紧水滩水电站坝后式厂房方案论证设计计算书

目录
第一章水轮机....................................... - 3 -1.1 特征水头的确定............................................. - 3 -
1.2 水轮机选型................................................. - 5 -
1.3 水轮机蜗壳及尾水管......................................... - 7 - 1.3.1 蜗壳尺寸确定............................................ - 8 - 1.3.2 尾水管尺寸确定.......................................... - 8 -
1.4 调速设备及油压设备选择..................................... - 8 - 1.4.1 调速功计算.............................................. - 8 - 1.4.2 接力器选择.............................................. - 8 - 1.4.3 调速器的选择............................................ - 9 - 1.4.4 油压装置................................................ - 9 -
第二章发电机...................................... - 11 -
2.1 发电机的尺寸估算.......................................... - 11 - 2.1.1 主要尺寸估算........................................... - 11 - 2.1.2 外形尺寸估算........................................... - 11 -
2.2 发电机重量估算............................................ - 13 - 第三章混凝土重力坝................................ - 14 -
3.1 剖面设计.................................................. - 14 - 3.1.1 坝高的确定............................................. - 14 - 3.1.2 坝底宽度的确定......................................... - 16 -
3.2 稳定与强度校核............................................ - 16 - 3.2.1 作用大小............................................... - 16 - 3.2.2 承载能力极限状态强度和稳定验算......................... - 19 - 3.2.3 正常使用极限状态进行强度的计算和验算................... - 25 -
第四章引水建筑物布置.............................. - 27 -
4.1 压力钢管布置 .............................................. - 27 - 4.1.1 确定钢管直径 ........................................... - 27 - 4.2 进水口布置 ................................................ - 27 - 4.2.1 确定有压进水口的高程 ................................... - 27 - 4.2.2 渐变段尺寸确定 ......................................... - 28 - 4.2.3 拦污栅尺寸确定 ......................................... - 28 - 4.2.4 通气孔的面积确定 ....................................... - 28 -
第五章 主厂房尺寸及布置 ............................ - 29 -
5.1 厂房高度的确定 ............................................ - 29 - 5.1.1 水轮机安装高程 ......................................... - 30 - 5.1.2. 尾水管顶部高程及尾水管底部高程 ......................... - 30 - 5.1.3 基岩开挖高程 ........................................... - 30 - 5.1.4 水轮机层地面高程 ....................................... - 30 - 5.1.5 发电机层楼板高程 ....................................... - 30 - 5.1.6 吊车轨顶高程 ........................................... - 30 - 5.1.7 厂房顶高程 ............................................. - 31 - 5.2 主厂房长度的确定 .......................................... - 31 - 5.2.1 机组段长度确定 ......................................... - 31 - 5.2.2 端机组段长度 ........................................... - 32 - 5.2.3 装配场长度 ............................................. - 32 - 5.3 主厂房宽度和桥吊跨度的确定 ................................ - 32 -
第六章 混凝土溢流坝 ................................ - 33 -
6.1 溢流坝段总宽度的确定 ...................................... - 33 - 6.1.1 单宽流量q 的选择 ....................................... - 33 - 6.1.2 确定溢流前缘总净宽L ................................... - 34 - 6.1.3 确定溢流坝段总宽度 ..................................... - 34 - 6.2 堰顶高程的确定 ............................................ - 34 - 6.2.1 堰顶高程的确定 ......................................... - 35 - 6.2.2 闸门高度的确定 ......................................... - 35 - 6.3 堰面曲线的确定 ............................................ - 35 - 6.3.1 最大运行水头max H 和定型设计水头d H 的确定 ............... - 35 - 6.3.2 三圆弧段的确定 ......................................... - 36 -
6.3.3 曲线段的确定........................................... - 36 - 6.3.4 直线段的确定........................................... - 36 - 6.3.5 反弧段的确定........................................... - 37 - 6.3.6 鼻坎挑角和坎顶高程的确定............................... - 37 - 6.3.7 溢流坝倒悬的确定....................................... - 38 -
6.4 溢流坝强度和稳定验算...................................... - 38 - 6.4.1 作用大小............................................... - 38 - 6.4.2 承载能力极限状态强度和稳定验算......................... - 40 - 6.4.3 正常使用极限状态进行强度的计算和验算................... - 43 -
6.5 消能与防冲............................................... - 43 - 6.5.1 挑射距离和冲刷坑深度的估算............................. - 43 -
第七章压力钢管应力分析及结构设计................... - 44 -
7.1 水力计算.................................................. - 45 - 7.1.1 水头损失计算........................................... - 45 - 7.1.2 水锤计算............................................... - 49 -
7.2 压力钢管厚度的拟定........................................ - 53 -
7.3 钢管、钢筋、混凝土联合承受内压的应力分析 .................. - 54 - 7.3.1 混凝土开裂情况判别..................................... - 54 - 7.3.2 应力计算............................................... - 58 -
第一章水轮机
1.1特征水头的确定
1. 在校核洪水位下, 四台机组满发,下泄流量Q=14100m3/s,由厂区水位流量关系
可得,尾水位▽
尾=220.54m,▽
库
=291.8m
H1=0.99×▽库－▽尾=0.99×291.8－220.54=70.54m
2, 在设计洪水位下,四台机组满发,下泄流量Ｑ=11000 m3/s,由厂区水位流量关系
得, 尾水位▽
尾=217.82m,▽
库
=289.94m
H2=0.99×▽库－▽尾=0.99×289.94－217.82=71.40m
3, 在设计蓄水位下,一台机组满发,由下列式子试算出该情况下对应的下泄流量和水头
N=9.81QHη
H=0.99×▽库－▽尾
▽
尾=
f Q
η=η
水×η
电
=0.95×0.9
列表试算,得
当下泄流量为67.5 m3/s时,一台机组满发,对应水头为81.26m.,即H3=81.26m.
4.在设计蓄水位下,四台机组满发,试算该情况下对应的下泄流量和水头,列表试算
当下泄流量为274 m3/s时,四台机组满发,对应水头为80.08m,即H4=80.08m;
5.在设计低水位下,四台机组满发,试算该情况下对应的下泄流量和水头,列表试算
当下泄流量为362m 3/s 时,四台机组满发,对应水头为59.79m,即H 5=59.79m.
