红石河床式水电站设计毕业论文.doc

'红石河床式水电站设计毕业论文1.1流域概况与气候条件1.1.1流域概况红石水电站位于第二松花江的上游，在丰满水库干流回水的末端。坝址以上的流域面积为20300km2，其上游38km处的水库末端为白山水电站。红石电站系松花江与上游白山电站与丰满电站之间的一个梯级电站。红石以上流域位于长白山脉的西北坡，发源于长白山天池，分头道江、二道江，并在下两江口汇合成为第二松花江干流，流向西北。本流域南临鸭绿江上游，东北为图门江与牡丹江，其西南为浑江流域。白山到红石区间的流域面积为1300km2，较大支流均在右侧：有苇沙河，控制流域面积534km2；色洛河，控制流域面积456km2。此二大支流占全区间面积的76％，且流经山谷之中，河道的平均比降6‰左右。流域内为山林区，植被尚好。由于两支流长度相近，暴雨后的洪水集流较快，区间流量较大。红石流域概况见图１。第54页共页 图1-1红石流域概况图1.1.2气候条件红石以上流域处于高寒地区，冬季较长，积雪较深，夏秋季多雨。红石站的年降雨量变化在600～1100mm，多年平均雨量为854mm。夏秋季(6～9月)雨量约占全年雨量的(60～70)％，年蒸发量据白山站观测资料统计，变化在850～1174mm。从红石站现有气象观测资料中统计，多年平均气温为3℃，最低气温是－36.5℃，最高气温是38℃，最大风速为25.3m/s(西北风向)，由于观测年限不长，这些气象数据仅供设计时参考。表1-1红石站气温统计表月份1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月全年平均(℃)-19.2-15.3-5.44.913.117.631.621.013.05.3-5.5-15.23.0最高(℃)4.012.019.027.031.633.037.037.036.027.016.18.538.0最低(℃)-36.5-31.7-28.6-10.8-10.83.09.40.8-2.0-12.0-24.0-33.5-36.5第54页共页 红石河段冰期较长，一般在十月中旬即可见冰，十一月上旬开始流凌，十一月下旬开始封冻，直到次年四月上旬开江，四月中旬才进入无冰期，整个冰期可达5～6个月。1.2水文站与径流资料红石水文站位于坝址下游2km处，1936建站，1945年～1950年缺测，解放后继续观测至今。白山水文站位于红石坝址上游约38km处，1957建站，连续观测至今。白山至红石区间各支流均未设站进行观测。在苇沙河上的夹皮沟仅有一处雨量站，约有20年的观测资料。因此，区间的洪水参数主要是根据邻近地区河流的水文观测资料综合分析出来的。由于白山水库已经蓄水发电，红石坝址的天然来水将被调节，因此红石电站的年月径流主要是根据白山水库调节后的径流和白山坝址至红石坝址区间的径流综合而成。白山站的年月径流资料经插补延长可得1933年以来约40余年的径流系列。其多年平均流量为239m3/s；红石站的年月径流资料经插补延长亦可得到40余年，其多年平均径流量为258m3/s。白山至红石间未进行过专门水文观测，仅有干流两站1957年以来同步对应的观测资料，区间的径流由两站相减而得。经红石站长短径流系列的比较，采用1956年至1971年的代表段系列，其多年平均流量为258m3/s。在这个代表段中既有明显的丰水段(1960-1964年)，平均流量为297m3/s，也有枯水期(1967-1970年)，平均流量为194m3/s。这个系列基本上可反应出径流的年际与年内的各种分布情况，详见表2与表3。各控制点的年月平均流量及年径流统计成果参见表4和表5。表1-2白山站年月平均流量表(m3/s)年份1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月年5638.634.557.6318524727106048336710969.543.73205739.235.437.4557418328272101026616690.446.72725844.240.182.329630928221214092.210167.451.81435941.434.263.329128925157330328623317445.62166041.738.775.2294507663448142038314890.447.03466137.334.072.429433319350151245215811856.22306242.839.943.950139113620556643217313362.72276344.537.652.525020415681957660228713453.52686443.535.442.1715291392505129028113171.647.03206541.443.648.444552514410762528911782.946.32106641.236.262.156842331352964217816016954.12646747.640.673.734050228540824390.374.159.430.7183第54页共页 6829.828.661.423720838231427429010688.978.81756937.136.842.330537162344031713310058.240.12087035.234.443.026836014216631498.096.387.643.51417131.928.559.820723461082672344026410149.6298平均39.836.257.3367.9368.1351.7461.6589.9292.5151.599.749.8239表1-3白山～红石站区间年径流表(m3/s)年份1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月年563.52.43.422.036.050.070.034.026.08.04.83.022.0572.72.42.538.028.022.019.070.018.012.06.23.218.7583.12.85.732.013.010.010.05.06.04.07.43.58.6592.62.14.416.020.017.021.031.034.022.03.03.214.7602.83.18.925.049.052.039.080.027.010.06.33.225.5612.72.45.420.016.011.015.032.039.010.08.04.013.8623.02.73.035.034.09.017.034.020.09.010.04.315.1633.12.83.716.08.04.074.015.047.036.09.04.018.5643.02.53.050.020.08.06.090.03.09.05.03.116.9652.83.13.338.065.013.07.076.042.08.05.73.322.3662.82.52.653.042.021.071.0111.022.08.08.03.929.0673.34.31.935.072.037.054.043.08.03.96.32.122.6682.02.04.343.014.026.031.021.028.012.06.15.616.3692.62.63.031.022.030.028.039.014.06.04.02.915.4702.42.43.060.026.014.025.031.015.05.76.23.016.2712.22.02.818.028.048.099.097.045.019.09.03.631.1平均2.82.63.833.330.823.336.650.624.611.46.63.519.2表1-4红石、白山及区间多年月平均流量表(m3/s)月份1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月全年白山39.936.257.436836835246158929215199.850.1239区间3.82.63.833.330.723.336.750.524.711.56.63.519.2红石43.738.861.240136937549864031716310653.6258表1-5白山、区间径流统计成果表(m3/s)控制点各种频率(P%)及对应流量值12510255075809095第54页共页 白山436408368336282232186176153134区间3935.731.928.423.218.414.213.511.19.0注：白山站的均值为239m3/s，Cv=0.3，Cs/Cv=2；白红区间的均值为19.2m3/s，Cv=0.36，Cs/Cv=2。1.3设计洪水分析成果红石水电站的设计洪水重点是研究区间的设计洪水。由于该区间未进行水文观测，而由上下游站相减所得的洪水资料又精度太差，因此采用地区综合分析法，在本流域附近选用了六个参证站，进行统计分析，从而得出区间的洪水参数与设计成果，详见表6。表1-6白山至红石区间设计洪水成果表项目各种频率(P%)及对应流量值0.010.020.10.20.330.5123.351020洪峰流量4840445034503040274025002110172014601220872540三天洪量2.712.552.121.941.811.701.521.331.21.080.880.68注：流量的单位为：m3/s，洪量单位：108m3。洪峰流量的均值为360m3/s，Cv=1.2，Cs/Cv=2.5；三天洪量的均值为0.45×108m3，Cv=0.72，Cs/Cv=2.0。造成红石以上流域的特大暴雨天气系统，主要是北上台风。其暴雨特点是降雨历程短，暴雨集中，强度较大，主要降雨历时集中在24小时内。区间的洪水一般集中在三天内，因此设计洪水过程线以三天洪量为控制。对于该区间的典型洪水过程线，由于红石与白山站1960年洪水相减的区间过程线不合理，因此借用了邻近流域且与区间主要支流集水面积相近的木萁河梨树沟站的1960年实测资料作为典型洪水。区间各种频率的设计洪水过程线成果见表7。表1-7白山至红石区间设计洪水过程线(m3/s)月.