.6米)1.4.4引水隧洞的洞径选择考虑到施工技术条件，导流洞的直径不应超过12米。否则，则可考虑两条引水隧洞，合理确定单位数量。1.4.5附图附图1：浑江下游梯级的开发示意图附图2：太平哨水库的容积和面积曲线附图3：太平哨坝下H—Q的关系曲线2水轮机选型设计2.1机组台数、单机容量的选择2.1.1组台数的选择水电站总装机的容量等于机组数与单机容量的乘积。当总装机容量确定后，可以制定不同的机组数量方案。有时甚至改变涡轮的类型，影响运行效率、项目投资、运行条件和产品供应。因此，在选择单位数量时，应综合考虑以下几个方面:(1)机组的台数和设备制造的关系机组选择数量多，机组容量小，规模小，对制造能力和运输条件要求也比较低。但是，该装置每千瓦耗材较多，加工制造工作量较大，总成本较高。(2)机组的台数与小电站投资的关系当单位的数量很大,不仅仅是单位本身的单位千瓦造价很高,而且组辅助设备和电气设备的数量如门、管和州长等,电气连接是更复杂的,工厂的总平面尺寸比较大,单位的安装和维护的工作量将会不断增加。因此，从这一方面来看，水电站的单位千瓦投资也会随着机组数量的增加而增加，但从另一方面来看，机组选择的规模较小，会降低电站的起重能力、安装场地等。一般而言，在大多数情况下，水电站投资随机组数量的增加而增加。(3)机组的台数与水电站运行效率之间的关系当机组的台数不一样时，水电站的平均效率也不相同，对于单台机组来说，大单位的效率高、水电站、单位数量很大,可以通过改变操作模式运行中避免低效率区,可以让其总平均效率,但单位数量增加到一定程度后,增加单位集可能是因为单位规模太小,使得平均效率降低。(4)机组台数和水电站进行维护之间的工作关系当单位的数量太多,水电站的运行方式是灵活和容易调度,每个单元的事故影响很小,维护工作安排也相对容易,但操作维护,维护工作量,年度运行费用和事故发生率的增加会增加单位,所以单位的数量应该不会太多。上述因素都是互相联系又互相反对,是不可能满足一个接一个的同时,为了使安装、操作、维护和设备供应方便,在水电站应尽量选择同一类型的单位,大中型水电站单位通常被用来扩大单位线,为了使主结线对称。在大多数情况下，台数是偶数。设计导流式水电站总装机容量16万千瓦，属中型水电站。综上所述，本设计应该选用四台机组。2.1.2机容量的选择本次设计的N水电站总装机容量为16万千瓦，选择4台机组，所以单台装机容量为4万千瓦，满足2.5万千瓦的保证输出。2.2安装方式与型号选择2.2.1装置方式选择在大型水电站,几个发电机组的尺寸大,安装高度低,所以安装方法主要是垂直轴,使发电机的安装位置不容易受到水分的影响,单位旋转效率较高,和水电站的厂房面积很小,设备布局更方便。2.2.2水轮机型号选择本设计水电站水头变化范围是34.6~38.1m，水轮机系列谱中有HL240和ZZ440两种合适的型号。表3-3和表3-4。(1)HL240型水轮机方案的主要参数的选择①转轮直径D1计算查表3—6与图3—12得HL240型水轮机在限制工况下的单位流量为Q1m′=1.24m3/s，效率M=90.4%，因此可以初步假定原水轮机的单位流量为Q1′=Q1M′=1.24m3/s,效率M=92%.根据水轮机额定出力Nr的计算公式Nr=9.81Q1′D12Hr可得：D1==4.092m选用与之相相近的、偏大标准直径D1=4.01m.②转速n的计算查表3—4可得处HL240型水轮机在最优工作状况下的单位转速n10M′=72r/min，初步假定n10′=72r/min,已知Hav=36.2D1=41m.根据公式n=(r/min)可得：n==105.7r/min选用与之接近、偏大的同步转速n=107.1r/min.各个特征水头所对应的单位转速为HL240型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出，的直线，三线所包围的水轮机工作范围则包含了该特性曲线的高效区.因此该设计是合理的。