毕业设计
一、大塘水电站基本资料
大塘水电站位于湖北省利川市西南隅，为郁江流域在湖北省境三个梯级内第二个梯级电站，坝址控制流域面积1430平方公里。流域内雨量充沛，多年平均降雨量在1648毫米以上。坝址多年平均流量49.0立方米每秒，多年平均径流深1040毫米，年径流总量17.85亿立方米。
按照大塘水库总库容为6431万立方米，电站装机容量42000千瓦，根据《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》（山区部分）拟订大塘水利枢纽为三等工程，水库及电站规模均为中型。相应的主要建筑物按3级，次要建筑物4级，临时建筑物按5级设计，按照《标准》正常运用的洪水标准重现期为100年，非常运用的洪水标准为500年。
根据郁江流域规划，上级主管部门和利川市的要求，大塘水利枢纽工程以发电为主，结合田高水低的特点，沿库进行小型引提灌溉及人畜饮水等综合利用任务。
1.1 自然条件
郁江为乌江右岸支流，发源于湖北省利川市福宝山，由东北向西南，经利川的忠路、文斗、长顺及四川的保家楼，于彭水汇于乌江。全长105.1公里，在湖北境内干流总长88.1公里，河道平均比降5.77‰，控制流域面积1833平方公里，流域内水力资源丰富，在湖北省境内理论储量23万千瓦，至今干流尚未开发，仅支流修建部分小型水电站。
郁江流域属亚热带季风气候区，雨量充沛，全流域多年平均降雨量1478毫米，气候随高程不同而变化，年平均气温11.1度——15.1度，相对湿度全年平均在90%以上。
径流主要由降雨形成，4—10月为丰水期，占全年径流总量的85%，丰枯比为5.7。洪水由暴雨形成，5—8月为大汛期，洪水多为单峰型，历时一般一天左右。
郁江流域地段为构造剥蚀低中山区，河谷深切呈V型。该流域位于新华夏系
一级构造川黔湘黔隆褶带北西边缘；郁山背斜西翼，马前向斜和普子向斜东南翼。郁江断裂几乎纵贯全流域。流域内出露地层主要为三迭系至奥陶系地层。
根据郁江流域规划，在我省境内干流分三级开发：第一级龙桥电站，装机1.2万千瓦；第二级大塘电站，装机4.8万千瓦；第三级长顺电站，装机3万千瓦。大塘水电站库区主要为志留系地层。枢纽地段主要出露为中、下奥陶系地层，自上而下依次为五峰组页岩，临湘组瘤状灰岩，宝塔组龟裂纹瘤状灰岩，牯牛潭组瘤状灰岩，大湾组页岩，瘤状灰岩及泥灰岩。坝址处地层走向与水流向接近垂直，倾向下游偏左岸，倾角4°至8°。该地段地层单一，地质构造不甚发育，无较大断层，虽有郁江断裂从附近通过，但距坝址约1300米，对建坝无影响，经地震部门核定，地震基本烈度为6度。
1.2 枢纽布置
1.轴线选定
按照上级主管部门对可行性研究的审查意见，本阶段对上、下坝线进行了全面比较，并选定下坝线；除对基本坝型——重力坝进一步作了优化工作外，还对碾压混凝土重力坝作了一定的研究。
2.坝型选定
在对常规混凝土重力坝进行结构优化基础上，还对碾压混凝土重力坝建坝的可能性进行了分析比较。采用碾压混凝土重力坝不仅可能简化施工程序和温控措施，而且大坝投资可降低约 4.3%左右。更主要的是总工期可缩短将近一年。但能否采用，取定于有否质量合格、价格低廉的粉煤灰供工程使用。初步调查，重庆电厂有大量粉煤灰供应，可通过水运至四川彭水，再转汽车运至工地，经初步分析经济上是可行的，有关粉煤质量指标尚有待试验。因此，本阶段暂按常规混凝土重力坝作为选定方案，最大坝高93米，坝顶长286米，坝轴线为折线形，转折角30°，中部为4孔表孔溢洪道，每孔净宽14米，设计泄量4300立方米每秒，校核泄量5810立方米每秒。采用连续式鼻坎挑流消能，紧靠溢流坝右側有冲砂泄底孔一个，孔口尺寸4 4.5米。左右岸挡水坝长分别为40米和160米。
3.枢纽布置