日时典型Q1960年0.010.020.10.20.330.513.3510208.23473.0404382324298280264239193.175146115780.04464223573203102922642131941611271092.0510482408376354334302244221184239131146315975064654384133743012742282791621511901130955878825776705567516430438第54页共页 193481930182015401420134012601140920835743467224522500236020001840174016301480119010808574962415404840445034503040274025002110146012208725404428238022401900175016401550140011301030857527730216701580134012301160109099079772560449410224124011709939158608117355925384483721319110601000846780733692626505458382320161588758277006456065725184173793162681913273169258554050747843334831726422722110610576488450423398360290264220193251106587555470433407384348280254212186497.7540512433398375354320258234195158791.65084804063753523323002422201831441084.54684423743463243062772232031691321378.54344123483213022842572071881571231673.34063843253002822652401931761471151968.53793583042802632482251811641371072270.038736731028626925323018516814011026166.4367348294271255240218175159133104根据红石站暴雨洪水季节分布特点和施工情况，确定分期洪水为汛前期(4月15日～7月15日)，大汛期(7月15日～9月15日)，大汛后(9月15日～封冻时)三个时段。施工洪水的计算方法与大汛期设计洪水相同，也是采用临近站作为参考综合分析出区间的施工洪水，其成果见表8。表1-8分期洪水成果表时段4月15日～7月15日9月15日～封冻时P%5102051020Qp(m3/s)30826120810477571.4工程地质条件红石坝址在大地构造上属于华北地区辽东台背斜的北部边缘，坝址下游16km处为性质不同的另一构造单元，即吉林--海西褶皱带，中间以桦甸--辉发河断裂所隔。坝址距离辉发河深大断裂边缘约5km左右。第54页共页 本区出露的地层主要为前震旦系鞍山群之混合岩系，后期侵入各种岩脉。第三季末至第四季初之玄武岩分布在高山顶上。混合岩经历历次构造运动，产壮变化较大，其构造线方向大致为北东东向和近东西向。从前震旦纪吕梁运动开始，该区即发生褶皱、断裂、变质等作用，并隆起成山。桦甸--辉发河大断裂也同时形成，大致为北东东向。以后历次构造运动都有不同程度的影响。本区地震烈度根据辽宁省地震局1975年关于红石电站的基本烈度报告中人为，该电站靠近桦甸--辉南地震活动带，历史和近期均有地震发生，现今地震活动频繁，该区具有一定的发震构造条件，认为红石电站地区地震烈度以此为7度为宜。水库两岸山体雄伟高峻，无低凹哑口和单薄分水岭。构成库区的主要岩石为前震旦纪结晶岩类和少量后期穿插的岩层，均系不透水岩石。两岸玄武岩和地下水位分布高程均高于正常水位，故水库蓄水后无永久性渗漏的可能性。库区河谷狭窄，库边一般为基岩河岸，第四季覆盖不厚，植被茂密，不致产生大的坍岸，固体径流来源有限。坝区河谷呈U形，河谷底宽300～400m，平水期河床宽170m左右，水深1～2m。两岸分布有不对称的漫滩与阶地，谷坡20°～35°，两岸山顶为玄武岩台地，比河床高200m～250m左右。坝址上游右岸漫滩长约600m，宽约80m，高出江面水位0.5～1m。左岸漫滩宽约50m左右，一级阶地宽60～70m，比河床高7～13m，阶面平坦，延伸至上游250m左右趋于尖灭。构成坝区的主要岩石为前震旦纪混合岩，中生代岩脉穿插在其中，第四季主要分布在河谷及两岸山体上。混合岩：灰白色，由伟晶质脉体和基体熔合而成。脉体成分有石英、钾长石、斜长石、黑云母等。基体由原岩黑云母片岩、斜长角闪岩组成。混合岩风化程度较低，岩石致密坚硬，抗风化能力强，但基体抗风化能力较差。中生代岩脉多次侵入，分布密度和变化均较大，主要有以下岩类：花岗岩(包括斜长花岗岩、花岗斑岩)：此类岩石为坝区分布最多的岩脉，宽度一般2～10m，个别宽达30～40m，一般为浅肉红色，主要矿物成分有正常石、斜长石、石英及角闪石、泥石等组成。斑状～粗细粒结构(斑晶为正常石、斜长石等)，块状结构构造，岩石性脆易碎，单块岩石致密坚硬，抗风化能力强。花岗岩闪长岩：浅肉红色，中细粒花岗结构，块状结构构造，主要矿物成分有斜长石、角闪石、石英和黑云母等组成。煌斑岩：灰绿色或灰黑色，主要为细粒结构，略呈斑状，斑晶大部分为角闪石及少量辉石，基质以斜长石为主。暗色矿物多已蚀变成绿泥石化和碳酸盐化，岩石致密坚硬，脉细而密，穿插于上述岩石之中。第54页共页 第四季坡残积层覆盖于两岸山坡，主要由亚砂土夹碎石和富含腐植质的表土组成，一般厚度1～5m，最厚者大10～11m。构成左岸阶地的冲积层由上部的粉细砂(厚度约1～5m)和下部砂砾石(厚度约4～7m)组成。河床冲积的砂砾石层厚度大1～4m。主要岩石的物理力学性质，以及室内岩石与混凝土摩擦试验结果详见表9与表10。坝区岩石经受多次构造运动作用，断层、裂隙、岩脉均较发育。混合岩片理方向变化不大，但总的走向近北东东向，倾向西北，倾角变化较大，一般为60°～70°。坝区断层方向主要有三组，最发育的为走向北东5°～20°，以F6为代表，是斜穿河床通过坝基的断层，倾向下游，倾角一般为60°～85°，有近水平与高角度两组擦痕为逆平推断层，宽度达9～15m，坝基部位宽度为10～11m，该断层与坝线约成30°锐角相交，通过坝基长约55m左右。断层是由2～3条0.3～0.8m宽的断层泥和片状、砂砾状、角砾状夹层泥等物质组成的断裂破裂带，在深部仍胶结不好，虽系高角断层，对坝基变形及抗滑稳定仍造成不利的影响。表1-9室内岩石与混凝土摩擦试验成果汇总表岩石名称剪切面性质指标名称项目混凝土/岩石抗剪强度摩擦系数剪应力P=6P=8P=10P=12kg/cm2kg/cm2kg/cm2kg/cm2混合岩半风化粗磨面组数5555算术平均值5.106.888.5010.440.86小值平均值4.506.407.009.600.76最小值4.505.607.009.000.70微风化细磨面组数5555算术平均值5.405.447.5410.680.83小值平均值4.504.936.738.400.67最小值4.204.806.008.400.60表1-10岩石物理力学性质试验成果汇总表岩石名称指标计算值重度/(kN/m3)孔隙率吸水率抗压强度(MPa)烘干饱和烘干饱和冻后混合岩半风化组数5555535算数平均值26.826.827.40.950.19117.6119.2小值平均值26.426.427.00.360.17107.6100.1第54页共页 新鲜组数22112221算数平均值27.427.427.51.090.14129.597.0128.8花岗岩半风化组数33223131算数平均值25.926.226.93.710.73169.7161.650.8新鲜组数22222222算数平均值26.026.227.14.060.70178.9169.1162.3煌斑岩半风化组数22222算数平均值26.826.927.70.38131.4坝基岩石透水性微弱，坝下渗漏量极小。但由于渗透而产生的压力对坝基稳定将有一定的影响。根据岩石的渗透性质，一般在25m深以上单位吸水量大于0.03l/m.min，因而建议帷幕深度一般不小于20～25m(由坝基岩面算起)；对断层破碎带部位，帷幕应考虑适当加强。坝基范围内虽为抗风化的岩石，但由于构造复杂，断层、岩脉众多，纵横交错，节理发育。从钻孔中看，几乎是孔孔见岩脉、小断层和小破碎带，使岩体失去完整性，岩石风化程度相差悬殊。对坝区结合工程情况，将岩石风化状态分为全风化、半风化与新鲜岩石三类。坝基各地段岩石的风化深度参见表11。表1-11：坝基各地段岩石的风化深度表地段风化状态左岸山坡左岸阶地河床右岸备注覆盖层6～124.5～110.5～40.5～5.5岩石风化深度从地面算起全风化岩石6.5～146～14.50.5～51.7～8半风化岩石18～2112～216～137～12.5从岩石的风化状态和岩石的强度来分析，作为高约40m的混凝土重力坝，建基面在半风化岩石的下部是可以的。这里所指的半风化岩石下部作为建基标准是要求岩石要具有一定的强度并较完整，节理裂隙基本无泥，通过固结灌浆岩石的完整性能得到显著改善。建议开挖深度从地面算起：右岸5～7m，河床4～5m，左岸阶地10m左右，左岸山坡10～12m。参照已有的试验成果，结合红石坝坡构造和岩石状态，建议坝基F6断层以右，混凝土与半风化岩石摩擦系数采用0.65，断层以左采用0.6，F6断层带采用0.45。1.5建筑材料勘探了四个砂砾石料场，分别为：加级河、加级河口、坝上、桥下江心料场，均为A2级精度，共计勘探储量149×104m3。各料场质量均能满足要求；储量情况详见表12第54页共页 。这些料场分布在坝址上下游0.5～4km范围内，运输条件好。但这些料场地下水位埋藏浅，一般均需水下开采，开采条件较差，洪水期间被淹没。表1-12料场分布情况料场类型砂砾石料土料料场名称坝上桥下江心加级河口加级河万良河本电站勘探级别A2A2A2A2A2B产地面积(104m2)3.48.73.630.5892.026.0产地位置与距坝址距离坝上右岸滩地，距坝址0.5km坝址下游江心，距坝址约3km坝下左岸滩地，距坝址约3km坝下游左岸支流加级河，距坝址4km坝下游左岸支流万良河，距坝址9km坝下游右岸桥下阶地上，距坝址4～5km无效层平均厚度(m)00.660.140.870.860.90有效层平均厚度/m3.712.862.863.232.252.40无效层储量(104m3)07.640.0526.5878.2有效层储量(104m3)13.0126.5810.04100.0415.662.4水上储量(104m3)05.501.1622.050.3水下储量(104m3)13.0121.088.8878.0365.3产地概况系江边滩地，洪水期被淹没，需水下开采。质量较好，距坝址较近，交通运输方便，但位于坝上库内，需早期开发。系江心滩地，洪水期被淹没，大部分需水下开采。质量较好，交通运输条件好。系江心滩地，洪水期被淹没，需水下开采。局部砂砾表面含少量铁锈，交通运输条件好。河口滩地与阶地，阶地覆盖亚砂土或亚粘土，地下水埋藏较浅，大部分需水下开采，洪水期被淹没。场地开阔，均系耕地，砂子粘土杂质偏大，运输条件好。系河口滩地与阶地，覆盖较厚。地下水埋藏较浅，基本上需水下开采。场地开阔，耕地面积大，交通运输条件好。场地开阔，开采条件好，储量大。天然含水量大，平均32.3～45%，粘土颗粒含量高，属砂质粘土。交通运输条件好。以上几个料场，加级河与加级河口两个料场，粗骨料中含玄武砾石较多，加级河料场砂子含泥量偏大，其它质量均能满足技术要求。坝下9km处的万良河料场可作为补充料场。土料场(红石料场)位于坝下3～4km，已做B级勘探，质量、储量均可满足要求。第54页共页 1.6水利动能红石水电部是第二松花江上游白山水电站的下一梯级电站。电站的主要任务是发电。结合水库特性、地区要求可发挥养鱼等综合利用效益。电站建成后将同白山水电站一起投入东北主网，担任系统调峰、调相及少量的事故备用，同时兼向吉林省盘石、桦甸地区供电。水库下游红石至丰满电站区间河段内，无防洪要求，加上红石库小，不承担下游防洪任务。