畢業(yè)設計（論文） 太平哨水利樞紐引水式水電站設計

河北工程大學畢業(yè)設計PAGE第19頁共95頁畢業(yè)設計（論文）太平哨水利樞紐引水式水電站設計目錄1基本資料…………61.1任務的提出………………………61.2工程地質條件……………………61.2.1地貌與地層………………61.2.2水庫區(qū)工程地質條件……………………7………71.2.4付壩工程地質條件……………………81.2.5引水隧洞和廠房區(qū)工程地質條件……81.3建筑材料…………91.4水文與氣象………………………111.4.1流域自然地理概況………111.4.2氣象條件…………………111.4.3水文資料…………………121.5水利、動能及水庫…………………171.5.1電站任務…………………17……………………18…………18……………………18………………………192水輪機選型設計……………………252.1機組臺數(shù)與單機容量的選擇…………………252.1.1機組臺數(shù)選擇………………25…………262.2水輪機型號及裝置方式的選擇………………26……………262.2.2裝置方式的選擇…………………262.3水輪機參數(shù)計算………………26HL240型水輪機方案主要參數(shù)選擇………26ZZ440型水輪機方案主要參數(shù)選擇…………292.3.3HL240型水輪機及ZZ44型水輪機兩種方案的比較………31…………………32…………32…………332.4.3等吸出高度曲線的繪制……………………34………………352.5.1蝸殼形式的選擇……………352.5.2斷面形狀及包角的選擇……………………35………………35………362.5.5圖的繪制………36…………………37………………372.6.2彎肘形尾水管部分尺寸的確定……………372.7發(fā)電機的選擇………………382.7.1發(fā)電機型式的選擇…………38……………………382.8調速器設計……………………392.8.1調速設備的選擇……………39………………392.8.3調速器的選擇………………402.8.4液壓裝置的選擇……………41………………………423壩區(qū)樞紐總布置…………………463.1壩軸線及壩型選擇……………463.1.1壩軸線選擇…………………463.1.2壩型選擇……………………463.2泄洪方式選擇及調洪演算……………………473.3樞紐布置………………………474攔河壩設計………………………48……………………484.2擋水壩剖面設計……………484.2.1擋水壩壩頂高程的確定……………………484.2.2擋水壩的剖面尺寸確定……………………48……………49………49………………504.4洪水下泄流量校核……………51……………………514.4.2底孔過流能力驗算…………534.5閘門閘墩及工作橋設…………545擋水壩穩(wěn)定及應力分析…………565.1計算說明……………………565.1.1計算內容……………………565.1.2計算工況……………………565.1.3計算單元與計算截面………565.2擋水壩穩(wěn)定及應力分析………565.2.1荷載計算……………………565.2.2抗滑穩(wěn)定分析………………575.2.3應力分析……………………586細部構造設計…………………606.1壩體分區(qū)及標選擇……………606.2分縫與止水……………………60廊道系統(tǒng)和排水系統(tǒng)的布置…………………616.3.1廊道系統(tǒng)布置………………616.3.2排水設施布置………………62………………………62…………62……………62……………………62……………62……………62壩基的防滲處理……………63……………………63…………………637水電站引水系統(tǒng)設計……………64…………64……………………64………………647.2進水口設計……………………65…………65……………65…………66……………………677.3引水隧洞……………………677.3.1線路與坡度的確定…………677.3.2斷面形式與斷面尺寸………687.3.3洞身襯砌……………………687.4調壓室設計…………………697.4.1是否設置調壓室判斷………697.4.2調壓室位置的選擇…………707.4.3調壓室的布置方式與型式的選擇…………70…………70…………72………………72………72………737.6壓力管道設計…………………757.6.1壓力管道的布置……………757.6.2壓力管道直徑的選擇………767.6.3調節(jié)保證計算………………767.6.4壓力管道的結構設計及穩(wěn)定計算…………767.7防止地下埋管產(chǎn)生外壓失穩(wěn)的措施…………788水電站廠房設計…………………79……………79………………79…………798.2.2主廠房寬度確定……………80………………818.3.1機組的安裝高程……………818.3.2尾水管底板高程……………818.3.3基礎開挖高程………………818.3.4水輪機地面高程……………818.3.5發(fā)電機定子安裝高程………828.3.6發(fā)電機層樓板高程…………828.3.7吊車軌頂高程………………828.3.8天花板高程…………………828.3.9屋頂高程……………………83…………83謝辭…………84參考資料…………85外文資料…………86外文翻譯…………891.1任務的提出渾江是鴨綠江在我國境內的較大支流，也是我國東北地區(qū)水力資源較為豐富的一條河流，因此，合理開發(fā)利用渾江水力資源是個重要的課題。渾江發(fā)源于長白山老嶺，河流全長430余公里，河流坡降約為1/1000;流域面積15000平方公里。流域形狀近于橢圓，南北長160公里，東西寬約170公里。根據(jù)渾江河道自然特性的變化，大致以通化為上、中游之分界：以桓仁為中、下游之分界。河流系山區(qū)河流，蜿蜒于山谷之中，沿河山勢陡峭，支流眾多，于支流入口處，地勢較為開闊，出現(xiàn)山間盆地。渾江流域水系圖參見圖1。渾江下游（桓仁以下）的水能利用與梯級開發(fā)問題曾進行了長時間的研究，基本上歸納為兩種開發(fā)方案，即：eq\o\ac(○,1)桓仁、沙尖子兩級開發(fā)方案與eq\o\ac(○,2)桓仁、回龍山、太平哨、高嶺、金坑等多級開發(fā)方案。目前，在桓仁水電站早已建成投產(chǎn)的情況下，實際上變成為沙尖子高壩大庫與回龍、太平哨、高嶺、金坑等梯級開發(fā)方式之爭。本任務書取材于梯級開發(fā)方案的太平哨水電站，并擬定為混合式開發(fā)的地面廠房型式。有關渾江下游梯級開發(fā)情況可參見附圖1。1.2工程地質條件1.2.1地貌與地層本地區(qū)的地貌景觀按其成因類型可分為兩類：eq\o\ac(○,1)構造剝蝕地形，海拔高程360—770米，相對高度200—600米，為中低山地形，由古老的變質巖系組成，山脊較狹窄，起伏不大，無明顯的峰巒，地形坡度較大。eq\o\ac(○,2)侵蝕堆積地形，本區(qū)可見相對高度為20—30米的二級階地，3—12米的一級階地和2—4米的河漫灘。水庫區(qū)及水工建筑物區(qū)出露的地層有：前震旦系，震旦系、寒武系、朱羅系、和第四系，簡單分述如下：eq\o\ac(○,1)前震旦系：主要為一套區(qū)域變質巖石，部分經(jīng)受不同程度的混合巖化作用，形成各種類型的混合質變質巖。