水电站厂房

四川水利职业技术学院毕业设计水电站厂房设计
姓名：胡超强
班级：水工1131
学号：1123111
专业：水利水电建筑工程
学校：四川水利职业技术学院
一：设计资料
1. 工程概况
该水利枢纽位于向河上游，河流全长270公里，流域面积6000平方公里，属于山区河流。

本枢纽控制流域面积1350平方公里，总库容22.15亿立方米，为多年调节水库。

本枢纽的目标是防洪和发电。

主要建筑物有重力拱坝，坝高77.5米，弧长370米；泄洪建筑物；开敞式溢洪道或泄洪隧道；发电引水隧洞及岸边地面厂房等工程。

水电站总装机60MW，装机4台，单机15MW。

电站担任工农业负荷，全部建成后担任系统灌溉负荷。

2. 电站枢纽
电站厂房位于右岸坝下游几十米处，由引水隧洞供水，主洞内径5.5米，支洞内径3.4米，厂内装置4台混流式立式机组，出线方向为上游，永久公路通至左岸。

3. 设计参数及依据
水库及水电站特征参数
（1）水库水位
水库校核洪水位 140.00m
水库设计洪水位 137.00m
水库正常高水位 125.00m
水库发电死水位 108.00m
设计洪水尾水位 77.00m
校核洪水尾水位 78.50m
1.厂址水位流量关系曲线（厂址处多年平均流量为100m3/s）
（2）水电站特征水头
最大水头 56.00m 最小水头 38.00m 平均水头 50.84m 计算水头 48.30m （4）地形地质
电站枢纽地形参见下页地形图。

右岸地势相对平缓，左岸地势较陡。

枢纽基岩系凝灰岩，岩石抗压强度较高，厂区有第四纪沉积层，厚约3米，河床砂卵石覆盖层平均深2～4m 。

（5）供电方式
本电站为四台机组投入系统运行，根据系统要求本电站能作调相运行，水电站主接线采用扩大单元接线方式，采用110千伏、35千伏及发动机电压10.5千伏三种电压等级送电；高压侧采用桥型接线方式。

（6）对外交通
下游右岸有永久公路通过。

4、水电站主要动力设备及辅助设备
1. 水轮机：由设计水头48.3m 和该机组的出力范围查水轮机型谱表中查水轮机型号为 HL220—LJ —225，水轮机总重284KN 。

额定出力 15.6MW 额定转速 214.3r/min 单机额定（最大）流量 36.2 m 3/s
由水轮机型号查《水电站机电设计手册（水力机械）》可得：
标称直径1D =2250mm 座环内径b D =3250mm 座环外径a D =3850mm
1/D b =0.25，b 为导叶高度，蜗壳取圆形断面包角345o
（1） 蜗壳：，由计算水头48.3m ，查蜗壳进口断面平均流速s m v c /8.5 ，
由此，得各断面的半径如下表：
（2） 尾水管：混流式水轮机，根据水轮机型号查表得尾水管尺寸为
1D =2.25m
1/D h =2.6 h =5.85m 1/D L =4.5 L =10.125m
15/D B =2.720 5B =6.16m 14/D D =1.35 4D =3.0375m 14/D h =1.35 4h =3.0375m
16/D h =0.675 6h =1.51875m
11/D L =1.82 1L =4.095m
15/D h =1.22 5h =2.745
取α=11.5o
（3） 水轮机转轮尺寸：查《水电站动力设备设计手册》得：
12/D D =1.082 2D =2.4345m
13/D D =0.928 3D =2.088m
14/D D =0.870 4D =1.9575m
15/D D =0.478 5D =1.0755m 16/D D =0.116 6D =0.761m 10/D b =0.250 0b =0.5625m
11/D h =0.054 1h =0.1215m 12/D h =0.165 2h =0.37125m
13/D h =0.482 3h =1.0845m
14/D h =0.309 4h =0.69525m
1.
水轮发电机：型号SF15—28/550，发电机总重3657KN 。