地区对工农业用水、航运、过木、过鱼等均去要求。水库蓄水后提供了发展渔业的有利条件，需重点清库以利捕捞。第二松花江白山至红石河段，河谷狭窄，沿江两岸无大的城镇、工矿企业及大片农田等重要保护对象；坝区地形地质条件较好，加之上游白山电站的兴建对第二松花江的天然来水进行多年调节，大大改善了来水的不均匀性，使红石水电站能以较少的淹没损失和工程量获得较好的电能指标。所以红石水电站设计蓄水位的选择取决于同白山水电站尾水位的合理衔接，以充分利用白山以下河段的水力资源。鉴于白山水电站机组安装高程为286m，水轮机运行期间的吸出高程Hs=-5m左右等技术指标，并考虑白山坝下施工堆渣将壅高发电尾水位的情况，选用设计蓄水位为290m高程为宜。白山至红石区间河段集水面积不大，百分之九十来水经白山水库进行调节，红石水库库小，仅能考虑日调节，增加水库削落深度将增加电能损失，故水库水位削落过大显然是不合适的。根据上述情况，按日调节要求，并考虑在必要时尚能满足一台机组担任事故备用八个小时这个条件确定水库设计低水位(死水位)为289m。东北地区电网大，发展快，而水力资源又较少，开发条件较好可用于调峰的电站为数不多。红石水电站不但上有白山电站调节，而且地理位置适中，因此适当加大装机容量以满足电力系统的要求是很必要的。建议红石水电站装机容量的选择应考虑如下因素：(1)机组过水能力应与白山机组的总过水能力900m3/s相适应；(2)年利用小时数控制在2000h左右；(3)参照国内机组的实际生产情况。1.7坝线与坝型红石坝线的选择曾进行过大量的工作。曾对小陈木匠沟以上至鸡冠砬子一段的上坝段研究了四条坝线。经比较认为上-II坝线较为优越。后来又对小陈木匠沟以下至兰旗一段的下坝段选了三条坝线作为当地材料坝的比较坝线，经地质勘察论证，下-I第54页共页 坝线地质条件较好。最后又对上-II坝线和下-I坝线进行了比较，认为上-II坝线地质条件较好，故推荐上-II坝线为选用坝线。各坝线位置见图2。红石大坝坝型，经对当地材料坝和混凝土坝比较后，相应推荐混凝土宽缝重力坝及混凝土重力坝方案。后对混凝土重力坝方案又进行了分析，共比较了五种混凝土重力坝坝型，即重力坝、宽缝重力坝、空腹坝、支墩坝及空腹支墩坝。五种坝型在稳定及坝基应力条件上均可满足要求。重力坝和宽缝重力坝的优点是：结构简单、施工方便，但缺点是：混凝土及开挖工作量均较大；两种轻型支墩坝的主要优点是比重力坝可节省混凝土25%～30%，但缺点是增加模板约30000m2，施工麻烦；空腹坝属于混凝土重力坝型，比重力坝能节约35000m3混凝土，且可结合坝体挡水降低围堰高度，有加快施工进度的条件，但缺点是空腹拱顶有一部分混凝土需采取较严格的温度控制措施，且有一部分倒悬模板，施工也较麻烦。鉴于红石坝基岩石比较破碎，有七度地震要求，轻型坝在坝基应力分布及横向抗震性能方面要比重力坝型差些，因此不宜采用。至于前三种重力坝型工程量差别不大。考虑近些年来在东北地区修建的中等高度的混凝土坝如回龙山、参窝、太平哨等均采用混凝土重力坝型，施工实践经验比较丰富，因此建议采用混凝土重力坝型方案。第54页共页 图1-2坝线位置图1.8枢纽布置本工程为坝式水电站，主要包括拦河大坝与发电厂房两大部分。红石坝址主河床偏向右岸，左岸河床为河漫滩地，F6断层从左岸河床与坝轴线斜交约30°通过。该断层破碎带较宽，对溢流坝及厂房布置等都有一定的不利影响。因此，曾对左右岸厂房布置方案做过认真的分析比较。经过分析比较认为左岸厂房的主要优点是：(1)第54页共页 溢流坝布置在河床右侧，泄流洪水可从主河床宣泄，能适应下游天然河床流态，不会造成河道严重冲刷或淤积，尤其对避免厂房尾水渠回流淤积也较有利。(2)溢流坝下游冲刷部位大部分可避开F6断层，对保护下游坝基安全比较有利。(3)左岸山体平缓，对副厂房、变电站布置比较方便，输电线路出线也较方便。(4)施工场地、对外交通、电站管理及生活区均在左岸，故对施工及运行管理都较方便。左岸厂房的主要缺点是：(1)厂房要有一部分位于或接近F6断层，对机组沉陷有一定不利影响。(2)尾水渠覆盖层开挖多约13万m3。综合以上几个方面，认为左岸厂房优点较多，且很重要。关于F6断层对机组沉陷的影响，由于机组部位开挖较深，且F6断层要经过工程处理，可最大限度地降低对厂房的不利影响。因此建议用左岸厂房布置方案。关于厂房型式曾研究过坝后厂房与河床厂房两种型式。因后者厂房为正体结构，厂房混凝土可作为大坝的一部分共同满足大坝抗滑稳定需要，故河床厂房可接生混凝土约2万m3，因此选用河床式电站型式较适宜。红石大坝的设计泄流流量较大，加之坝基不够理想，岩石较为破碎，且下游有F6断层通过。因此，选择一种合理的消能型式甚为重要。经过初步水力计算表明，由于下游水位较高，鼻坎挑流难以形成，底流消能比较理想。但流量变化过大时，流态很不稳定。近年国内外倾向研究消力戽消能型式，且在我国石泉水电站已采用，效果尚好。因此，曾重点对消力戽型式进行了水工模型试验，共进行了三个消力戽圆弧半径(7.5m、10m、12.5m)及四种鼻坎角度f(35°、40°、45°、50°)的比较，试验表明以R=12.5m、f=40°的型式为最好，流态为淹没混合流，比较平稳，对尾水渠回流淤积影响较小，下游冲刷深度也较浅，最深约为3～9m。因此建议选用消力戽消能型式。1.9对坝基处理的意见坝址基岩岩脉较多，断层裂隙均较发育，岩石比较破碎，透水性强。因此，主要断层应做彻底处理，防渗帷幕需要加强，坝基应做全面固结灌浆。主要断层F6应做开挖处理，开挖深度10m，并回填混凝土，混凝土塞沿断层走向向坝基上下游边缘以外各延伸10m，断层开挖后两侧和局部进行固结灌浆。其余断层，宽度不大，倾角较陡，均考虑挖至一定深度回填混凝土的方法处理。坝基帷幕：因岩石表面裂隙发育，透水性强，距地表30m以内，单位吸水量第54页共页 W³0.03l/min.m，30m～40m单位吸水量约为0.01～0.02l/min.m。据此，在坝基轴线下游约4m处，设防渗帷幕一道，孔距2m，孔深从基岩面算起在河床部位约25m，岸坡部位20m，F6断层附近加深至30m。为提高帷幕效果，在主帷幕前另设辅助帷幕一道，孔距10m，孔深10m。防渗帷幕灌浆可在灌浆廊道中进行。帷幕后设基础排水幕一道，另在排水廊道内设一道排水幕。为了提高坝基基岩的完整性，在坝基范围内全面进行固结灌浆，孔距排距2m，孔深6m。在岩石破碎部位，固结灌浆可在坝基混凝土浇筑约为2m厚度以后进行。1.10红石河段水位流量关系等曲线(见附图)图1-3库水位与容积关系曲线第54页共页 图1-4库水位与水库面积关系曲线第54页共页 图1-5水位——流量关系曲线水位——流量关系曲线的具体数据见下表。流量Q(m3/s)100200300500100020003000坝址下30m水位(m)263.26263.71264.1264.63265.65267.37268.75坝址处水位(m)263.27263.72264.12264.66265.7267.45268.85流量Q(m3/s)50007000900011000130001500020000坝址下30m水位(m)270.67272.1273.78274.4275.47276.5279.15坝址处水位(m)270.8272.25273.43274.55275.62276.65279.3图1-5东北地区2000年电力系统负荷图第54页共页 1.11红石上一级白山水电站简介白山电站水库设计蓄水位413m，相应库容53.1×108m3，死水位为372m，电站二期工程扩建后，死水位抬高至380m高程，相应库容分别为17.7×108m3与22.4×108m3，电站枢纽主要由149.5m高的混凝土重力拱坝及两岸厂房组成。坝身设溢流高孔及泄水深孔泄洪。第一期电站采用右岸地下式厂房，装三台单机容量为300MW的机组，保证出力为167MW，年发电量为20.0×108kW.h。左岸预留二期扩建电站容量为600MW。电站最终总容量为1500MW。白山百年洪水泄量为6900m3/s，千年洪水泄量为9950m3/s，保坝洪水泄量17000m3/s。十年洪水泄量5250m3/s，三十三年(P=3.3％)洪水泄量为6000m3/s。有效兴利库容28×108m3。2红石水电站的有关水能计算2.1水能计算的目的水能计算的目的是确定红石电站的保证出力N保、装机容量N装与多年平均发电量，为后面的计算提供必要的数据。2.2红石电站的径流量Q红石径流是指流域表面的降水由地面与地下汇入河川，并流出流域出口断面的水流过程。径流量就是单位时间内通过某一段面的水量，常用单位为m3/s。红石电站的水能计算的根据是红石电站的径流量，而红石电站的径流量＝上游白山电站的调节流量+白山～红石区间的径流量，即（2—1）式中——在设计过程中为了得到较为准确的结果，通常乘以一个系数，本设计取2.2.1白山电站的调节流量2.2.1.1水量差积曲线第54页共页 参考《水利水能规划》（第二版）中的兴利调节时历图解法P49，采用水量差积曲线计算白山电站的调节流量过程线，并画出调节流量过程线，然后作出水量差积曲线与满库线的公切线（这是难点）。水量差积曲线是在水量累积曲线基础上得到的。水量累积曲线表示来水或用水随时间变化的关系，是以时间为横坐标，从计算起始时刻（坐标原点）到相应时刻之间的总水量为纵坐标，以直坐标绘制。天然径流不会是负值，故水量累积曲线呈逐时上升状。当历时较长时，图形在纵向将有大幅度延伸，使绘制和使用不便。若缩小水量比尺，又会降低图解精度。针对这个缺点，在工程设计中常采用水量差积曲线来代替水量累积曲线。若保持横坐标网格原有宽度不变，使水平横轴向下倾斜一个角度即作一种“错动”，也就是说把表示流量值等于零的水平横轴Ot错动到Ot’位置，这就称斜坐标水量累积曲线。从斜坐标水平轴上时刻量到水量累积曲线的纵距，表示自起始时刻到期间的总水量与以水平轴方向所代表流量的同期水量之差，称差积水量。这种在斜坐标里绘成的水量累积曲线对水平轴而言，叫做水量差积曲线。即把斜坐标网格换成水平横坐标网格，却不动其曲线，这是曲线就成水量差积曲线。差积水量的数学表达式为(2—2)或近似表示为(2—3)式中Q——在式(1—2)和式(1—3)中分别为瞬时流量和时段平均流量；Q定——接近于绘图历时平均流量的整数值，在本设计中设。根据设计资料有(m3/s)，为绘图和计算方便，取(m3/s)，即(m3/s)。2.2.1.2水量差积曲线计算表水量差积曲线计算表是绘制水量差积曲线的基础。参考《水利水能规划》（第二版）P52～53及表2—11，本书取。该表包括月平均流量，月水量，水量差值及水量差积值。月平均流量参见设计资料表2——白山电站年月平均流量表。以1956年1～3月份为例：已知(m3/s)；1956年1月(m3/s)，月水量按下式计算[(m3/s)·月](2—4)第54页共页 那么[(m3/s)·月]，水量差值按下式计算(2—5)那么[(m3/s)·月]。同理可以算出1956年2、3月份的月水量、水量差值。算出以上数据后，设月初值为零，将各月水量差值累加。详细计算结果请见本书表2—1。水量差积曲线计算表必须包含1956年～1971年共16年的1～12月份的数据。各年各月的计算方法如上面所述，详细计算及结果请见计算书.2.2.1.3水量差积曲线、满库线及其公切线的绘制根据水量差积曲线计算表，在米格纸上按1:1的比例绘制白山电站的水量差积曲线，图上1㎜表示1[(m3/s)·月]。