6.在设计低水位下,一台机组满发,试算该情况下对应的下泄流量和水头,列表试算
当下泄流量为89.45m 3/s 时,一台机组满发,对应水头为61.32m,即
H6=61.32m.
{}max 1
2345
6max H H H H H H H =
{} =max 70.5471.4081.2680.0859.7961.32
=81.2
{}min 123456min H H H H H H H =
{}=min 70.5471.4081.2680.0859.7961.32 =59.79
max min 0.60.4av H H H =+
0.681.260.459.79=⨯+⨯ =72.74
0.95r av H H =0.9572.74=⨯=69.11
由H1=70.54m,H2=71.40m,H3=81.26m,H4=80.08m,H5=59.79m,H6=61.32m,确定：最大水头Hmax=81.2m ,最小水头Hmin=59.79m,加权平均水头Hav=0.6Hmax+0.4 Hmin 0.6×81.2+0.4×59.79=72.74m,设计水头H r =0.95 Hav=0.95×72.74=69.11m
1.2水轮机选型
根据水头变化范围59.79m —81.26m,在水轮机系列型谱表3—3.表3—4中查出合适的机型为HL220.
HL220型水轮机的主要参数选择
1. 转轮直径D 1计算
查水电站表3—6和图3—12可得HL220型水轮机在限制工况下单位流量Q 11M =1150L/s,效率η=89.0%,由此可初步假定原型水轮机在该工况下单位流量Q 11= Q 11M =1150L/s,效率η=90%;
发电机的额定效率取为ηgr =96%,N r =N gr /ηgr =46000/96%=47916.67kw
D 1
=2.866m
选用与之接近而偏大的标称直径D 1=3.0m.
2. 转速n 计算
查水电站表3—4可得,HL220型水轮机在最优工况下单位转速n 110M =70.0 r/min,初步假定n 110=n 110M =70.0r/min,H av =72.74m,D 1=3.0m.
1
=199.00r/min
选择与上述计算值相近而偏大的同步转速n=214.3r/min;
3. 效率及单位参数修正
查表3—6可得HL220型水轮机在最优工况下的模型最高效率为ηMmax =91%模型转轮直径D 1M =0.46m ηmax =1-1-η
则效率修正值为Δη=93.8%-91%=2.8%;考虑到模型与原型水轮机在制造上的差异;常在已求得的Δη值中再减去一个修正值ε,现取ε=1.0%,可得修正值为Δη=1.8%,原型水轮机在最优工况和限制工况下的效率为 ηmax =ηMmax +Δη=91%+1.8%=92.8%
η=ηM +Δη=89%+1.8%=90.8%≠90% 与假定不符
重新假定效率η=90.8%,采用上述过程,得出D 1=3.0m,n=214.3r/min, ηmax =93.8% Δη=93.8%-91%-ε=93.8%-91%-1%=1.8% ηmax =ηMmax +Δη=91%+1.8%=92.8%
η=ηM +Δη=89%+1.8%=90.8% 与上述假定值相同 单位转速的修正值
110110M n n ∆
按规定单位转速可不加修正,同时,单位流量Q 11也可不加修正,由上可见,原假定的η=90.8%,Q 11= Q 11M , n 110=n 110M 是正确的;那么上述计算及选用的结果
D 1=3.0m,n=214.3r/min 是正确的;
4. 工作范围检查
水轮机在H r ,N r 下工作时,Q 11= Q 11max Q 11max
=1.040<1.15 m 3
/s 则水轮机的最大引用流量
Q max = Q 11max D 1
=1.040×32
=77.84 m 3/s
与特征水头H max 、H min 、H r 对应的单位转速为： 11min n
=71.32
11max n
=83.02
11r n
=
=77.33
在
HL220
水轮机模型综合特性曲线上绘出
Q 11max =
1040L/s,11max n =83.02r/min,11min n =71.32r/min 的直线,如图所示,三根直线所围成的水轮机工作范围基本上包含了该特性曲线的高效率区,故对于HL220型水轮机方案,所选定的参数D 1=3.0m 和n=214.3r/min 是合理的; 5. 吸出高度H s 的计算
由水轮机的设计工况参数11r n =77.33r/min,Q 11max = 1040L/s, 查HL220水轮机模型综合特性曲线可得,相应的气蚀系数σ=0.133,并在水电站图2—26上查得气蚀系数修正值△σ=0.018,由此可求出水轮机吸出高度为
H s =10–▽/900–σ+△σH=10-202/900-0.123+0.018=0.03
所以,水轮机的额定出力满足要求;故选择水轮机型号为HL -220-LJ-300.
1.3 水轮机蜗壳及尾水管
1.3.1 蜗壳尺寸确定
蜗壳采用金属蜗壳,断面为圆形;包角为345°,即0ϕ=345°,蜗壳进口断面的平均流速为V c =8.4m,由H r =69.11m,查图2—8蜗壳进口断面流速曲线得Vc ;查金属蜗壳座环尺寸系列,D 1=3000mm,座环内径
D b =4000mm.座环外径
D a =4700mm,r a=D a /2=4700/2=2350mm,r b =D b /2=4000/2=2000mm,Q max =77.84m 3/s.