各水工建筑物均位于本地層的混合變質巖上。eq\o\ac(○,2)震旦系：僅在水庫區(qū)東南局部出露，主要為石英砂巖、石英礫巖、粉砂巖、頁巖等。eq\o\ac(○,3)寒武系：該系出露更少，僅局部可見，主要為灰?guī)r。eq\o\ac(○,4)朱羅系：該系在水庫區(qū)北部，雅河口以上至回龍山一帶廣泛分布，為陸相火山巖建造，主要為安山巖、安山質凝灰?guī)r、流紋巖等。eq\o\ac(○,5)第四系：在本區(qū)出露的有上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)。前者分布于渾江二級階地，為洪—沖積層，主要為砂卵礫石、砂和亞粘土，后者包括一級階地、河漫灘及河床上堆積的亞砂土、砂礫石，殘積的亞粘土等。1.2.2水庫區(qū)工程地質條件本庫區(qū)兩岸山體高峻，高程為360—700米，分水嶺厚度均在0.8公里以上。庫岸巖石在雅河口以上為侏羅紀火山碎屑巖類，以下為震旦紀變質巖和混合質變質巖，地下水位較高，不會向鄰谷產(chǎn)永久性滲漏。不存在塌岸問題。曾選兩條壩線（上壩線與下壩線）進行比較。上、下壩線相距200—300米，地質條件基本相同，但下壩線右岸地形更單薄，左岸巖石完整性較差，呈片狀破碎，風化也較深，而上壩線左岸則比較完整。河谷部分，下壩線巖石普遍風化較深，而上壩線只有個別地段風化較深。從上述分析確定選用上壩線。修建土壩或混凝土重力壩，地質上都是可能的?！?米。河床砂卵礫石厚0—3.5米。壩址區(qū)兩岸發(fā)現(xiàn)有斷層三條，其中一條為平推斷層（F3）位于左岸，走向NE36°,傾向南東，傾角70°，破碎帶寬5米。另外兩條北東向斷層F1與F2°據(jù)分析F1就是區(qū)域性的太平哨大斷裂，在右壩頭西北約300米處通過;F2位于右岸，產(chǎn)狀為走向北東40—50°，傾角80°，斷層帶寬3—4米。F1與F2對建筑物均無直接影響?！?5米范圍內單位吸水量的平均值為0.1升/分，25米以下時為0.027升/分。據(jù)分析，若采用混凝土重力壩壩型時（估計壩高40米左右），大壩將建基于比較完整的半風化巖石之上。河谷部分的開挖深度（自基巖面算起）約為2—7米，相應于此開挖標準，壩基巖石與混凝土摩擦系數(shù)建議為0.6，河床部位巖石風化較淺，實際上可挖至微風化巖石，建議摩擦系數(shù)采用為0.65。壩址右岸巖石強烈風化，全風化巖石深達30米。強烈風化的原因主要是黑云母混合片麻巖中斜長石和黑色礦物含量較多，長石結晶體粗大，抗風化能力較薄弱所致。建議處理意見是：砂礫狀全風化層（深15米左右）可采用混凝土防滲墻方法處理，塊狀全風化層以下采用帷幕灌漿方法處理。左岸F3斷層以及局部破碎帶可按常規(guī)辦法處理。1.2.4付壩工程地質條件葫蘆細子地段山體低緩，最低點地面高程僅為192米，需要修建付壩。若主壩采用土壩型式，則此處可修建岸坡式溢洪道。此處山體最狹窄處寬僅70米，上、下游水為差7米。此坡地形陡峭，基巖裸露，南坡較緩，坡度一般約20°—30°。此堊口是渾江侵蝕堆積二級階地，堊口頂部和山坡上分布有砂卵礫石，厚度1—5米，其地質時代為上更新世坡積層。本地段地層主要是前震旦紀黑云母斜長石注入片麻巖，混合巖化程度較低，巖性不均一，有的地方可見變質巖基體。本地段發(fā)現(xiàn)斷層共七條，但規(guī)模均很小，寬度大都在一米以內，最大寬對為1.5米。這些斷層大多延伸不長，對建筑物無影響，設計與施工時按常規(guī)方法處理即可。通過地質分析與穩(wěn)定計算可以認為，此地段山體是穩(wěn)定的。為了確保建筑物安全，建議在設計時要加強帷幕灌漿與排水措施。1.2.5引水隧洞和廠房區(qū)工程地質條件渾江在中下游地段，側向侵蝕作用十分強烈，形成迂回曲折的蛇曲地貌，為修建引水式電站提供了有利的地形條件。太平哨水電站的引水隧洞和廠房位于南天門嶺，此處分水嶺寬約800米，而兩端河水位差達13米。本區(qū)地層主要為前震旦系的黑云母混合片麻巖，所有建筑物均將在此巖層上。第四紀包括出口和進口河漫灘的沖積洪積層，巖性為亞砂土，細沙和砂卵礫石，兩側山坡的坡積殘積層，巖性為亞砂土，細砂和砂卵礫石；兩側山坡的坡積殘積層，巖性為亞砂土夾碎塊石。隧洞均將在黑云母混合片麻巖中通過，沿洞線未發(fā)現(xiàn)斷層，且洞頂上部覆蓋新鮮巖體很厚，達80—160米，深部裂隙已趨閉合，因此工程地質條件較好，建議采用：f=6—7,k0=500。洞線前部通過兩條較大巖脈，均大致與洞線相交，一條為石英斑巖，寬30—40米，另一條為正常閃長巖。寬26—30米。據(jù)地表槽探觀察，巖脈與圍巖接觸良好，但從鉆孔資料分析，石英斑巖裂隙比較發(fā)育，故建議，通過巖脈處的參數(shù)選用為：f=4,K0=300。廠房后山坡地形坡度約50°—60°，坡高40米左右，通過剖面裂隙繪得知，廠房后坡存在兩組順坡裂隙，第一組傾角為68°—74°，第二組傾角稍緩，為40°—45°。表部裂隙張開1—3厘米，坡腳部位巖塊已經(jīng)位移。根據(jù)上述情況?？烧J為后山邊坡基本上是穩(wěn)定的，建議在開挖時基本上沿著上述兩組裂隙挖成階梯狀邊坡，對已經(jīng)位移或張開寬度較大的巖塊予以清除，對局部不穩(wěn)定巖塊可采取相應的加固措施。廠房基礎將坐落在新鮮的黑云母混合片麻巖上。1.3建筑材料天然建筑材料的調查，包括混凝土重力壩和粘土心墻砂礫殼壩兩種壩型所需要的各種材料，其需要量初步按：混凝土壩方案，混凝土方量50萬米3，砂礫石料150萬米3，土壩方案：粘土料14萬米3，壩殼砂礫料120萬米3，護坡塊石料5萬米33。通過勘探、試驗工作，可以滿足上述要求，砂礫料與粘土料場分布、儲量、質量評價等詳見表1與表2。土壩護坡用石料場，選擇了葫蘆頭和榆樹底兩處。葫蘆頭石料場位于壩址上游左岸約3公里，交通方便，基巖為黑云母混合片麻巖，榆樹底位于壩上游右岸約3公里，料場山體比高100—500米，山勢陡峻，覆蓋厚約1米，基巖仍為黑云母混合片麻巖。砂礫料場位置、儲量及質量情況一覽表表1料場名稱位置面積（米2）體積（萬米2）勘探等級質量評價開采意見無效層有效層水上水下合計葫蘆頭（漫灘）壩線上游右岸1公里277，800B各項指標均滿足混凝土骨料要求運距短交通方便夾心子—216，300296060120B本料場為土壩方案服務上長嶺壩線下游右岸6公里414,00001020102B各項指標能滿足混凝土骨料要求運輸困難下長嶺175,000047047B同上南天門隧洞進口36,800212012B各項指標能滿足混凝土骨料要求粘土雜質含量較高下甸子廠區(qū)上游右岸1公里90,000024024B同上粘土料場儲量、質量情況一覽表表2料場名稱地貌單元位置體積（萬米3）天然含水量（%）天然容重滲透系數(shù)固結快剪有效層無效層濕干凝聚力內摩擦角葫蘆頭一級階地—231.×10-63.×10-60.2126老營溝一級階地壩線上游左岸5公里181.×10-6251.4水文與氣象1.4.1流域自然地理概況太平哨電站位于鴨綠江支流渾江下游，本站以上集水面積12950平方公里，其上游約86公里和37公里處分別有桓仁，回龍山水電站，其集水面積壩址以上分別為10，375平方公里與12，506平方公里。