毕业设计（论文）-河床式水电站设计及混凝土蜗壳结构计算.doc

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1、水利水电工程专业毕业设计 - 1 - 中中文文摘摘要要 沙溪口水电站计划建在福建省南平市上游的西溪上，是闽江流域的一个梯 级电站，属于河床式水电站。本电站主要组成建筑物有溢流坝、非溢流坝、厂 房和船闸。坝体型式为混凝土重力坝，溢流坝段布置于河床中部，厂房布置在 河床右岸，船闸布置在左岸。 非溢流坝坝顶高程 93m，上游面坡度为 1:0.2，下游面坡度 1:0.80，溢流 坝堰顶高程 82.78m。溢流坝段全长 340m，设有 18 孔溢流孔，每孔净宽取为 17.0 m，沿主河槽宣泄绝大部分洪水。 水库正常蓄水位为 88.00m，设计洪水位为 90.00m，校核洪水位为 91.00m，死水位为

2、84.00m。电站设计水头为 10.3m，总装机容量为 320MW，安 装有 4 台轴流式水轮发电机组，每台装机容量为 8MW。水轮机型号均为 ZZ560- LH-850，转轮直径为 8.5m，水轮机安装高程 66.47m，发电机层高程 86.005m， 取安装场高程与发电机层同高。下游校核洪水位 81.50m，主厂房顶高程为 108.00 m，厂房总长 148.2m，宽 74m。220kV 及 110kV 开关站布置在尾水平台 右侧。 船闸闸室 100m20m2.5m（长宽最小水深） ，位于溢流坝左侧。 沙溪口水电站具备发电，航运，过木等的综合效益，是福建电网的骨干电 厂。 关键词关键词 沙

3、溪口水电站、河床式厂房、重力坝、溢流坝、水轮机、发电机、抗滑稳 定性、扬压力、轴流式水轮机、发电机层结构设计 河床式水电站设计及混凝土蜗壳结构计算 Abstract Shaxikou Hydropower Station is prepared to built at Xixi stream, upstream the city of Nanping in Fujian Province. It is one of the cascade development in the Minjiang river basin. It is a powerhouse in river channel.

4、The main structures of Shaxikou Hydropower Station is consist of overflow spillway dam, non-overflow spillway dam, powerhouse and lock. The dams are concrete gravity dams. The overflow spillway dam lies in the centre of the riverbed. The powerhouse lies on the right, and the lock is located on the l

5、eft. The top of the non-spillway dam is at an elevation of 93 meters. The upstream of the dam is vertical, the lower slope degree is 1:0.2,and the upper slope degree is 1:0.80. the crest of the weir is at an elevation of 82.78 meters. The overflow spillway dam is about 340 meters long in total, with

6、 18 openings each of 17 meters wide, discharging most of the flood flow along the main river channel. The normal water lever of the reservoir is 88.00 meters,while the design flood water level of the reservoir reaches at 90.00 meters. The checking flood water level is about 91 meters. And the dead w

7、ater level is only 84.00 meters. The design cross-head is 10.3 meters. The project has a total installed capacity of 320MW. It houses four axial-flow turbines coupled with generators 8MW each. The type of the turbine is ZZ560- LH-850. The diameter of the turbine is 8.50 meters. The runner setting is

8、 at an elevation of 66.47 meters. The generator floor is at an elevation of 86.005 meters. And it is the same with the service or erection bay. However, the checking tailwater lever is 81.5 meters. The top of the powerhouse is at an elevation of 108 meters. And the powerhouse is about 146.2 meters l

9、ong and 74.0 meters wide. 220KV anf 110KV switchyard is located on the platform at the right side of downstream tailrace. The lock with the dimension of 100m20m2.5m (LWMin.water depth) is located on the left side of the spillway. 水利水电工程专业毕业设计 - 3 - Shaxikou Hydropower Station has the comprehensive b

10、enefits of generating electricity,shipping transportation， navigation afloating woods and etc It has a very important position in the electricity network of Fujian Province. KEYWORDS Shaxikou Hydropowerstation， power house in river channel， concrete gravity dam， over flow dam， combinatory， hydro-gen