额定功率(kW) 功率因数cos φ 额定转速（r/min ） 额定电压U(kV) 转子带轴重G 1(t) 15000
0.8
214.3
10.5
80
查《水电站机电设计手册（水力机械）》可得： 上机架高度 1.22m 下机架最大跨度 3.84m 水轮机机坑直径 3.35m 转子外径 4.904m 风罩内径 8.40m
机座外径 6.47m
发电机主轴高度 5.02m
（4）调速器设备
调速器型号：DT—100
机械柜尺寸：长×宽×高=750×950×1375（mm）
电气柜尺寸：长×宽×高＝550×804×2360（mm）
油压装置型号：YZ—1.0
（4）厂房附属设备
水轮机前蝴蝶阀
（2）桥式吊桥
（5）电气设备
①三相三线圈主变二台
型号：SFSL
1
—50000/110/35/10
尺寸：长×宽×高=6300×4250×5500（mm）
轨距：1435（mm）
检修起吊高度： 7600（mm）
主变器自身重： 39.5吨
②厂用变压器二台
型号：SJL
1
—630/10/0.4
厂用变压器参考数据
:
变压器容量（KVA）厂变室面积（mm×
mm）
门高（m）吊物孔尺寸（m）
630/10 5×3 2.5 2.5×2.0
③机旁盘
每台机六块：控制盘1块，保护盘1块，表记盘1块，动力盘1块，励磁盘2块。

尺寸：宽×厚×高＝800×550×2360（mm）
1、副厂房参考面积
二：厂房的布置
1. 主厂房的立面尺寸的确定 1、水轮机的安装高程a ∇
在水电站厂房设计中，水轮机的安装高程a ∇是一个控制性指标标高，只有
a ∇确定以后才可以确定相应的其他高程
a ∇= 2/0
b H s w ++∇ w ∇w ——下游最低尾水位
s H ——水轮机的吸出高，由水轮机的气蚀特性决定 b 0—————导叶高度，m;由b 0/D1=0.25得b 0=0.5625m
H H m s )(900/0.10σσ∆+-∇-=
式中 ▽——水轮机安装处的海拔海拔高程，由水轮机的单机额定(最大)流量为36.2m^3/s,
内插法：A =B+（C-B ）×（a-b ）/（c-b ）
（69.2-68.5）/（40-0）=（69.2-▽）/（40-36.2） ▽=69.13m
查厂址水位流量关系曲线得▽=69.13m(内插法）
m σ——气蚀系数，由《水电站》教材表3-6得m σ=0.133
σ∆——气蚀系数修正值，由资料得工作水头H=48.3m,查《水利水电工程建筑物》教材图8.21，得σ∆=0.026，b 0—————导叶高度，m;由b 0/D1=0.25得b 0=0.5625m
H H m s )(900/0.10σσ∆+-∇-=
=10-69.13/900-(0.133+0.026）×48.3 =2.24m
则水轮机安装高程 a ∇= 2/0b H s w ++∇=69.13+2.24+0.5625/2=71.65m 2、尾水管底板高程： ▽1=a ∇－b 0/2－h
h--尾水管高度，查任务指导书，得h=5.85m 则▽1=71.65—0.5625/2—5.85 =65.52m 3、主厂房开挖高程厂房∇
由上，尾水管高度h=5.85m ，取尾水管底板厚δ=1.5m ，则主厂房开挖高程
δ-∇=∇1厂房=65.52-1.5=64.02m 4、水轮机层地面高程 水∇
混凝土外包半径蜗壳最大半径水++∇=∇max ρa
1.38max =ρm ，上部混凝土厚度取1.0m ，则水轮机层地面高程
水∇=71.65+1.38+1.0=74.03m
5、发电机装置高程装∇
装∇=水∇+机墩进人孔高（1.8~2.0）+机墩进人孔顶部混凝土厚度（1~1.5） 故, 装∇=74.03+2.0+1.5=77.53m
6、发电机层楼板高程发∇
发∇=装∇+风罩高度
式中风罩高度查任务指导书发电机外形尺寸示意图，得风罩高度为2430mm ，
则发∇=77.53+2.43=79.96m
在本高程布置时，满足发电机出线安全，且装∇比下游最高洪水位78.50m
高出1.46m ，故运行时安全合理。

