地下建筑规划与设计(课程设计)-地下水电站

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课程设计
课程名称：地下建筑规划与设计设计题目：地下水电站规划设计专业层次：城市地下空间工程班级：·······
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20··年··月
目录
一、城市规模分析 (1)
1、位置 (1)
2、地势 (1)
3、土壤 (1)
4、水文 (1)
5、气候 (1)
6、水资源 (2)
7、矿产资源 (2)
8、交通 (2)
9、人口 (2)
二、城市分析 (3)
1、范围与规模 (3)
2、交通分析 (4)
三、地下水电站功能 (5)
1、首部式 (5)
2、中部式 (6)
3、尾部式 (8)
四、地下水电站规划设计 (8)
1、地下水电站选址理由 (8)
2、地下水电站选址及规划图 (10)
3、地下水电站入出口设计图 (12)
4、地下水电站工作流程设计图 (13)
五、小结 (14)
六、参考文献 (15)
一、城市规模分析
1、位置
淮安市地处江苏省北部中心地域。

位于北纬32°43ˊ00"～34°06ˊ00",东经118°12ˊ00"～119°36ˊ30"之间。

北接连云港市，东毗盐城市，南连扬州市和安徽省滁州市，西邻宿迁市。

东西最大直线距离132 公里，南北最大直线距离150 公里，面积10072平方公里。

2、地势
淮安市地处黄淮平原和江淮平原，无崇山峻岭，地势平坦，地形地貌以平原为主，只有市境西南部的盱眙县有丘陵岗地，地势较高。

盱眙县仇集镇境内无名山最高231米，为全市最高点；淮安区博里地面最高仅2.3米—3.3米，为全市最低点。

3、土壤
淮安市属黄淮和江淮冲积平原。

土壤主要为水稻土类、潮土类、砂礓黑土类、黄棕壤土类、基性岩土类、石灰岩土类。

有机质含量低，一般不足0.2%，PH值在7～8之间。

4、水文
淮安市境内河湖交错，水网纵横，京杭大运河、淮沭新河、苏北灌溉总渠、淮河入江水道、淮河入海水道、废黄河、六塘河、盐河、淮河干流等9条河流在境内纵贯横穿，全国五大淡水湖之一的洪泽湖大部分位于市境内，还有白马湖、高邮湖、宝应湖等中小型湖泊镶嵌其间。

平原面积占总面积的69.39% ，湖泊面积占11.39% ，丘陵岗地面积占18.32%，是典型的“平原水乡”。

5、气候
横贯淮安市境内的淮河苏北灌溉总渠一线是中国暖温带和亚热带的分界线，因此淮安市兼有南北气候特征，一般说来，苏北灌溉总渠以南地区属北亚热带湿润季风气候，以北地区为北温带半湿润季风气候。

受季风气候影响，四季分明，雨量集中，雨热同季，冬冷夏热，春温多变，秋高气爽，光能充足，热量富裕。

全市年太阳辐射总量在110千卡/平方厘米—119千卡/平方厘米之间，全市分布为北多南少；全市年日照时数在2136小时—2411小时之间，日照时数分布也是北多南少。