11、erator， stability against sliding， uplift pressure， axial flow type turbine， structure design of generator floor， 河床式水电站设计及混凝土蜗壳结构计算 目目录录 中文摘要- 1 - ABSTRACT - 2 - 目录- 4 - 1.1 流域概况.- 6 - 1.2 水文气象条件.- 6 - 1.3 水库地质.- 9 - 1.4 坝址工程地质条件及坝轴线选定.- 10 - 1.5 建筑材料.- 13 - 1.6 综合利用.- 13 - 1.7 枢纽布置.- 14 - 第二章 重力坝挡

12、水坝段设计- 15 - 21 剖面设计.- 15 - 211 坝顶高程- 15 - 21 剖面设计.- 16 - 211 坝顶高程- 16 - 212 坝顶宽度- 17 - 213 廊道的布置- 18 - 214 剖面形态- 18 - 22 坝体稳定分析和应力校核.- 19 - 221 设计洪水位时- 19 - 222 校核洪水位时- 23 - 第三章 重力坝溢流坝段设计 - 28 - 31 溢流坝段孔口尺寸拟定.- 28 - 32 溢流坝段剖面设计.- 28 - 321 堰顶高程- 29 - 322 堰面曲线- 29 - 323 消能方式 - 30 - 33 坝体稳定分析和应力校核.- 32

13、 - 331 设计洪水位时.- 32 - 水利水电工程专业毕业设计 - 5 - 332 校核洪水位时.- 35 - 第四章 水电站建筑物设计- 40 - 41 特征水头的选择- 40 - 42 水电站水轮机组的选型- 41 - 4 ZZ460 水轮机方案的主要参数选择- 42 - 4 ZZ560 水轮机方案的主要参数选择- 45 - 4 HL310 型水轮机方案的主要参数选择 - 47 - 43 蜗壳和尾水管的计算- 51 - 44 发电机的选择与尺寸估算- 53 - 441 水轮机发电机主要尺寸估算- 53 - 442 发电机外形平面尺寸估算- 54 - 443 发电机外形轴向尺寸计算- 5

14、5 - 444 发电机重量估算- 56 - 45 调速器与油压装置的选择- 57 - 451 调速功计算- 57 - 452 接力器的选择- 57 - 453 调速器的选择- 58 - 454 油压装置- 59 - 46 厂房起吊设备的选择- 59 - 47 主厂房各层高程及长宽尺寸的确定- 60 - 471 水轮机组安装高程- 60 - 472 尾水管地板高程和厂房基础开挖高程- 60 - 473 水轮机层地面高程- 61 - 474 发电机楼板高程和安装场高程- 61 - 475 吊车梁轨顶高程- 62 - 476 屋顶面高程- 62 - 477 厂房总高- 62 - 478 主厂房平面尺

15、寸的设计- 62 - 48 水电站厂房的稳定计算 .- 63 - 第五章 混凝土蜗壳的结构计算- 67 - 5.1 内力计算- 67 - 5.1.1 荷载及其计算 - 67 - 5.1.2 载常数计算- 68 - 5.1.3 形常数计算 - 68 - 5.1.4 内力计算 - 69 - 河床式水电站设计及混凝土蜗壳结构计算 5.2 配筋计算- 71 - 5.2.1 顶板 - 71 - 5.2.2 边墙，按照对称配筋 - 71 - 5.3 抗裂计算- 71 - 5.3.1 顶板 - 72 - 5.3.2 边墙- 73 - 参考文献参考文献 - 74 - 后记后记 - 76 - 1.1 流域概况

16、闽江西溪为福建省最大河流上游的西支，流经福建省十四个县市，与闽江 北支建溪汇合于南平市。西溪全长 349 公里，邵武至顺昌段河道坡降 0.9%，已 建安沙水电站位于沙溪中游末端，控制集水面积 5184 平方公里。富屯溪干流全 长 285 公里，邵武至顺昌段河道坡降 1.3%。其最大支流为金溪，全长 253 公里， 地形更为陡峻，河道坡降高达 1.5%，已建池潭水电站位于金溪中游，控制集水 面积为 4766 平方公里。 沙溪口水电站位于沙溪和富屯溪汇合口下游 6 公里的西溪上，控制集水面 积 25562 平方公里制，占闽江流域总面积的 42%，流域内森林茂盛，覆盖良好， 有较好的水土保持条件。