7、吊车安装高程吊∇
吊车选用单小车主钩容量100吨，副钩容量20吨，跨度13m 。

要确定吊车轨顶高程，先确定最大起吊部件的尺寸，包括：①发电机转子带轴 4.39m ；②水轮机转轮带轴 4.823m ；③主变起吊高8.2m ；由于主变高度与其他相差太大，考虑在发电机层设置主变坑，检修时不用起吊主变，故最大吊物高取 4.832m ，吊运部件距地板取0.5m ，吊件与吊钩间的距离取1.5m ，吊运部件到轨顶距离极限尺寸为1.474m ，
设计中由于道路原因，设置两个安装场，安装场1设置在82.7m 高程，安装场2仅用于下卸部件，组装在安装场1层，吊车安装高程应满足在检修时吊运最大部件，
故 吊∇=79.96+4.923+0.5+1.5+1.474
=88.357m=88.36m
8、屋顶高程屋顶∇
当吊车轨顶高程确定后，由已知轨道面到顶面的距离为 3.692m ，加上检修吊车时需在小车上留有0.5m 高度，屋面大梁高1.2m ，外加屋面板厚度、屋面保温防水层的厚度0.5m ，可确定屋顶上缘高度。

屋顶∇=88.36+3.692+0.5+1.2+0.5=94.25m
2. 主厂房的平面布置
1、厂房长度的确定
（1）确定机组段的长度
①发电机层：发电机风罩内径ϕ=8.4，电机风罩壁厚δ取0.4，机组间过道宽度b 取2.5m ，则L=8.4+2×0.4+2.5=11.7m
②蜗壳层：R 1、R 2为蜗壳3450、1650时的半径，δ1、δ2为蜗壳外包混凝
土厚度，则
L=R 1+R 2+δ1+δ2=4.686+3.834+1.4+1.6=11.52m
③尾水管层：采用对称尾水管布置，宽度B 5=6.12，混凝土边墩厚度δ取
1.8m ，则L=B 5+2δ=6.12+2×1.8=9.72m
取三者之中最大值作为机组段长度 故L 1取11.7 m
（2）边机组段加长1l ∆、2l ∆
依据经验，靠近安装场的一端2l ∆=0.2D 1=0.45m ，在远离安装场的一端
1l ∆=0.8D 1=1.8m L 按=（1.0~1.5）L 1取15M 即L 2=15+7=22M
此种情况下，吊车满足吊运最边端一台机组，且有一定空余。

（3） 确定安装场长度 故，
主厂房总长度 L=4L 1+1l ∆+2l ∆+L 2=4×11.7+0.45+1.8+22=71.05m
2、厂房宽度的确定
（1） 厂房水上部分宽度的确定:
① 下游侧宽度下B :
下B 主要决定于发电机层地面的设备的布置及交通要求，通道宽
1.5m ，发电机风罩厚度取0.4m ，风罩内径8.4m 则
下B =8.4/2+1.5+0.4=6.1m
② 上游侧宽度上B :
上B 主要决定于发电机层地面的设备的布置及交通要求，通道宽
1.5m ，机旁盘厚度0.55m ，机旁盘前留有1m 的工作场地，盘后0.8m 宽的检修场地，则
上B =8.4/2+1.5+1+0.8+0.55+0.4=8.45m
考虑13m 吊车布置，上下游宽度分别取为8.5m 、6.5m ，主厂房宽度B=下B +上B =15m
（2）厂房水下部分宽度的确定:
①下游侧宽度
B:
下
B主要决定于下游尾水管的尺寸，B下=10.125+（1~2）取B1为11.5m，下
经验证基本上满足尾水平台上的布置要求。

②上游侧宽度
B:
上
B主要决定于蜗壳进口的布置、主阀、机组及其他附属设备的布置，上
为了方便, 取与厂房水上部分上游侧的宽度相同为8.5m。

3. 安装场尺寸的确定
1、由于发电机楼板高程为79.96m，而进场公路高程85.5m，二者相差太大，
选择布置两个安装场。

安装场2与路面同高85.5m，安装场1高程为82.7m。

2、安装场宽度与主厂房同宽15m，安装场1长度一般为1~1.5倍机组段长度，取为15m，安装场2仅用于卸停安装设备，取7m，即安装场总长度为22m。

3、安装场面积取决于一台机组扩大性检修同时放下
①发电机转子直径4.904m(已知)
②发电机上机架直径6.47m(已知)
③水轮机顶盖直径3.2m
④水轮机转轮直径2.25m(已知)
发电机转子周围需留2m的检修空间，其它则需1m即可，且四大件必须在吊钩限制线以内，最终可取安装场宽度为16m，长度为15m。