对于选定的坝型和坝线作了三种枢纽布置方案。即右岸短隧洞，右岸长隧洞引水和左岸坝后厂房三种进行比较，最后选定右岸为长隧洞引水，岸边厂房方案，此方案引水道比第一方案稍长，总投资也稍有增加，但厂房距挑流冲坑较远，对运行管理带来方便，也免除了堆丘对尾水的影响。
1.3 电站主要工程特性
工程特性表
序
号
项目单位数量
一
1
2
3
二
1
2
3
4
5
6
水文
流域面积
湖北境内流域面积
坝址以上流域面积
利用的水文系列年限
多年平均年径流量
水库
水库水位
校核洪水位(P=0.2%)
设计洪水位(P=1%)
正常蓄水位
死水位
回水长度
水库容积
总库容
调洪库容
调节库容
死库容
库容系数
调节特性
水量利用系数
Km2
年
103m3
m
m
m
m
Km
104m3
%
1410
1430
23
19.67
439.15
433.00
425.00
398.00
17
6431
1100
3750
2340
0.018
季调节
84
三
1
2
四
六
1
2
3
下泄流量及响应下游水位
设计洪水位时最大下泄流量
相应下游水位
校核洪水位时最大下泄流量
相应下游水位
工程效益指标
发电效益
装机容量
保证出力
多年平均发电量
年利用小时数
主要建筑物及设备
坝
型式
地基特性
地震基本烈度
坝顶高程
坝顶长度
泄水建筑物
型式
堰顶高程
闸长尺寸（孔数×每孔净宽）
鼻坎处最大单宽流量
消能方式
设计泄洪流量（P=1%）
校核泄洪流量（P=0.2%
引水建筑物
(1)进水口型式
底板高程
闸孔尺寸
(2)引水道型式
引水道长度
m3/s
m
m3/s
m
kw
kw
104kwh
h
度
m
m
m
m3/s
m3/s
m
m×m
m
4410
371.1
5925
372.4
42000
4824
18523
4300
混凝土重力坝
灰岩
6
442.00
286.00
坝身表孔
425.00
4×13
85.40
挑流
4300
5810
4
5
6
设计流量
衬砌型式
厂房
型式
地基特性
主厂房尺寸（长×宽×高）
开关站
型式
面积（长×宽）
水轮机
型号
额定出力
转速
吸出高度
最大工作水头
最小工作水头
加权平均水头
每台机组过水能力
m3/s
m×m×m
m×m
kw
r/min
m
m
m
m
m3/s
地面式
60×60
73.81
47.16
61.70
32.20
二、水电站主要洞里设备及主要辅助设备的选择
2.1水轮机的选型
大塘水库总库容为6431万立方米，电站装机容量4
10
2.4?KW，保证出力为4824KW，为三等工程，水库及电站规模均为中型。由此，可确定水轮机台数为四台，并选为混流式水轮机，电站的最大工作水头为7
3.81m，最小工作水头为47.16m，由各种本型号水轮机水头是用范围，初步根据《水力机械》附表一选择水轮机型号为HL220。
2.2 水轮机主要参数的计算
2.2.1 转轮直径的计算
η2
3
'
1
1
81
.9
r
r
H
Q
N
D=（2-1）
r
H——经分析：水电站为坝后式水电站，设计水头可估算：
a
r
H
H95
.0
= a
H——加权平均水头（资料已给出）
1
1
Q——单位流量（差水力机械附表1得）
同时在附表1中查的水轮机模型在限制工况下的效率%
0.
89
=
M
η。由此可初步
假定水轮机在该工况的效率为%
9191
.0
=
η
r
N——额定出力
4
10
071
.1
98
.0
4
42000
?
=
?
=
r
N
615
.
58
70
.
61
95
.0
95
.0=
?
=
=
a
r
H
H
1150
'
1
=
Q s
m
S
L
/
15
.13
=
有公式2-1得：
635
.1
116
.