淮安市年平均气温为14.1℃ —14.8℃，基本呈南高北低状，受洪泽湖水体影响，在洪泽湖区形成一暖中心。

气温年分布以7月最高，1月最低。

全市年无霜期一般在210天至225天左右，北短南长，受洪泽湖区水体影响，洪泽区无霜期最长达236天。

淮安市各地年降水量多年平均在906毫米—1007毫米之间。

降水分布特征是南部多于北部，东部多于西部。

降水年内变化明显，夏半年降水集中。

春夏之交梅子成熟季节多锋面雨，称为“梅雨”或“霉雨”。

降水年际分布不均，年降水量最多的年份达1700毫米以上，最少的年份只有500毫米。

淮安市年平均风速在2.9米/秒～3.6米/秒，以偏东风和西南风为主。

6、水资源
淮安市多年平均地表径流量为21，全市过境水资源量较多。

过境水主要是利用洪泽湖放水和抽引江水。

洪泽湖是淮安市的生命之湖，湖泊水量补给丰沛，且又是一个过水型湖泊，多年平均出湖水量达330亿立方米。

全市每年抽引江水而利用的水资源数量约为10亿立方米～20亿立方米，随着南水北调工程的投人使用，这部分过境水量将大幅增加。

淮安市地下水资源贮量丰富。

全市可供开发利用的含水层广泛分布于第四系松散层。

平水年全市降水补给潜水的水量为15.08亿立方米，一般干旱年为12.83亿立方米，特殊干旱年为8.16亿立方米，潜水调节资源量为8.53亿立方米。

全市深层地下水可采资源量为5.42亿立方米。

7、矿产资源
淮安市矿产资源较为丰富，分布相对集中。

能源矿产资源有金湖县、洪泽区的石油和天然气，洪泽区老子山的地热。

非金属矿产资源丰富，品种多，有盱眙县的凹凸棒石粘土、玄武岩、白云岩；淮安区、清江浦区、淮阴区的岩盐；洪泽区、淮阴区的芒硝等。

其中，盱眙县凹凸棒石粘土探明储量2.72亿吨，远景储量达5亿吨，占全国总储量的65%~70%，占全球总储量的近50%；岩盐资源探明储量1350亿吨（不包括洪泽湖底），居世界首位，且品位高、埋藏浅、品质优，
盐层厚度达100米~200米，卤水浓度在300克/立升~320克/立升之间，适宜大规模开发利用；淮安拥有华东最大的无水芒硝矿，已探明芒硝储量达20亿吨。

8、交通
淮安境内公路、铁路、水路四通八达，京沪、
宁宿徐、淮盐、淮宿、宁淮等五条高速公路在境内
交汇，新长铁路、宿淮铁路纵贯全境。

连淮扬镇铁
路、徐宿淮盐铁路两条高铁线于2019年同时建成投
入运营。

规划宁淮城际铁路、临淮铁路等，构建京
沪高铁二线。

淮安涟水国际机场为一类开放航空口岸，通达国内主要城市，并开通台北直航，近期计划开通韩国、泰国航线。

淮安市已初步形成了一个以高等级公路为主骨架，公路、铁路、航空并举的立体化大交通网络，凸显了淮安在江苏乃至长三角地区的交通枢纽地位。

9、人口
截止2018年末户籍人口561.33万人，比上年增加0.43万人；其中男性287.89万人，女性273.45万人。

年末常住人口492.50万人，比上年增加1.1万人，其中城镇常住人口307.52万人。

常住人口城镇化率62.4%。

人口出生率10.20‰，死亡率7.50‰，人口自然增长率2.70‰。

[1]
二、城市分析
淮安市是苏北重要中心城市，长三角北部综合交通枢纽和先进制造业基地，国家历史文化名城和滨湖生态旅游城市。

紧紧围绕建设“繁荣、安康、宜居、文明新淮安”时代要求，把握淮安发展的新常态，摆脱传统路径依赖，积极探索中心强化、交通引导、福祉提升、特色引领、绿色发展的路径，将淮安建设成为区域中心城市、综合交通枢纽、开放包容城市、特色魅力城市和生态韧性城市。

1、范围与规模
市域：为淮安市行政辖区范围，包含淮安市区和涟水、盱眙、金湖三县，总
面积为10030平方公里。

城市规划区：包括淮安市区及空港产业园，总面积为4491.5平方公里。

中心城区：包括清江浦、淮阴、淮安、洪泽集中建设区以及盐化新材料产业园、淮安工业园、空港产业园，总面积为573.4平方公里。

市域城镇等级规模体系：重点保障中心城市、县城、重点中心镇等关键城镇化载体的发展规模，合理控制一般城镇发展规模，形成层次清晰、重点突出、协同发展的市域城乡体系，构建“1-3-10-47”的市域城镇等级规模结构，即1个市域中心城市、3个市域副中心城市、10个重点中心镇、47个一般镇。

2、交通
①高速公路：形成“四横两纵一联”的高速公路网布局。

②区域铁路：建设连淮扬镇铁路、徐宿淮盐铁路2条线路，结合新线建设和实施既有铁路扩能，加强干线铁路与资源富集区、货物主要集散地、主要港口之间的联系，扩大货运能力有效供给，满足现代高效物流需求。

③内河航道：以提升航道通达能力和区域辐射带动力、实现骨架航道通江达海为目标，淮安市境内水运河道纵横交错，京杭大运河贯穿市境南北，同时辅以盐河航道、淮河入海水道、入江水道等航道，使淮安的水运网络通江达海，实现了淮安由传统的“运河经济”向“海河经济”的转变。