渾江流域地理坐標在東經(jīng)124°24′—126°36′，北緯40°40′—42°10′之間。其相鄰流域北為第二松花江，東為鴨綠江干流，西側為遼河流域左岸支流渾河、太子河，南為鴨綠江右岸支流蒲石河、河。渾江屬于山區(qū)性河流，流域內高山群立，山勢陡峭，地勢起伏較大，山坡上一半多生雜草和林從，植被較好。1.4.2氣象條件渾江屬于山區(qū)河流，地形對氣候的作用比較明顯，流域東北系長白山系的主峰白頭山，海拔高達2744米，自此分向西北，西南與東南三方向逐漸低下，到流域南部的丹東，海拔高程為59米，自丹東向北至寬甸，地形突然上升（海拔高程約300米），高差達240米，因此當偏南氣流入境后，受地形抬升影響，產(chǎn)生強烈降水，降雨中心多在鴨綠江下游至寬甸間，渾江正處于該暴雨中心北部邊緣，故降雨量很大，降雨量集中在夏季，各地6—8月降雨量占全年的60%左右，尤以7、8兩月為最多，最多月雨量與最小月雨量之比達30倍之多。渾江流域正處于西風帶大陸的東部，冬季在蒙古高壓的控制下，天氣寒冷干燥，為期漫長，全流域一月份平均溫度均在-10°以下，極端最低氣溫發(fā)生在一月份，并在-30°以下。全年右4—°C(桓仁)，年差很大，參見表3。1.4.3水文資料渾江桓仁以下，干流有桓仁、回龍山、沙尖子水文站，支流有二戶來、普樂堡及太平哨水文站。各站資料以桓仁較長。太平哨水庫年徑流系用回龍山、沙尖子及支流半拉江上的太平哨水文站徑流資料，按面積比推求而得，詳見表4。各站年徑流有關參數(shù)詳見表5。渾江的洪水主要由急劇而強烈的暴雨形成，暴雨多集中在三天，其中強度最大的暴雨又多集中在一天之內。就較大洪水年份分析，形成暴雨的天氣系統(tǒng)有臺風，氣旋（華北氣旋，渤海氣旋、江淮氣旋、黃海氣旋）以及副熱帶高壓邊緣的幅合擾動，如1960年發(fā)生了渾江的50年一遇洪水，形成此次暴雨的天氣系統(tǒng)在黃海上空正在恢復中的臺風輸送水汽與副熱帶高壓邊緣的擾動，再加上南部連續(xù)移來三個低壓想遭遇。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降水量（毫米）沙尖子多年平均17太平哨多年平均313寬甸多年平均蒸發(fā)量（毫米20厘米蒸發(fā)皿）沙尖子多年平均88太平哨多年平均寬甸多年平均沙尖子平均-11太平哨最高4926313寬甸最低-3187極端最大風速（米/秒）沙尖子風速1616151116太平哨風向NWNWSWNWSENSNNNWNWNSES寬甸發(fā)生年月1955545555585558555454551956本區(qū)氣象要素表表3一月二月三月四月五月六月七月八月九月十月十一十二年均19362733163846015075371501612591937203204512294812024414619382196243855322401422011939441742265142999302220819403563401050186193194115123732047834012616117319421316014511207011721022221943113793101012095393899618519441531203044093052581481945733543501451893441091946143241127764381148194727515112563381434135209194824713614020722732105194925835460847412517919503578521067314719518923115817202183271672581952250136107149256132102107113195310924252196392210943112501954138164134164312191069514331819551441881546188612619561342853804192383908327177195738612716236010503061142161958107132112592452195913615315372028034822712389196025117169599298166030327290196114351054253514119419622632022296372841441701963102116028610712434217719647001521366351500261301196521235380513292107太平哨電站年徑流系列表（流量：秒立米）表4渾江下游主要站年徑流參數(shù)表（流量：秒立米）表5站名多年平均流量CVCS/CV設計值P%510509095桓仁14422272051398978回龍山1782280254172110太平哨1872295266181116101沙尖子2442353319216138121東北歷年大暴雨的分布規(guī)律看，在鴨綠江的中下游（包括渾江一帶）暴雨出現(xiàn)的機會和強度都才超過其他流域，多年平均三日暴雨在120毫米以上。渾江歷史洪水的調查曾先后進行了5次，調查河段上至通化，下至沙尖子。這對洪水分析提供了可靠的歷史資料?；溉收緦崪y洪水資料較長，加之歷史洪水調查資料，故洪水分析成果較為可靠?；佚埳脚c沙尖子的洪峰洪量系分析和桓仁相關插補而延長。太平哨水電站由于無實測資料，故洪峰洪量參數(shù)用回龍山參數(shù)，洪峰用2/3次方，洪量用一次方，按面積比推求。由于上游桓仁電站庫容較大，對洪水起一定的調蓄控制作用，故區(qū)間洪水對下游梯級起主要作用。太平哨水電站設計洪水地區(qū)組成曾用典型年法和頻率組合法（以回龍山為控制）推求組合洪水進行比較,兩種方法計算成果相近,故采用典型年法成果,即桓仁，桓—回，回—太區(qū)間設計洪水過程線，系以回龍山三日洪量為控制，按典型年分配，同倍比放大各控制點設計洪水過程線。太平哨水庫入庫洪水系將桓仁入庫洪水，經(jīng)桓仁調節(jié)后，如桓—回區(qū)間而得回龍山水庫入庫洪水，在經(jīng)回龍山水庫調節(jié)后，加回—太區(qū)間而得太平哨入庫洪水，詳見表6。太平哨水庫入庫洪水成果表表6流量：秒立米單位水位：米12桓仁入流量出流量庫水位298001850023200146001850011200165009470144008780回龍山入流量出流量庫水位16900168001200012000110001100095009500回—太區(qū)間洪峰流量3170253022601970太平哨入庫流量1750014000.124001080051020桓仁入流量出流量庫水位89907750802068806550583049604120回龍山入流量出流量庫水位92909250750075006550610045004500回—太區(qū)間洪峰流量1610902835557太平哨入庫流量98208070695049801.5水利、動能及水庫1.5.1電站任務太平哨水電站位于渾江干流，是桓仁、回龍山的下一級，本工程開發(fā)主要目的是發(fā)電。由于本電站承接上游桓仁等梯級水庫對渾江豐富水量的調節(jié)，故能以較少庫容獲得較好的能量指標。電站建成后以下沿江無較大城鎮(zhèn)與工礦企業(yè)，對水庫無防洪要求。庫下寬甸縣太平哨公社有5000畝耕地需灌溉，在水庫水量平衡中可按1秒立方米考慮。渾江自然落差較大，水量豐富，在太平哨水庫回水范圍內多為崇山峻嶺，淹沒耕地、村屯較少。庫區(qū)老營溝附近雖發(fā)現(xiàn)有鉛鋅礦，但據(jù)遼寧省地質局調查，該礦儲量有限，規(guī)模不夠，未能納入國家開采計劃，僅有生產(chǎn)隊組織開采。由于桓仁水庫的修建，極大的改變了渾江的徑流在年內分布的不均勻性，彌補了太平哨水庫的庫容小，調節(jié)性能差的缺陷。太平哨電站應盡可能的利用河段自然落差，因而，從與其上級回龍電站尾水位銜接角度的分析，太平哨水庫正常高水位定為191.5米為宜。水庫死水位則應結合輸水建筑物的布置分析確定。（死水位190米，正常高水位191.5米，設計洪水位(P=1%)191.7米，