17、1.2 水文气象条件 1. 水文气象情况水文气象情况 西溪的降水量观测，解放前从 1935 年开始，但站点少，资料断续不全，精 度较差。1952 年起陆续增设雨量站，到 1978 年已达 162 处，平均 158 平方公 里设有一个雨量站。蒸发量观测都是解放后开始，本流域共有 16 个观测站。枢 纽区所需的气温，湿度，水温，风向，风力等气象要素的统计，是利用距坝区 下游 14 公里的南平站。 水文测验：西溪最早于 1938 年 7 月在沙溪的沙县。永安设站观测水位和流 量，1939 年相继在宁化清流设水位站。富屯溪以洋口建站最早，于 1944 年 5 月设立，其他各站点均在解放前增设。一般都有

18、二十年以上的实测资料。至 1978 年沙溪沙县站已积累三十年资料，富屯溪洋口站也有三四十年的实测资料。 水利水电工程专业毕业设计 - 7 - 西溪的花竹站，距沙溪，富屯溪汇合口下游约 4 公里，1953 年 11 月设站。 1957 年停测，1960 年 9 月恢复策流至 1966 年 12 月撤消，1979 年恢复观测水 位，汛期测流。 花竹站是西溪控制站，是本水电站水文计算的主要依据站，但仅有 9 年实 测流量资料，而沙县控制站，控制集水面积 9922 平方公里，洋口站控制集水面 积 12669 平方公里，两站总面积已控制坝址总面积的 89%左右，其间无大支流 汇入，为花竹站水文资料插补展

19、延提供了良好的条件。 天然河道水位流量关系曲线，1979 年 3 月在花竹站下游约 1.5 公里鲤鱼洲 坝段社坝址上下水尺。同年青洲、莱舟与梯级开发可能的官蟹，照口设水尺， 观测水位，至 9 月停测。坝址水尺与花竹站相关，青州，官蟹两组水尺和莱舟， 照口两组水尺分别与沙县站和洋口站相关，高水位历史洪水资料控制又分别按 集水面积比的 0.67 次方作相应水尺的区间加入水量，接着以史提文撕法外延求 得。 2. 降水特性降水特性 福建闽江西溪流域属亚热带季风气候，雨量充沛，暴雨频繁，由于地形的 影响，富屯溪上游为闽北高雨区，沙溪属于闽中低雨区，金溪与富屯溪中下游 为两者的过渡带。降雨量地区分布有自东

20、南向北递增的趋势。花竹以上流域实 测最小和最大年降水量在 12362348 毫米之间，多年平均降水量 1776 毫米，六 月降水最多，约占全年总降水量 37%左右。 高风西风槽和地面锋系列相伴出现成锋面雨，是本流域雨季最主要的天气 形势，也是暴雨的主要成因，一般台风雨对本流域影响不显著，但强台风与其 他天气系统相遇时，容易晾成洪患。 3. 气象要素简述气象要素简述 （1）气温 坝区年平均气温为 19.3 度，月平均气温在 9 度以上，最高气温35.0 度的 日数，全年平均为 40.4 天，其中以七八月份为最多。坝区最低气温0 度的天 数，全年平均为 7.6 天，以一月份出现的机会最多。坝区极端

21、最高气温 41.0， 出现在 1953 年 8 月 1 日，极端最低气温-5.8，发生在 1955 年 1 月 11 日和 1963 年 1 月 8 日。 （2）湿度和水温 本流域气候湿润，坝区年平均相对湿度为 79%，月平均最大达 83%，发生 在六月，月平均为 78%，出现在七月。坝区多年平均水温为 20.8 度，极端最高 水温达 35 度，极端最低水温为 5.7 度。 （3）蒸发 河床式水电站设计及混凝土蜗壳结构计算 西溪花竹以上流域蒸发量以邵武，延宁，将乐，清流，永安，沙县六站观 测资料为计算的依据，根据 19521978 年资料求得，多年平均水面蒸发量 970.3mm，年最大蒸发量

