第四节__h河床式水电站毕业设计

'H河床式水电站毕业设计一、设计任务根据已定的坝轴线与河床式左岸厂房布置方案，进行下述内容的分析与计算：1、水轮机选型，确定机组尺寸，进行蜗壳、尾水管水力计算，选择水轮发电机组。2、挡水坝和溢流坝剖面设计，按左岸厂房布置方案进行枢纽总体布置。3、进行河床式厂房主厂房的设计，确定主要尺寸与结构形式，并进行内部设备与结构布置。4、对所选用的施工导流方案进行分析和必要的论证。5、设计说明书1份，要求章节分明，文理通顺，字迹工整，内容应包括：进行这部分设计所采用的资料、考虑过的问题、论述处理这些问题的依据、主要成果的论述与分析。说明书内应有计算数据、分析论证与必要的图表、具体计算过程。6、设计图4张，要求图面饱满，绘制清晰而准确，尺寸齐全。第1张内容为设计的枢纽布置图，包括有挡水坝、溢流坝及厂房的横剖面图；第2、3、4张包括水电站厂房横剖面及不同层的平面布置图、发电机层楼板布置图。二、基本资料(一)流域概况与气候条件1、流域概况该水电站位于S河流的上游，电站坝址以上的流域面积为20300kln2，其上游38km处的水库末端为一个多年调节电站——B电站。本电站属于该河流梯级电站中的一个。B电站10％频率的洪水泄量为5250m3／s，3.3％频率的洪水泄量为6000m3／s，1％频率的洪水泄量为6900m3／s，0.1％频率的洪水泄量为9950m3／s，保坝洪水泄量为17000m3／s。B电站到本电站之间的流域面积为1300km2，有两条较大的支流汇入：第一条支流控制流域面积534km2，第二条支流控制流域面积456krn2。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。H电站地区流域概况图见图3-3。图3-3S河上游流域概况图2、气候条件本电站处于高寒地区，冬季较长，积雪较深，夏秋季多雨。坝址处年降雨量变化在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％，年蒸发量为850-1174mm。从现有气象观测资料中统计，坝址处多年平均气温为3℃，最低气温—36.5℃，最高气温38℃(见表3—17)，最大风速22.3m／s(风向西北)，此时水库吹程4.6km。电站所处河段冰期较长，一般在10月中旬开始见冰，11月上旬开始流凌，11月下旬开始封冻，到次年4月上旬开江，4月中旬进入无冰期，整个冰期可达5—6个月。17 表3-17坝址处气温统计表（单位：℃）月份平均最高最低1月-19.24.0-36.52月-15.312.0-31.73月-5.419.0-28.64月4.927.0-10.85月13.131.6-10.86月17-633.03.07月31.637.09.48月21.037.00.89月13.036.0-2.010月5.327.0-12.011月-5.516.1-24.012月-15.28.5-33.5全年3.038.0-36.5(二)水文站与径流资料坝址附近有一水文站，位于坝址下游2km处，1936年建站，1945年-1950年缺测，新中国成立后继续观测。上游的B电站水文站位于本电站坝址上游约38km处，1957年建站，一直连续观测。B水电站至本电站区间各支流均未设站进行观测。因此，区间的洪水参数主要根据邻近地区河流的水文观测资料综合分析得出。由于B电站水库已经蓄水发电，本电站的天然来水被调节，其年月径流主要是根据B电站水库调节后的径流和B电站坝址至本电站坝址区间的径流叠加而成。B电站水文站的年月径流资料经插补延长可得到1933年以来约奶余年的径流系列，其多年平均流量为239m3／a。本电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。B电站至本电站间未进行过专门水文观测，仅有干流两站1957以后同步对应的观测资料，区间的径流由两站相减而得。(三)设计洪水分析成果本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3-18。造成本电站以上流域的特大暴雨天气，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24h内。区间的洪水一般集中在3d内，因此设计洪水过程线以3d洪量为控制。表3-18B电站至本电站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：108m3三天流量的均值为0.45m3/S,CV=0.72,CS/CV=2.0根据本电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3-19。