该曲线的坐标系已在本书2.2.1.1一节中讲明，这里涉及水量差积曲线计算表（月）表2—1时间月平均流量(m3/s)月水量[(m3/s)·月]水量差值[(m3/s)·月]水量差积值[(m3/s)·月]年月(1)(2)(3)(4)(5)　　　　0（月初值）1956138.638.6-201.4-201.4234.534.5-205.5-406.9357.657.6-182.4-589.3431831878-511.35524524284-227.36727727487259.77106010608201079.784834832431322.793673671271449.710109109-1311318.71169.569.5-170.51148.21243.743.7-196.3951.9平均值=240到流量比尺的做法：参考《水利水能规划》（第二版），先画水平线段o´n"，使它按时间比尺表示某一定时段（＝3个月），然后由n"点垂直向下作线段n"t"，使它按水量比尺等于[(m3/s)·月]（图中n"t"＝720[(m3/s)·月]）。这时，水平线o´n第54页共页 "的方向即代表(m3/s)，而o´t"的指向即是流量等于零的方向。将t"n"及其延长线等分，即可绘出水量差积曲线的流量比尺。接下来就是画满库线。在水量差积曲线下方绘制与之平行的满库线，二者纵距等于，已知m3，流量比尺为1:6.67（1mm代表6.67m/s），即水量差积曲线向下平移纵距2810/402.6310=26.6mm得到满库线。做出这两个曲线后，要做它们的公切线。参考《水利水能规划》（第二版）P59，采用的方法是“绷线法”，即用一根“绷紧的细线”切过水量差积曲线和满库线的各个控制点，切记要尽量使调节流量均衡些！2.2.1.4计算白山电站的调节流量由公式(2—3)可得(2—6)所以，任一时刻的实际流量等于水量差积曲线上该时刻切线斜率与的代数和。具体计算及其结果请见计算书。2.2.2红石电站的径流量由公式（2—1），已知白山电站的调节流量Q白山（本书2.2.1.4一节的结果），设计基本资料已给出的Q区间，，则可算出红石电站的径流量。计算结果请见计算书表。2.3绘制红石电站频率与流量关系曲线根据红石电站的径流过程，将红石电站的径流量从小到大排序，设时间段数为n，则n=26，频率(2—7)以P为横坐标，Q红石为纵坐标绘出P—Q红石关系曲线。详图请见本书附录※※※。第54页共页 2.4红石电站保证出力的确定所谓水电站的出力，是指发电机组的出线端送出的功率；保证出力是指水电站在长期工作中符合水电站设计保证率要求的枯水期（供水期）内的平均出力。保证出力在规划设计阶段是确定水电站装机容量的重要依据。2.4.1选取设计保证率P设水利水电部门的正常工作的保证程度，称为工作保证率，选定的工作保证率将成为水利水电工程规划、设计时的重要依据，称为设计保证率。水电站设计保证率的取值关系到供电可靠性、水能资源利用程度及电站造价。一般地讲，水电站装机规模越大，系统中水电所占比重越大，系统中重要用户越多，正常工作遭到破坏时的损失越严重，常采用较高设计保证率。而对于河川径流变化剧烈和水库调节性能好的水电站，也多采用较高的设计保证率。根据设计基本资料和设计指导书，红石水电站的设计保证率在80％～90％之间选取。这里取P设＝84％。2.4.2确定红石电站的保证出力参考《水利水能规划》（第二版）P106，水电站的保证出力可用下式进行计算(2—8)式中——水电站效率；——设计保证率下，水电站的净水头；——设计保证率下的通过水电站水轮机的流量(m3/s)。查本书2.3一节得出的P—Q红石关系曲线，频率为84％时，相应的流量为210m3/s，即m3/s；由设计基本资料得知，红石水库选用设计蓄水位为289.5m高程，那么这里取上游水位m；下游水位可以在基本资料附图3水位—流量关系中查取，查得；那么m。第54页共页 从设计基本资料中得知，该水电站为中型水电站。在初步估算时，可采用下式近似进行计算(2—9)式中——系数，中型水电站一般取8～8.5，这里取＝8。将已知数据代入公式(2—9)，计算得4.326万kw。2.5多年平均年发电量的估算参考《水利水能规划》（第二版）P109，多年平均年发电量是指水电站在多年工作时期内，平均每年所能生产的电能量。本设计采用“设计中水年法”进行计算，步骤如下：（1）选择设计中水年，要求该年的年径流量及其年内分配均接近于多年平均情况。（2）列出所选设计中水年各月的净来水流量。（3）根据国民经济各部门的用水要求，列出各月的用水流量。（4）对于年调节水电站，可按月进行径流调节计算，求出相应各时段的平均水头及其平均出力。（5）将各时段的平均出力乘以时段的小时数，即得各时段的发电量。设为平均出力低于装机容量的时段数，为平均出力等于或高于装机容量的时段数，则水电站多年平均年发电量可用下式估算(kw·h)(2—10)式中，当以月为时段单位，则，小时。由基本资料得，m3/s，红石电站，又因为1961年的平均年径流量等于230m3/s，所以选择1961年为设计中水年。1961年各月的净来水流量如下表：1961年白山电站净来水流量(m3/s)123456789101112平均37.334.072.429433319350151245215811856.22301961年白山～红石站区间径流表(m3/s)第54页共页 123456789101112平均2.72.45.420.016.011.015.032.039.010.08.04.013.8各时段的平均出力依然采用公式(2—11)式中，为上下游水位差，上游水位已定，为289.5m，下游水位可从设计基本资料附图3中查取。具体结果请见下表：设计中水年各月平均出力表2—21961年月份(m3/s)(m3/s)(m3/s)(m3/s)(m)(m)(m)(万kw)1837.31.52.74.0541.35289.5263.0226.480.88234.02.43.637.6263.0126.490.80372.45.48.180.5263.2126.291.694294.020.030.0324264.2425.266.555333.016.024.0357264.3225.187.196193.011.016.5209.5263.825.74.317501.015.022.5523.5264.7424.7610.378512.032.048.0560264.8524.6511.049452.039.058.5510.5264.7624.7410.110158.010.015.0163263.6425.860.35811118.08.012.0122263.4426.062.51256.24.06.058.2263.1226.381.3将已知的数据代入公式(2—10)，设平均出力≥的时段数为零，即，则，那么公式可以简化为(2—11)计算出多年平均年发电量(亿kw·h)。（具体计算请见计算书）第54页共页 2.6红石水电站装机容量的确定红石水电站的装机容量是根据设计基本资料附图4—东北地区2000年电力系统负荷图，同时综合东北地区电网情况共同确定的。红石电站建成后同白山电站一起投入东北主网，担任系统调峰、调相及少量事故备用，同时兼向吉林省盘石、桦甸地区供电。参考《水利水能规划》（第二版），水电站的装机容量等于最大工作容量、备用容量与重复容量之和，即(2—12)在设计过程中，我发现基本资料中给出的电力负荷图纵坐标的数值过大，无法准确计算出红石电站的装机容量。因此，我通过翻查以往资料、请教指导老师得知：根据东北地区电站统计数据，河床式水电站保证出力是装机容量的1/3～1/5，也就是说(3～5)×(2—13)又根据设计基本资料：在选择装机容量时，建议考虑年利用小时数控制在2000h左右。用已知的多年平均年发电量除以年利用小时数，以确定装机容量。即4.07×108/2000=20.33万kw。由公式(2—13)得出，，所以装机容量确定为20.33万kw。3电站机组的选择水轮机是水电站中最主要的动力设备之，它关系到水电站的工程投资，安全运行，动能指标及经济效益等重大问题，因此在水能规划的基础，根据水电站水头和负荷的工作范围，正确地进行水轮机的选择是水电站设计中的主要任务之一。水轮机的选择，在确定水轮机的型号和有关参数时，应结合枢纽布置，工期安排以及水轮机的制造，运输，安装和运行维护等方面的因素，列出可能的水轮机代选方案之间的动能经济比较和综合分析，力求选出技术上先进可靠，经济上合理的水轮机。水轮机选择的主要内容1选择水轮机发电组的台数和单机容量；2选择水轮机的型号及装置方式3确定水轮机转轮的直径及转速4确定水轮机的吸出高度及安装高程第54页共页 5绘制水轮机的运转特性曲线6确定蜗壳机尾水管的形式及主要尺寸7选择调速器及油压装置8选择水轮发电机的型号并估算其各部分尺寸和有关数据3.1水轮机特征水头的选择水轮机特征水头包括最大水头Hmax,，最小水头Hmin,,加权平均水头Hα和设计水头Hr,这些特征水头由水能计算确定。3.1.1最大水头Hmax,确定红石电站最大水头Hmax,=上游水位Z上—一台机组发电时得下游水位Z下，假定该电站装机４台机组，单机容量N=203322/4=5830kw根据公式N=9.81ηQH,此时η=81.5%，此公式中的Q，H均未知，一个方程不能求解，所以只能用试算法，具体过程详见计算书。最终算得Hmax,=25.595m3.1.2红石电站最小水头Hmin的确定红石电站最小水头Hmin,=上游死水位Z死-下游全部机组发电时的水位Z下红时水库为日调节水库，增加水库削落深度将增加电能损失，故水库水位削落过大显然是不合适的，根据上述日调节要求，并考虑在必要时尚能满足一台机组担任事故备用8小时这个条件，确定水库设计低水位（死水位）为289米。根据公式N=9.81ηQH,η=81.5%，一个方程仍然不能求解两个未知数，所以仍然使用试算法，试算过程见计算书，而最小水头Hmin,=23.178m。3.1.3加权平均水头和设计水头的确定加权平均水头试水电站在运行期间出现次数最多，经历时间最长的水头，通常是指电能或时间加权的平均水头，为了简便起见，取=（Hmax,+Hmin,）/2=24.39m第54页共页 水轮机的设计水头也称为水轮机的计算水头，它是水轮机在发出额定出力时所需的最小水头，它与水轮机的受阻容量有关，应经过分析比较确定，在方案比较阶段，设计水头按下式进行计算，对于河床试水电站设计水头等于加权平均水头。3.2水轮机台数与型号的选择3.2.1机组台数的选择当机组台数不同时，单机容量不同，水轮机的直径，转速，效率和吸出高度等也就不同，从而引起工程投资，运行效益及产品供应情况的变化。机组台数与机电设备制造，水电站投资，水电站运行效率，水电站运行维护工作的关系密切，在选择机组台数时应从多方面进行技术经济等方面的综合论证，我国已建成的中型水电站一般选用4-6台机组，所以在考虑到各种因素以后，在本设计中选用４台机组。