ρi
max 360i
c
V ϕπ R i =r a +2ρ
1.3.2 尾水管尺寸确定
采用弯锥型尾水管,H r =69.11m,采用标准混凝土肘管,D 1≤D 2h 5
1.4调速设备及油压设备选择
1.4.1 调速功计算
反击式水轮机
A=200—
=200—250×67.5 =210781.65—263477.07>30000Nm
属大型调速器;调速柜、主接力器、油压装置三者分别选择;
1.4.2 接力器选择
大型调速器常采用两个接力器来操作导水机构,油压装置额定油压 2.5Mp,接
力器直径
d s =λD
×3
b 0/D 1=0.25 选用与之接近而偏大的400mm 的标准接力器;
接力器最大行程 S max =1.4—1.8a 0max ,由n 11r =77.33r/min,Q 11max =1040L/s,在模型综合曲线上查得,
a 0max =a 0Mmax
0000M M D Z D Z =28.8×324
0.4624
⨯⨯=187.83 S max =1.4—1.8a 0max =1.4—1.8×187.83=269.96—338.09
取S max =300
两接力器总容积为
V S =2max 12s d S π=2
π
×0.42×0.3=0.075m 3
1.4.3 调速器的选择
主配压阀直径
1.130.07294m == T s 为导叶从全开到全关的直线关闭时间,取为4s,选用DT80
1.4.4 油压装置
压力油罐的容积 V k =18—20V s =18—20×0.075=1.35—1.5m 3,选用HYZ —1.6
第二章 发电机
2.1 发电机的尺寸估算
额定转速n=214.3r/min >150r/min,选择悬式发电机;查表,对应SF65-28/640,功率因数cos φ=0.90.则发电机额定容量S f 为
S f =N f /cos φ=46000/0.9=51111.11kV A
2.1.1 主要尺寸估算
1. 极矩τ τ
=9K =由极矩τ,计算转子的飞逸速度
K f =n f /n=410/214.3=1.91 V f =K f V=1.91×58.83=112.55m/s 2. 定子内径 D i
D i =2214
58.83p τππ
⨯=⨯=524.33cm
3. 定子铁芯长度l t
l t =
26
51111.11
5.510214.3
f i e
S CD n -=
⨯⨯=157.73cm 查表7—1,C 取5.5×10-6 l t /τ=157.73/58.83=2.68
定子铁芯长度l t 主要受发电机的通风冷却和运输条件的限制;当l t /τ>3时,通风较困难；当l t /τ<1时,电机效率较低；根据运输条件,当l t /τ>2.5m 时,一般采用现场叠装定子;
4． 定子铁芯外径D a
n e >166.7rpm D a =D i +τ=524.33+58.83=583.16cm
2.1.2 外形尺寸估算
2.1.2.1 平面尺寸估算 1.定子基座外径
214e n <300rpm D 1=1.20D a =1.20×583.16=699.79cm
2. 风罩内径
D 2= D 1+2.4=7.0+2.4=9.4m S f =51111.11>20000kV A
3. 转子外径
D 3= D i -2δ= D i =524.33cm δ为单边空气间隙,初步估算时可忽略不计 4. 下机架最大跨度
D 4=D 5+0.6=4.2+0.6=4.8m
5. 水轮机基坑直径
D 5=4.2m
6. 推力轴承外径
D 6=3.4m
7. 励磁机外径
D 7=2.4m
2.1.2.2 轴向尺寸计算 1. 定子机座高度
h 1= l t +2τ=157.73+2×58.83=275.34cm n e ≥214.3r/min
2. 上机架高度
h 2=0.25 D i =0.25×58.83=131.08cm 悬式承载机架
3. 推力轴承高度
h 3=1600mm
励磁机高度
h 4=2100mm=2.1m 包括励磁机架,高度900mm
副励磁机高度
h 5=900mm=0.9m
永磁机高度
h 6=700mm=0.7m
4. 下机架高度
h 7=0.12 D i =0.12×524.33=62.92cm 悬式非承载机架
5. 定子支座支承面至下机架支承面的距离
h 8=0.15 D i =0.15×524.33=78.65cm
6. 下机架支承面至主轴法兰底面之间的距离
h 9=1m 按以生产的发电计资料,一般为700～1500mm,取1000mm=1m
7. 转子磁轭轴向高度
h10= l t+500—600mm=1.58+0.52=2.1m 无风扇时8. 发电机主轴高度
h11= 0.7—0.9H=0.7—0.9×10.45=7.32—9.41 取h11=7.5m
9.定子铁芯水平中心线至主轴法兰盘底面距离h12=0.46h1+h10
2.2 发电机重量估算
水轮发电机的总重量
G f=K1
22
33
51111.11
9
214.3
f
e
S
n
⎛⎫⎛⎫
=⨯
⎪ ⎪
⎝⎭
⎝⎭
=346.13t
发电机转子重量约为
0.5G f=0.5×346.13=173.1t
第三章 混凝土重力坝
3.1 剖面设计
水库总库容13.71亿m 3,工程规模为大1型,一等;主要建筑物为1级,次要建筑物为3级,临时性建筑物为4级;
3.1.1坝高的确定
水库总库容13.71亿m 3,工程规模为大1型,一等;主要建筑物为1级,次要建筑物为3级,临时性建筑物为4级;
坝顶超出静水位高度
Δh=2h 1%+h z + h c
坝顶高程=设计洪水位+Δh 设=289.94+Δh 设 坝顶高程=校核洪水位+Δh 校=291.80+Δh 校
计算风速V 0,正常运用条件正常蓄水位/设计洪水位,取多年平均最大风速的1.5—2.0倍；非常运用条件校核洪水位,取洪水期多年平均最大风速;
1
1312022001
1 3.75
2.150
220
00.00760.331m gh gD V V V gL gD V V V --⎧⎛⎫
⎪= ⎪⎪⎪⎝⎭
⎨⎪⎛⎫⎪= ⎪
⎪⎝⎭⎩ ▽设=289.94
20gD V =2
9.811400
22.5⨯=27.13∈20,250 h=11
2
3
012
200.0076V gD V V g -⎛⎫ ⎪
⎝⎭
=0.0076×112
3
12
2
9.81140022.522.522.59.81-⨯⎛⎫⨯⨯ ⎪⎝⎭
=0.91m h
为累计频率
5%的波高,h m /H m <0.1,查表得,h p /h m =1.95,则
h m =0.91/1.95=0.47m,h 1%/h m =2.42,则h 1%=2.42×h m =2.42×0.47=1.13m
L m =112
3.75
02.15
200.331V gD V V g
-⎛⎫ ⎪⎝⎭
=1
123.75
2.15
29.81140022.50.33122.522.59.81
-⨯⎛⎫⨯⨯⨯ ⎪⎝⎭
=9.68m h z =
2
21%2 1.13289.94
9.689.68
m m h H cth cth
L L ππππ⨯⨯=⨯=0.41m 坝的级别为1级,正常情况,h c =0.7m
Δh=2h 1%+h z + h c =2×1.13+0.41+0.7=3.37m 坝顶高程为 ▽顶=289.94+3.37=293.31m
▽校=291.80m
20gD V =2
9.811410
15⨯=61.48∈20,250 h=11
2
3
012
200.0076V gD V V g -⎛⎫ ⎪
⎝⎭
=1
12
3
12
2
9.811410150.007615159.81
-⨯⎛⎫⨯⨯⨯ ⎪⎝⎭ =0.55m h
为累计频率
5%的波高,h m /H m <0.1,查表得,h p /h m =1.95,则
h m =0.55/1.95=0.28m,h 1%/h m =2.42,则h 1%=2.42×h m =2.42×0.28=0.68m L m =112
3.75
02.15
200.331V gD V V g
-⎛⎫ ⎪⎝⎭
=112
3.75
2.15
29.811410150.33115159.81
-⨯⎛⎫⨯⨯⨯ ⎪
⎝⎭
=6.46m
2
1%2z m
m
h H
h cth
L L ππ=
式中 H ——水深,m ；
1%h ——累计频率1%的波高,m ； h z =
2
21%20.68291.80
6.46 6.46
m m h H cth cth
L L ππππ⨯⨯=⨯=0.22m 坝的级别为1级,校核情况,h c =0.5m
Δh=2h 1%+h z + h c =2×1.13+0.41+0.7=3.37m 坝顶高程为 ▽校=291.80+2.08=293.88m 取两者的较大值为293.88m.