④航空：淮安市已建成淮安涟水国际机场，为国家一类开放航空口岸，可通达北京、南京、上海、深圳、广州、厦门、三亚、台北、天津、大连、西安、张家界等城市，进一步巩固了淮安的交通枢纽地位。

以服务三湖生态经济区建设为重点，通过提供短途客货运、农林作业、低空旅游、航空运动、飞行培训等通用航空服务，为淮安市生态旅游资源开发、特色休闲产业发展提供重要的支撑和保障。

⑤有轨电车：淮安有轨电车一期工程总投资37亿元，线路西起市体育馆，沿交通路至大运河广场北侧，经和平路至水渡口广场，向南沿翔宇大道、楚州大道至淮安区，全长20.3公里。

全线串联起该市商业中心、商务中心、行政中心和文化中心，共设车站23个。

[2]
三、地下水电站功能
地下水电站，顾名思义，厂房设置在地下的水电站。

它一般是由立体交叉的硐室群组成。

地下水电站具有许多优点：①输水道的总长度比地面短②可利用围岩的承载能力，节约材料，降低工程投资③不利的地形、气象影响条件较小④开发河段的选择和建筑物枢纽的布置相对比较灵活⑤防空条件好⑥维修费用一般比地面建筑少，使用年限较长⑦不致于大量破坏植被，有利于环境保护，对交通、航运等干扰较少⑧施工干扰少。

但是相对于地面水电站，其对工人技术要求高、投资较高、工作环境差。

[3]半个世纪以来，我国地下水电站建设的工程规模和技术水平都有很大的跨越。

低碳经济发展更有力地推动水电开发，水电建设面临着新的挑战和机遇。

地下水电站按其与引水隧道的相对位置不同可分为三种布置方式有首部式、中部式和尾部式。

1、首部式
首部式地下水电站是将主厂房布置在输水道首部段的地下洞室内（如图a），它具有较短的倾斜或垂直的压力引水管道和较长的尾水隧洞。

它适用于地面连续向下倾斜和中等起伏的地面，在这种地形条件下，不可能布置近乎水平的低压引水隧道，由于地形逐渐下降如平行于地表布置隧洞，则隧洞亦需随地形下降而降低，这样增加隧洞的内水压力，以致不得不采用压力钢管来代替普通钢筋混凝土隧洞。

在这种地形条件下，如果输水道的首段地质条件合适，则将地下厂房布置在首部，采用压力斜井或压力竖井直接从进水口引水至厂房，则压力管道较短，既可以省去引水道上的调压井，当引水道采用单洞时又可以省去布置在主厂房内或主厂房前单独洞室内的蝴蝶阀。

交通运输、通风、出线一般都是用竖井或斜井来解决。

在地形、地质条件允许的情况下，往往由于枢纽布置的需要，如受坝泄洪影响，亦有将尾水隧洞出口布置于近坝址附近的河岸，
而将厂房布置于首部。

优点：①压力引水道较短，尾水隧洞较长，一般造价较低，当然需结合工程具体情况进行综合比较。

②由于压力引水道较短，水头损失较小，机组运行比较灵活，特别适用于担负电力系统调峰任务的电站。

缺点：①由于尾水隧道一般较长，如果地下厂房的施工、安装主要靠竖井、斜井或长的水平运输洞时，施工效率较低，当水头较高时，随着地下厂房埋置深度的增加，施工效率更低。

由于主厂房靠近库区，出线位置的高程必须在库水位以上，或延至坝下游一定的位置，这样低压母线长度加长，线路电能损失加大，若布置地下主变室，增加高压电缆长度，则投资增大，因此，首部式地下电站的水头一般在100m左右。