22、1092.9mm，年最小蒸发量 888.6mm，年内各月蒸发量 以七月最大，为 144.2mm，二月最小为 38.5mm，陆地蒸发量按水量平衡原理推 求，多年平均为 792.7mm。 （4）风向风力 坝区年平均风速仅为 1.0 秒米，全年各月东北风占优势，定时最大风速实 测记录大于 20m/s，出现在 1962 年的 6 月，相应的风向为西南风，发生大风日 数以 79 月的频次较多。沙溪口大坝的设计最大风速建议值采用 2530 秒米。 4. 径流径流 本流域径流形成至降水，花竹站具有 19541956 及 19611966 年实测资料， 根据九年实测资料与上下游的沙县，洋口，南平，七里街各站点

23、的流时资料， 建立了四种同期上下游年月平均流量的相关图，经比较得选用最大误差较小， 且较为简单的插补计算花竹站年月日平均流量，并将花竹站查补延伸而得 1939 到 1978 年间的 40 年径流系列。考虑支池潭径流系列较短，从 1954 年起才同步， 故坝址多年平均流量采用花竹站 19511978 年流量系列计算得为 778 秒立方米， 径流模数为 30.4 万立方米/秒平方公里。花竹站径流年内分配很不均匀，从一 月递增，六月最大，占全年流量 24.5%，然后逐月的递减，最小为 12 月，只占 全年流量的 2.7%，最大与最小月份比达 9 倍，花竹径流年内分配可见见表 1。 表 1-1 花竹站

24、径流年内分配表 名称一二三四五六七八九十 十 一 十 二 全 年 月平 均径 流 267407 61 8 108 0 173 0 229 0 946606470379288253 77 8 占年 内比 例 （% ） 2.8 6 4.3 6 6.6 11. 0 18. 3 15. 5 10.1 4 8.4 9 5.8 4 4.8 0 5.8 9 2.7 1 10 0 花竹站最小流量可以根据沙县及洋口站 19501978 年实测资料进行插补计 算得，最小值在 1968 年，仅为 78.8m3/s。 5. 洪水洪水 西溪洪水由暴雨形成，特大洪水发生在 46 月，尤其以六月发生机会最多， 每年五，六月

25、份由于高空西风槽，低涡特别的活跃，地面低压锋系出现较为频 水利水电工程专业毕业设计 - 9 - 繁，西南方向来的暖湿气流又加强，当两气团在流域上空交汇时，将形成静止 锋，不仅降水持久且强度大，这是造成本流域大范围降水主要的天气系统，也 是洪水主要成因，本流域距台风源地较远，东南面受博平等山脉的阻挡，一般 台风对本流域的影响不大，若强台风与其它天气系统相遇也将会造成洪灾。根 据 30 年来的实测资料分析，较大洪水形成原因以及历史特大洪水大部分均属与 锋雨造成。 本流域洪水历时一次可达 5 至 10 天，一般 5 至 7 天可以包括最大洪量，锋 型以 C 复峰及多峰居多。 对于入库的洪水，通过计算

26、入库洪峰与天然洪峰的相对增值在 0.25%至 1% 之间，可见影响非常小，建议本水电站直接采用坝址设计洪水。 坝址洪水过程线，考虑将沙溪与富屯溪的洪水相组合。 6. 泥沙泥沙 坝址没有实测的资料，考虑采用洋口与沙县两站实测悬移质输沙率多年平 均值，经过年径流比推算，以洋口与沙县两站多年平均侵蚀模数综合分析的成 果比较推得坝址悬移质年输沙量约为 0.094 公斤/立方米。推移质由于闽北地区 无实测资料，可参照新安江罗桐埠站的分析成果，按悬移质的 30%进行估计， 推得多年平均总输沙量为 302 万吨。 1.3 水库地质 库区位于闽西北的华夏地区，地层以前震旦第建欧群一变质岩和燕山花岗 岩体为主。