4006
10
071
.1
91
.0
615
.
58
81
.9
10
071
.14
2
3
4
1
≈
?
=
?
?
?
=
D
得到转轮直径1.635m，取与之相近且偏大的标准直径1.8m
2.2.2效率修正值的计算
由附表1查得水轮机模型在最优工况下的%
91
max
=
M
η，模型转轮直径m
D
M
46
.0
1
=，则原型水轮机的最高效率
m ax
η可根据：
%
2.
93
932
.0
8.1
46
.0
)
91
.0
1(
1
)
1(
15
5
1
1
max
max
=
=
-
-
=
-
-
=
D
D
M
M
η
η
考虑到制造工艺水平的情况取%
1
1
=
ε，由于水轮机所应用的蜗壳与尾水管的型
式与模型基本相似，故认为0
2
=
ε，则效率修正值：
012
.0
01
.0
91
.0
932
.0
1
max
max
=
-
-
=
-
-
=
?ε
η
η
η
M
由此得水轮机在限制工况的效率为：
902
.0
012
.0
89
.0=
+
=
?
+
=η
η
η
M
与愿假定数值相同
2.2.3 转速的计算
1
'
10
D
H
n
n a
=（2-5）
式中'
1
'
10
'
10
n
n
n
M
?
+
=（2-6）
由附表1查得在最优工况下的min
/
0.
70
'
10
r
n
M
=
同时由于03
.0
023
.0
1
max
max
'
10
'
1<
=
-
=
?
M
M
n
n
η
η
所以'
1
n
?可忽略不计，则0.
70
'
1
=
n代入上式得：
47
.
305
8.1
70
.
61
70
=
=
n
选用与之接近而偏大的标准同步转速min
/
310r
n=
以使发电机具有较小的尺寸和重量，在选定水轮机的主要参数后进行工作范围的验算，在模型综合特性曲线上绘出水轮机相似工作范围，并验证该工作范围是否
包括了高效率区，以论证所选定的
1
D和n的合宜性。
2.2.4 工作范围的验算
在选定的m
D8.1
1
=，min
/
310r
n=的情况下，水轮机的'
m ax
1
Q的各种特征水
头下相应的'
1
n值分别为：
15
.1
825
.0
91
.0
615
.
58
8.1
81
.9
10
071
.1
81
.92
3
2
4
2
3
2
1
'
max
1
<
=
?
?
?
?
=
=
η
r
r
H
D
N
Q（查附表1得）
则水轮机的最大引用流量
max
Q为：
s
m
H
D
Q
Q
r
/
465
.
20
615
.
58
8.1
825
.03
2
2
1
'
max
1
max
=
?
?
=
=
对'
1
n值：
在设计水头m
H
r
615
.
58
=时：
min
/
884
.
72
615
.
58
8.1
310
1
'
1
r
H
nD
n
r
r
=
?
=
=
在最大水头m
H81
.
73
max
=时
min
/
952
.
64
81
.
73
8.1
310
max
1
'
min
1
r
H
nD
n=
?
=
=
在最小水头m H 16.47min =时
min /258.8116
.478.1310min
1max 1r H nD n =?=
=
在HL220型水轮机的模型综合特性曲线上，分别画出s L Q /825'max 1=，
m in /952.64'min 1r n =和min /258.81'max 1r n =的直线，这些线锁包含的范围即为水
轮机的相似工作范围，此范围（即阴影部分）基本上包括了特性曲线的高效率区，所以对所选定的直径m D 8.11=，min /310r n =比较满意。 2.2.5 水轮机吸出高s H 的计算
有水轮机的设计工况（m in /884.72'1r n r =，s L Q /825'max 1=）在转轮综合特
性曲线上（图1）查得相应的汽蚀系数10.0=σ，由设计水头m H r 165.58=在《水力机械》P38页图2-16查得022.0=?σ，则可求得水轮机的吸出高为：
H H s )(900
0.10σσ?+-?
-=
?——水轮机安装处的海拔高程，在初步计算时可采用下游平均水位高程。