3.1.2坝底宽度的确定
(1) 应力条件: а=0.25 f 由资料查得,混凝土/新鲜花岗斑岩抗剪摩擦系数tan θ
=0.7,f=0.7
B H
==
=0.69
(2) 稳定条件： 荷载设计值：
重力 G=1.0×93.88×93.88×23.5×0.5=103558.09 静水压力 P=1.0×93.88×93.88×10×0.5=103558.09
扬压力 U=1.2×0.5×0.25×93.88×93.88×10×m=13220.18m 查表4—1,基本组合,1级,K=1.1 ()()0.7103558.0913220.1844067.27f
W U K m P
-⨯-=
=∑∑=1.1
下游坝坡m=0.6—0.8,计算得,m=0.77,满足要求;B=0.77×93.88=72.3m,上游折坡的起坡点位置一般在坝高的1/3—2/3,坝高为93.88m,折坡点位置31.29m ～62.59m,取35m,高程为235m.上游坡n=0～0.2,取0.15.坝顶宽度可取坝高的8%～10%,7.51m ～9.388m,取为9m;
3.2 稳定与强度校核
本设计采用概率极限状态设计原则,以分项系数极限状态设计表达式进行结构计算;
混凝土重力坝分别按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行强度和稳定的计算和验算;
3.2.1 作用大小
正常蓄水位坝体所受作用的大小为
W1=0.5×5.3×35×23.5=2179.6
W2=9×93.88×23.5=19855.6
W3=82.2×63.3×23.5=61138.3
P1=0.5×84×84×9.81=34609.7
P2=0.5×3.1×3.1×9.81=47.1
P3=0.5×49+84×5.3×9.81=3457.5
P4=0.5×3.1×2.4×9.81=36.5
U1=3.1×77.6×9.81=2359.5
U2=0.5×65.6×20.2×9.81=6499.7
U3=20.2×12×9.81=2377.9
U4=0.5×6.33×4.8×9.81=3572.8
L1=0.5×6.33×4.8×9.81=149.03
L2=0.5×4.84×4.84×9.81=113.01
正常蓄水位折坡面以上坝体所受作用的大小为W1=9×58.88×23.5=12453.1
W2=0.5×47.2×36.3×23.5=20131.9
P1=0.5×49×49×9.81=11776.9
U1=4.5×9.8×9.81=432.6
U2=0.5×40.8×9.8×9.81=1961.2
U3=0.5×39.2×4.5×9.81=865.2
L1=0.5×6.33×4.8×9.81=149.03
L2=0.5×4.8×4.8×9.81=113.01
设计洪水位坝体所受作用的大小为
W1=0.5×5.3×35×23.5=2179.6
W2=9×93.88×23.5=19855.6
W3=82.2×63.3×23.5=61138.3
P1=0.5×89.94×9.81×89.94=39677.5
P2=0.5×17.82×9.81×17.82=1557.6
P3=0.5×54.94+89.94×9.81×5.3=3766.4
P4=0.5×13.7×17.82×9.81=1197.5
U1=77.6×9.81×17.82=13565.6
U2=176.9×65.6×0.5=5802.3
U3=176.9×12=21228
U4=0.5×54.09×12×9.81=3187.3
L1=0.5×4.84×1.54+4.84×9.81=151.5
L2=0.5×4.84×4.84×9.81=114.9
设计洪水位折坡面以上坝体所受作用的大小W1=9×58.88×23.5=12453.1
W2=0.5×47.2×36.3×23.5=20131.9
P1=0.5×54.94×54.94×9.81=14805.3
U1=4.5×10.99×9.81=485.2
U2=0.5×40.8×10.99×9.81=2199.4
U3=0.5×43.95×4.5×9.81=970.1
L1=0.5×4.84×1.54+4.84×9.81=151.5
L2=0.5×4.84×4.84×9.81=114.9
校核洪水位坝体所受作用的大小为
W1=0.5×5.3×35×23.5=2179.6
W2=9×93.88×23.5=19855.6
W3=82.2×63.3×23.5=61138.3
P1=0.5×91.8×9.81×91.8=41335.6
P2=0.5×20.54×9.81×20.54=2069.4
P3=0.5×56.8+91.8×9.81×5.3=3863.1
P4=0.5×15.82×20.54×9.81=1593.8
U1=77.6×9.81×20.54=15636.2
U2=17.8×65.6×9.81×0.5=5727.5
U3=17.8×12×9.81=2095.4
U4=0.5×53.46×12×9.81=3146.7
L1=0.5×3.23×4.13×9.81=89.9
L2=0.5×3.23×3.23×9.81=889.6
校核洪水位折坡面以上坝体所受作用的大小为：W1=9×58.88×23.5=12453.1
W2=0.5×47.2×36.3×23.5=20131.9
P1=0.5×56.8×56.8×9.81=15824.7
U1=4.5×11.36×9.81=501.5
U2=0.5×40.8×11.36×9.81=2273.4
U3=45.44×4.5×9.81=2005.9
L1=0.5×3.23×4.13×9.81=65.43
L2=0.5×3.23×3.23×9.81=51.17
3.2.2 承载能力极限状态强度和稳定验算
承载能力极限状态设计包括：
1.坝体与坝基接触面抗滑稳定计算；
2.坝址的抗压强度验算；
3.坝体选定截面下游端点的抗压强度验算；