Q=12400m3/s,校核洪水位（P=0.1%）194.7米Q=17500m3/s）。根據(jù)本工程的條件，應采用Ⅱ級設計標準，即水利樞紐永久性建筑物按百年一遇洪水設計，千年一遇洪水校核?？紤]到上一級回龍地下電站交通洞的高程，要求本水庫設計洪水位也不應超過198.0米高程。東北地區(qū)工農業(yè)生產(chǎn)不斷提高，現(xiàn)有電源特別是水電遠遠不能滿足系統(tǒng)負荷增長的需要。經(jīng)與東北電力局研究認為，太平哨水電站將在負荷曲線的尖峰位置上工作，并應適當擔任一部分備用容量，為此，本電站的利用小時數(shù)不宜過高，可控制在2500小時左右或更低些，可結合機組選擇合理確定。（最后確定太平哨水電站的裝機容量N為16萬千瓦，保證出力2.5萬千瓦，年發(fā)電量4.3億度，年利用小時數(shù)2680小時。特征水頭：最大水頭38.1米，最小水頭34.6米，設計水頭36.2米，加權平均水頭36.2米，發(fā)電機效率98%。）考慮到施工技術條件，引水洞洞徑不宜超過12米，否則的話，可考慮采用兩條引水隧洞的方案，應結合機組數(shù)的選擇合理確定。附圖1-1：渾江下游梯級開發(fā)示意圖附圖1-2：太平哨水庫容積、面積曲線附圖1-3：太平哨壩下H—Q關系曲線附圖1-4：太平哨水電站尾水H—Q關系曲線附圖1-5：HL240-46轉輪綜合特性曲線附圖1-6：ZZ440-46轉輪綜合特性曲線附圖1-7：壩址區(qū)地形圖附圖1-8：引水道沿線地形、地質圖第23頁共95頁附圖1-1：渾江下游梯級開發(fā)示意圖附圖1-2：太平哨水庫容積、面積曲線附圖1-3：太平哨壩下H—Q關系曲線附圖1-4：太平哨水電站尾水H—Q關系曲線第26頁共95頁2.1機組臺數(shù)與單機容量的選擇2.1.1機組臺數(shù)選擇水電站總裝機容量等于機組臺數(shù)和單機容量的成積，在總裝機容量確定的情況下可以擬訂出不同的機組臺數(shù)方案，當機組臺數(shù)不同時，則當單機容量不同，水輪機的轉輪直徑、轉速也就不同。有時甚至水輪機的型號也回改變，從而影響水電站的工程投資、運行效率、運行條件以及產(chǎn)品供應。因此，在選擇機組臺數(shù)時，應從下列幾方面綜合考慮：臺數(shù)與機電設備的關系機組臺數(shù)增多，單機容量減少，尺寸減小，制造及運輸較易，這對制造能力和運輸條件較差的地區(qū)有利的，但實際上說，用小機組時單位千瓦消耗的材料多，制造工作量大，所以最好選用較大容量的機組。2）機組臺數(shù)與水電站投資的關系當選用機組臺數(shù)較多時，不僅機組本身單位千瓦的造價多，而且相應的閥門、管道、調速設備、輔助設備、電氣設備的套數(shù)增加，電氣結構較復雜，廠房平面尺寸增加，機組安裝，維護的工作量增加，因而水電站單位千瓦的投資將隨臺數(shù)的增加而增加，但采用小機組時，廠房的起重能力、安裝場地、機坑開挖量都可以縮減，因而有減小一些水電站的投資，在大多數(shù)情況下，機組臺數(shù)增多將增大投資。3）機組臺數(shù)與水電站運行的關系當水電站在電力系統(tǒng)中擔任基荷工作時，引用流量較固定，選擇機組臺數(shù)較少，可使水輪機在較長時間內以最大工況運行，使水電站保持較高的平均效率，當水電站擔任系統(tǒng)尖峰負荷時，由于負荷經(jīng)常變化，而且幅度較大，為使每臺機組都可以高效率工作，需要更多的機組臺數(shù)。組臺數(shù)與水電站運行維護的關系當機組的臺數(shù)過多時，水電站的進行方式激動靈活、易于調度、每臺機組的事故影響較小，檢修工作也比較容易安排，但運行檢修、維護工作量及年運行費用和事故率將隨機組臺的增多而增加，因此機組的臺數(shù)不宜過多。上述各種因素是相互聯(lián)系而又相互對立的，不可能同時一一滿足，為了制造安裝運行，維護及設備供應的方便，在一個水電站內應盡可能選擇相同型號的機組，大中型水電站機組常采用擴大單元信線，為了使電器主結線對稱。大多數(shù)情況下機組臺數(shù)用偶數(shù)，本設計引水式水電站的總裝機容量為16萬千瓦，屬中型水電站，我國的建成的中型水電站一般采用4—6臺機組，由于上述各種因素，本設計選用4臺機組。單機容量N=16萬÷4=4萬KW（滿足保證出力2.5萬千瓦。）水輪機額定出力N?=N÷98﹪=40000÷98﹪32.2水輪機型號及裝置方式的選擇根據(jù)水頭范圍從型譜中查得ZZ440型適應水頭20～40,HL24型適應水頭25～45兩種型號均適用。將兩種機型作為初選方案計算其參數(shù)作分析比較確定一種作為最終方案2.2.2裝置方式的選擇在大中型水電站中,其水輪機發(fā)電機組尺寸一般較大,安裝高程也較低,因此七裝置方式多采用立軸式。它可使發(fā)電機的安裝高程較高不易受潮,機組的傳動效率較高而且水電站廠房的面積較小,因此本設計采用立軸式裝置。2.3水輪機參數(shù)計算HL240型水輪機方案主要參數(shù)選擇1）轉輪直徑的計算查表3—6和圖3—12得HL240型水輪機在限制工況下的單位流量3/s，效率=90.4%，由此可以初步假定原水輪機的單位流量=3/s,效率=92%.式中：——水輪機標稱直徑——水輪機單位流量查得——設計水頭——水輪機額定出力代入式中得采用與其相近的標準轉輪直徑2）轉速計算=r/min式中——單位轉速采用最優(yōu)單位轉速r/minH——D1——采用選用的標準直徑D1采用與其接近的同步轉速n=107.1r/min3）效率及單位參數(shù)修正查表3—6可得HL240型水輪機在最優(yōu)工況下的模型最高效率=92.0%,模型轉輪直徑D,由公式：=1-(1-)=1-(1-0.92)×=94.8%則=-=94.8%-92%=2.8%考慮模型與原型水輪機的質量差異,常在減去一個修正=1.0%,=1.8%=+=92%+1.6%=93.6%=+=90.4%+1.8%=92.2%(與假設基本相同)因為,=-1=0.97%<3%所以，不需要修正。則原假定的n=107.1r/min,Q1′=1.24m3/s,D1是正確的。4）出力校核設計流量由水輪機運轉特性曲線查得M修正得水輪機效率NT=9.81×125.4×36.2×0.938=41771大于40816滿足要求5）運行范圍校核在選定,=107.1r/min后,水輪機的及特征水頭相對應的可以計算出來.===1.235<1.24m3/s水輪機的最大引用流量為3/s各個特征水頭相對應的單位轉速列表比較如表2-1所示，由計算值繪運行范圍圖，從模型綜合特性曲線上看出基本包括了高效率區(qū)。