17 表3-19分期洪水成果表时间4月15日~7月15日9月15日~封冻时P（%）5102051020QP/（m3.S-1）3082612081047757(四)工程地质条件省地震局在本电站的地震基本烈度报告中认为，该电站靠近地震活动带，历史上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，本电站地震烈度以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，第四纪覆盖不厚，植被茂密，不至产生大的坍岸，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，第四纪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~l0m，个别宽达30~40m，一般为浅肉红色，主要矿物成分有正长石、斜长石、石英及角闪石、泥石等。斑状一粗细粒结构(斑晶为正长石、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，中细粒花岗结构角闪石、石英和黑云母等。煌斑岩：灰绿色或灰黑色，主要为细粒结构块状结构构造，主要矿物成分有斜长石、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。第四纪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，最厚者大约为10~11m。构成左岸阶地的冲积层由上部的粉细砂（厚约1~5m）和下部的砂砾石（厚度4~7m）组成。河床冲积的砂砾石层厚度为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见表3-20与3-21。表3-20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tanφ剪应力/kPa681012混合岩半风化粗磨面组数5555算术平均值51.068.885.0104.40.86小值平均值45.064.070.096.00.76最小值45.056.070.090.00.70微风化细磨面组数5555算术平均值54.054.475.4106.80.83小值平均值45.049.067.384.00.67最小值42.048.060.084.00.6017 表3-21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·m-3）比重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332231350.8算数平均值25.926.226.93.710.73169.7161.62新鲜组数2222222162.3算数平均值26.026.227.14.060.70178.9169.1煌斑岩半风化组数22222算数平均值26.826.927.70.38131.4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~llm·，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。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／(min·m·m)，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3-22。表3-22坝基各地段岩石的风化深度表(单位：m)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lorn左右，左岸山坡10-12m。参照已有的试验成果，结合本电站坝坡构造和岩石状态，建议坝基D6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，P6断层带采用0．45。17 (五)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149x1口m3。各料场质量均能满足要求，储量情况详见表3-23。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较浅，一般均需水下开采，开采条件较差，洪水期间易被淹没。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。土料场位于坝下3-4km，已做B级勘探，质量、储量均可满足要求。(六)水利动能本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B水电站一起并入东北主网运行，担任系统调峰、调相及少量事故备用。