②由于地下厂房靠近水库，应着重研究水库是否会向厂房大量渗水，导致作用在衬砌上的外水压力和围岩压力增加。

因此，对地下厂房的地质条件比尾部式和中部式要求高一些，其次应查清围岩的抗渗能力，并采取相应的排水、防水措施。

③由于尾水隧洞较长，往往需设置尾水调压井（室）。

2、中部式
中部式地下水电站是地下主厂房位于输水道的中部段，它的引水道长度和尾水洞长度大致相等或相差不大（如图b）。

当输水道首部的工程地质条件不佳，或者竖井太深，水平运输洞又太长，而中部有合适的地形地质条件布置时，则采用中部式布置较有利。

在厂房位置选择上，应尽可能布置使引水隧洞设调压井或者尾水隧洞设调压井或调压室，而尽量避免在引水隧洞及尾水隧洞同时都设调压井的方式，这样是不经济的。

与尾部式相比，其引水隧洞较短而尾水隧洞较长，电站的总投资一般也较少。

输水道中部一般围岩覆盖厚度较厚，岩石一般也较坚硬，在中部布置主厂房由于压力引水道不长，一般每台机组都有单独的引水管道直接从水库取水，因此
没有上游调压井。

当尾水洞较长或者尾水洞出口的河床水位变幅较大时宜设尾水调压室。

当尾水洞不长、尾水位变幅不大时，也可以不设尾水调压室。

近年来，很多靠坝来集中水头的电站，这种布置方式有点称为峡谷旁式电站；有的称为具有集中落差的水库式电站，多采用将厂房大体上布置在输水道中段的布置方式，并且一般将地下厂房布置在坝体灌浆帷幕的下游，这样对厂房的排水防潮较有利。

当地形地质条件允许时，地下厂房力求靠近水库，以便尽量缩短压力引水道的长度，这样可以省去上游调压井，减少水头损失，改善机组调节性能。

并且可以省去复杂的压力岔管，省去设置在主厂房内或主厂房前单独洞室里的蝴蝶阀。

对于靠坝来集中水头的电站，无论首部式还是中部式，其引水道一般都不长，并且每台机设置单独的引水道。

引水道由上水平段、下水平段（或缓倾斜段）、中间的斜段（或竖井）三部分组成，为了便于溜渣，斜坡与水平线的夹角不宜小于四十二度。

当引水道承受的水头大于50m时，过去一般多采用钢板衬砌。

现今由加拿大的经验表明，在岩石透水性较弱、山体覆盖较厚（垂直厚度大于0.4~0.6倍水头，水平厚度大于1.0~1.5倍水头）的条件下，引水道大部分可采用钢筋混凝土衬砌。

围岩破碎地段进行灌浆处理加固，以减少地下水渗漏。

在高压水作用下混凝土将开裂，放置钢筋的作用是使裂缝分布均匀，防止产生集中的大裂缝。

为避免高压水渗入地下厂房，并防止冲蚀岩体，危及围岩稳定，引水道靠近厂房段采用钢板衬砌。

钢板衬砌段的长度与地质条件和工程布置有关，但应超过厂房开挖爆破的影响范围之外（约1倍厂房开挖跨度）为满足一定的抗冲蚀水力比降，最大水头与钢衬长度的比值一般约为2~9.钢板厚度按明管设计，由内水压力确定，钢板允许应力在靠近厂房段采用百分之五十屈服强度，上游其余部分采用百分之七十屈服强度。

钢板衬砌段最上游端设置止水环，高30m，有的两面涂沥青。

钢衬段下游端与蜗壳连接处设置锚固环，高度10cm，厚度50余mm。

钢衬与蜗壳的连接多不设伸缩节，而用焊接。

为了减少焊接凑和节时钢衬的纵向应力，在靠近蜗壳处，钢衬背面防止13mm厚的弹性垫层。

3、尾部式
尾水式地下水电站的主厂房位于输水道的尾部（如图c），它具有较长的引水隧道和较短的尾水洞，一般均设有上游，尾水洞的流态可为有压流或无压流，当下游尾水位变幅不大时采用无压尾水洞。

尾水式地下水电站所适应的水头范围较大，最高水头达1000m以上，目前高水头电站多数采用尾部布置方式，我国已建成的地下水电站尾部式占百分之七十四。

诸多国家用长引水隧洞集中很大的水头，将上游水库的蓄水引至地下厂房，建成调节性能良好的大容量水电站。

通往地下主厂房运输隧洞的纵向坡度一般都比较小，并且长度也较短，当在运输洞口布置开关站、副厂房等建筑物时，运行维护也较方便。

当地下厂房采用窑洞式布置方式时，既省去了运输洞，又可使大型施工机械直接进入主厂房，加快地下建筑物的施工进度。

[3]
四、地下水电站规划设计
1、地下水电站选址
地下水电站选址地下水电站厂址选择是一项包括政治、经济、技术的综合性工作。

必须贯彻国家建设的各项方针政策，多方案比较论证，选出投资省、建设快、运营费低、具有最佳经济效益、环境效益和社会效益的厂址。

①地下水电站与附近城市的关系：厂址定位于高家堰古镇，属于淮阴区，毗邻洪泽区，充分利用邻区的洪泽湖，该镇现今趋于旅游化并且建设跨江大桥——高家堰大桥，将加深乡镇与市区之间的联系，便利市民的生活。