4. 主厂房各层布置
1、发电机层：
发电机采用上机架埋入式布置，需布置有发电机、调速设备（油压装置、电气柜、机械柜）、机旁盘、楼梯、吊物孔、吊阀孔、交通道等。

2、水轮机层：
水轮机层布置机墩、调速器、接力器、阀门操作设备、油、气、水管路、出线、电气设备、吊阀孔等，机墩采用圆筒式
3、蜗壳层：
布置蝶阀、蜗壳、水泵渗漏及检修集水井，并设有通向水轮机的楼梯。

4、详细布置见水轮机层、发电机层、蜗壳层综合平面布置图。

5. 副厂房的布置
副厂房设在主厂房的上游侧，可以使布置紧凑，电缆线短，监视机组方便，主厂房下游侧采光通风良好。

副厂房总共布置四层，最低层与水轮机地面高程同高74.03m，布置油库、油处理室、压缩空气机室、开关室、厂用变压器室、母线廊道、事故油池等。

第二层与发电机安装高程同高81.75m，布置油化实验室、蓄电池室、储酸室、通风机室、充电机室、电工实验室、高压实验室及卫生间等。

第三层与发电机楼板高程同高84.75m，全部用于铺设各种电缆，通往上层的各种表盘。

第四层与安装场同高85.96m，布置有中控室、继电保护盘室、通讯室、电子计算机室、值班室、调度室等。

6. 厂区枢纽布置
主厂房布置在河道右岸，采用集中供水方式，经由y型岔管为四台机组供水。

副厂房布置在主厂房上游，安装场布置在主厂房右端，主变压器布置在厂房右端，开关站布置于左岸（图中未标明）。

详细布置见水电站厂区地形图。

二、厂房的稳定分析
为了便于计算荷载，厂房的整体稳定分析按一个机组段进行计算，其计算方法与混凝土重力坝的稳定分析相同。

通过计算确定厂房整体的抗滑稳定性和地基上的应力是否超过允许值，而且一般不允许出现拉应力。

由于厂房的宽度较大，一般不需要进行厂房倾倒稳定性的校核。

一、荷载计算。

1 厂房自重：
(a)一期混凝土自重：A
1
尾水管周围混凝土自重：
=(6.5-1.52)*1.5*11.7*24=2097.58KN
W
1
柱子自重：
=3.14*1.52*11.7*2.575*24=3451.02KN
W
2
尾水平台混凝土自重：
W
=(0.2915+1.52)*6.03/2*11.7*24=1533.64KN
13
W
4
=1.5*(10.125+8.5)*11.7*24=7844.85KN
所以W1= W
1+ W
2
+ W
13
+W
4
=2097.58+3451.02+1533.64+7844.85=14927.09KN
主厂房：W
12
=0.8*1.2*(94.25-74.03)*28*8=3726.95KN
副厂房：W
2
=0.8*1.2*4*10*24=921.6KN
W2=3726.95+921.6=4648.55KN
尾水平台混凝土自重:W3
W3={(2.745+1.5)*5*0.9+(2.745+1.5)*(4.6*5-2.6*3)}*24=2007.04KN
A
1=W
1
+W
2
+W
3
=14927.09+4648.55+2007.04=21582.68KN
(b)二期混凝土自重：A
2
蜗壳周围混凝土自重：
下游侧：{（3.97+1.59）*3.775*0.5*11.7-4/3*3.14*1.383}*24=2682.78KN 上游侧：（3.97*3.075*11.7-4/3*3.14*0.953）*24=3341.77KN
W4=上游＋下游=2682.78+3341.77=6024.55KN
各层楼板自重：
楼板：2*5*11.7*0.2*24=561.6KN
发电机层：（15-8.4）*11.7*0.2*24=370.656KN
副仓房：一层 10*11.7*0.2*24=561.6KN
二层 10*11.7*0.2*24=561.6KN
W5=561.6*3+370.656=2055.46KN
所以A
2
= W4+ W5=6024.55+2055.46=8080.01KN
2已安装的机电设备重：A
3
发电机总重：W
6
=3657KN
水轮机总重：W
7
=284KN
所以A
3= W
6
+ W
7
=3657+284=3941KN
3上游水压力：A
4
A
4
=3.14*R2*H*r=3.14*1.382*48.3*9.8=2830.49KN
4下游水压力：A
5
A
5
=1/2*r*h2=0.5*908*（2.745+1.5）2=88.30KN
5上浮力：A
6
A
6
=（2.745+1.5）*9.8*15=624.02KN
6蜗壳和尾水管中水重：A
7
A
7
=3.14*1.382*4.686*9.8+5.85*6.12*10.125*9.8+5.85*3.0375*9.8=4356KN
7特殊风荷载：A
8
P=K·K
z ·W
=0.8×1.0×0.35=0.28kg/m2
A
8
=0.28*（94.25-65.52）*11.7=94.12KN
8浪压力荷载：A
9
由于本设计中把仓房修建在岸边，浪压力可以不做计算。