3.2.2.1 坝体与坝基接触面抗滑稳定计算
正常蓄水位
1．作用效应函数
()R S P •==∑34605.8 KN
2. 抗滑稳定抗力函数
()''
3
69367.12 1.2101.277.61.33
95071.2R R R R
R f W c A KN
•=+⨯=⨯+⨯=∑
0()S γψ•=1.1×1.0×34605.8KN=38066.38 ()
d
R γ•=95071.2/1.2=79226 KN
()
0()d
R S γψγ••≤
满足要求; 设计洪水位
1． 作用效应函数
()R S P •==∑37852.3KN
2. 抗滑稳定抗力函数
()''
3
38315 1.2101.277.61.33
66424.31R R R R
R f W c A KN
•=+⨯=⨯+⨯=∑
0()S γψ•=1.1×1.0×37852.3=41607.83KN ()
d
R γ•=66424.31/1.2=55353.6KN
()
0()d
R S γψγ••≤
满足要求;
校核洪水位
1． 作用效应函数
()R S P •==∑39283.3KN
2. 抗滑稳定抗力函数
()''
3
72411.7 1.2101.277.61.33
97881.6R R R R
R f W c A KN
•=+⨯=⨯+⨯=∑
0()S γψ•=1.1×0.85×39283.3=36729.9KN ()
d
R γ•=97881.6/1.2=81568KN
()
0()d
R S γψγ••≤
满足要求;
3.2.2.2坝趾抗压强度承载能力极限状态 正常蓄水位
1. 作用效应函数
R
W
∑=69367.12 KN
R
M
∑=-268837.7KN m ⋅
()()
221m J T M A W S R R
R R R +⎪⎪⎭⎫-
⎝
⎛=•∑∑
()2
69367.12268837.710.7777.6
1003.63-⎛⎫=-⨯+ ⎪
⎝⎭ =1850.6 KN
2. 抗压强度极限状态抗力函数
()/C m R f γ•==
13500
1.5
29000/KN m =
()d
R γ•=9000
1.825000/KN m = 0()S γψ•=1.1×1.0×1850.6 =2035.6kp
()
0()d
R S γψγ••≤
满足要求 设计洪水位
1. 作用效应函数
R
W
∑=38315 KN,
R
M
∑=-478320.04 KN m ⋅
()()
22
1m J T M A W S R R
R R R +⎪⎪⎭⎫-
⎝
⎛=•∑∑
()23831547832010.7777.6
1003.63-⎛⎫=-⨯+ ⎪⎝⎭
=1545.7 kp
2. 抗压强度极限状态抗力函数
()2/13500/1.59000/C m R f KN m γ•===
0()S γψ•=1.1×1.0×1700.2 kp=1870.2 kp ()
29000
5000/1.8
d
R KN m γ•=
= ()
0()d
R S γψγ••≤
满足要求 校核洪水位
1. 作用效应函数
R
W
∑=72411.7KN
R
M
∑=-552294KN m ⋅
()()
221m J T M A W S R R
R R R +⎪⎪⎭⎫-
⎝
⎛=•∑∑
()272411.755229410.7777.6
1003.63⎛⎫=+⨯+ ⎪⎝⎭
=2363.0kp
2. 抗压强度极限状态抗力函数
()/C m R f γ•==29000/KN m =
0()S γψ•=1.1×0.85×2363.0=2209.4kp
()
d
R γ•25000/KN m =
()
0()d
R S γψγ••≤
满足要求
3.2.2.3 坝体选定截面下游端点的抗压强度验算 正常蓄水位
1. 作用效应函数
c
W ∑=28674.2KN c
M
∑=19542.7KN m ⋅
()()21c C c
c
c
W M T S m A J ⎛⎫•=-+ ⎪ ⎪⎝⎭
∑∑
()228674.219542.710.7745.3
342⎛⎫=-⨯+ ⎪
⎝⎭ =917.3kp
2. 抗压强度极限状态抗力函数
()2/13500/1.59000/C m R f KN m γ•===
0()S γψ•=1.1×1.0×917.3=1009.03kp
()
29000
5000/1.8d
R KN m γ•=
= ()
0()d
R S γψγ••≤
满足要求 设计洪水位
1. 作用效应函数
c
W ∑=28199.4 KN, c
M
∑=-64779.4KN m ⋅
()()21c C c
c
c
W M T S m A J ⎛⎫•=-+ ⎪ ⎪⎝⎭
∑∑
()228199.464779.410.7745.3
342-⎛⎫=-⨯+ ⎪⎝⎭
=1290.7 kp
2. 抗压强度极限状态抗力函数
()2/13500/1.59000/C m R f KN m γ•===
0()S γψ•=1.1×1.0×1290.7=1419.7 kp
()
29000
5000/1.8
d
R KN m γ•=
= ()
0()d
R S γψγ••≤
满足要求 校核洪水位
1. 作用效应函数
c
W ∑=26848KN c
M
∑=-118944.1KN m ⋅
()()21c C c
c
c
W M T S m A J ⎛⎫•=-+ ⎪ ⎪⎝⎭
∑∑ ()226848118944.110.7745.3
342⎛⎫=-⨯+ ⎪⎝⎭
=1498.1kp
2.抗压强度极限状态抗力函数
()/C m R f γ•==29000/KN m =
0()S γψ•=1.1×0.85×1498.1=1400.68kp
()
d
R γ•25000/KN m =
()
0()d
R S γψγ••≤
满足要求
3.2.3 正常使用极限状态进行强度的计算和验算
正常使用极限状态设计包括： 1. 坝踵拉应力验算；
2. 坝体选定截面上游端点的拉应力验算