(2)ZZ440水轮机方案的主要参数①转轮直径D1计算由表3—7查出ZZ440型水轮机限制工况下的单位流量为Q1m′=1.65m3/s,同时该工况气蚀系数=0.72,[]=-4m时=0.351<0.72在满足-4m吸出高度的前提下,从图可查知(=115r/min,=0.351)处的流量Q1′=1030L/s,M=88.5%,假定水轮机的效率为91.5%.D1==4.5m查表1—2可知,选用与之接近的标准直径D1=5.0m②转速的计算n=(r/min)=153.8r/min取n=166.7r/min(3)比较分析两种方案表2.2.2.3水轮机的方案参数对照表序号项目HL240ZZ4401模型推荐使用的水头范围(m)25～4520～362最优单位转速(r/min)721153最优单位流量(L/s)11008004最高效率(%)92895气蚀系数0.1950.426原型工作水头范围(m)34.6～38.134.6～38.17转轮直径D1(m)4.14.58转速(r/min)107.1166.79最高效率(%)93.691.910额定出力(kw)40816.340816.311最大引用流量(m3/s)124.9125.512吸出高度(m)1.62-3.82HL240型涡轮机叶轮直径小于ZZ440类型,和一系列HL240类型汽轮机方案包含了更高效的工作区域,高效空化系数很小,安装高度高,提高发电能力,减少开挖大量的发电厂。ZZ440型在较高转速下的涡轮方案，有利于减小发电机的尺寸，降低发电机的成本，但这种类型的涡轮调节系统成本较高。根据以上分析，目前在制造赊销方面没有问题，初步选择的HL240型有较好的解决方案。2.3水轮机运转特性曲线的绘制绘制了原型水轮机的工作特性曲线，直接反映了原型水轮机在各种工况下的特性。水轮机运行特性曲线是以水头H为纵坐标，以输出N为横坐标，在水轮机转轮直径和转速一定的情况下绘制的一系列等值线。2.3.1等效率线的绘制在涡轮工作水头变化范围内分别取HMax、Hr、Hmin值，绘制各H值对应的效率特性曲线，如图1所示。在图上画一条效率直线，与图上所有直线相交，并读出所有交点处的H,N值并且将点绘制在H～N图上,并连成光滑的曲线,这就是该效率的值的等效率曲线,同理也可以得出其他的等效率曲线.其计算过程见下表NN870.8388.628.52870.8388.626.42880.8789.630.23880.87589.628.16890.9190.631.97890.9290.629.94900.9491.633.39900.9691.631.59910.9892.635.19910.9992.632.93911.1892.642.37911.2092.639.91901.2291.643.34901.23591.640.63891.2590.643.92891.2690.641.00881.2889.644.48881.2989.641.52871.3188.645.01871.3288.642.01表2.3.1等效率曲线计算表2.3.2等吸出高度线的绘制①绘出各水头下的=f(N)辅助曲线,.如图3②求出各水头下的值,并在相应的模型综合特性曲线上查出水平线与各气蚀系数的所有交点的坐标,的值,添入下面的计算表中,③在=f(N)曲线上查出相应于上述的N值,添入下面的计算表中.④利用公式计算出相应于上述值的Hs值,添入下面的计算表中.⑤根据表中对应的Hs,N值,做出Hs=f(N)曲线.如图4⑥在Hs=f(N)图上任取一个Hs值，使水平线与曲线相交，写出几个交点的Hs和N值，并画出H~N坐标图，将所有点连接成一条光滑的曲线即一定的Hs等吸力高度曲线.同理可以做出其他Hs等吸出高度曲线.其计算过程见下表：表2.3.2吸出高度计算表HN()HHs38.10.03071.140.210.8629.250.2409.140.690.201.0135.840.2308.761.070.201.2042.120.2308.761.070.211.3144.20.2409.140.6936.20.03272.980.210.83528.170.2428.761.070.200.97320.2328.401.430.201.2840.70.2328.401.430.211.3241.250.2428.761.0734.60.03574.650.210.8324.0.2458.481.350.200.9528.50.2358.131.700.201.2938.230.2358.131.700.211.3338.830.2458.481.352.3.3出力线的绘制水轮机的最大出力受发电机额定出力和水轮机5%出力备用线的双重限制。在运行综合特性曲线上，H≥Hr时的输出线为N=Hr的垂直线，H时的输出线为H。2.4蜗壳的设计2.4.1蜗壳形式的选择因为设计水电站水头小于40米,为了节省钢材、梯形截面和圆截面是平等的,梯形截面沿着轴上下可以扩展,而圆形的径向尺寸比较小,可以减少植物的面积和公民建设投资,所以设计采用混凝土沃尔沃汽车,使用平屋顶梯形截面。