3.2.2水轮机型号的选择水轮机型号选择一般常用下列两种方法（1）根据水轮机的系列型谱选择（2）采用套用机组在本设计中采用第一种方法，在给出的系列型谱表中，每一种型号的水轮机都有其使用的水头范围，根据水电站水头情况，可直接从型谱表中选出适合于该电站的水轮机型号，由于红石水电站为中小型水电站，故选用ZZ440型轴流式水轮机3.2.3计算水轮机的特征参数　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　标称直径7m额定转速88.2r/min吸出高度-0.0783m安装高程266.65m第54页共页 3.3水轮机的蜗壳和尾水管的选择3.3.1蜗壳的选择对于大中型反击试水轮机，为了使由压力管道引来的水流能够以较小的水头损失，均匀而呈轴对称的引入导水机构，所以在水管末端和座环之间设置了蜗壳。因为水轮机的最大水头在40米以下，为了节约钢材，多采用钢筋混凝土浇制的蜗壳。蜗壳的主要参数的选择和轮廓尺寸的确定，具体过程详见计算书。3.3.2尾水管的选择尾水管是反击式水轮机过流通道的最后部分，其形式和尺寸对转轮出口动能的恢复有很大的影响，而且在和大程度上还影响着厂房基础开挖和下部块体砼的尺寸。尾水管的形式常用的有直锥形，弯锥形，和弯肘型三种形式，后一种形式适用于大中型水轮机，所以选择弯肘型的尾水管，弯肘型尾水管是由进口直锥段，肘管和出口扩散段三部分组成。为了方便起见，尾水管各部分尺寸选用套用类型，查《水电站建筑物设计参考资料》，选用标准弯肘型尾水管，各部分尺寸如下：（单位m）hL16.131.516.948.48.44.211.348.893.4发电机及调速器，油压装置的选择3.4.1水轮发电机的选择水轮发电机按其轴线位置分为卧式布置和立式布置两种。卧式布置通常为高水头的中小型冲击水机组和低水头的贯流式机组采用，立式布置为多数大中型机组采用，可分为1悬式2伞式在选择水轮发电机结构形式时，一般可用下列条件作为造型判别，Di/Ltn0.035时，采用悬式第54页共页 Di/Ltn0.035时，采用伞式Di/Ltn0.05式。采用全伞式其中Di----水轮发电机定子铁芯内径Lt-----水轮发电机定子铁芯长度n------水轮发电机额定转速水轮发电机结构类型主要取决于水轮机的形式和转速，悬式发电机适用于水轮机机坑及发电机定子直径较小，推力轴承布置在定子上部的上机架内，伞式发电机适用于水轮机机坑及发电机定子直径较大，推力轴承支撑布置在定子下部的下机架或水轮机顶盖上。发电机由转子，定子，机架，推力轴承，导轴承，冷却器及制动器等部件构成。因本设计属于低水头大流量中型水电站，所以采用立式布置。立式水轮发电机结构就其支承方式可分为悬式和伞式，悬式是推力轴承位于转子上方，伞式是推力轴承位于转子下方。参考《水电站机电设计手册·水力机械》P159，发电机的主要尺寸包括铁芯内径及定子铁芯长度。这两个尺寸确定以后，其余部分尺寸即可相应确定。（1）极距选择合理的首先要选择恰当的极距，根据统计资料分析，极距与每极的容量关系如下：(cm)(2—※)式中——发电机额定容量(KVA)；——磁极对数；——系数，一般为8～10，容量大、线速度高的取上限。由上式求出后，尚应校核发电机在飞逸状态下，转子的飞逸线速度是否在转子材料的允许范围内。(2—※)式中——飞逸系数，与水轮机型式有关或按机组的飞逸转速nf与额定转速ne的比值第54页共页 确定；——转子额定线速度，当频率；——飞逸线速度，其允许值与转子磁轭的材料及结构有关。对于A3钢叠片磁轭可取110～120米/秒；对于低合金高强度钢可取155米/秒；对整圆叠片磁轭可用到160米/秒。（2）定子内径(cm)(2—※)（3）定子铁芯长度(cm)(2—※)式中——发电机额定容量(KVA)；——额定转速(rpm)；——定子内径(cm)；——系数，见《水电站机电设计手册·水力机械》表3—5。定子铁芯长度主要受发电机的通风冷却核运输条件的限制。当时，通风较困难；当时，电机效率降低；根据运输条件，当＞2.5米时一般应采用现场叠装定子。（4）定子铁芯外径（机座号）目前尚无统一规定的机座号，如容量和转速与已生产的发电机比较接近时，可套用已生产的机座号，相差较大时可按以下式估算：＜166.7r/min时　　在电站初步设计阶段，水轮发电机的外形尺寸可跟据水轮机转速，功率来初步选定，具体过程详见计算书。第54页共页 3.4.2调速器形式选择调速器形式选择的一般要求有以下两点（1）当电站和机组容量较大，在系统中承担调频任务，或有单机孤立负荷的运行方式，且对电能品质要求较高，或系统中有较大的冲击负荷时，应选用调节品质好，自动化程度高的电气液压调速器。（2）当机组容量较小，在系统中地为并不重要，经常承担基荷时，也可选用机械液压调速器。而选择调速器时应考虑到调速器某些环节对电站其他设备的要求和影响，如不同的测速方式影响到是否需要永磁机，接力器位移的传递方式影响到调速设备的布置等。水轮机的调速设备一般包括调速柜，主接力器和油压装置3部分，中小型调速器是将三部分组合到一起成为一个整体设备，它是以主接力器的工作容量为表征组成标准系列，因此在选择时只需要计算出水轮机的调速功即可，对于大型调速器三这是分开的，而且调速柜，主接力器和油压装置三者并不固定配套，因此要分开进行选择，大型调试器是以主配压阀直径来表征的，因此必须先求得接力器的容积，然后据此计算主配压阀直径，选择相应的调速器，具体计算过程见计算书。3.4.3油压装置的选择油压装置是向水轮发电机的调速系统共给压力油的能源设备，是调速系统的重要部分，同时也可作为进水洞，调压阀以及液压操作元件的压力油源。油压装置有分离式和组合式两种，分离式油压装置的压力油罐与回油箱分开，容量范围较大，适用于大中型水轮机，组合式油压装置的压力油罐直接装载回油箱上面的框架上，结构紧凑，但容量较小，仅适用于中小型水轮机。油压装置的主要部件有1压力油罐2回油箱3油泵4油泵附件5压力油罐的附件油压装置选择计算主要是确定油压装置的台数和容量，为了满足机组调节和安全运行的要求，通常每台水轮机装设一台油压装置，目前国内生产的油压装置，其额定油压一般为25Mpa在确定工作油压后，油压装置的选择实际上是确定压力油罐的容积，压力油罐的容积一般可按经验公式估算，见计算书。第54页共页 3.5绘制水轮机的综合运转特性曲线率和气蚀系数亦随之变化，反映原型水轮机在各种工矿下这些参数之间的轮机在正常运行中，同步转速N是不等的，当水头H和许立变化时，效关系曲线称为水轮机的特征曲线，最常用的有水轮机工作特征取线和运转特征曲线。在一定水头下，效率和出力之间的关系=f(n)曲线称为水轮机的工作特征曲线，综合反映各运行工矿下H,N,,Hs等参数之间的关系曲线称为水轮机运转特性曲线或水轮机运转综合特性曲线，这些曲线都是根据模型综合特征曲线通过相似率的换算后绘制出来的。机。4河床式主厂房设计水电站厂房式水电站主要建筑物之一，是将水能转换为电能的综合工程设施。厂房中安装水轮机，发电机和各种辅助设备。通过能量转换，水轮发电机发出的电能，经变压器，开关站等输入电网送入拥护。所以说水电站厂房是水工，机械，电气的综合体，又是运行人员进行生产活动的场所。其如是满足主，辅设备及其联络的线，缆和管道布置的要求和安装，运行，维修的需要。保证发电的质量;为运行人员创造良好的工作条件；以美观的建筑物造型协调与美化自然环境。当水头较低，单机容量又较大时，厂房与整个建筑物联成一体。厂房本身其挡水作用，成为河床式厂房。水电站主厂房布置着水电站的主要动力设备（水轮发电机组）和各种辅助设备的主机室（主机间），以及组装，检修设备的安装昌（安装间），是水电站厂房的主要组成部分。水电站厂房的设计包括平面设计。剖面设计和立面设计，它是水工，机械，电气，建筑等专业技术人员相互配合，共同进行的工作。4.1主厂房平面设计进行主厂房平面设计时，必须将上部结构部分和下部结构结合起来考虑，因为两者关系密切。主厂房的长度，宽度尺寸，主要取决于水轮发电机定子及风罩墙，水轮机蜗壳，尾水管，调速设备系统的设置，以及主要设备的装卸方法和安装，检修，运行管理的要求，同时还应该考虑到结构布置和立面的艺术处理问题。现分上下两部分介绍：第54页共页 4.1.1主厂房上部结构计算4.1.1.1主机室主机室又称主机间，它是水电站的心脏，主机室上部结构部分又称发电机层，是装设水轮发电机组和调速器操作柜，油压装置，机旁盘等设备的场所，上空设置移动式起重设备，供设备的安装检修吊运用，此外还有提供上下层交流联系的楼梯。这些设备，楼梯，阀孔在平面的位置，首先要满足运行方便，并在不多增加投资的前提下，布置使厂房内部整齐，宽敞，明亮，美观。（1）机组段长度的确定机组段长度L1也就是机组的中心距离，它随水电站类型和机型而不同，主要有蜗壳，尾水管，发电机风罩在x轴方向上的尺寸来定，并考虑机组设备及主要交通道等所需的尺寸。机组段长度L1可以由下面的公式计算得到：L1=L-x+L+xL-x是机组段-x方向的最大长度L+x是机组段+x方向的最大长度L-x和L+x可以由教材《水电站建筑物》表12-1计算得，然后去其中的最大值。从国内已建水电站厂房机组段长度统计资料，水电站厂房机组间距与水轮机转轮直径比值在3—3。8之间。（2）端机组段长度的确定端机组又称边机组段，是指在与装配场不同一段的机组段。端机组段长度L2确定出了需要考虑上述机组段的因素外，还要与装配场位置，厂房是否布置进水阀，起重机吊运设备的要求有关。当采用两台起重机吊运发电机转子时，应保持机组中心线在起吊平衡梁的位置以内并有0.2-0.3米欲量。（3）主厂房宽度的确定以机组中心线为界，厂房宽度B可分为上游侧宽度Bx和下游侧宽度Bs两部分，B=Bx+Bs主厂方下游侧的宽度，除了满足上式的要求外，还需要满足蜗壳在一个方向的尺寸和蜗壳外混凝土厚度的要求。如果下游侧需要布置辅助设备，电气设备或以下游侧座吊运通道，尚需满足上述的要求。最后决定厂房总宽度时，要满足起重机标准跨度的要求。第54页共页 （4）发电机层的设备和设施的布置（1）水轮发电机一般具有定子外露，定子埋入和上机架埋入3种布置形式，外露式布置使发电机层显得拥挤，增加上部结构部分的高度，影响厂房的采光和通风。目前已经很少采用，定子卖如何上机架埋入时发电机层宽敞，同时由于提高了发电机层高层而增加了水轮机层高度，可增设一层作为出线层。这两种布置被广泛采用。（2）调速系统设备调速设备一般包括调速柜，主接力器和油压装置3部分，调速柜和油压装置通常均布置在发电机层，尽量靠近，避免跨机组段布置，并应与布置在水轮机层的接力器位置相适应。当布置有困难时，允许将操作柜和油压装置布置在其中及起吊范围线意外。电液调速器的电气柜，一般都和机旁盘布置在一起。（3）机旁盘它包括机组自动操作盘，机组继电保护盘，机组测温盘，机组动力盘等，每台机组的机旁盘约为3-5块。一般应该布置在发电机层并进可能靠近调速器操作柜且在同一侧，以便运行人员在机组启动时能观察到盘上的仪表。此外，还要考虑到节省电缆和布线方便，机旁盘通常靠近副厂房。如果机组的测温仪表不多，而主机室地位有限时，也可以将测温仪表布置在发电机的上部机架上，不另设测温盘，当发电机层空间显得较拥挤时，也可以将机组动力盘与其它盘分开而另行布置在水轮机层或其他适当位置。（4）磁机合励磁盘励磁机布置对发电机容量而异，有直接布置在同步发电机转子轴顶，也由于发电机转子轴相连接的单独布置方式。励磁盘最好布置在发电机层，如果太拥挤，也可布置在水轮机层，但需要用通风设备以保证该层不至于太潮湿。（5）楼梯尾运行人员经常从发电机层道水轮机层检查巡视提供方便，通常每两台机组之间设钢筋混凝土楼梯一座。大型水电站厂房的机组段较长时，每台机组设一座楼梯。