A 9=0KN
9 地震惯性力：A 10=K h ·C z ·F ·W
W=A 1+A 2+A 3+A 7=21582.68+8080.01+3941+4356=37959.69KN
A 10=K h ·C z ·F ·W=0.1*0.25+1.1+37959.69=1043.89KN
1O 地震时水的激荡力：A 11
A 11=0.65K h ·C z ·γ0·H 12·L=0.65×0.1×0.25×9.8×2.7452×11.7=14.04KN
二、荷载组合。

在计算设计中应该对各种不同的工作情况，按照不同的荷载组合校核厂房的抗滑稳定性和地基应力分布。

1 在水电站正常运转情况时的荷载组合为：
987654321A A A A A A A A A ++++++++=21582.68+8080.01+3941+2830.49+88.3+624.02+4356+94.12+0=41596.62KN
2 在水电站机组检修的情况时的荷载组合为：
9865421A A A A A A A ++++++=21582.68+8080.01+2830.49+88.3+624.02+94.12+0=33299.62KN
3 在大坝宣泄洪水时的非常情况时，泄洪时间较短，特殊风荷载可以不考虑，其荷载组合为：
1110987654321A A A A A A A A A A A ++++++++++=21582.68+8080.01+3941+2830.49+88.3+624.02+4356+94.12+0+1043.89+14.04=42654.55KN
三、计算方法与原则。

在上面可能发生的几种荷载组合中，要要首先进行分析和论证，找出主要控制情况进行计算。

该厂房是建在比较好的地基上的，地基的承载力较好，计算1种情况后发现所要求的地基应力比地基承载力小得多时，亦可以不必对每一种情况都进行计算。

四、该电站的地基承载能力及厂房抗滑稳定安全系数。

由于厂房建在新鲜完整的坚硬岩石地基上，允许的承载力较大为：2-10MP 厂房抗滑稳定安全系数查资料如下：（一级建筑物等级）
正常运行工况下：K=1.4
检修工况下：K=1.3
非常工况下：K=1.1
五、厂房的抗剪断强度验算： ∑∑'+'=
'P
A c G f K 12376**G A A A A A KN
=+++-=∑=21582.68+8080.01+3941+4356624.02=37335.67KN 5849**P A A A A KN
=+-+=∑=21582.6+8080.01+391+4356=2836.31KN
C ’=1.2 f ’=0.7
A=11.7*15=175.5m 2
∑∑'+'='P A
c G f K =(0.7*37335.67+1.2+175.5)/2836.31=9.29>3.0
所以[]** 3.0K K ''=≥
满足要求。

六、厂房抗浮稳定验算： U
W K f ∑=
1237
**W A A A A KN
=+++=∑=21582.6+8080.01+391+4356=37959.63KN U=A6=624.02KN
U
W K f ∑==37959.63/624.02=60.83>1.1 所以** 1.1f f K K ⎡⎤=≥=⎣⎦
满足要求。

七、厂房的抗滑稳定验算：
1 正常运转工况下：
12376**G A A A A A KN
=+++-=∑=21582.6+8080.01+391+4356-624.02=37335.67KN
K=0.7*37335.67/2836.31=9.29>1.4
所以[]** 1.4f G
K K P ==≥=∑∑
故满足要求。

2 检修工况下：
126**G A A A KN
=+-=∑=21582.6+8080.01+391-62.02=29038.67KN 5849**P A A A A KN
=+-+=∑=21582.6+8080.01+391+4356=2836.31KN
K=0.7*29038.67/2836.31=7.17>1.3 所以[]** 1.3f G
K K P ==≥=∑∑
故满足要求。

3 非常工况下：
12376**G A A A A A KN
=+++-=∑=21582.6+8080.01+391+4356-624.02=37335.67KN
58491011**P A A A A A A N
=+-+++=∑=21582.6+8080.01+391+4356+14.04+=2836.31K N
K=0.7*37335.67/3894.24=6.71>1.1 所以[]** 1.1f G
K K P ==≥=∑∑
故满足要求。