2.4.2参数的选择(1)断面形式本设计采用平顶梯形,所以n=0,当n=0时,r=10°～15°,=1.5～1.7可达到2.0,本社及选用r=12°,=1.6.从蜗壳的鼻端至蜗壳进口断面之间的夹角称为蜗壳包角,常用来表示,对于混凝土蜗壳由于勘测流量较大,允许的流速减小,允许的流速较小,通常采用=180°～270°,本设计采用=270°.(2)进口平均流速的确定当蜗壳的断面形式及包角确定后,蜗壳进口断面均流速是决定断面尺寸的主要参数,2.4.3蜗壳的水利计(1)断面尺寸根据公式(2-8)解得a=3.6b=5.76m=4.26b0=1.5(字母的位置如图5)(2)确定中间断面顶角点的变化规律在图5中CH对角线为,k=m/a=1.18查《水电站设计手册》(水利机械卷)表12-15,可知Da=6.35mDb=5.5m.图的绘制根据《水电站》的公式(2-3)和(2-4)式可知中间断面面积Fi与包角的关系为所以是直线绘制辅助曲线,在进口断面做出若干个中间断面,如图5.结合及已知数据可以求出每个断面的面积Fi,,根据下表可就可以绘制曲线.编号543210Ai0.61.21.82.43.03.6Da/23.175Ri3.7754.3754.9755.5756.1756.775Fi1.273.296.069.5713.8218.942.4.4蜗壳单线图的绘制根据计算需要选定若干个,并由图6上查出相应的Ri,就以绘制出蜗壳断面单线图,如图7(°)270210180150120906030Ri(m)6.7756.2755.9455.7254.9255.0754.5754.0752.5尾水管的设计2.5.1尾水管型式选择对于大中型的水轮机,为了减少尾水管开挖深度,均要采用弯肘形尾水管2.5.2尾水管尺寸的设计通过《水电设计手册》查得HL240型水轮机转轮的流道尺寸如图8.D2=1.078D1尾水管尺寸采用的推荐尺寸.2.5.3进口直锥段进口直锥段是一段竖直的圆锥形扩散管,进口处的直径D3高度为h3锥管段均为设有金属里衬,以防止旋转水流对管壁的破坏,对于混流式水轮机,单边的扩散角的最优值为7°～9°,本设计选用的是8°,进口直径D3=D2=1.078D=4.42m.2.5.4中间弯肘(肘管)弯管部分90°的角落边的弯管,其入口截面是圆形,出口截面是矩形,管一般不设置金属衬里,在水头大于150米,流量大于6米/秒,只设置金属衬里。2.5.5出口扩散段出口扩散段是一段水平放置,两侧平行,顶板上翘的矩形扩散管,一般取10°～15°,当出口断面宽度过大时,可按水工结构要求加设中间设墩,它的厚度取(0.10～0.15)B5.2.5.6尾水管尺寸的确定(字母见下图)表2.5.6.1推荐的尾水管尺寸表2.64.52.721.351.350.6751.821.22因为=4.10m所以可得h=10.66mL=18.45m=11.152m=5.535m=5.535m=2.77m=7.462m=5.002m表2.5.6.2混凝土标准肘管尺寸表1.02.0151.350.50.360.861.10.60.180.581.095因为=5.535m所以可以按上表求出下列各值=11.16m=4.76m=3.321m=3.21m=6.09m=0.997ma=1.99m=6.06m 值在10°～15°范围之内，符合设计要求.2.6发电机型式的选择2.6.1发电机型式的选择水轮发电机的结构型式主要取决于水轮发电机的型式和速度，并应考虑电站的布置要求。设计水轮发电机额定转速n=107.1r/min，故采用伞形水轮发电机。2.6.2水轮发电机的结构尺寸由《机电设计手册》表3-11,对照本设计的具体情况选择型号为SF45—56/900的水轮发电机,其主要参数及外形尺寸如下:SF45—56/900型式—半伞式额定容量—45MW效率因数—0.85额定电压U—10500V额定转速n=107.1r/min飞逸转速nf—235r/min飞轮GD2—11500t·m2轴承负荷P—570t转子的重量GZ—250t定子的重量Gd—109t总体重量GF—500t最大运输部件的外形尺寸—8×3×2.6最大的运输部件重量—30t定子的铁芯外径—900cm定子铁芯的内径—842cm定子铁芯的长度lt=135cm机座外径—10170风罩内径—12800转子外径—8390下机架最大跨度—77603坝区枢纽布置3.1坝轴线与坝型的选择坝址、坝型选择和枢纽布置是水利工程设计的重要内容。