表2-1項目水頭單位轉速73單位流量6）吸出高程的計算式中：————氣蝕系數(shù)H——水頭表2-2HL240型水輪機吸出高度計算見表項目最小水頭設計水頭最小水頭水頭單位轉速73氣蝕系數(shù)修正值吸出高度Hs采用最小值作為其吸出高度7）安裝高程的計算HL240型水輪機的安裝高程的計算式中：導葉相對高度b0/D1為吸出高度ZZ440型水輪機方案主要參數(shù)選擇ZZ440型適用水頭范圍25～45,其模型參數(shù)如表2-3表2-3葉片數(shù)m0導葉相對高度b0/D1’最優(yōu)單位轉速（r/min）限制工況單位流量（m3/s）氣蝕系數(shù)模型直徑D1m（m）實驗水頭Hm（m）61151）轉輪直徑D1的計算由上表查得ZZ440型水輪機在限制工況下的單位流量′3/s,同時該工況的氣蝕系數(shù)=0.72,[]=-4時其相應的氣蝕系數(shù)：式中為氣蝕系數(shù)修正值，由圖2-26查得。在滿足-4m吸出高度的前提下,從圖可查知(=115r/min,處的流量Q1′=1000L/s,M=88.3%,假定水輪機的效率為91.6%.D1=選用與之接近的標準直徑D1轉速：式中：n1’——單位轉速，采用n1’10’=126.5r/minH——水頭采用H=Hpn=采用與其接近的同步轉速n=166.7r/min磁極對數(shù)p=183）效率及單位參數(shù)的修正軸流轉漿式水輪機的原型最高效率采用效率修正值，對不同裝置角計算結果列表如表2-4葉片轉角-10°-5°0°5°10°15°8886-表2-4ZZ440型水輪機效率修正值計算表由于最優(yōu)工況接近于=0°=2.9%作為修正值則原型的最高效率=+=89%+2.9%=91.9%已知在吸出高程為-4m,限制工況點(=115r/min,Q1′=1000L/s)處的模型效率=88.1%而該工況在5°—10°之間，用內差法可求得=3.28%.由此可得該工況點的原型水輪機效率為=88.3%+3.28%=91.78%（與上假定相近）因為==1.62%<3%14）工作范圍校核D1==1.0321m3/s水輪機的最大引用流量為126.8m3/s各個特征水頭相對應的單位轉速：在HL240型水輪機模型綜合特性曲線圖上分別繪出，，的直線，可看出，包括了高效率區(qū)。5）吸出高度及安裝高程的計算由水輪機的設計工況點(=127.45r/min,=10321L/s,)在圖3—25可查得相應的氣蝕系數(shù)為=0.33，并可以從圖2—26查得氣蝕修正值則：=10-152.6/900-(0.33+0.034)×由此可見ZZ440型水輪機的方案的吸出高程滿足水電站的要求。6）安裝高程的計算ZZ440型水輪機安裝高程的計算ZA=ZDmin+Hs+xD12.3.3HL240型水輪機及ZZ44型水輪機兩種方案的比較表2－5水輪機方案參數(shù)對照表序號項目HL240ZZ4401模型水輪機參數(shù)推薦使用的水頭范圍25～4520～362最優(yōu)單位轉速721153最優(yōu)單位流量11008004限制工況單位流量124016505最高效率92896氣蝕系數(shù)7原型水輪機參數(shù)工作水頭范圍8轉輪直徑9轉速10最高效率11額定出力408164081612最大引用流量13吸出高度14安裝高程由表2－5可見兩種方案中HL240型水輪機運行效率高，安裝高程較高使得其開挖量較ZZ40型水輪機的開挖量要小得多且有利于提高年發(fā)電量，而ZZ440型水輪機機組轉速較高使得其氣蝕系數(shù)較高不利于安全，雖然發(fā)電機尺寸較小但同時使得水輪機調節(jié)系統(tǒng)造價升高綜合以上因素選擇HL240型方案更為有利水輪機運轉特性曲線時表示轉速，轉輪直徑為常數(shù)時水頭，流量，出力，效率，河吸出高度等參數(shù)間的關系曲線包括等效率曲線，出力限制線和等吸出高曲線，它反映了水輪機實際運行中各個參數(shù)間的關系是指導水電站運行的依據(jù)。在水輪機的工作水頭范圍以內取三個水頭,,并繪制每個水頭下的工作特性曲線如附圖2-1（a）,在該圖上以某一效率為常數(shù)作平行線，他與諸曲線相交并可得出各交點上的H,N值，然后依H，N值將各點落在H-N的坐標場中，并繪制成一光滑曲線如附圖2-1(b)，即為該效率的等效率曲線，計算表2－6表2－6等效率曲線計算表868686878787888888898989909090919191919191909090898989888888878787868686水輪機最大出力受到發(fā)電機額定出力和水輪機5%出力貯備線的雙重限制，在運轉綜合特性曲線圖上，H≥Hr時的出力線為N=Hr的一段垂直直線，H<Hr時水輪機出力受5%出力貯備線的限制,A點與B點的連線即為出力線。做法上見圖。發(fā)電機額定出力的限制即為水輪額定出力的限制（=為發(fā)電機的額定效率），因此在運轉綜合特性曲線圖上，時出力限制線的一段垂直直線，如下圖由于是水輪機發(fā)出額定出力的最小水頭，所以當時，水輪機出力受5%出力儲備線的限制。在相應的模型綜合特性曲線圖中的5%出力儲備線上找出相應于的工況點然后求出對應的在圖中把點與點連成直線，即得到時的出力限制線，如附圖2-2。而相應于的工況點流量2.4.3等吸出高度曲線的繪制1）根據(jù)等效率曲線計算表中的和N作不同水頭下N=f()的輔助曲線2）在向相應的模型綜合特性曲線上，佐以各水頭下為常數(shù)的水平線，它與氣蝕系數(shù)線交于許多點，記下各點的和值并將其列入表其中的值可由Hr查得3）由上述已知的可在N=f()輔助曲線上查得相應的N值并記入表中有公式Hs=10-，計算出不同之相應的吸出高Hs并列入表中。4）根據(jù)表中對應的Hs和N作各水頭下的的輔助曲線如附圖2-3(a)。5）在得輔助曲線上，作某一Hs為常數(shù)的水平線它與該輔助曲線交于許多點，并可各點上的H，N值。然后將各點連成光滑曲線即得該吸出高的等吸出高度線如附圖2-3(b),計算過程見表2-7表2-7吸出高度計算表HN()HHs3224.2.5.1蝸殼形式的選擇蝸殼形式有金屬蝸殼和混凝土蝸殼，金屬蝸殼適用于水頭大于40m或小型臥式機組，混凝土蝸殼適用于水頭小于40m由水電站的水頭范圍34.6～38.1m，同時考慮為了節(jié)約鋼材,且梯形斷面與圓形斷面相等時，梯形斷面可以沿軸向上下延伸,與圓形相比徑向尺寸較小,可以減少廠房的面積和土建投資,所以本設計采用了混凝土蝸殼,并采用平頂梯形斷面。2.5.2斷面形狀及包角的選擇從蝸殼的鼻端至蝸殼進口斷面之間的夾角稱為蝸殼包角,常用來表示,對于混凝土蝸殼由于勘測流量較大,允許的流速減小,允許流速較小,通常采用包角為180°～270°，本設計選擇270°斷面形式使用平頂梯形，本設計采用了平頂梯形,所以n=0,當n=0時,r=10°～15°,～可達到2.0,本設計選用r=15°,，。根據(jù)水電站規(guī)模本電站采用平頂梯形斷面混凝土蝸殼由《水力機械》附表以及附表二查得HL240型水輪機Da=6.35m,Db進口斷面流速式中ac進口斷面流量/s設計流量=125.4m/s進口斷面面積F1=根據(jù)幾何關系確定進口斷面尺寸如下進口斷面面積應滿足下式解上面方程組得a1，b1，m1在圖5中CH對角線為當混凝土蝸殼的進水口斷面形狀確定后，其中間斷面形狀可由各斷面頂角點及底角點的變化規(guī)律來確定，本設計采用直線變化規(guī)律。