27、 库区地层褶皱多呈复式，以向半构造为主习峰期褶皱形态较复杂，次数褶 皱较发育，华力近即光期属于燕山期，大体可分成北东北北东向。北西向和 南北向三组，北东向断层多属压性，但也有弹性的，北西向断层多属张性。南 北向断层，则是以压性为主。 电站所在地区地震基本烈度定位 6 度。 渗漏：库区群山环抱，地下分水岭高于水库设计蓄水位。库岔中无碳酸盐 类岩石分布，故无渗漏之虑。 矿产淹没：未发现有工业价值的矿产，因此不会影响水库的兴建。 库岸稳定：已查明，不稳定或滑块体有沙溪口公路上游 600 米右岸及沙溪 口公路桥上游的一块，规模估计总计约数万立方米。此两处距坝址约为 7 公里， 纵使坍滑对电站也无影响。

28、在绿水坑上游侧 2200 米处，岩层有侏罗系有顺坡向 断层构成滑动面。经推算，认为不论是现在或蓄水以后都应该是稳定的。 原上坝址右岸距电站厂房约为 500 米，边坡地形较平缓，120 米高程以上 坡积层经过多次滑动，已经趋于稳定，下部岩体风化较发育，T4 和附近岩体张 河床式水电站设计及混凝土蜗壳结构计算 开松弛，拉裂，T4 的缓倾角结构面末出坡脚，高程 80 米以下的基岩出露与河 库风华岩无露头，片理结构均可延续，边坡下部不存在滑裂面，蓄水后不可能 在坡脚长生脆性破裂，酿成严重滑坡。 1.4 坝址工程地质条件及坝轴线选定 1 坝址选择坝址选择 在西溪的花竹，鲤鱼州河段选定两个比较坝址，相距约

29、 500 米，称为上下 坝址，选坝会议认为：从地质条件上比较，上下坝址无质的差别，均可修建 50 米左右混凝土重力坝，相对下坝址好。并要求对下坝址两岸坝头稳定条件及河 库倾角软弱夹层分布和力学性质作进一步查明，以分析其对坝基稳定的影响。 综合其它条件，选定下坝址作为沙溪口水电站的坝址。 2 选定坝址的工程地质条件选定坝址的工程地质条件 坝址地层是由石英片岩、长英片岩和云母片岩所组成，左岸、左河床由石 英片岩与云母长英片岩组成。河床礁滩部分及右岸则为云母长英片岩，夹石英 片岩和云母片岩。岩性以石英片岩最为坚硬，长英片岩次之，云母片岩最软， 但其抗压强度一般也有 500kg/cm2。岩层走向为北东

30、向，倾向下游偏右岸。 坝址位于鲤鱼洲向斜的西北翼，构造线以北东北北东为主，被向斜构造多 呈小型复式褶皱，背斜较紧密，向斜较舒缓。揉褶多发育在云母片岩之中，断 裂以北东北东向较为发育，北北东，北西，北西西次之，断层宽度在 0.133.0 米，规模最大的北西，北西西向 F50 断层通过左河槽，宽为 1015 米。 断层带由胶结角砾岩压碎岩组成，对工程地质条件影响不大。F50 断层宽 30 米， 需作防渗处理。 左右岸均无深层滑动可能，左岸控制其过坡稳定的滑动面的为片理面，在 坝肩开挖后，坝肩上下游局部地区片理面和顺层撞压带，可能会引起边坡失稳。 左岸各种岩面的稳定坡角若坡高为 2030 米，可用

31、4560。右岸大部由全风 化和强风化所组成，其稳定坡角建议为 4045。 坝基下游不存在临空地形条件，也没有发现有较缓倾角泥化层和贯穿河床 的缓倾角结构面，可以认为基础是稳定的。 坝基岩面属于裂隙性的含水层，受构造断裂影响，方向性明显，局部断裂 带和断裂影响带为较严重的透水带，经推算得绕坝渗漏和坝基渗漏量约为 500 立方米/一昼夜，相对降水层的埋深不大。 综上所述，可认为本坝址对于径流式水电站来说是比较理想的坝址。 3 坝轴线选定坝轴线选定 选定坝址后，对于原拟订三条勘探线的勘 1，因上游临近左河床深潭，潭 底最底高程为 44.0 米，同时 1，2 勘线之间河床深槽存在 F50，F6 等断裂