3.1.1坝轴线的选择=1\*GB3①地质条件坝址的地质条件是一个重要的条件选择,太平哨发电站利用两个坝轴(上游坝轴和低坝轴),上、下坝轴相距200米~300米,地质条件基本上是一样的,但是低坝轴和右岸岩石完整性差,板破碎,风化也深。=2\*GB3②地形条件在高寒河谷水利枢纽的布置中，减少开挖，坝址选择在河谷地区，坝体轴线、坝体体积较小，但不利于排涝建筑物的布置，因此需要加以考虑。在选择坝址时，应考虑如何防止泥沙和泥沙的流入，取小型建筑物，轮毂的通航要求，应连接到河道的通航构筑物上的思路。=3\*GB3③施工条件坝址，特别是其下游应是比较开阔的地形，为了安排施工机械应在交通干线附近，便于施工运输，可与永久电网连接，解决了施工用电问题，但便于施工导流。=4\*GB3④建筑材料坝址附近有足够数量的天然建筑材料，符合质量要求。=5\*GB3⑤综合效益对于不同的坝址，应综合考虑防洪、灌溉、发电、航运、旅游等方面的经济效益。综上所述，并结合设计，确定上坝线的选择。3.1.2坝型的选择(1)重力坝它具有很强的可测试性，对于地形和地址条件是安全可靠的。断面尺寸大，坝体内应力低，坝体材料强度高，耐久性好。(2)拱坝拱坝韧性轻，弹性好，是一种非常优秀的坝型，但对地形条件和地质条件要求严格，两边的地形要求对称，在平面向峡谷下游收缩，地质条件要求岩基均匀，整体性强。本设计中左岸地势陡峭，右岸较缓，向下游扩展，因拱坝施工不利。土石坝土坝溢洪道可采用当地材料，以适应不同地形，但土坝溢洪道需要修建泄洪道和泄洪道隧道，增加了工程造价。综上所述，选择坝式重力坝更为经济合理。3.2枢纽布置3.2.1溢流坝段—用以泄洪位置：在河流主流方向孔数：设14个表孔，尺寸12×10.5m中墩、边墩设缝，中墩取4m，边墩取4m沉降缝设在中墩中溢流坝段总长L=14×12+13×4+2×4=228m桩号：见图3.2.2底孔坝段—施工期导流正常运用期辅助泄洪，以及排沙、放空水库等底孔：设4个底孔，尺寸4×3.5m采用两孔一缝，中间隔墩为8m，边墩取4m底孔总长度L=4×4+8+4×2+4×2=40m桩号：见图4拦河坝设计4.1非溢流坝段的设计基本资料：正常高水位191.5m，=191.7m=194.7m河床微风化，岩石摩擦系数为0.65，Ⅱ级设计标准，岩石与混凝土摩擦系数为0.6，吹程D=1.13km,风速V=16m/s.由图可知桩号0+479处坝基开挖高程为157.8m.4.1.1坝顶高程的确定坝顶应当有足够的安全超高，坝顶或者坝顶防浪墙高出水库静水位高度可按下式计算(《水工建筑物》(2-57))—坝顶或坝顶防浪墙的顶距水库静水位的高度—波高(按官厅水库公式计算)—波浪中心线在水库静水位的高度，按(2-8)计算A—安全超高按表1-11选用查的=0.5=0.4=0.918m=9.716m=0.553m=6.475m坝顶高程或者坝顶上游防浪墙顶高程按下式计算，并采取较大值。防浪墙顶的高程=设计洪水位+=191.7+1.69=193.30m防浪墙顶高程=校核洪水位+=194.7+1.10=195.80m故=195.80m4.1.2坝高的确定坝高H=195.80-157.8=38m4.1.3顶宽度的确定确定坝顶的宽度时，应考虑以下因素：A、强度要求——能够承受外荷载作用B、施工简单，经济美观，且满足交通运输的要求C、一般坝高取（8%~10%）H，并且不小于2m，当坝顶布置移动或者启闭机时，坝顶的宽度需要满足安装门机轨道的要求。其中，本设计取坝宽的b=8m4.1.4上、下游坝坡m、n的确定根据以往工程经验，上游坝坡的系数采用n＝０～0.2，经常做成铅直上部或者下部倾向上游的形式，下游坝坡的系数采用m＝0.6~0.8，而坝底的宽度约为坝高的0.7~0.9倍。其中本设计上游坝坡的坡率采用n＝0(铅直)而下游坝坡的坡率采用m＝0.754.1.5上、下游折坡点的确定由于本设计上游坝面铅直，故无上游折坡点，下游折坡点根据几何知识求得：y＝x+1.1=10.67+1.1=11.77m因此下游折坡点的高程是195.8-11.77=184.03m。4.1.6坝底宽度的确定Ｔ＝(194.7-157.8)×0.75=27.68m4.2溢流坝设计4.2.1确定孔口尺寸，型式，孔数及闸门基本情况:在水利工程中，重力坝承担着泄洪、引水、排沙、排水、施工导流等任务。闸门设置为开放式，闸门顶部略高于正常水位。