查《水電站設計手冊》(水利機械卷)表12-15,可知Da，Db2.5.5圖的繪制根據(jù)《水電站》的公式(2-3)和(2-4)式可知中間斷面面積Fi與包角的關系為,所以是直線繪制輔助曲線,在進口斷面做出若干個中間斷面,如圖2-4。結合及已知數(shù)據(jù)可以求出每個斷面的面積Fi,,根據(jù)下表2-8可就可以繪制曲線，見附圖2-5斷面02701158274320表2-8查圖得表2-9表2-904590135180225270R6依據(jù)上表繪制蝸殼單線圖如附圖2-6。尾水管是反擊式水輪機的重要過流部件，其形式和尺寸在很大程度上影響到水電站下部土建工程的投資和水輪機運行的效率及穩(wěn)定性。尾水管的形式很多,常用的有直錐形,彎錐形和彎肘形,大中型反擊式水輪機均采用彎肘形，本設計采用彎肘形，它不但可以減小尾水管開挖深度，而且具有良好的水力性能。彎肘形尾水管由進口直錐段中間肘管段和出口擴散段三部分組成。2.6.2彎肘形尾水管部分尺寸的確定由《水電設計手冊》查得HL240型水輪機轉輪流道尺寸D尾水管尺寸采用推薦尺寸。1)進口直錐段是一段垂直的圓錐形擴散管,進口直徑為D3高度為h3錐管段均設金屬里襯,以防止旋轉水流對管壁的破壞,對混流式水輪機,單邊的擴散角的最優(yōu)值為7°～9°,本設計選用8°,進口直徑D3=D22）中間彎肘段肘管是一段90°轉角的邊截面彎管,其進口斷面為圓形,出口斷面為矩形,管內一般不設金屬里襯,由于肘管形狀太復雜，所以肘管內一般不設金屬里襯，但當流速很大特別含沙時應設里襯，由于該電站水頭小150，所以不設金屬內襯.3）出口擴散段是一段水平放置,兩側平行,頂板上翹的矩形擴散管,一般取10°～13°,本設計取12°當出口斷面寬度過大時,可按水工結構要求加設中間設墩,它的厚度取(0.10～0.15)B5.并考慮尾水門槽不止的需要，出口擴散段內通常不加金屬里襯。彎管段尺寸計算見表2-10D4B6L1aR6R7R811擴散段尺寸計算見表2-11D1HLB5D4L11利用以上數(shù)據(jù)繪制尾水管如附圖2-7。2.7發(fā)電機的選擇2.7.1發(fā)電機型式的選擇水輪發(fā)電機的結構型式主要取決于水輪機的型式和轉速，同時要兼顧廠房的布置要求，本設計水輪機的額定轉速,故采用傘式水輪發(fā)電機。本設計中水輪發(fā)電機的型號采用推薦型號為SF45-56/900，即：立式空冷水輪發(fā)電機，額定容量為45MW，磁極個數(shù)為56個，定子鐵芯外徑9000，SF45-56/900型水輪發(fā)電機有關資料如下（查《水電站機電設計手冊》水力機械卷）：定子外徑：Da=900定子內徑：Di=842定子長度：Lt=135定子機座高度：h1=2590上機架高度：h2=838推力軸承高度：h3=870勵磁機高度：h4=2070永磁機及轉速繼電器高度：h6=455定子支撐面至下機架支撐面距離：h8=785轉子磁軛軸向高度：h10=1980發(fā)電機主軸高度：h11=2035（副）h11=7020（主）定子水平中心線至法蘭底面距離： h12=6120法蘭盤地面至發(fā)電機層地板高度：H=9055定子支承至發(fā)電機層地板高度：h=3428機座外徑：D1=10170風罩內經(jīng)：D2=12800轉子外徑：D3=8390水輪機機坑直徑：D5=6000下機架最大跨度：D4=7760推力軸承裝置外徑：D6=3200勵磁機外徑：D7=2640/3000布置特點說明：上機架埋入地板內、勵磁機及其機架在其上露出地面，推力軸承在下機架之上。見附圖2-8。2.8調速器設計2.8.1調速設備的選擇水輪機調速系統(tǒng)的基本任務是：使水輪發(fā)電機組穩(wěn)定地以額定轉速運行，在機組負荷變化或其他外擾作用下，保證機組的轉速變化不超過一定的范圍，并能迅速地穩(wěn)定與新的工況，從而保證發(fā)電機輸出的交流電頻率滿足用電設備的要求。水輪機調節(jié)是通過調速系統(tǒng)根據(jù)機組轉速的不斷地改變水輪機過流量來實現(xiàn)的。調速功《水力機械》式5-4式中：H——水輪機的最大水頭HmaxQ——最大水頭下發(fā)出額定出力時的流量D1—由得最大水頭下發(fā)出額定出力的流量由繪制的運轉特性曲線圖上查得=94.6%=（288463—360579N）·>3000N·選屬大型調速器則接力器,調速柜和油壓裝置應分別為計算和選擇。1）接力器直徑的選擇參考《水力機械》式5-6D10=24采用標準正曲率導葉式中為系數(shù)查《水力機械》表5-3得=0.03導葉高度=2）接力器最大行程的計算應用《水力機械》（5-8）式接力器最大行程為：導葉最大開度可由模型的求得。式中：——原形和模型水輪機導葉軸心圓的直徑?！魏湍Ｐ退啓C導葉數(shù)目則由（查得==241.6計算系數(shù)取1.8smax×24=434.953）接力器容積的計算《水力機械》式5-102.8.3調速器的選擇大型調速器的型號是以主配壓閥的直徑來表征的，主配壓閥直徑d可由《水力機械》（5-15）式計算：d=式中：——導葉從全開到全關的直線關閉時間，——管內油的流速（）本設計選用=4s，則查《水力機械》表5-1選擇與之接近的D-T100電氣液壓型調速器2.8.4液壓裝置的選擇油壓裝置是向水輪發(fā)電機的調速系數(shù)供給壓力油能源設備，設調速系統(tǒng)的重要組成設備。同時也作為進水閥，調壓閥以及液壓操作原件的壓力油源。油壓裝置的工作能力由壓力油罐的額定油壓及總容量來標志，目前國內生產(chǎn)的油壓裝置，其額定油壓一般為，在不考慮轉輪漿液接力器和水輪機進水閥門接力器容量時，可用《水力機械》（5-16）式估算：式中：——壓力油罐總體積（）——導葉接力器的總體積（）查《水力機械》表5-2選與之接近且偏大的YZ-4型分離式油壓裝置所以綜上所述總結如下：型水輪機調速器設備方案：1、接力器直徑2、調速器主配壓閥直徑3、調速器型號型電器液壓調速器4、油壓裝置型號型分離式油壓裝置附圖2-1工作特性曲線和等效率曲線附圖2-2出力限制線附圖2-3Hs=f(N)輔助曲線和等吸出高度線附圖2-4蝸殼斷面單線圖附圖2-5蝸殼半圖解法計算圖附圖2-6蝸殼平面單線圖附圖2-7尾水管示意圖附圖2-8發(fā)電機外形尺寸圖3.1壩軸線及壩型選擇3.1.1壩軸線選擇壩軸線的選擇主要是根據(jù)地質條件,地形條件,施工條件建筑材料供應和效益及遠景指標等因素選擇合理經(jīng)濟的壩軸線.=1\*GB3①地質條件地質條件是壩址選擇的重要條件,太平哨電站曾選用兩條壩軸線(上壩軸線與下壩軸線),上下壩軸線相距200～300,地質條件基本相同,但下壩軸線與右岸巖石完整性較差,呈片狀破碎,風化也較深.=2\*GB3②地形條件在高山峽谷地區(qū)布置水利樞紐,減少開挖,壩址選在峽谷地段,壩軸線斷,壩體工程量小,但不利于泄水建筑物的布置,因此需要綜合考慮.在選用壩址時,應考慮如何防止泥沙和漂木進入,取小建筑物,對與于有通航要求的樞紐,應主意通航建筑物與河道的連接.=3\*GB3③施工條件壩址附近特別是其下游應有較開闊的地形,以便布置施工機械應在交通干線的附近,便于施工運輸,可與永久電網(wǎng)連接,解決施工用電問題,卻便于施工導流.=4\*GB3④建筑材料壩址附近有足夠數(shù)量符合質量要求的天然建筑材料,對于材料分布埋置深度,開采條件以及施工期淹沒等問題都應認真考慮.=5\*GB3⑤綜合效益對于不同壩址要綜合考慮防洪灌溉發(fā)電航運旅游等各個方面的經(jīng)濟效益.