3. 施工期坝体下游面拉应力验算 3.2.3.1 坝踵拉应力验算 正常蓄水位
R
W
∑=71857.2KN
R
M
∑=-221365.6KN m ⋅
71857.2221365.6
77.61003.63
R
R R
R
R
W M
T
A J -+=
+
∑∑=705.4>0 满足要求;
设计洪水位
R
W
∑=44357.8KN,
R
M
∑=-435864.8KN m ⋅
44357.8435864.8
77.61003.63
R
R R
R
R
W M
T
A J -+=
+
∑∑=137.33>0 满足要求;
3.2.3.2 坝体选定截面上游端点的拉应力验算 正常蓄水位
c
W ∑=29326KN c
M
∑=27097.6KN m ⋅
2932627097.6
45.3342
c
C c
c c
W M
T
A J +=
+
∑∑=626.6>0 满足要求; 设计洪水位
c
W ∑=28930.3 KN, c
M
∑=-56300.5KN m ⋅
28930.356300.5
45.3342
c
C c
c c
W M
T
A J -+=
+
∑∑=474>0 满足要求;
3.2.3.3 施工期坝体下游面拉应力验算 坝址处
83173.5c
W KN =∑ 860549.8c
M KN m =∑
()214.4100c
C c
c c
W M T kPa A J -+=-≤∑∑
满足要求 选定截面下游端点
32585c
W
KN =∑
257228.2c
M
KN m =∑
()32.8100c
C c
c c
W M T
kPa A J -+
=≤∑∑
满足要求
第四章 引水建筑物布置
引水建筑物设立在溢流坝段,采用坝式进水口,压力钢管引水,压力钢管采用坝内埋管形式;具体可见坝内埋管专题部分
4.1压力钢管布置
本电站采用压力钢管引水,钢管直接埋入坝体混凝土中,二者结为总体,共同承担水压力;
4.1.1确定钢管直径
钢管的经济直径为
4.47D m ===
坝内埋管的经济流速为5～7 /m s ,蜗壳进水口的直径为3.4m,综合考虑经济流速和蜗壳进水口直径,确定坝内埋管的直径为3.8m,对应管内流速V 的大小为 max 22
4477.84 6.86/3.8Q V m D ππ⨯===⨯
满足经济流速要求;
管道由上水平段、弯管段、倾斜段、弯管段和下水平段组成,弯管段曲率半径一般为直径的2～3倍,即7.6m ～11.4m,取为9m;倾斜段斜率为0.77. 与坝体下游倾斜面斜率一致;
4.2进水口布置
进水口采用坝式进水口;进水口长度较短,进口段与闸门段合而为一;
4.2.1确定有压进水口的高程
闸门孔口为矩形,其宽度一般等于或稍小于压力管道直径D,本设计取其宽度等于压力管道直径D,3.8m;高度稍大于压力管道直径,取为4.4m 闸门断面流速：
max 77.84
4.66/4.4 3.8
Q V m s A =
==⨯ 闸门门顶低于最低水位的临界淹没深度：
0.6 4.66 5.86cr S m ==⨯=
进水口高程为
H=最低水位-cr S =264-5.86=258.14m
取闸门门顶高程256.2m;压力钢管起始水平段中心线的高程为254m;
进口段为平底,上唇收缩曲线为四分之一椭圆,方程为
22221x y a b +=,1 1.5a D = 3.8～5.7, 11
32
b D D = 1.3～1.9,确定椭圆曲线方程为22
22
14.1 1.6x y += 4.2.2 渐变段尺寸确定
渐变段水平是由矩形闸门段到圆形钢管的过渡段,采用圆角过渡;渐变段的长度一般为引水道宽的1.0～2.0倍,即3.8m ～7.6m,取为5m;
4.2.3 拦污栅尺寸确定
拦污栅的总面积常按电站的引用流量及拟定的过栅流速反算得出,过栅流速以不超过1.0m/s 为宜
277.8477.841
Q A m V =
== 本设计取拦污栅高度为7.2m,半径3.5米,A=79.17 2m ;
拦污栅通常由钢筋混凝土框架结构支承;拦污栅框架由柱及横梁组成,横梁间距一般不大于4米,本设计取2.4米
拦污栅由若干栅片组成,每块栅片的宽度一般不超过2.5米,取1.8m,高度不超过4米,取1.8米;
栅条的厚度由强度计算决定,通常厚8至12mm,对混流式水轮机, 栅条厚度
1/30b D ≈,本设计取10mm;
4.2.4通气孔的面积确定
通气孔的面积常按最大进气流量除以允许进气流速得出;最大进气流量出现在闸门紧急关闭时,可近似认为等于进水口的最大引用流量;允许进气流速与引水道形式有关,对坝内埋管可取70～80m/s;
max Q V A
通气孔的直径取为1.2m,面积为2
1.13m ,对应的进气流速为68.8 m/s.通气孔顶端高出上游最高水位,防止水流溢出;
第五章 主厂房尺寸及布置
5.1 厂房高度的确定
根据厂房各部位之间的关系,可以从下到上一层一层确定,在确定过程中,坚
持符合规范和条件以及节省的原则;
5.1.1 水轮机安装高程
Z s=▽w+H s+b0/2=202+0.03+0.75/2=202.41m
5.1.2. 尾水管顶部高程及尾水管底部高程
尾水管顶部高程为
Z s- b0/2=202.41-0.75/2=202.04m
尾水管顶部高程=尾水管顶部高程-尾水管高度
=202.04-7.8
=194.24m
5.1.3 基岩开挖高程
基岩开挖高程=尾水管底部高程-底板厚
=194.24-2
=192.24m
5.1.4 水轮机层地面高程
水轮机层地面高程=水轮机安装高程+蜗壳进口断面半径+蜗壳上部混凝土厚=202.41+1.68+1
=205.09m
5.1.5 发电机层楼板高程
发电机层楼板高程=水轮机层地面高程+水轮机井进人孔高度2m+进人孔顶部深梁
1m+定子高度+上机架高度
=205.09+2+1+2.75+1.31
=212.15m
5.1.6 吊车轨顶高程
吊车轨顶高程=发电机层楼板高程+吊运物与固定物间垂直安全距离+起吊设备高度