水库下游河段内，无防洪要求，加上本电站库容小，不承担下游防洪任务。本地区对工农业用水、航运、过木、过鱼等均无要求。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。B电站至本电站河段，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B水电站的兴建，对天然来水进行多年调节，大大改善了天然来水的不均匀性，使本水电站参以较少的淹没损失和工程量获得较好的电能指标。所以本电站设计蓄水位的选择取决于同B水电站尾水位的合理接，以充分利用B以下河段的水力资源。本电站水库特征水位及电站动能指标见表3-24。(七)坝线与坝型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/m00.660.140.870.860.90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于与阶地，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。交通运输条件好表3-23料场分布情况对本电站坝线的选择进行过大量的工作，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坝线地质条件较好。最后又对上Ⅱ坝线和下I17 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(见图3-4)。本电站大坝坝型，经对当地材料坝和混凝土坝比较后，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3．5x104m3混凝土，且可结合坝体挡水降低围堰高度，有加快施工进度的优点，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。鉴于本电站坝基岩石比较破碎，有7度抗震要求，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。考虑近些年来在本地区修建的中等高度的混凝土坝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。表3-24H水电站工程特性表名称单位数量备注一、水性特性1、水库特征水位保坝洪水位m297.10校核洪水位（P=0.1%）m293.90设计洪水位（P=1%）m290.90正常蓄水位m290.00死水位m289.002、正常蓄水位时水库面积Km215.173、水库容积校核洪水时总库容108m32.29正常蓄水位时库容108m31.63死库容108m31.49二、下泄流量及相应下游水位包括机组过流量1、设计洪水量在古泄量m3·s-18200.00相应下游水位m273.202、校核洪水最大下泄量m3·s-111700.00相应下游水位m274.903、保坝洪水量大下泄量m3·s-115600.00相应下游水位m277.40三、电站电能指标装机容量MW200.00保证也力MW35.00多年平均发电量108kW·h4.35年利用小时数h2255四、主要建筑物及设备1、挡土坝型式m混凝土重力坝坝顶高程m298.00最大坝高m46.0017 名称单位数量备注坝顶长度438.002、泄水建筑物型式m混凝土溢流坝堰顶高程m280．00溢流坝长度m3·（s·m）-1128．00单宽流量56．00消能方式m戽流弧形闸门（扇数－宽×高）8－12×11.7弧形闸门启闭机8－12×450kN平板检修闸门（扇数－宽×高）8－12×11.5平机检修闸门启闭机8－12×100kN3、开关机型式露天式面积（长×宽）10665.604、水轮机工作参数最大工作水头m25.60最小工作水头m22.80设计水头m23.30吸出高程m-4.00机组安装高程m259.50(八)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。本电站坝址主河床偏向右岸，左岸河床为河漫滩地，P6断层从左岸河床与坝轴线斜交约300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)溢流坝布置在河床右侧，泄流洪水可从主河床宜泄，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P6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)厂房有一部分位于或接近P6断层，对机组段沉陷有一定不利影响。(2)尾水渠覆盖层多开挖约13x104m，。综合以上几个方面，认为左岸厂房优点较多。