设计洪水位191.7米(1%),对应的下游水位172.0米,191.5米的正常存储水平,死水位190.0米，检查洪水位194.7米(0.1%),相应的下游水位174.2米,堰顶高程为181.5米,钻孔直径12米*10.5米,共有14个孔,用弧形闸门,设计洪水位或排水能力11100m³/s,检查防洪排水能力16200m³/s,孔底大小4米*3.5米,共4孔，采用平面浇口，设计洪水位泄洪能力为920m³/s，设计洪水位泄洪能力为1000m³/s。溢流坝最大断面坝基高程为155米。在桩号0+429处，止回尾水位174.2m，而设计尾水位172m。4.2.2溢流坝剖面设计堰顶的最大工作水头Hzmax=194.7-181.5=13.2m,溢流坝剖面是三角形，由三部分组成，分别是顶部溢流段（AOB），下部反弧段（CD），中间直线段（BC）(1)溢流面曲线该曲线经常使用非真空剖面曲线，其中较广泛的一种曲线为幂曲线（WES曲线），这样便于计算和放样且过流量大。下图中：Hemax－堰顶最大水头Hs——定型设计水头，按Hzmax的75%~95%计算。a、b——分别为椭圆曲线的长轴和短轴系数。(2)AO段曲线原点上游采用椭圆曲线，其方程式为（《水工建筑物》（2-64））式中：,—分别为椭圆曲线的长轴和短轴选取a=0.28~0.30本设计取a=0.3,则求得b＝0.17—定型设计水头，一般按Hzmax的75%~95%Hs=(0.75~0.95)Hzmax=(0.75~0.95)×13.2=9.9~12.54m取=12.0m4.2.3消能防冲设计(1)消能方式的选择其主要取决于水利工程的具体情况，消能效果的施工条件和经济比较的选择，消能防撞坝的设计原则;有必要充分利用水体的能量耗散效应碰撞摩擦,减少水体的侵蚀作用在固体边界,限制水流的侵蚀范围下池下游河床,所以它不危及坝体,大坝下的建筑物的安全,不会引起银行倒闭斜率和河床的过度流失。有四种类型的消能设施:底流、扬流、面流和桶流。①流消能下溢能量耗散是建立在大坝消力池设施、能量耗散等水跃水排放喷射到建设缓慢,消除可以杀死模式的能量耗散,底流能量耗散是一种稳定的流,能量耗散效果好,尾水流的地质条件适应性强,可以应用于提供头部、各种介质流排水建筑物,更多的低着头,大流量重力坝的溢流。底流消能的主要问题在于，护坦板较厚较长，开挖量大，投资较大，断面落差H值大，水头较多时，护坦的前部承受较高的流速，易于发生空蚀及磨损，动水作用力及脉幼荷载问题也较突出。②挑流消能排水大楼的末端是一个流鼻涕的机头。利用集中急流的动能，水流向下游河床的位置、范围和流量分布对尾水的变化具有很强的适应性。结构简单，施工、维护方便，成本低廉。问题在于，它会对下游造成同样的冲刷，威胁到工程的稳定性和岸坡的稳定性。广泛应用于各种深尾水位、地质条件良好的水池水构筑物中。③面流消能利用鼻坎将高速水流挑至尾水的表面，主流表面河床之间形成的反向漩流，使高速不流和河床隔开，避免了对临近坝址地方河床的冲，一般是不需做护坦的。他问题在于,为了防止反气旋坝址基金会采取石头侵蚀的侵蚀造成的伤害降低池的水流,对下游水位的限制和降低池流的波动相对严格,和下游水流不够稳定在更长的距离,影响发电和航运。适用于下游尾水较深，(大于跳后水深)，水位不高，下游水池流量不大，河床及堤岸具有较高的抗冲击能力。(2)连续式消力戽的尺寸选择①挑射角度的选择目前，大部分已建成项目采用450台。当数值比较大时，稳定回采的下游水位范围较大。然而,曲率和涌浪高度更大,和下游的水深范围勺较大,但涌浪的曲率和高度被困,和水进口角独家报道较大,下游的冲刷能力强。该电站项目下游地质条件较好，综合考虑应该适用=450。②戽底高程一般情况下，高度与下游河床相同，厚度是为了保证在所有吸力和下游水位条件下都能出现稳定的铲斗。当斗底标高确定在较高水平时，容易形成波及流型，当斗底标高过低时，会增加开挖量。本设计桶底标高与下游河床标高相同，即桶底标高为161m。③反弧半径R的确定桶底反弧半径R越大，坝内水流的泄流条件越好，桶内加入的水体越多，消能效果越好。或者当反弧半径R大于一定值时，R的发生对出流工况影响不大，斗式工程较大。参照于国内外二十七项工程的尺寸点出的关系图，查用《水力计算手册》P254C点高程=161+3.5=164.5m=1.3m故=164.5+1.3=165.8m=181.5-165.8=15.7m=0.75×(15.7-13.697)+18.83=20.33mC点的坐标为（20.73，15.7）4.3溢流坝上部结构布置4.3.1闸墩闸墩的作用：①将溢流坝分成若干个孔，用来控制水流。②用来支承以及引导堰顶，控制闸门和承受水压力。