32、聚汇 水利水电工程专业毕业设计 - 11 - 带；3 勘线下游右岸靠近冲沟。为此放弃勘 2 线的上游和勘 1 线的下游作为坝 轴线比较范围。将坝轴线比较范围限在勘 2 线勘 1 线之间，且增设 4 线加密勘 探，结果认为 4 勘线两岸新鲜基岩利用面较高，尤其右岸在 4 线附近的岩体新 鲜坚硬完整，可作为齿墙基础，因此从地质条件分析，认为勘 4 线作为坝轴线 是最合适的。 4 岩石物理力学性质岩石物理力学性质 坝基各类岩石的室内物理性能实验成果见表 12 表 1-2 岩石室内物理性能的实验成果 容重 （g /cm3） 近似垂直面 抗压强度 （kg/cm2） 岩 石 名 称 数 量干湿 比 重 吸

33、 水 率 （%） 孔 隙 率 （%）干湿 软 化 系 数 实 验 组 数 石 英 片 岩 最大值 最小值 平均值 2.74 2.72 2.73 2.74 2.73 2.74 2.78 2.76 2.77 0.24 0.11 0.17 0.81 0.72 0.53 1992 717.2 1478.8 1358 611.9 1078.2 0.86 0.61 0.76 8 云 母 长 英 片 岩 最大值 最小值 平均值 2.73 2.69 2.71 2.74 2.70 2.72 2.8 2.76 2.78 0.24 0.20 0.22 0.24 0.81 0.52 1428.1 1157.7 126

34、1.2 993.2 762.2 909.4 0.78 0.66 0.72 7 云 母 片 岩 最大值 最小值 平均值 2.74 2.68 2.71 2.75 2.7 2.74 2.84 2.83 2.84 0.56 0.25 0.39 0.3 0.52 0.41 1680.5 925.8 1303.2 519.9 511.2 515.6 0.55 0.31 0.42 2 注：1.石英片岩近似平行于理面的两组干抗压强度平均值为 841.2 公斤/平方厘米。 2. 云母片近似平行于理面的一组干抗压强度值为 296.7 公斤/平方厘米。 坝基是由三种岩性所组成的。在坝体结构及裂隙发育程度并考虑软化系

35、数 较低情况建议利用区内岩石抗压强度 1/10，其值可表 13。 岩石与岩石，岩石与混凝土之间抗剪强度实验，选取河床微风化新鲜岩石， 制备 202020 厘米试样确定，其成果可见表 14。 根据室内单点法实验组，结合坝基得地形地质条件分析，摩擦系数可采用 算术平均值，乘上折减系数 0.85，粘聚力建议可采用算术平均值的 1/5，见表 河床式水电站设计及混凝土蜗壳结构计算 15。 建筑物部位的分段混凝土/岩摩擦系数建议值 右岸挡水段 f =0.5 船闸 f=0.45 溢流段 f=0.51 厂房段 f=0.50 各类岩石变形的模具量建议值如下： 新鲜石英片岩 20104公斤/厘米 2 新鲜云母长英

36、片岩 15104公斤/厘米 2 新鲜云母片岩 10104公斤/厘米 2 表 1-3 坝基岩石承载能力列举数值 建议数据（公斤/厘米 2） 岩 性 垂直片理岩平面片理岩 微风化新鲜的石英片岩10055 微风化新鲜的云母长英片岩9045 微风化新鲜的云母片岩5010 表 1-4 岩石室内实验成果表 抗 剪 算术平均值图解法最小二乘法 岩 性 实验 条件tgYCtgYCtgYC 组 数 岩/岩0.511.020.512.050.482.2718云 母 片 岩 混/岩0.572.720.553.10.513.429 岩/岩0.532.700.532.770.513.1411云 母 长 英 片 岩 混/岩0.553.02 石 英 片 岩 混/岩0.582.820.563.16 备分析中舍去少数偏大的成果 水利水电工程专业毕业设计 - 13 - 注 表 1-5 岩石抗剪强度指标建议值 建 议 值岩石名称边界条件 摩擦系数粘聚力（C）公斤/厘米 2 云母片岩岩/岩0.430.38 云母长英片岩岩/岩