关于P6断层对机组沉陷的影响，由于机组部位开挖较深，且P6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。厂房型式曾研究过坝后厂房与河床厂房两种型式。因后者为整体结构，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，故河床厂房可节省混凝土约20000m3，因此选用河床式电站型式较适宜。本电站大坝的设计泄流量较大，加之坝基不够理想，岩石较为破碎，且下游有P6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。近年国内外倾向于研究消力戽消能型式，且已在我国石泉等水电站采用，效果尚好。因此，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R(7.5m、lorn、12.5m)17 及四种鼻坎角度声(35°、40°、45°、50~)的比较，试验表明以及；12.5m、ф=40°的型式为最好，流态为淹没混合流，比较平稳，对尾水渠回流及淤积影响较小，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。(九)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lorn，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lorn，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，均考虑用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ω≥0.03L/(min·m·m)，30m—40m单位吸水量约为0.01—0.02L/(min·m·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lorn，孔深lorn。防渗帷幕灌浆可在灌浆廊道中进行。防渗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，孔距排距均为2m，深6m。在岩石破碎部位，固结灌浆可在坝基混凝土浇筑厚度约为2m以后进行。(十)本电站河段水位与库容、面积、流量的关系曲线本电站河段水位与库容关系曲线见图3—5，水位与面积的关系曲线见图3-6，水位与流量的关系曲线见图3-7。三、设计指导(一)水轮机组的选择水轮机选择的主要内容包括：选择机组台数和机组型号，水轮机的标称直径和额定转速；选择蜗壳和尾水管的型式并进行水力计算，确定其轮廓尺寸；确定发电机的型式和尺寸，调速器、油压装置的型式和尺寸。1、机组台数和机组型号的确定选择机组台数时，应对加工制造能力和运输条件、总投资、水电站的运行效率和运行灵活性、运行维护工作量的大小等因素进行综合考虑，经技术经济比较确定机组台数。为了使电气主结线对称，大多数情况下机组台数为偶数。我国已建成的中型水电站一般采用4-6台机组。对于中小型水电站，为保证运行的可靠性和灵活性，机组台数一般不少于2台。本电站属于中型水电站，所以建议选用4台或6台机组。根据给出的电站特征水头(最大工作水头、最小工作水头、设计水头)，直接从水轮机系列型谱参数选择合适的水轮机型号，并查出相应的主要参数。由于本电站水头较低，所以一般可选用轴流式水轮机。确定机组型号后，需要计算水轮机的主要参数，包括转轮标称直径D1和转速n。计算要对模型的参数进行修正(主要是指效率η)，但修正时Dl未知，可先假定一个△η窄值，据此求出D1值，再由D1值推求η和△η值，如果求出的η和△η值与假定值相近，则D1值正确，否则需重新改取为与其计算值相近的标称直径。通常Dl选用较计算值稍大的标称直径。大中型轴流式转轮参数（暂行系列型谱）适用水头范围H/m转轮型号转轮叶片数Z1轮毂比dg/D1导叶相对高度b0/D1最优单位转速n′10/（r·min-1）推荐使用的最大单位流量Q′1/（L·s-1）模型气系数0′M使用型号旧型号3~810~2215~2620~36（40）30~35ZZ600ZZ560ZZ460ZZ440ZZ360ZZ55，4KZZA30,ZZ005ZZ105,5KZZ587ZZA79445680.330.400.500.500.500.4880.4000.3820.3750.350142130116115107200020001750165013000.70.59-0.770.600.38~0.650.23~0.40轴流式水轮机模型转轮主要参数表转轮推荐模型转轮导叶最优工况限制工况17 