楼梯净宽1.2m，坡度以34—38度为宜。（6）吊阀孔进水发设在主厂房内时，可利用厂内其中设备进行进水阀的安装棚检修，为此发电机层楼板要设吊阀孔，孔一般为矩形，其尺寸要比阀体外形尺寸每侧加0.25m。对高水头和有长引水道或地下式厂房的电站，因受地质条件的限制，如果增加厂房的跨度会给工程带来困难，可将进水闸布置在单独的阀室内，另设其中设备。（7）交通道在水轮发电机得上，下游侧应留有2—2.5m的交通道，各种设备间也必须保持运行巡视和检修需要而留的1.5-2.0m的距离。（8）起重设备有关起重设备的技术数据，可参阅制造厂家提第54页共页 供的资料，其中机主，幅吊钩极限位置离厂房四周墙壁之间有一点的距离。因此决定了起重机在厂房内的工作范围，厂房内所有需要利用它来吊运的较重设备和部件，都应在工作范围内。4.1.1.2装配厂装配厂又称安装件，它是组装，检修设备的场所。装配厂的位置与对外交通随厂房的类型而异，一般位于厂房靠交通道的一端。在特殊情况下，当机组台数较多时，厂房两端都设有装配厂。在地下式厂房，也可以将装配厂设在机组之间。装配厂与主机室宽度相等，以便利用起重机沿主厂房纵向运行。确定装配厂尺寸主要在于确定长度，一般约为机组段的1-1.5倍对于混流式水轮机和悬式水轮发电机采用偏小值，而对于轴流式水轮机和伞是水轮发电机，贯流式机组采用偏大值。最后尺寸应满足在起重机主钩起吊范围之内，能容纳一台机组扩大性大修的要求：通常包括发电机转子，发电机上机架，水轮机转轮和水轮机顶盖等四大件的存放，及相应的工作场地和运输工具。具体说明如下：（1）发电机转子直径周围应留有2.0m间隙。以供安装磁极之用。装配厂楼板留有孔口，孔经比主轴法兰直径大0.5m，转子主轴深入装配厂的下层的转子主轴支撑台，台上设又用以固定主轴的螺栓，螺栓数与主轴法兰上孔数享福；支撑台的高度应使主轴在竖立后转子底间距装配厂楼板约0.5-0.8m，以便在磁极下放进千斤顶和垫板。再不进行转子装配或检修期间，空洞盖上铁板或混凝土板。（2）发电机上机架周围留有1.0m间隙，供作通道用。（3）水轮机顶盖及转轮周围留有1.0m间隙，供作通道用。（4）由于大中型水电站的主变压器较为高大，要检修主变压器，必须沿轨道将主变压器推进装配厂，要利用主厂房内的起重机将变压器铁芯从壳内吊出，势必使主厂房增加高度。因此，在装配厂虚设变压器检修坑，检修前先将主变压器整体吊入坑中，然后用起重机吊出铁芯，要求铁芯吊起后离装配厂楼板面不小于0.2m，如果采用钟罩式变压器，检修时只需将钟罩吊起，无需吊出铁芯就可检修，通常在主变压器厂就地露天检修。装配厂就不必设变压器检修坑。变压器坑的尺寸是变压器拆去散热器后的外形尺寸每例各加0.25m，坑的位置可与上述四大件相重叠，因为并不同时进行检修。大型水电站的主厂房的装配厂设有变压器轨道和铁路轨道，以便火车和变压器直接进入厂房。第54页共页 4.1.2主厂房下部结构部分主厂房下部结构部分可分为水轮机层，蜗壳层和尾水管层等。4.1.2.1水轮机层这是发电机层地面下与蜗壳层顶部混凝土以上的空间，它的布置如下：（1）发电机机墩是在机组部位支承水轮发电机定子支座的发电机机座定子坑或水轮机井。机墩的形式随机组容量不同而分为如下几种：1〉圆筒式机墩抗扭，抗展及抗压性好，刚度大，一般为少筋混凝土，用钢节省，大中型机组普遍采用。机墩内部是空的，便于水轮机安装时吊进，检修时吊出。机墩内部直接力气，预埋各种油，气，水管道和布置电缆，电线等。运行人员经常要进入内腔进行巡视和检修工作，机墩要留有进人孔，机墩高度不能太矮。机墩内径要大于水轮机转轮直径，小于发电机转子直径，并考虑下机架支撑等要求而定。（2）块式机墩，又称矮机墩它的刚度和抗震性能都很好，但是混凝土用量大，大型机组特别式大型伞式水轮发电机可考虑使用这种形式。（3）环梁立柱式及刚架式机墩材料用量较省，便于安装检修机组，但是抗扭，抗震性能较差，噪声较大，适用育种等容量的机组。（3）为了便于蜗壳和尾水管的检修工作，一般在水轮机层设有通向蜗壳和尾水管的进入孔。蜗壳进入孔位置多布置在靠近进水阀阀门坑垂直下去然后水平进入尾水管得直锥段。其他通向水泵室及检修廊道的通道，可布置在主厂房的两端或其他适当的地方。（4）机墩将水轮机层分隔成上，下游侧走廊，分别布置油，气，水管道和电气设备，彼此互不干扰。有时还在这层布置励磁盘和能抽出深处机水的深井水泵。当发电机层楼板与水轮机层底板高差超过6-8m时，可考虑在其间增加出线层，布置水轮发电机引水线，中型点接地，母线和互感器等设备，水轮机层还有水利机械接力器的回复机构和水轮机导水机构的接力器（作用筒），他们的结构和布置决定调速器的位置。如果是金属蜗壳，则在+y方向蜗壳尺寸最小，左右简可布置在上游侧，回复机构采用刚性连接，拐不厂，调速器可在+y轴左右一定范围内布置。如果是混凝土蜗壳，则作用筒位置不受蜗壳尺寸限制，调速器可再机组周围任何位置布置。4.1.2.2蜗壳层第54页共页 蜗壳层是反击式水轮机的引水设备蜗壳及其周围的钢筋混凝土结构块体和空间部分。这层的布置随工作水头和单机容量而不同。河床式厂房水头较低，小于40m，流量相对较大，可采用180—270度包角的梯形断面的钢筋混凝土蜗壳。可以减少厂房下部结构部分的工程量，缩短主轴的长度。4.1.2.2尾水管层反击式水轮机的泄水设备――尾水管的顶部与基础底板之间的空间是尾水管层。大中型水电站厂房为了减少基础开挖量，都采用弯轴型尾水管。他由直锥段、弯段核扩散段几个部分组成，为了减小扩散段结构跨度，通常设有1—2个隔墩。为水管应设有进人孔，尺寸一般为600600或者650mm。当停机放空尾水管中的水时，检修人员从水轮机层沿着进水阀坑的爬梯下去。然后水平进入廊道，打开设有尾水管直锥段的金属盖，利用梯绳爬进尾水管内。也有将金属盖设在水平扩散段的尾水管顶板上，从尾水管顶板打开金属盖垂直进入。4.1.2.3装配场下层装配厂的下面一般有一层至二层可做辅助生产车间，下面一层地面高程与水轮机层相同，便于交通。这两层通常布置油库、油化验室、压气机室、机修间和电工尾修车间等。4.1.2.4尾水平台中、高水头的水电站厂房，尾水平台一般仅布置尾水启门机。二滴水头的水电站厂房，由于流量过大，为水管长度较大，为水平台相应地也较宽，可以在尾水平台上布置主变压器，并留有交通道。如果为了后期发电而必须利用尾水平台作为施工通道，为水平台还要适当加宽。4.1.3主厂房长度的确定厂房的长度取决于机组段长度、机组台数和装配场长度，装配厂长度一般为机组段的1—1.5倍，于是主厂房的总厂度L可有下式求得：L=nL1+L2+L式中：n-----机组台数L-----一端机组附加长度L1----一机组段长度第54页共页 4.2主厂房剖面设计主厂房剖面设计又称竖向设计，主要是解决垂直方向空间处理上的有关问题。它与平面设计是一个整体，设计时必须统一考虑。根据水电站生产电能的需要，合理的确定主、副厂房上、下结构各部分的高程，满足通风、采光需要及发电、配电的合理安排，全面综合分析研究做出经济合理，技术可能的方案，为运行人员的操作运行管理创造优良的工作环境。主厂房剖面设计中具有决定意义的是水轮机的安装高程。大中型水电站建成以后下游的最低和最高水位的正确设定，对整座水电站厂房经济、合理布置具有决定性的影响。因为在一般情况下，将依据这两个水位来确定水轮机安装高程和发电机层及装配厂楼板高程。可是这两个重要水位往往在水电站建成后，随着水库运行方式、电厂出力变化范围，河流要受到不同程度的冲刷或淤积而有所改变，因此在设机式必须认真研究。经过充分论证分析之后予以决定。此外，对外交通和地理条件也会影响剖面设计。现分别介绍几个高程的确定方法。4.2.1水轮机安装高程水轮机的安装高程是一个控制性的高程。对于竖轴轴流式水轮机其安装高程用下式表示=下min+Hs+xD1其中：D1------水轮机转轮直径，mx--------系数，其值约为0.41或按照水轮机制造厂提供的数据采用下min-----下游最低尾水位。水轮机的安装高程，不仅关系到水电站投资和水轮机转轮气蚀的问题，还关系到水电站的运行和发电质量问题。当下游设计最低水位决定以后，水轮机的安装高程就完全取决于吸出高度。第54页共页 4.2.2主厂房基础开挖高程从水轮机安装高程向下量取到后尾水管出口顶面的距离加上所选用的尾水管的出口高度及尾水管底板混凝土厚度就得到厂房基础开挖高程。4.2.3水轮机层地面高程从水轮机安装高程向上量取蜗壳进口半径和蜗壳顶混凝土层，可得水轮机层地面高程。金属蜗壳的保护层的保护层一般不少于1.0m。混凝土蜗壳顶板厚度根据结构计算决定，或根据国内外已建电站的经验采用，然后再结构设计式进行复核。=+h44.2.4发电机装置高层从水轮机层地面高程加上发电机机厂进人孔高度h5(一般取1.8-2.0m)和进入口顶部厚度h6（一般取3.0m左右），就可以得出发电机定子装置高程。=+h4+h5+h6其中h5要满足水轮机层附属设备管道和发电机出线布置要求。4.2.5发电机层楼板高程一般情况下应该满足以下条件：（1）保证以下各层高度和设备布置及运行上的需要。水轮机层的净高不少于3.5-4m，否则发电机出线和油气水管道布置困难。如果发电机层楼版面与水轮机层地面之间加设出线层，则出线地面导水轮机层地面警告也不宜少于3.5m（2）保证下游设计洪水部淹没厂房，一般情况下，发电机层楼板面和装配厂楼板面高程齐平。大中型水电站厂房总是希望将发电机楼板面设在下游设计洪水位以上0.5—1.0m第54页共页 上述条件并不是在任何情况下均必须满足的。有的河流洪水期与枯水期水位相差悬殊，山区河流尤其如此，因而在这种情况下将发电机层楼板面设在下游设计洪水位以上是不经济的。这样不仅会增加厂房下部结构部分的混凝土工程量，而且机组主轴增长，既增加金属的消耗，又对机组运行稳定性带来不利。这时，可将发电机层楼板面高程布置在下游设计洪水位以下，但是必须在厂房大门和对外的交通口，设置临时性插板以挡洪水。或者将装配场楼板面高出发点基层楼板面并高于洪水尾。4.2.6吊车轨顶高程1.确定桥吊型号：额定起重决定于发电机转子重量，发电机转子和定子均为３４５ｔ，由于该水电站装机四台，故采用两台起重量相等的起重机，每台起重机的额定起重量为最大起重量、平衡梁和吊具重量之和的一半，预计起重时平衡梁和吊具重量之和的一半可以按照10～20％最大起重件的重量计算，由于最大起重量大于75ｔ，可采用双小车桥吊：Ｇ额＝。所以每台起重机重量＝，根据《水电站机电设计手册水力机械》取双小车桥吊。起重机的安装高程是值吊车轨顶高程，它是确定主厂房上部结构高度的重要因素。他取决于下列要求：机组拆卸检修起吊最大和最厂部件（往往是发电机转子代轴或水轮机转轮代轴）时与固定的机组、设备、墙、柱、地面之间保持水平净距0.3m，垂直净距0.6—1.0m（如采用刚性夹具，垂直净距可减少为0.25—0.5m），以免由于挂索松弛或吊件摆动而破坏设备或墙柱；另一方面在装配厂检修变压器时，还需要满足吊起变压器铁芯所需要的高度。可用下式表示：=+h7+h8+h9+h10+h11h9----最大吊运部件的高度h10-----吊运部件与吊钩之间的距离一般在1.0-1.5mh8----吊运部件与固定的机组或设备之间的垂直净距h7----发电机定子高度和上机架高度之和第54页共页 4.2.7屋顶高程的确定当吊车轨顶高程确定后，根据已知轨顶至吊车上小车高度h12，加上为检修吊车需在小车上留有0.3m高度h13,根据屋面大梁的高度、屋面板厚度、屋面保温防水层的厚度，确定屋顶上缘高程。