綜上所述,并結合本設計情況,確定選用上壩線.根據(jù)資料選兩條壩線進行比較，上下壩線相距200-300，地質條件基本相同，但下壩線右岸地形更單薄，左岸巖石完整性較差呈片狀破碎風化也較深而上壩線左岸比較完整河谷部分上壩線處巖石風化比下壩線輕許多故采用上壩線作為最終方案3.1.2壩型選擇(1)重力壩對地形、地址條件要求試用性強，安全可靠.剖面尺寸大,壩內應力較低,筑壩材料強度高,耐久性好,樞紐泄洪問題容易解決,便于施工導流.(2)拱壩拱壩壩體輕韌,彈性較好,是一種很優(yōu)越的壩型,但對地形條件和地質條件要求嚴格,地形要求左右兩岸對稱,在平面上向下游收縮的峽谷段,地質條件要求巖基較均勻,堅固完整.在本設計中在地形上左岸較陡峭,右岸較緩且下游擴大,因不宜修建拱壩.(3)土石壩可就地,就近取材,適應于不同地形,但土壩的泄洪需修溢洪道、泄洪洞，從而提高了工程造價.鑒于上述比較,壩型選用重力壩更為經(jīng)濟合理。3.2泄洪方式選擇及調洪演算根據(jù)重力壩要求和其自身特點選擇表孔泄流和底孔泄流相結合，溢流壩泄流泄量大，可減小孔口尺寸，閘門上壓力小操作方便，且其經(jīng)濟性最好。而底孔的運用便于施工導流，在運用中可兼作排沙以減少水庫淤積，同時也可更大程度放空水庫便于檢修。通過調洪演算得下泄方案：設計洪水情況下表孔下泄流量11100m3/s，底孔泄洪流量920m3/s。校核洪水情況下表孔下泄流量16200m3/s，底孔下泄流量1000m3/s表孔凈寬B1為168，底孔為四孔的矩形孔3.3樞紐布置合理安排樞紐中各個水工建筑物的相互位置為樞紐布置，其應遵循的一般原則：①壩址、壩及其重要建筑物的形式選擇和樞紐布置做到：施工方便，工期短，造價低。②樞紐布置應當滿足各個建筑物在布置上的要求，保證其在任何工作條件下正常工作。③在滿足建筑物強度和穩(wěn)定條件下，降低樞紐總造價和年運行費用。④樞紐中各建筑物布置緊湊、盡量將同一工種的建筑物布置在一起以減少聯(lián)結建筑。⑤盡可能使樞紐中的部分建筑物早期投產(chǎn)，提前發(fā)揮效益。⑥樞紐外觀應與周圍環(huán)境相協(xié)調在條件下注意美觀。（1）溢流壩段：布置在河床中斷主流位置以利于泄洪，其中泄洪孔初設14孔每孔12m×閘墩及分縫：中孔分離閘孔并支承閘門工作橋其厚一般取3～5取4共七座邊墩：除支承上部結構外還起分隔溢流及非溢流壩段的作用厚取4m兩座縫墩：考慮不均勻沉降影響將縫設在閘墩中間,縫寬20共六座溢流壩段總長度：L=12×14+2×4+13×4=228m樁號0+260～0+488（2）底孔壩段：孔數(shù)采用4孔尺寸為4×B2=4×4=16布置采用兩孔一組，中間隔墩為8邊墩為4總寬度L=4×4+8+4×4=40樁號為0+220～0+260（3）非溢流壩段布置在兩岸，樁號為0+000～0+220，0+488～0588混凝土重力壩級別Ⅱ級，混凝土容重為24KN/m3，水容重為10KN/m3計算方法：穩(wěn)定計算用抗剪公式，應力計算用材料法，設計流量12400m3，校核流量17500m3/s,下游水位172，風速v=16m，建基面高程1604.2擋水壩剖面設計4.2.1擋水壩壩頂高程的確定（1）校核洪水位情況：波浪高度波浪長度波浪中心線到靜水面的高度安全超高按Ⅱ級建筑物查《水工建筑物》表1-11得壩頂高出水庫靜水位（2）設計洪水情況：風速×波浪高度波浪長度波浪中心線到靜水位面的高度安全超高查表得壩頂高出靜水位作壩頂高程4.2.2擋水壩的剖面尺寸確定1）根據(jù)交通與運行管理的需要及啟閉機移動工作時的需要，壩頂應有足夠的寬度。一般取壩高的8%-10%，且小于2。當壩頂布置移動式啟閉機時，壩頂寬度應滿足安裝門機軌道的要求，本設計取83）基本剖面：根據(jù)工程經(jīng)驗，上游壩坡系數(shù)常采用n＝0～0.2，常做成鉛直上部或下部傾向上游，下游壩坡系數(shù)采用m＝0.6～0.8，壩底寬約為壩高的0.7～0.9倍。擋水壩剖面圖如下圖：4.3.1溢流壩面曲線設計定型設計水頭Hs－181.5)×75～95%取Hs=12Hs/Hzmax<3，故滿足要求．1）堰頂上游側采用四分之一橢圓曲線，其方程為：(aHs)2=12.96bHs=2.04(bHs)2曲線方程為：156m～179.46m高程段為垂直直線段。溢流剖面堰型采用WES曲線由《水工建筑物》表2-10查得n=1.85曲線方程為即3）直線段與WES曲線相切，坡率m=0.75與基本剖面相同設切點為（xc,yc）由有解得41則切點（xc,yc41）(1)消能方式的選擇消能方式的選擇主要取決于水利樞紐的具體條件，施工條件消能效果與經(jīng)濟比較選用，壩下消能防沖設計原則；應盡量利用水體內部撞擊摩阻的消能效果，盡量減小水體對固體邊界的沖刷磨蝕作用，限制下池水流對下游河床的沖刷范圍，使其不危及壩體，壩下建筑物的安全，不引起岸坡的塌坍和河床的過度沖刷。巖基上溢流重力壩消能設施型式可分為底流式，挑流式，面流式和消力戽四種。①底流消能底流消能是在壩下設置消力池等消能設施，通過水躍將池水建筑物泄出的急流轉變?yōu)榫徚?，以消除多殺能的消能方式，底流消能是具有流態(tài)穩(wěn)定，消能效果好，對地質條件和尾水變幅適應性強，可適用于高中低水頭，大中小流量的各類泄水建筑物，多用于低水頭，大流量的溢流重力壩。底流消能的主要問題在于，護坦板較厚較長，開挖量大，投資較大，斷面落差H值大，水頭較多時，護坦的前部承受較高的流速，易于發(fā)生空蝕及磨損，動水作用力及脈幼荷載問題也較突出。②挑流消能泄水建筑物的末端設置挑流鼻坎，利用集中急流的動能，把水股向下游河床的位置，范圍和流量分布對尾水變幅適應性強，結構簡單，施工維修方便，耗資省。其問題在于對下游產(chǎn)生同部沖刷，對工程和岸坡的穩(wěn)定產(chǎn)生威脅且水花飛濺及霧化影響較大。適用于尾水位較深，地質條件較好的中高水頭各類池水建筑物，是運用非常廣泛的一種消能。③面流消能利用鼻坎將高速水流挑至尾水表面，在主流表面河床之間形成反漩流，使高速不流與河床隔開，避免了對臨近壩址處河床的沖，一般不需做護坦。其問題在于，要防止反向漩流挾帶石塊磨蝕壩址地基，以及下池水流沖刷作用的危害，對下游水位和下池流量變幅的限制較嚴，下游水流在較長距離內不夠平穩(wěn)，影響發(fā)電和航運。適用于下游尾水較深，（大于躍后水深），水位變幅不大，下池流量變化范圍不大，河床和兩岸有較高的抗沖能力。④消力戽消能，挑流鼻坎潛沒在水下，形成自由水面，水流在戽內產(chǎn)生漩滾徑鼻坎將高速水流的挑至表面，可減輕對河床的沖刷，不需要做護坦。其問題與面流消能大體相同。適用于尾水較深（大于躍后水深）且下游水位和下泄流量的變幅較小。依據(jù)消能工作設計原則與各消能方式的特點，結合本電站具體情況，太平哨電站下游尾水位深，壩址巖基為黑云母混合片麻巖，河床及兩岸抗沖能力較強，選用連續(xù)式消力戽消能方式。(2)連續(xù)式消力戽的尺寸選擇①挑射角度的選擇目前已建成的大多數(shù)工程采用450，當值較大時，發(fā)生穩(wěn)定戽流的下游水范圍較大。但涌浪的曲率和高度都較大，且戽坎下游的水深范圍較大，但涌浪的曲率和高度都圈套，且戽坎下游的入水角也較大，沖刷能力較強，當值較小時，則形成穩(wěn)定戽流的下游水深范圍較小，海浪稍平緩，下游局部沖刷問題稍輕。