=202.15+1+7.5+0.146
=220.80m
5.1.7 厂房顶高程
厂房顶高程=轨顶高程+轨道面至起重机顶距离+房顶净高+混凝土厚度
=220.80+3.7+0.3+3 =227.8m
5.2 主厂房长度的确定
5.2.1 机组段长度确定
机组段长度1L
1max max x x L L L +-=+
式中max x L +、max x L -——机组段沿厂房纵轴线方向,在机组中心线两侧的最大尺寸; 蜗壳层
()()max max 345165x i x i L R L R ϕδϕδ
+-⎧==+⎪⎨==+⎪⎩ 式中 ()
345i R ϕ=、()165
i R ϕ=——蜗壳沿厂房纵轴线方向,在机组中心线两
侧的最大尺寸
δ——蜗壳四周的混凝土厚度,取为1m;
1max max 4.68 5.711112.39x x L L L m +-=+=+++=
尾水管层
max max 22
x x
B L B L δδ+-⎧
=+⎪⎪⎨
⎪=+⎪⎩
式中 B ——尾水管宽度度,8.16B m =；
δ——尾水管混凝土边墩厚,1m δ=;
1max max 8.161110.16x x L L L m +-=+=++=
发电机层
max max 2222
x x b L b L φδφδ+-⎧
=++⎪⎪⎨⎪=++⎪⎩
式中
φ——发电机风罩内径,φ=9.4m
δ——发电机风罩壁厚,δ=0.5m
b ——两台机组之间风罩外壁净距,一般取
1.5～
2.0m,若两机组间设楼梯取
为3～4m,本设计取为3.6m;
1max max 9.4 3.620.514x x L L L m +-=+=++⨯=
经比较,确定机组段长度为14m;
5.2.2 端机组段长度
端机组段的附加长度：ΔL=0.2~1.0D 1 式中 1D ——转论直径,m;1D =3.0m
考虑到下部块体在端部设置了检修集水井和渗漏集水井,根据需要,附加长度取为1.5m
5.2.3 装配场长度
装配场长度L=1.0~1.5.L 1=14~21m ,考虑发电机转子,发电机上机架,水轮机转轮,水轮机顶盖的尺寸,确定装配场的宽度为17m
5.3主厂房宽度和桥吊跨度的确定
主厂房宽度B
B= B1+ B2
式中 B1——机组中心线至上游侧的宽度,m ； B2——机组中心线至下游侧的宽度,m; 由下部块体决定的厂房最小宽度
上游侧宽度B1：
B1=机组中心线至上游涡壳外缘尺寸+涡壳外包混凝土+外墙厚
=5.24+1+2=7.24m
下游侧宽度B2：
B2=机组中心线至下游涡壳外缘尺寸+涡壳外包混凝土+外墙厚
=3.92+1+2=6.92m
则下部块体宽度方向的最小尺寸为：
B= B1+ B2=7.24+6.92=14.16m
由发电层决定的厂房宽度
B=风罩直径+2×通道宽度+外墙厚
=9.4+2×2+3=16.4m ;
选择桥吊跨度为16m,根据前面算出的发电机转子重量173.1t,选择2×100t,跨度为16m的双小车桥式起重机;
本设计中,发电机转子在上游侧起吊,考虑到发电机转子与周围建筑物及设备之间的最小间隙,水平方向为0.4m,垂直方向0.6～1.0m,若采用刚性吊具,垂直间隙可减为0.25～0.5m,通过画图,为保证发电机转子在水平方向的安全距离,发电机主轴在垂直方向与发电机层楼板距离取为1.0m;机组中心线距上游距离为7.5m,据下游距离为8.5m;
主厂房总宽度为
7.5+8.5+1.5+1.5=19m;
装配厂宽度：采用与主厂房宽度相同19m ;
第六章混凝土溢流坝
6.1溢流坝段总宽度的确定
6.1.1单宽流量q的选择
当河谷狭窄、岩石坚硬、且下游水深较大时,应选择较大的单宽流量,本工程
所处河谷狭窄、坝址两岸地形对称,岩性均一,较新鲜完整,风化浅,构造不甚发育,水文地质条件较简单,故属工程地质条件较好的坝址;单宽流量取为150
()
3/m s m ⋅;
6.1.2确定溢流前缘总净宽L
6.1.2.1 初拟溢流前缘总净宽L
初步确定溢流前缘总净宽L
Q L q =
=14100150
=94m 6.1.2.2溢流孔口和闸墩的尺寸确定和布置
我国目前大中型混凝土重力坝,溢流孔净宽一般常用8～12m;本设计采用溢流式厂房,其四个压力水管的进水口布置在溢流坝闸墩之下,这种布置方式进水口闸门及拦污栅的提降与溢流坝顶闸门的操作互不干扰,布置和运行都比较方便,采用这种布置方式时,闸墩的厚度必须考虑布置进水口闸门井和拦污栅的需要,厚度需要增大,四个闸墩的尺寸相应的加宽定为6m,根据之前确定的一个机组段长度为14m,确定这四个闸墩间的溢流孔净宽为8m,根据初步确定的溢流前缘的宽度94m,再设置六个净宽为12m 的溢流孔;其余的四个闸墩宽度取为3m,边墩宽度取为2m; 6.1.2.3确定的溢流前缘总净宽
最后确定的溢流前缘总净宽为
83126⨯+⨯=96m
对应的单宽流量
Q q L =14100
96
=
=146.88<150()3/m s m ⋅ 6.1.3确定溢流坝段总宽度
溢流段总宽度0L
0831********L =⨯+⨯+⨯+⨯+⨯=136m
6.2堰顶高程的确定
6.2.1 堰顶高程的确定
堰顶水头0H
3/20q ξ=
32
017.58H m ⎛⎫=== 行近流速
0110000.44/28089.94
Q V m s A =
==⨯ 堰上总水头
22
000.4417.5817.57229.81
V H H m g =-=-=⨯=17.57m
堰顶高程
设计洪水位-H=289.94-17.57=272.37m
6.2.2闸门高度的确定
闸门高度=正常蓄水位-堰顶高程+安全超高 =284-272.37+0.3～0.5=12m
选择平面闸门,工作闸门一般布置在溢流堰顶点,以减少闸门高度;为了避免闸门局部开启时水舌脱离坝面而产生真空,将闸门布置在堰顶偏下游一些,以压低水舌使其贴坝面下泄;检修闸门位于工作闸门之前,为便于检修,两者之间留有1～3m 的净宽,本设计取净宽1.5m;
6.3堰面曲线的确定