型号使用水头范围/m相对高度b0/D1试验水头H/m直径D1/mm轮毂比dg/D1叶子数Z1单位转速n′10/(r·min)单位流量Q′1(L·s-1)效率η(%)气蚀系数σ比转速ns单位流量Q′1(L·s-1)效率η(%)气蚀系数σZZ600ZZ560ZZ460ZZ440ZZ360ZD7603~810~2215~2620~36(40)30~552~61.53.015.03.51954601954603500.330.400.500.500.554456840.4880.4000.3820.3750.3500.4501421301161151071651030940106080075016585.589.085.589.088.00.320.300.240.300.165184384183752000200017501650130077.081.079.081.081.00.700.750.600.720.410.99*注：φ=+5°。反击式水轮机转轮标称直径系列253035（40）42506071（80）8410012001401601802002252502753003303804104505005506006507007508008509009501000计算出的水轮机转速n也必须与相近的发电机同步转速（见下表）匹配，若n的计算值介于两个同步转速之间，则应进行方案比较确定。一般来说，在保证水轮机处于高效率区工作的前提下，应选用较大的同步转速，以使机组具有较小的尺寸和重量。2、蜗壳和尾水管的选择由于本电站水头较低，因此建议采用钢筋混凝土蜗壳。蜗壳的包角可采用180°。尾水管可采用标准弯肘型尾水管。蜗壳和尾水管在选定型式并确定尺寸以后，要求画出其单线图。3、水轮发电机，调速器和油压装置选择水轮发电机、调速器和油压装置的型号和尺寸，可以由本电站的单机容量、额定转速等套用已建成的类似电站所使用的设备。磁极对数P与同步转速n关系数P3456789101214N/(r.min-1)1000750600500428.6375333.3300250214.3P16182022242628303234N/(r.min-1)187.5166.7150136.4125115.4107.110093.888.2P3638404244464850N/(r.min-1)83.3797571.468.265.262.560(二)挡水坝和溢流坝设计1、溢流坝设计溢流坝设计包括断面设计、消能方式的选择和设计。(1)断面尺寸的拟定：参考已建工程，初步确定堰面曲线、上下游边坡、消能方式及尺寸等。堰面顶部曲线部分是溢流坝设计的关键部位，根据目前我国溢流坝设计的趋势，一般多采用WK5曲线。由于本工程坝高较低，所以顶面曲线和反弧段之间的直线段很短或没有，这种情况下顶面曲线和反弧段曲线可以直接相连接。(2)水力计算：主要进行堰顶过流量计算和消力戽水力计算。(3)闸墩尺寸的拟定：包括闸门型式选择、工作桥、交通桥的布置及闸墩的型式、长度、高度、厚度等尺寸的拟定。挡水坝的剖面也参考已建工程并考虑与溢流坝的连接等具体情况对坝顶高程、坝顶宽度及上、下游边坡及起坡点和坝段长度等初步拟定。17 2、坝体强度验算和坝基接触面抗滑稳定验算对稳定和强度的验算，要求论述计算方法的基本假设和所采用的公式，说明公式来源和符号意义，控制标准则根据工程等级和计算情况按有关规范规定指标选取。作用组合分基本组合和偶然组合，可只对挡水坝进行以下两种组合情况的计算：(1)基本组合：兴利水位的水压力，扬压力，浪压力，自重，泥沙压力等。(2)特殊组合：校核洪水位时(静)动水压力，扬压力(浪压力)，自重，泥沙压力等。要求画出计算简图，且尽量采用表格计算。稳定应力计算主要对坝基截面各组合情况的应力和稳定进行校核。要求画出计算简图，且尽量采用表格计算，可参考本章第一节相应内容。3、细部构造和坝基处理根据不同的要求设计廊道的断面尺寸、剖面位置，确定平面和立面布置及相互连接等。分缝止水包括横缝的设计和溢流坝段，挡水坝段的止水设计。排水则包括对溢流坝段的坝身和坝基排水的布置及排水管(孔)的直径、间距等的确定。坝顶构造应考虑防浪墙、下游侧防护栏杆、坝顶面倾向上游的横坡、排水管的设置。坝基处理包括坝基的开挖与清理，开挖高程的确定，帷幕灌浆的位置、厚度和深度设计，坝基排水孔幕设计。(三)枢纽布置枢纽布置应确定各种建筑物的相对位置，进行坝段划分。枢纽布置的原则见本章第一节设计指导。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。首先要求根据所给出的资料确定总体布置方案。主要比较左岸厂房方案和右岸厂房方案，考虑的因素包括主河床的位置、F6断层对大坝及厂房的影响、河道的冲刷与淤积、厂房进水和尾水的顺畅、各种建筑物的布置和施工是否方便、工程量等，可列表进行定性比较。