高家堰镇作为一
个古城镇，重新从村升级为镇，建设一个地下式水电站不仅能够缓解不久的电力高能耗也能充分的表现出乡镇的优异性，有益于该镇的发展。

②地下水电站与居民区、工业区的联系：该地下水电站距离居民区和工业区适度，通过精密的计算来确保电力输出使用的浪费最低化。

远离居民区，对于噪声的处理不必浪费过多的资源，对于芒硝工业区，能够充分的输送电力确保能源使用充足，在突发状况下依旧有能源可供使用，有利于经济的正常发展。

而且对于居民来说地下建筑的建设，有利于缓解甚至解决附近的劳动力过剩问题。

③地下水电站对水流与电力输出的要求：洪泽湖与二河有防洪大堤，即高家堰大堤，每年洪泽湖溢流量大，实际上二河流道有些许小型水电站，是因为地势与水流条件不够，但是通过科学的方法调压来建设一个大型的地下水电站是可行的，既可以担任防洪蓄水的功能，也可以回收弃用小型水电站，以此来减少人员使用的浪费、重新规划建设烦乱的电力输送线路，使其趋于合理化、科学化。

④地下水电站于战争的益处：深埋于地下，击毁破坏困难，并且在建址处有古时候人工砌成的十八层条石，有利于地下水电站的保护。

⑤地下水电站对环境的影响：（1）凭借建筑的特性——建于地下，可以充分的利用土地资源，并且对自然环境的影响微乎其微，施工时对地面的影响也可以快速的恢复。

（2）建址处地层稳定，基岩坚硬、完整，可以充分的利用围岩的自身承载力，而且施工后不会产生自然地质灾害。

2、地下水电站选址及规划图
（地下水电站剖面图）1为水库，2为水坝，3为拦污栅，4为进水管，5为上覆岩体，6为通风洞，7为地下厂房，8为主厂房，9为变压器室，10和14为交通洞，11为车间，12为排污通道，13为尾水管
地下水电站出入口及洞室采用上图形状，并且在侧壁加水平锚杆并且喷射混凝土，拱圈不打锚杆，而是采用钢筋网和喷射混凝土，安全地完成施工。

当水流从水库通过大坝经过拦污栅，从进水管流向主厂房，带动内部的涡轮转动来发电。

当水的流速不够时可以通过变压器室调节，以达到良好的电力输出量。

最终水从尾水管排出流入河流。

车间分三层，可供工作人员的休息与工作、配件的生产组装与改变等工作。

在上覆岩体处有通风洞可供通风、排风温度湿度调节等，创造良好的环境。

排污通道与三处主要建筑处串联以节省材料并合理的排污。

交通洞10从不同的方向通向主厂房、变压器室和车间，并且在车间的二层处与支洞14相连，便于通道的稳固与交通的便捷。

交通洞14呈螺旋状围绕车间，在一层与二层上部连通、在三层上部连通变压器室，并且通道延伸至主厂房底部。

五、小结
自建国以来我国修建了许多水电站，其中已经建成和正在修建的地下水电站约有36座，总装机容量约1419.17万千瓦。

随着现代化建设的迅速发展，能源的需求越来越大，而通过建设地下水电站不仅可以缓解能源的需求，也可以减少土地资源的纠纷等问题。

至于建设地下水电站，在合理正确的考察各地的水文地质后，优异的规划设计方案可以节省国家的财力与人力、提高建筑的使用年限和人员的安全。

通过本次课程设计，详细的学习了解了地下水电站的各部分工作作用，建设时各个洞室的安排运行，可以粗劣而不失合理、正确实干地规划设计出地下水电站。

相信进一步的学习咀嚼可以获益更多。

六、参考文献
[1] 淮安市人民政府. 淮安概况[OL]. 淮安：淮安市人民政府办公室，2019，
[2] 淮安市规划局. 淮安市城市总体规划（2016-2013）[OL]. 淮安：淮水安澜，2017
[3] 杨述仁，周文铎，王裕湘等. 地下水电站厂房设计[M]. 北京：水利电力出版社，1993，16-22，28，37，45。