4.2.8装配厂的楼板高程装配厂的楼板高程主要取决于对外交通道路高程和发电机层楼板高程。最理想的情况是，装配长于对外交通道路以及发电机层楼板高程齐平，而且高于下游设计洪水位。这样交通运输方便，场地宽敞。但是又是由于地形、地址、水文、设备和投资等种种原因，只是发电机层楼板面可能低于下游设计洪水位，装配长于对外交通道路高于发电机层楼板。装配厂与发电机层楼板相邻场地不能充分的利用，吊车的安装高程将取决于装配厂吊运最长部件的要求，整座厂房将要加高。另外一种方案是装配厂与对外交通道路同高而低于发电机层地面，这时装配厂与发电机层地面相邻部分的场地无法利用，主厂房的高度将取决于主机室吊运最长部件的要求。但是这种方案现在很少采用。在剖面设计过程中，可能发现在平面设计中有欠适宜之处，要重新修改。通过水工、机械、电气、建筑和结构五方面的密切配合，从结构设计、施工、管理和维修综合分析，最后定出剖面设计。4.3副厂房设计4.3.1中央控制室中央控制室是整个电站的中枢，根据与全厂联系方便。可以监视全部机组，环境安静和采光通讯良好登记方面的要求，将中央控制室布置在副厂房四楼中间，缺点是与开关站距离较远，控制电缆较长。4.3.2集缆室第54页共页 集缆室位于中央控制室下，面积与中央控制室相等，各种控制电缆可以由此向上穿过中央控制室地板与有关表盘相联接。4.3.3低压配电装置根据运行安全，安装检修方便，尽量使低压母线短平的要求，将低压配电装置布置在副厂房第一层，油开关小间、厂用变压器小间及电压互感器小间位于第一层中间，成一列布置，宽3.0m。内母线廊道位于小间的下游侧宽3.0m，发电机引出线、控制点缆及开关操作机构等沿廊道布置，外母线廊道位于小间的上游侧，宽3.0m，低压母线沿此廊道布置，发电机出线由内母线廊道静开关小间到外母线廊道后引至开关站，低压配电装设备可由内母线廊道推到安装厂下层，利用桥吊由吊物孔吊运。4.3.4厂用动力盘室为了中央控制室防火安全，缩短动力电线，操作方便，厂用动力盘集中设在靠近低压配电装置的第一层。4.3.5直流电系统房间直流电系统的房间包括蓄电池室、储酸室套间、充电机室、通风机室等，布置在副厂房第二层右端，靠近安装间出口，运酸方便。因为这个位置右边紧靠变压器场，后为母线廊道，两面都不能对外设窗，不宜布置其他房间，正好可布置直流电系统，但由于距中央控制室较远，电线较长。4.3.6载波通讯室载波通讯室设专用载波机和通讯设备，供电站通讯用，布置在靠近厂长室的二楼楼梯旁，但距中央控制室较远。其它副厂房布置参见厂房水轮机层平面图。副厂房的面积要求见下表。第54页共页 表4-1副厂房房间及参考面积副厂房名称参考面积(m2)30～200MW以下水电站200MW以上水电站A.直接生产副厂房中央控制室按实际需要确定90~130继电保护盘室按实际需要确定80~120电缆室按实际需要确定90~130厂用动力盘室按实际需要确定按实际需要确定蓄电池室40～5040～50酸室和套间10～1510～15蓄电池的通风机室15～2015～20充电机室15～20按实际需要确定直流盘室按实际需要确定20载波电话室20～4030～50厂用变压器室按实际需要确定按实际需要确定B.检修试验副厂房继电保护试验室30～4040～50精密仪器试验室25～3030～35测量表计试验室30～3535～40高压试验室20～3030～40电工修理间30储存室10～1515～20机械修理间40～6060～~00工具间1520起吊设备仓库10～2020～25油化验室10～2010~～20C.间接生产副厂房交接班室20～2520～25第54页共页 运行分场15～2020～25检修分场15～2020～25总工程师室15～2015～20会议室15～2015～20生活间(厕所、盥洗室)10～1510～155枢纽总体布置厂区枢纽又称厂房枢纽，它是指水电站主厂房、副厂房、引水道、尾水道、主变压器厂、高压开关站、交通道路和行政及生活区建筑物等组成的综合体。厂区枢纽布置的主要目的是确定厂房和厂区其他建筑物的相对位置，使厂房和上游的进水口和下有的尾水道之间衔接好，水流顺畅；确定副厂房、主变压器厂和高压开关站的位置和对外交通的连接等，也就是要式和建筑物件配合协调，发挥各自的功能，满足运行可靠、施工快捷、交通方便、投资少的原则。在和时的地形、坚实的地质条件下，主厂房下游面根据《水电站建筑物》上的枢纽具体布置要求如下：（1）合理的朝向，能创造良好的日照、通风和采光条件，厂房纵轴与主导风向垂直或呈交角。对于河床式厂房的厂区，一般是主厂房和船闸分居两岸，施工和运行互不干扰，溢流坝布置在河床中深槽部分，厂区枢纽布置简单。如果溢流坝布置偏向河床一侧深槽，为避开溢流坝泄洪冲刷，船闸和厂房被迫布置在同一岸，为保证泄洪不影响通航的安全，船闸靠岸布置，闸室加长，并增加导流堤；厂房布置在河床中，致使厂区枢纽布置复杂，厂房对外交通需要在船闸下闸首设立公路桥，高压出线还要求不影响船只的通航。（2）窗户要尽量避免西晒，保证通风、采光、出线的合理和机械、电气设备运行和检修的要求。（3）保证进水水流平畅，少拐弯，减少水头损失，引水道长度尽量短，较少材料用量和工程量，以节省投资。（4）布置尾水渠走向时，必须防止泄洪回流使尾水出水受阻而壅高，避免影响尾水位波动产生漩涡、淤积或冲刷。为减少开挖量，尾水渠可以采用1：5—第54页共页 1：10的倒坡；根据稳定和水流条件确定边坡。如果地质较差，尾水渠要考虑防冲措施，必要时做护坡和护底工程。（5）水电站厂房施工时期运输建筑材料，安装及检修时运载设备都必须设有行驶车辆的进厂公路、铁路或利用船舶运输的水路。　　1〉进厂公路其纵坡在平原地区为4%，丘陵地区为5%，多山地区为7%，如受地形限制可陡峭些，但不宜超过8%。转弯半径不宜小于20cm，临近厂房前应有20cm左右的平直段，保证运输车辆可以平稳缓慢地驶进厂房并且停在预定的位置。进场大门外应该有一定面积的回车厂。　　2〉进厂铁路采用铁路运输线和坡度的选择，常与厂房装配厂地面高程的确定同时进行，但不一定时重要的水电站都要用铁路进厂。火车进厂时，厂房前应有一段100m左右的平直段铁路，纵坡为零，或最大纵坡不超过0.1%，并采取从厂房下游侧驶进，如新安江水电站，如果地形限制，也可以将路线布置成与主厂房纵轴线平行，如云峰水电站，为防止事故，应在场前设置安全道岔。从安全道岔到装配厂这段坡率为零，车辆必须在安全道岔前停稳，再缓慢进厂，确保厂房安全。对河床式水电站，还要求有通往上游工作桥的支线。铁路通常有标准铁轨距1435mm的宽轨铁路和轨距600、762、900mm的几种窄轨铁路。有关允许坡度、曲率半径、路基、火车头、车厢或拖车机座的尺寸可以参照铁路规范。　　3〉水路在可能利用水路做交通运输时，应尽量采用，因为它较经济方便。本工程为河床式水电站，其主要特点是厂房同时是挡水前沿的一部分，厂坝在结构上合为一体。红石电站安装的是轴流转浆式水轮机主要建筑物包括拦河大坝和发电厂房两大部份。红石坝址主河床偏向右岸，左岸和床为河漫滩地，F6断层从左岸河床与坝轴线斜交约通过。该断层破碎代较宽，对溢流坝及厂房布置等都有一定不利的影响。因此，经过对左右岸厂房布置方案的分析比较，左岸布置厂房有以下几个优点（1）溢流坝布置在河床右侧，些流红水可以从河床宣泄，能适应下有天然河床流态，不会造成河道严重冲刷或淤积，尤其对避免厂房尾水渠回流淤积也较有利。（2）溢流坝下游冲刷部分大部分可以避开F6断层，对保护下游坝基安全比较有利。（3）左岸山体平缓，对副厂房、变电站布置比较方便，输电线路出线也较方便。（4）施工场地、对外交通、电站管理以及生活区均在左岸，故对式攻击运行管理比较方便。　　左岸布置厂房的缺点第54页共页 （1）厂房要有一部分位于或接近F6断层，对机组沉陷有一定不利影响。（2）尾水渠覆盖层开挖量大。　　综合以上几种因素，认为左岸布置厂房优点较多。关于F6断层对机组沉陷的影响，由于机组部位开挖较深，且F6断层要经过工程处理，可最大限度降低对厂房的不利影响。因此建议采用左岸厂房布置方案。红式河床式水电站枢纽主要由溢流坝、挡水坝、河床时水电站厂房合左岸下游侧66kv,220kv开关站组成。坝址处，主河床偏向右岸，左岸河床为河漫滩地，断层F6、F52及其交汇带从左岸河床与坝轴线斜交通过，影响坝段较多，最大宽度12m，布置泄洪建筑物、厂房等主要建筑物时，应尽量避免受其影响。溢流坝布置在右岸主河床部位，泄洪水流可宣泄至主河床，不致造成河道严重冲刷淤积，对避免厂房尾水渠回流淤积较有利，下游冲刷部位大部分可以避开F6断层，对保护下游坝基安全有利。河床式电站厂房，布置在左岸滩低，因左岸下游地面开阔，便于布置开关站，输电线路出线方便，施工场地、对外交通、电站管理、生活区皆在左岸，对电站施工和运行管理都很方便，又施工导流设施布置在主河床，使厂房段施工赢得充裕时间，对提前发电有利。溢流坝全长94m，6孔6个坝段，溢流坝采用开敞式溢流形式，堰顶高程280m，安装6个1412m的弧形闸门。河床式电站厂房共6个坝段，设6台机组，主机间已经避开F6断层，主安装间在厂房左侧，--坝段，厂房段总长125.17m，机组引水管道布置事故闸门和检修闸门各一道，进水口设有拦污栅，进水口上游设有挡渣闸。坝段尾厂房坝段和溢流坝段之间的过渡坝段，下接厂房与溢流坝段间的导流墙。其余坝段为挡水坝段，全坝共长396.17m，共分24个坝段，编号从左到右--，具体分布如下：1．左岸挡水坝段--坝段全长80m2．厂房段全长122m1〉厂房主安装间--坝段全长31.25m第54页共页 2〉厂房主机间--坝段全长90.75m3．右岸挡水墙坝段长20.17m4．溢流坝段--坝段全长94m5．右岸挡水坝段--坝段全长80m具体布置见枢纽布置图6专题（进水口设计）　进水口位于输水系统首部，其功用是按照负荷要求引进发电用水。进水口应该满足下列基本要求：１.要有足够的进水能力。在任何工作水位下，进水口都能引进必须的流量。为此，进水口的高程以及在枢纽中的位置必须合理安排，进水口的流道应该平顺并有足够的断面尺寸，要妥善处理结冰、淤积及污塞问题，避免出现吸气旋涡，以防止影响进水口的过流能力。２.水质符合要求。进水口应该能拦截有害的泥沙、冰块及各种污物。为此，除了合理安排进水口高程，还要设置必须的拦污、防冰、拦沙、沉沙及冲沙设备。３.水头损失要小。４.可控制流量。进水口必须设置闸门，以便在事故时紧急关闭，截断水流，避免事故扩大，也为输水系统的检修创造条件。５.满足水工建筑物的一般要求。６.水电站进水口分为有压进水口和无压进水口两大类。有压进水口设在水库水面以下，以引进深层水为主。本电站进水口采用有压进水口，有压进水口通常由进口段、闸门段及渐变段组成。由于本电站闸门后的渐变段直接与蜗壳进水口相连，所以不需要设置压力管道，采用坝式进水口。坝式进水口的基本特征是进水口依附在坝体上，进口段和闸门段常合二为一，渐变段衔接紧凑以缩短进水口长度，坝式进水口的布置应该与坝体协调一致，其形状也随坝型不同而异。第54页共页 6.1进水口的布置6.1.1进口高程的选择进水口的进口高程应该按照水电站运行中可能出现的最低水位决定，应该在引水道顶部以上有一定的淹没深度，以保证不进入空气和不产生漏斗状吸气漩涡。同时，进水口闸门地坎还应该在淤沙高程以上。