③支承坝顶工作及交通桥，闸墩的尺寸和外形均需按照这些要求设计。闸墩的中墩宽取值为4m，边墩宽是4m，闸墩的长度应满足布置闸门支撑部分所用的门槽和槽砻，工作故里及交通桥，水力条件等的要求，此外闸墩还应保证必要的稳定和强度，这里仅以结构要求来考虑，本设计中闸墩的长度为23.2m，闸墩的高度应使用闸门全部开启时的最优点或桥孔结构的底部在最高水位，水平线以上一定距离，故本设计闸墩工作桥顶高程定为198.8m与挡水坝顶高程相同，中部长为5.5米的工作桥，下部尾，墩长为9.7m，高程为191.5m（正常蓄水位）闸墩的前部轮廓应平顺，一般为半圆形，椭圆珠形或流线型，下游断面见多采用逐渐收缩的流线型，溢流坝横缝布置在闸门中间。（《水工设计手册》P5-55）4.3.2工作闸门本设计采用钢质弧形闸门，尺寸为12m*10.5m，面板进率半径R与闸门高度H的比值取1.1~1.5（《水工设计手册》）一般溢流坝上的露顶或闸门，支墩位置约在（1/2-3/4）倍高处，为了防止气蚀应将闸门在坝线的1~3m处。4.3.3检修闸门检修闸门用于短期挡水，方便工作闸门和机械设备进行检修，一般在静水中启闭，启闭力比较小，检修闸门工作闸门应留有1~3米净距，用于检修，全部溢流孔需要设2个检修门，以便交替使用方便。4.3.4交通桥闸墩上游设交通桥（交通桥面一般应和非溢流坝顶位于同一高程）桥宽8米。其高程为195.8m。4.3.5工作桥闸墩中部设工作桥（工作桥由于开启闸门的要求；通常高于交通桥）桥宽5.5米，高程为198.8m，以便操作人员进出工作桥。4.4溢流坝及底孔尺寸进水能计算4.4.1溢流坝堰顶过流量计算太平哨水电站，表孔设计洪水下池能力为11100m3/s，校核洪水下池能力为16200m3/s,计算采用实用堰水力计算公式：式中：E1——侧收缩的系数，根据闸墩的厚度和墩头形状而定，初设时可取数值0.90~0.95。Qs——淹没系数，本设计为自由出流M——堰的流量系数，可查图而得。N——堰的孔数，n=14孔b＇——一个堰孔的净宽b=R米。H0——堰顶全水头4.4.2设计情况和校核情况分别计算(1)设计的情况①堰顶的全水头H。H0≈H=191.7-181.5=10.2mH是堰顶最大工作水头②侧收缩系数1=1-2[ka+(n-1)]其中：Ka——边墩形状系数和混凝土非溢流坝段邻接的高溢流堰Ka=0.1，Kp——闸墩形系数，由Kp~的关系曲线查得采用工型墩头，Hd为部面设计不头即定型水头。查图8-14得Kp=0.024.4.3底孔过流量计算底孔过流量计算：底孔设计洪水下泄能力为920m3/s，校核洪水下泄能力为100m3/s,采用孔口出流公式 Q=式中：u——管道系统的流量系数为有压流时，u必须设计及沿程和局部水头损失A——出口断面积，4*3.5=14平方H——自由出流时为出口中心以上的水头，淹没出流的有效水头是上下游水位差。本电站下游水位高，底孔进出口底高程为163m，为淹没出流，式中：——局部水头损失之和，局部水头损失包括：喇叭口，门槽闸门这几项可查《水力学》P191续表3-3得：=0.02=1.0=0.2=0.02+0.2+0.1=1.22=0.94.4.4按设计情况与校核情况分别计算(1)设计情况H=191.5-172.0=19.7m=985m3/s>920m3/s(2)校核情况H=194.7-174.2=20.5m=1011m3/s>1000m3/s由以上计算可看到无论表孔，底孔在设计情况，校核情况下均大于相应下泄能力，故满足泄洪要求。5挡水坝稳定及应力计算5.1计算说明5.1.1设计内容针对挡水坝进行以下几方面的计算①抗滑稳定计算②坝基最大最小应力计算③坝基上、下游边缘应力计算5.1.2计算工况只做一种工况即正常蓄水时基本组合5.1.3计算单元与计算截面非溢流坝取最大剖面处，沿坝轴线取1m宽进行计算，本设计取桩号0+479~0+480，底宽27.68m，底高程157.8m.5.2挡水坝的稳定及应力分析5.2.1计算荷载(1)重力（挡水坝段自重可分成w，w2两块）如图5-1沿坝轴线成IM长挡水坝地段自重W=W1+W2=13490.5KN(2)水压力C(计算尺寸见图5-11)上游的水压力水平水压力P1=0.5×9.81×（191.5-157.8）2=5570.6KN下游的水压力水平水压力P2=0.5×9.81×（172-157.8）2=989KN重直水压力P2‘=9.81×（172-157.8）2×0.75×0.5×1=741.8KN(3)浪压力时为深水波时为浅水波，时为破碎波其中——坝前水深——取校核水位时的波长——波浪破碎的临界水深本设计坝前水深=191.5-157=34.5m>0.5=4.865m因为,所以本设计为深水波当在距水库静水位的深度以下各点的浪压力可忽略不计，式中，各参数如图5-2所示将已知代入下式中P—浪压力—波长，取校核水位时入9.73m。