溢流堰采用WES 型剖面,上游堰面铅直,其堰顶上游部分由三段圆弧连接,下部与一倾斜直线相连接,再由圆弧与下游河床相连接;堰面曲线的确定与最大运行水头max H 和定型设计水头d H 有关;
6.3.1最大运行水头max H 和定型设计水头d H 的确定
最大运行水头max H
max H =-校核洪水位堰顶高程=291.8-272.37=19.43m
定型设计水头d H ,为使实际运行时m 较大而负压绝对值较小,对于WES 剖面设计,常取d H =0.75～0.95max H ,即,14.57m ～18.46m,取d H =18m
6.3.2三圆弧段的确定
123
0.1750.17518 3.20.2760.27618 5.00.2820.28218 5.1d d d b H m b H m b H m
==⨯=⎧⎪
==⨯=⎨⎪==⨯=⎩ 123
0.50.51890.20.218 3.60.040.04180.72d d d R H m
R H m
R H m
==⨯=⎧⎪
==⨯=⎨⎪==⨯=⎩ 6.3.3 曲线段的确定
y KH X n d n 1-=
式中 d H ——定型设计水头
K 、n ——与上游坝面坡度有关的系数和指数查设计手册知k=2, n=1.85
即： 1.850.85218X y =⨯
6.3.4直线段的确定：
直线段采用与非溢流坝段剖面一样的坡度,直线段方程为： 0.77
X y C =+
联立方程
1.850.852180.77X y X
y C ⎧=⨯⎪
⎨=+⎪
⎩
'
0.85
0.85' 1.85218
10.77y X y ⎧=⎪⎪⨯⎨
⎪=
⎪⎩
曲线段与直线段的切点的坐标为:26.83m, 18.83m
X=5 1.85 1.85
0.850.85
50.84218218
X y ===⨯⨯
X=10 1.85 1.85
0.850.8510 3.03218218X y =
==⨯⨯ X=15 1.85 1.85
0.850.85
15 6.42218218X y ===⨯⨯ X=20 1.85 1.85
0.850.852010.94218218X y =
==⨯⨯ X=25 1.85 1.85
0.850.85
2516.53218218X y =
==⨯⨯ 5,0.84 10,3.03 15,6.42 20,10.94 25,16.53
6.3.5反弧段的确定
选择挑流消能, 总有效水头为
2
002002g
V T α=-+
校核洪水位
()
2
2
114100291.8020091.8228291.829.81
⨯=-+
=⨯⨯⨯
2
2
0002222
00
146.8891.82229.810.95c c c c q T h h g h h ϕ=+=+=⨯⨯ 0 3.6c h = 2
022146.883.692.9129.810.95 3.6T =+=⨯⨯⨯
0 3.65c h = 2
022146.883.690.5329.810.95 3.65T =+=⨯⨯⨯
0 3.62c h = 2
022
146.883.6291.8529.810.95 3.62
T =+=⨯⨯⨯ 经试算,临界水深校核洪水位闸门全开时反弧处水深
0 3.62c h =
反孤段半径,()04~1014.48~36.2c R h m ==,取30R m =
6.3.6鼻坎挑角和坎顶高程的确定
鼻坎挑角︒︒=35~20θ,取︒=30θ
坎顶高程距下游水位一般为1～2m,校核洪水位对应下游水位为220.54m,坎顶高程定为22m;
6.3.7 溢流坝倒悬的确定
曲线段与直线段的切点的坐标为:26.83m, 18.83m,溢流坝直线段与非溢流坝下游坝面齐平
切点的高程为
272.37-18.83=253.54m
对应相同高程非溢流坝的宽度为
非溢流坝坝顶高程-切点的高程×0.77 =293.88-253.54×0.77 =31.06m
30.2820.28218 5.08d b H m
==⨯=
溢流坝超出非溢流坝的宽度为
5.08+2
6.83-31.06=0.85m
0.6d H ≥倒悬长度应
0.60.61810.8d H m
=⨯=
倒悬长度取为11m;
6.4溢流坝强度和稳定验算
混凝土溢流坝同非溢流坝一样,分别按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行强度和稳定的计算和验算;
6.4.1作用大小
正常蓄水位溢流坝坝体所受的作用作用的大小为
W1=23.5×3818.38=89731.9
P1=0.5×11.63+84×72.37×9.81=33946.2
P2=0.5×3.1×3.1×9.81=47.1
P3=375.94×9.81=3766.4
U1=3.1×94.5×9.81=2965.1.
U2=9.81×20.2×12=8471.4
U3=9.81×20.2×12=2377.9
U4=0.5×60.7×12×9.81=3572.8
校核洪水位溢流坝坝体所受的作用
作用的大小为
W1=23.5×3818.38=89731.9
P1=0.5×19.43+91.8×72.37×9.81=40029.4
P2=0.5×20.54×20.54×9.81=2069.4
P3=9.81×440.85=4324.74
U1=20.54×94.5×9.81=19646
U2=0.5×9.81×85.5×17.8=7464.9
U3=9.81×17.8×12=2095.4
U4=0.5×53.46×12×9.81=3146.7
D1=146.88×40.57×cos30°-cos52°=1491.9
D2=146.88×40.57×sin30°+sin52°=7675.16 6.4.2承载能力极限状态强度和稳定验算
承载能力极限状态强度和稳定验算包括
1.坝体与坝基接触面抗滑稳定计算；
2.坝址的抗压强度验算；
6.4.2.1坝体与坝基接触面抗滑稳定计算
正常蓄水位下,。