本電站工程下游地質條件良好，綜合考慮適用=450，②戽底高程一般取與下游河床同高，厚則上要保證在各吸流量和下游水位條件均能發(fā)生穩(wěn)定戽流，戽底高程確定的較高時易形成挑流流態(tài)，太低時將增加開挖量，本設計取與下游河床同高即戽底高程為161。③反弧半徑R的確定消力戽戽底反弧半徑R 愈大，壩上水流的出流條件愈好，同時增加戽內旋滾水體，對消能也有利；但當反弧半徑R大于某一值時，R的增大對出流狀況的影響不大，而且戽體工程加大。參照國內外二十七項工程的實際尺寸點出的關系圖，查用《水力計算手冊》P254消能比式中：q——單寬流量H——從戽底起算的上游水頭，戽底取與原河床齊平高程161mH將已知代入上式，得：查圖得：多數(shù)工程采用戽斗的反弧半徑介于12~20之間(《水工設計手冊》P6-376)本設計采用R=12④戽坎高度a的確定為了防止泥沙或石塊卷入戽內，戽壩頂高于河床，對于戽端無切線延長時，有a=R(1-cos),一般尾水深的1/6，高度不夠的可用切線延長加高（《水工設計手冊》）a=12x(1-cos450尾水位=×。溢流壩壩面曲線如下圖4.4洪水下泄流量校核在擬定的孔口尺寸下利用公式校驗泄洪能力1）在通過設計洪水時淹沒系數(shù)=1H0m為流量系數(shù)查《水力學》圖8.12有H0/Hd1/Hdd=0.975md 為側收縮系數(shù) 當孔為中孔時b/B=12/16=0.75當孔為邊孔時>11100滿足泄洪要求2）當通過校核洪水時=1H0=194.7-181.5=13.2mH0/Hdd，>17500滿足泄洪要求4.4.2底孔過流能力驗算底孔設計流量920校核流量1000孔口尺寸4×3.5采用孔口出流公式底孔包括喇叭口段，門槽，閘門及出口部分存在局部損失設計洪水情況下=239四孔泄量=4×239=956〉920滿足泄洪要求校核洪水情況下四孔泄量=4×257=1028，滿足泄量要求。4.5閘門閘墩及工作橋設考慮經(jīng)濟使用因素本設計采用弧形閘門作工作閘門，用平板閘門作檢修閘門平板門采用12×12取12作為設計門高寬為孔寬12支鉸位置一般在1/2～3/4倍門高處即6～9的位置取8弧形門最低點位置距堰頂靠后一段布置以保證水流沿堰面下泄牛腿距堰頂水平距離L=閘墩的作用：①將溢流壩分成若干孔，以便控制水流。②用來支承和引導堰頂，控制閘門及承受水壓力。③支承壩頂?shù)墓ぷ骱徒煌?，閘墩的尺寸和外形均需按這些要求設計。閘墩中檢修門門槽寬門槽深閘門長度按各部分要求大致設為25m頭部使用半圓形，尾部使用流線型閘墩寬4m尾部尺寸r=1.708d=6.832mL=1.208d=4.832m其簡圖如下5.1計算說明5.1.1計算內容1）抗滑穩(wěn)定計算2）壩基最小、最大應力計算3）壩基面上下游邊緣主應力計算5.1.2計算工況只做正常蓄水位情況下的基本組合計算5.1.3計算單元與計算截面取最大剖面出1m計算單元5.2擋水壩穩(wěn)定及應力分析5.2.1荷載計算選擇工況為正常蓄水位情況自重：W1=W2靜水壓力：p1=2p2=1/2×10×112=605揚壓力：重力壩建成后在上，下游水位差的作用下，水流繞過壩體，壩基和兩岸壩頭向下游滲透，在某個截面上，由于滲透引起的水壓力稱為滲透壓力，由下游水深引起的水壓力稱為浮托力，滲透壓力與浮托力之和稱為揚壓力。見下圖U1=浪壓力由，H1，H1>L/2屬深水波h=波浪高度/2+h0垂直力水平力力臂力矩向上向下向右向左正負自重W151618W28287水壓力P11049613P26052523揚壓力U13014U2457U35599U41739U55850U60浪壓力pl132644007305.2.2抗滑穩(wěn)定分析水工建筑物時2-20式中：f——為接觸面摩擦系數(shù)——為壩基面以上的總鉛直力——為壩基面上的總水平力U——為作用在壩基面上的揚壓力>[]滿足抗滑穩(wěn)定要求5.2.3應力分析1)未記入揚壓力情況壩基面上垂直正應力為，剪應力為，水平正應力，主應力，及，2)記入揚壓力情況水平正應力由以上計算看出不計揚壓力時小于基巖的抗壓強度,滿足規(guī)范要求主應力小于基巖的抗壓強度滿足規(guī)范要求記入揚壓力時滿足規(guī)范要求。6細部構造設計6.1壩體分區(qū)及標選擇壩體各部分的工作條件不同,對混凝土強度、抗?jié)B、抗凍、抗沖刷、抗裂等性能的要求也不同．為了節(jié)約和合理利用水泥．通常把壩體按不同部件和不同工作條件分區(qū)，采用不同標號的混凝土。Ⅰ區(qū)—為上下游最高水位以上壩體表層混凝土，在寒冷地區(qū)多采用2～3的抗凍混凝土，標號一般為C15，S4，D150土本設計采用3的C15混凝土Ⅱ區(qū)—為上下游水位變化區(qū)的壩體表層混凝土都采用厚3～5的抗?jié)B抗凍并具有抗侵蝕性的混凝土，標號一般為C15，S8，D200。設計用3的C15混凝土Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)—分別為上下游最低水位以下壩體表層混凝土和靠近地基的基礎混凝土，對抗?jié)B強度和低熱要求較高，多采用2～3，標號C20,S12,D200,對于Ⅳ區(qū)還要求為低熱混凝土Dw.本設計采用3的C15混凝土Ⅴ區(qū)—為壩體內部混凝土，都采用低標號低熱混凝土，強度根據(jù)壩面應力大小，上部多采用C10；下部多采用用C15Ⅵ區(qū)—抗沖刷部位的混凝土，如溢流面，泄水孔，導墻和閘墩?？箟簭姸炔坏陀?0MPa～25MPa（90天齡期），嚴寒地區(qū)應滿足D150～D250要求。壩體不同分區(qū)的混凝土，所用水泥，應盡量采用同一品種。6.2分縫與止水為了滿足施工要求，防止壩在運行期間由于溫度變化和地基不均勻變形和施工要求。如：混凝土澆筑能力及溫度控制等。橫縫間距（既壩段寬度）一般為12～20，也有的用到24左右，主要取決于地基特性、河谷地形、溫度變化、結構布置、和澆筑能力等。橫縫有永久和暫時之分。1)橫縫：橫縫與壩軸線垂直，將壩體分為若干壩段，橫縫間距一般15～20，縫距大小主要取決于地基特性，河谷地形，混凝土澆注能力，結構布置和溫度變化等，橫縫有永久性和臨時性兩種。厚的紫銅片,作成可伸縮的形,每側埋入混凝土長度20～25,第一道止水與上游壩面距離應有利于改善該部位應力,一般為0.5～2,縫間貼瀝青油氈，瀝青井呈圓形其井內設加熱設備，在井底設瀝青排水管。止水片與瀝青井應深入基巖約30～50，在橫縫止水后宜設排水井。臨時性橫縫：其縫面設置鍵槽、埋設設灌漿系統(tǒng)，當主要是為了增加水平向抗剪能力時，則鍵槽應為水平向。2)縱縫：縱縫平行于壩軸線，其設置目的在于適應混凝土澆注能力和減少施工期的溫度應力。新混凝土澆注前，舊混凝土應形式干凈的麻面再鋪一層2～3的水泥沙漿，然后再澆注一層混凝土。廊道系統(tǒng)和排水系統(tǒng)的布置6.3.1廊道系統(tǒng)布置為了滿足灌漿，排水檢查觀測維修和交通的需要，須在壩內設置各種廊道成豎井一項互連通構成廊道系統(tǒng)。1)基礎灌漿廊道：在壩內靠近上游壩鍾部位設置，斷面為城門洞型，尺寸定為200×280，高3，上游段帷幕灌漿下游段排水管廊道應緩于45，以利用鉆孔灌漿操作和設備搬運。2)檢查壩體排水廊道，為了便于檢查和排除壩體排水，在靠近壩體上游面，高15～30設一檢查兼排水用的廊道，斷面形式定為城門洞型，本設計定為140×250,高36.3.2排水設施布置為了減小