5.2.2荷载计算(1)简化中心O点在坝底宽中心点(2)简化过程及各力的方向见图5.2.3抗滑稳定计算抗滑稳定计算公式式中K—抗剪强度计算的抗滑稳定系数，参照《水工建筑物》表2—9查得K=1.05f—坝体砼和坝基接触面的抗剪摩擦系数，按《水工建筑物》表2—10查得f=0.65—Z作用在坝体上铅直方向的全部荷载（不包括扬压力）—作用在坝体上全部水平方向荷载U—作用在滑动面上的扬压力将已知数据带入上式得因此在正常蓄水位下，要求满足抗滑稳定的。6细部构造6.1坝体分区及标号选择与混凝土浇注混凝土重力坝,大坝混凝土强度不是公众要求,和渗透阻力,耐冻性、耐磨性、耐腐蚀性和较低的热阻,混凝土重力坝的每一部分是工作条件不同,也不同于混凝土的要求,为了节约和合理使用水泥、大坝混凝土通常是分为几个地区。坝体不同分区的混凝土应尽量采用同一种水泥。Ι区——适用于坝面以上最高水位的上游和下游混凝土。在寒冷地区采用2-3m厚的防冻混凝土，标号一般为C15S4D150Ⅱ区——大坝上下游水位变化区域地表混凝土，采用3-5m厚抗菌素渗透、防冻，并有抗冲刷的标志，一般是C15S8D200混凝土。Ⅲ区和Ⅳ区——上、下游分别是最低水位，下表面混凝土和基础混凝土接近基础混凝土的抗渗强度，低热要求较高，最厚2-3m的标记为C20S12D200Ⅴ区——坝体混凝土，多采用低标号、低热工混凝土，强度按坝体表面大小应采用C10S4Dw，下部采用C15S4Dw混凝土。Ⅵ区——防腐蚀部位如溢流面、排水孔、导墙、闸墩等混凝土应满足冷区d150-d250的要求，抗压强度不低于20mpa-25mpa(90d龄期)。本设计选用Ι区——C15S4D1506.2分缝与止水为了满足施工要求，防止坝体在运行过程中因温度变化和地基均匀沉降而产生裂缝，有必要对坝体裂缝进行划分。6.2.1横缝水平节理垂直于坝体轴线，水平节理之间的距离表示各坝段长度一般相等。一般间距为15-20m，间隙大小主要取决于河谷地形特征、混凝土浇筑能力、结构布置和温度变化。(1)永久性横缝既可作沉降缝，又可作温度缝。煤层表面通常为平面，无键槽，无注浆。缝的宽度可以留下。(2)临时性横缝在煤层表面设置键槽，埋入注浆系统。当主要目的是增加煤层表面的水平剪切阻力时，键槽应是垂直的。当主要目的是增加直剪阻力时，键槽应是水平的。6.2.2纵缝纵向节点与轴线平行，为适应混凝土浇筑能力，降低施工期间温度应力而设计。按布置方式可分为垂直纵向节理、交错节理和斜向节理。纵向接头间距为15-30m。6.2.3水平施工缝水平施工缝是上下浇筑新老混凝土的结合面。每个铸件的厚度约为1.5-4.0m，基岩表面需要浇铸0.75-1.0薄层。同一坝段相邻浇筑块的水平施工接缝标高应错开，上下浇筑块间距应在3-7天。新老混凝土浇筑前，旧混凝土应先形成洁净麻面，然后均匀铺上一层2-3cm的水泥砂浆，再浇筑一层混凝土。6.3廊道系统和排水系统布置6.3.1廊道系统布置为了满足灌浆、排水、检查、观测、养护和交通等方面的需要，必须在坝体内设置各种廊道或竖井相互连通，形成廊道系统。(1)基础灌浆廊道在坝内靠近上游坝踵部位的设置，廊道貌岸然段面一般采用城门洞形断面尺寸应根据灌浆机具尺寸所需窨来确定，其宽度一般为2.5—3.0m，高度为3.0—4.0m，上游侧段帷幕灌浆，下游侧段排水管，廊道纵坡应缓于450，以利用钻孔，灌浆操作和设备搬运。当岸坡基础纵坡陡于450时，基础廊道可以分层的平洞代替，据实际情况，本设计采用200×280廊道距上游坡及坝基的距离较一般情况小。(2)检查和坝体排水廊道为了方便检查和排除坝体渗漏、坝体的上游面附近沿着每15到30米的高度,有一个检查排水廊道,其截面形式的城市形成和上游侧远离上游坝面距离应不小于0.05的0.07倍,但不少于3米,走廊的最大宽度1.2最低高度2.2米,左右两侧的廊道层应至少有一个出口，廊道层之间垂直连通，排水设计采用140×250，其设置根据人体，按人体每12米。