（1）避免进水口前出现漩涡和吸气漏斗在一定的边界条件下，漩涡的形成与进水口的几何形状、流速和淹没深度有关，即与进水口的弗罗里德数有关，如果以闸门断面为计算断面，为了避免出现漩涡和吸气漏斗，需要的淹没深度为如下计算，由戈登经验公式：=，上式为米制单位，经验系数C=0.55~0.73，对称进水的进口取小值，侧面进水的进口取大值。根据统计，国内的坝式进水口进口淹没深度都不小于0.5倍工作闸门孔高，以0.8倍为多。（1）避免管道出现负压为改善结构受力条件，并有利于检修，进口高程应该尽可能提高，但要保证有良好的水力条件，也即是除了要避免出现漩涡和吸气漏斗外，尚应保证沿线不出现负压。进水闸进口段的正常断面的最高点B一般可以根据最低工作水位的高程用下式确定：B点高程=最低工作水位高程-式中——冰层厚度——进水闸流速，（m/s）——计算最大引用流量——进水闸的过水断面面积——进口水头损失系数，根据进口及拦污栅形式而定和均按正常断面1-1确定，公式中的系数1.5时计算中考虑的安全系数。上式中不包括由于突然增荷所产生的不稳定流落水波的影响。第54页共页 6.1.2进水口轮廓尺寸的选定进水口的进口段、闸门段及渐变段的轮廓尺寸及线型，要保证最优的水流条件，减少水头损失，并满足设备布置需要。此外，还要简化结构，便于施工。现在分述如下：（1）进口段一般是根据水电站进水口的布置方式以及引用流量来考虑进口段的形状，为了使水流平顺地进入引水道，减少水头损失，进口流速不宜不大，一般控制在1.5m/s左右。进口段顶板曲线目前广泛采用四分之一椭圆曲线，坝式进水口顶板常做成斜坡，以便于施工，两侧边墙采用直墙。根据国内外实践经验，喇叭口顶板的椭圆曲线方程式为：，式中a=1~1.5D，通常用1.1D，b=1/2~1/3D，其进口段曲线形状，如图所示意。一般情况下，椭圆曲线a/b=3~4，当引用流量及流速不大时，也可以用圆弧曲线代替，重要的工程应该根据模型实验决定进口曲线。进口流速一般不宜太大，进口面积建议不小于下列公式计算值：式中——引水道断面面积（按渐变段末端）——引水道中心线与水平面之间的夹角C——收缩系数，一般取C=0.6`~0.7进口段的长度无一定标准，在满足工程结构布置需要及进水可能允许的尺寸与水流顺畅的条件下原则上要求布置紧凑。（二）闸门段闸门段是引水道和进口段的连接段，其体形主要根据所采用的闸门、门槽型式以及结构的受力条件决定。闸门孔口常用矩形，其宽度一般等于或小于压力管道直径D，高度一般等于或大于压力管道直径D。闸门段的长度长取决于闸门及启闭设备的需要，并考虑引水道检修通道要求。（三）渐变段第54页共页 渐变段是由闸门段（通常为矩形断面）到压力引水道（通常为圆形）的过渡段，其断面面积和流速应该逐渐变化，使水流不产生涡流并尽量减少水头损失。由矩形变为圆形通常采用在四角加圆角过渡，如图所示意，圆弧的中心位置和圆角半径ｒ均按直线变化规律。渐变段长度，根据经验，一般为压力隧洞直径的1.5～2.0倍，收缩角一般不超过，以为宜。坝式进水口的渐变段长度为了适应结构布置要求，一般取压力管道直径的1.0～1.5倍。渐变段轴线通常为直线，也可以根据引水道需要布置成曲线，在这种情况下要注意，如需要利用闸门局部开启充水，要避免水舌与底板分离，产生负压。6.2进水口的拦污设备6.2.1拦污栅的布置及支承结构拦污栅的功用是防止污物进入进水口（压力管道和水轮机）．拦污栅的布置型式决定于进水口的型式和电站引流量的大小，当地的气候条件、水库水位变化范围、拦污栅阻拦污物的最小尺寸和清污方法等。在平面上可以布置成直线和半圆（常为多边形）两种，立面上可以为垂直的或倾斜的，当用人工清污时，根据运行经验，其倾角一般为。坝式进水口的拦污栅一般为垂直的。拦污栅的平面形状可以是平面的或者多边形的，前者便于清污，后者可以增大拦污栅处的过水断面。有的电站所有进水口共用一个整体的平面拦污栅，充分利用了进水口之间的空间来增大过水断面，结构简单又便于清污。拦污栅的总面积常按照电站的引用流量及拟定的过栅流速反算得出。过栅流速是指扣除墩、横梁及栅条等各种阻水断面后按净面积算出的流速。拦污栅总面积小则过栅流速大，水头损失大，漂浮物对拦污栅的撞击力大，清污也困难；拦污栅面积大，则会增加造价，甚至布置困难。为了便于清污，过栅流速以不超过1.0m/s为宜。当河流污物很少或经粗栅、拦污浮排等措施后，拦污栅前污物减少，而电站引用流量较大时，过栅流速可以适量增大。拦污栅通常由钢筋混凝土框架结构支承，拦污栅框架有墩及横梁组成，墩侧面留槽，拦污栅片插在槽内，上、下两端分别支承在两根横梁上，承受水压时相当于简支梁。横梁间距一般不大于4m，间距过大会加大栅片的横断面，但过小会减小净过水面，增加水头损失。拦污栅框架顶部应该高出需要清污时的相应水库水位。（一）拦污栅栅片第54页共页 拦污栅由若干栅片组成每块栅片的宽度一般不超过2.5m，高不超过4m，栅片象闸门一样插在支承结构的栅槽中，必要时可以一片片提起检修。栅片结构如图所示，其矩形边框由角钢或槽钢焊成，总想的栅片由扁钢制成，上下两端焊在边框上。沿栅条的长度方向，等距设置几道带有槽口的横隔板，栅条背水的一边嵌入该槽口并加焊，不仅固定了位置，也增加了侧向稳定性，栅片顶部设有吊环。栅条的厚度及宽度由强度计算决定，通常厚8~12mm,宽100~200mm。栅条的净距b取决于水轮机的型号和尺寸，以保证通过拦污栅的污物不会卡在水轮机过流部件中为原则。该值一般由水轮机制造厂提供，或对于轴流式水轮机，取b=/20,其中为水轮机转轮直径，但最大净距不超过20cm，最小净距不宜小于5cm。栅条的截面形状直接影响水流通过拦污栅时的水头损失。（一）拦污栅的清污及防冻拦污栅是否被污物堵塞及其堵塞程度可以通过观察栅前栅后的压力差来判断，这是因为正常情况下流过拦污栅的水头损失很小，被污物堵塞后明显增大。发现拦污栅被堵时，要及时清污，以免造成额外的水头损失。堵塞不严重时清污方便，堵塞过多时则过栅流速大，水头损失加大，污物被水压力紧压在栅条上，清污困难，处理不当时会造成压坏拦污栅的事故。拦污栅的清污方式随清污设施及污物种类的不同而异，人工清污是用齿耙扒掉拦污栅上的污物，一般用于小型水电站的浅水、倾斜拦污栅。大中型水电站常用清污机，若污物中树枝较多，不易扒除时，可以利用到冲的方法使其脱离拦污栅，如引水系统中有调压井或前池，则可加大水电站出力，然后突然放弃负荷，造成引水道内短时间反向水流，，将污物自拦污栅上冲下，再将其扒走，。拦污栅吊起清污方法可以用于污物不多的河流，结合拦污栅检修进行，也用于污物较多、清污困难的情况，对于后一种情况，可设两道拦污栅，一道吊出清污时，另一道可以拦污，以保证水电站正常运行。在严寒地区要防止拦污栅封冻，如果冬季依然可以保证拦污栅完全在水下，则水面形成冰盖后，下层水温高于，栅面部会结冰。如果栅条露出水面，则要设法防止栅面结冰，一种方法是在栅面上通过50v以下电流，形成回路，使栅条发热。另一种方法是将压缩空气用管道通到拦污栅上游面的底部，从均匀布置的喷嘴中喷出，形成自下向上的加气水流，将下层温水带到栅面，并增加水流紊动，防止栅面结冰。第54页共页 6.2.2闸门及启闭设备为保证在电站安全运行及遇到突然事故时能及时截断水流，或为检修引水道需要，一般应该在闸门段设置工作门和检修门。如在水轮机管道前已经设有事故快速闸门，则在进口可以只设事故门检修事故门。　　工作闸门仅在全开或全关的情况下工作，不用于流量调节，在引水道或机组等突然发生事故时，能够在动水情况下（2~3分钟）关闭，为减少启门压力，并避免闸门在开启的瞬间高速水流冲入压力管道，而引起管道震动，一般在开启闸门前先用充水阀充水，待上下游水压力平衡后再开启闸门。鉴于一般水轮机导叶均漏水，不能完全保证平压，因此应该考虑闸门能在一定的水压差下开启。应该指出，在多泥沙河流上充水阀有可能被泥沙所堵塞，这时局部开启闸门充水，启门力应相应增加，另外也可以在闸门上附小门充水。工作闸门的启闭设备：通常在每个进水口设一套固定式卷扬机或油压启闭机，以便随时可以操作闸门，闸门平时停放于孔口上方，随时处于戒备状态。闸门的操作一般是自动控制。闸门应能吊出槽门检修。检修闸门是为检修工作闸门及门槽时用以堵水，有时也可用事故检修闸门代替工作闸门，在这种情况下应考虑能在动水中下门。在多泥沙的河流上检修闸门的门叶结构、止水方式及启门力等均须充分估计到泥沙淤积的影响。闸门的型式应经过经济技术比较来确定，一般采用平板门。因平板门占据空间小，布置上比较方便。6.2.3通气孔及充水阀在引水道进行充水或放空过程中，闸门后需要排气和补气，特别是当动水下门时，问题更为突出，否则会引起压力管道局部真空而经受负压，有时并导致管道和门叶震动，为此必须紧接闸门后设置通气孔。从我国已建的一些水电站通气孔充气量的原型观测及运行情况看，通气孔面积多数是引水管道面积的5%~7%。建议发电引水管道工作闸门或事故闸门后的通气孔面积不小于5%，检修闸门后的通气孔面积可根据具体情况而定，在条件允许的情况下，将通气孔的尺寸选择得适当大些，留有一定余地，是有益的。第54页共页 充水阀的作用是开启闸门前向引水道充水，平衡闸门前后水压，以便静水开启闸门，充水阀的尺寸应根据水容积、下游漏水量及要求充满的时间等来确定。充水阀可安装在专门设置的连通闸门前后水道的旁通道上，但较常见的是直接在平板闸门上设‘小门’，利用闸门拉杆启闭。此外，进水口应有可靠的测压设施，以便监视拦污栅前后的水位差，以及事故闸门、检修闸门在开启前的平压情况。7结论及成果分析本次设计是对已建工程吉林省红石河床式水电站所做的一次初步设计，由于时间仓促以及缺乏实践经验，设计的过程中产生了许多实际性的问题。诸如：水轮机运转特性曲线的绘制以及设计出来的溢流坝宽高比过大从而使工程造价相对过大等，在孟美丽老师的带领下，参照已建的河床式水电站设计方法以及诸多设计规范，最终圆满完成设计任务。本次设计中，通过对河床式水电站的设计和溢流坝及其稳定计算的设计，进一步积累了经验，增长了知识，能够把书本上的知识简单的运用到实际设计当中去，为我在以后的水利工程建设中能较好的工作打下了坚实的基础，这些是我在这次设计中得到的最好的收获。参考文献(1)水利电力部，水电站厂房设计规范(SD335—89)(试行)，水利电力出版社，1990。(2)金钟元，水力机械，水利电力出版社，1991。(3)中华人民共和国电力行业标准，水工建筑物荷载设计规范(DL5077-1997)，中国电力出版社，1998。(4)中华人民共和国行业标准，水利水电工程等级划分及洪水标准(SL252-2000)，中国水利水电出版社，2000。(5)中华人民共和国行业标准，水工建筑物抗震设计规范(DL5073-1997)，电力工业部，1997。(6)水电站机电设计手册编写组，水电站机电设计手册(水力机械)，水利电力出版社，1983。(7)第54页共页 陈德新，杨建设主编，水轮机、水泵及辅助设备，中央广播电视大学出版社，2001。(8)温新丽主编，水电站与泵站，中央广播电视大学出版社，2001。(9)张治滨等合编，水电站建筑物设计参考资料，中国水利水电出版社，1997。(9)华东水利学院主编，水工设计手册(第七册)，水电站建筑物，水利电力出版社，1989(10)顾鹏飞等，水电站厂房设计，水利电力出版社，1987(11)刘天雄主编，水电站建筑物设计参考图册，清华大学水利系，1984(12)袁光裕，水利工程施工，中国水利水电出版社，1996年第三版。　第54页共页'