6.3.2排水设施布置为了减少大坝渗流的压力,接近上游坝面设置一个下水道,排水沟屏幕上游坝面距离(1/15-1/25头,不低于2.0米,排水管间距2——3米,直径约15-20厘米,排水屏幕做的直和垂直排水检查画廊是相互联系的,尽可能通过走廊或顶部波峰(或溢流堰表面以下)为了方便清洁和检查，本设计管径取ф=15cm6.4坝顶构造采用非溢流坝坝顶构造，波峰通常是作为公路交通,宽度根据等级的公路,路上应该适当的横向坡度,设置相应的上游水库排水井或大坝引流管,在寒冷的地区应该有更大的横向坡度,坝顶公路一侧的人行道上,应该高于路20-30厘米,上游和下游的坝顶必须建立铁路,有时候上铁路的护墙。6.5地基处理6.5.1坝基开挖和清理坝基开挖是指将坝基上的覆岩和风化岩移走，使坝基直接建在坚实完整的岩石基础上。开挖深度由坝基应力决定。结合上部结构对岩石强度和完整性的要求进行研究确定，根据第一章的基础资料结合蓝图设计基岩线作为坝基开挖线。在浇筑混凝土之前，需要对基岩开挖进行彻底的清理和清洗，包括清除松动的岩块、敲掉突出的尖角、在基坑中挖出一些较厚的探井孔、开孔等，并进行回填和密封。6.5.2坝基的加固处理大坝地基处理的目的是改善基础的完整性和弹性模量,降低岩石的渗透率,大坝的设计是建立基于相对完整的半风化岩石,适当的看不见的具有良好的完整性和强度,岩石的渗透率测试统计数据,单位水量从上到下逐渐降低,所以大坝渗透率很低。当打开基岩裂缝和发展成柔软的填充物,当正确地发掘和可灌溉的新岩石,在坝基固结灌浆应当根据大坝的高度,和治疗范围应适当扩大的上、下游坝基础根据压力和坝基的地质条件。7水电站引水系统的设计7.1引水系统的布置浑江在中下游地区,一个非常强大的侧向侵蚀,形成曲折蜿蜒的地形,引水发电站的建设提供了有利的地形条件,太平哨水电站导流隧洞和工厂位于更糟糕的山脊,分水岭是800米宽,两端电位差和水13米,地层在这一领域主要的黑云母片麻岩的前震旦。从各调压室垂直向各单元延伸两条压力管道，使水流平稳，减少水头损失。7.2进水口设计7.2.1进水口型式的选择：在水利水电工程中,如电源,为综合利用的目的,通常需要在水位变化范围,河流湖泊或人工水库的水和调整,以满足需求的液压结构的类型和设置是深海进气压力入口,即深型入口应符合一般要求的液压结构,结构安全,布局很简单,施工方便，成本低，运行可靠。它由:(1)行走段(2)进口段(3)浇口段(4)浇口坡度段组成（5）操作平台和交通桥深式进水口主要型式有：(1)隧洞式的进水口：适用于时口地质条件的良好，扩大断面及开挖闸门竖井均不会引起塌方，坡度比较适中。(2)压力墙式得到进水口：适用于坝进口的地质条件比较差，不宜扩大开挖，坡度较缓。7.2.2进水口高程的确定高压进水口的高程应布置在可能出现的最低水位以下，并有一定淹没深度淹没，深度应以不产生漏斗吸气漩涡为原则，同时是水口底板高程应在水库淤积高程以上1.0~1.5m。避免出现的进水口前漩涡及吸气漏斗所需要的淹没深度hkp=cra2公式中—没有吸气漩涡临界淹没深度。c—经验系数c=0.55~0.73对称进水口取较小值侧面进水口取较大值（取数值0.7）a—闸门孔口的高度，本设计取9.0mv—闸门断面流速，取4m/s（由于闸门的面积比引水隧洞稍大，所以流速较引水隧洞小）将已知代入上式=0.7×4×9.2=8.4m综合分析，并考虑到风浪的影响取所需要的淹没深度hkp=10m。进水口底板高程为底=死-hkp-a=190-10-9=171m。7.3引水隧洞7.3.1引水隧洞线路与坡度的确定引水隧洞第二路线的选择是设计的关键。它关系到工程造价的难度、工程进度和隧道的可靠性。洞庭湖线选择的原则和要求如下:=1\*GB3①隧道线应避免洞庭湖的不良地质构造,围岩可能不稳定,地下水位高,渗透水丰富的区域,以减少对早期版本的影响,把石头的围岩压力和压力在web上,孔与岩层,构造断裂带和有一个更大的角度,进出口的隧道在开挖的过程中,易坍塌、易受地震破坏，选在覆岩、浅层风化较强的完整区域，避免边坡卸荷裂隙、滑坡或危险岩带。=2\*GB3②孔线应在平面上短而直，既能降低工程造价，又便于施工，且具有良好的水流条件。如果根据地形、地质、轮毂布置的原则一定要进行转弯，弯道应大于600度，弯道两端的直线应不小于孔直径或孔宽度的5倍。7.3.2断面形式与断面尺寸隧道体的断面形式取决于流态、地质的条件、施工条件和运行要求等。压力隧道一般采用圆形截面，因为圆形截面的流动条件和应力条件更有利。本设计隧道断面采用直径9米的圆形。7.3.3洞身砌为了保证水工隧洞的安全有效运行，通常必需要对隧洞进行衬砌。隧洞衬砌主要有以下类型：(1)整衬砌又称平面衬砌，它不受力，只是降低了隧道的表面粗糙度，防止了渗漏