与本电站厂房有关的布置原则为：①要求电站进水口前水流平顺，无漩涡及横向水流；②当溢流坝与厂房段并列布置时，应尽量将前者布置在主河槽，以保证泄水顺畅；③为减少下泄水流对发电和航运的不利影响，常在溢流坝与其它建筑物之间设置导墙；④当河流含沙量大，坝前淤积严重时，应采取排沙措施，冲沙孔或排沙洞常布置在厂房进水口附近，其高程可根据运用要求来确定；⑤对河床式电站，由于泄水建筑物占据了主河槽，厂房多布置在岸边，但应防止由于泥沙淤积造成尾水壅高，降低发电水头。水电站厂房部分的布置应包括主厂房、副厂房、尾水渠道、主变压器、开关站、交通道路的布置等内容。(四)河床式厂房设计厂房的设计包括主厂房尺寸的确定、厂房内设备的布置、起重机的选择、厂区枢纽的布置、厂房的结构布置、副厂房布置等。1、主厂房的长度主厂房的长度L；机组段长度iox机组数+装配场长度+边机组段加长△L。本电站属于低水头水电站，其机组段长度一般根据下部块体结构的最小尺寸确定。下部块体结构的主要部件是蜗壳，蜗壳平面尺寸确定后，工。；蜗壳平面尺寸+蜗壳外的混凝土结构厚度δ，δ一般取0。8-1．0m，边机组段一般取1．0-3．0m。某些情况下，下部块体结构的尺寸取决于尾水管的平面尺寸。装配场长度由装配场的面积确定，而其面积要能够满足对一台机组进行解体大修的要求，即能够在装配场内放下发电机转子、发电机上机架、水轮机顶盖和水轮机转轮四大件，并且在各部件之间留出1—2m的通道。其中发电机转子一般带轴吊运到装配场，装配场楼板相应位置要留出直径比大轴法兰稍大的孔(平时覆以盖板)，大轴穿过后支承在特别设置的大轴承台上(也称为转子检修墩)，承台顶端预埋底角螺栓，待大轴法兰套人后，用螺母固定。边机组段加长一般可取为△L：1．0D1。2、主厂房的宽度主厂房的宽度应由发电机层、水轮机层和蜗壳层三层的布置要求来共同决定。(1)发电机层中，首先决定吊运转子(带轴)的方式，是由上游侧还是下游侧吊运。若由下游侧吊运，则厂房下游侧宽度主要由吊运的转子宽度决定，若从上游侧吊运，则上游侧较宽。此外，发电机层交通应畅通无阻。一般主要通道宽2-3m，次要通道宽1-2m。在机旁盘前还应留有1m宽的工作场地，盘后应有0．8—1m宽的检修场地，以便于运行人员操作。(2)水轮机层中，一般上下游侧分别布置水轮机辅助设备(即油水气管路等)和发电机辅助设备(17 电流电压互感器、电缆等)。以这些设备放下后，不影响水轮机层交通来确定水轮机层的宽度。(3)蜗壳层一般由设置的检查廊道、进人孔等确定宽度。蜗壳和尾水管进入孔的交通要通畅，集水井水泵房设置应有足够的位置，以此确定蜗壳层平面宽度。一般以厂房机组中心线为基准，分别确定各层上游侧和下游侧所需宽度，再分别找出各层上下游侧的最大值Bu和Bd，则主厂房宽度为Bu+Bd。(4)当宽度基本确定后，最后要根据吊车标准宽度ib验证，宽度必须满足吊车的要求。3、主厂房的高度首先定出各层的高程，才能确定主厂房的高度。(1)安装高程：安=w十Hs十bo/2其中w——电站运行时出现的最低下游水位；Hs——吸出高度；Bo——导叶高度。(2)尾水管底板高程：尾=安—bo/2—H尾其中H尾——尾水管的高度。(3)开挖高程：挖=尾—混凝土底板厚度(约1~2m)。(4)水轮机层地板高程：水=安+bo/2+蜗壳顶部混凝土厚度(约1m)。(5)发电机层地板高程：发=水+进人孔高度(约2m)+混凝土结构厚度(约1m)+定子外壳高度。但发还应该满足以下几个要求：①水轮机层的高度不小于3.5m，否则难以布置出线、管道和各种设备；②发电机层楼板最好与装配场在同一高程上；③发电机层楼板最好高于下游最高洪水位，以便于对外交通和防潮、通风。(6)吊车轨顶高程：取决于最大部件的吊运方式和尺寸。最大部件一般为发电机转子带轴或水轮机转轮带轴。吊=发+最大部件高度+高度方向的安全距离(7)房天花板及屋顶高程：关=吊+吊车尺寸+0.2m顶=天+屋顶大梁高度+屋面板厚度主厂房的高度；顶—挖4、主厂房布置的构造要求(1)厂房内的交通。主厂房各层之间和每一层内都有交通要求。各层之间的主要楼梯一般宽度为1.5-2.0m，坡度为25°。次要楼梯较窄，有的部位可用爬梯。厂房内每层的交通要求不尽相同，以发电机层的交通最为重要，参见“主厂房的宽度”。(2)厂房应注意采光、通风、取暖、防潮、防火等。(3)主厂房的分缝和止水。主厂房中的缝有两种，一种为施工缝，另一种为温度沉陷缝，其中施工缝可不作为设计内容。温度沉陷缝一般直通到底，每隔20m左右或一个机组段分一条。如果厂房建在软基上，分缝距离一般在40m以上或两个机组段分一条。缝的宽度一般为0.5—2m，软基上的厂房缝宽一般为3—5cm。因为温度沉陷缝有一定的宽度，为了防止水通过分缝进入厂房，需要在缝中设置止水，一般为橡胶止水或铜片止水，其设置方法和构造与坝的止水相同。5、进水口设计进水口设计的主要内容包括进口底板的高程、轮廓形状及拦污栅设计。其中进口底板高程应满足底板高于淤沙高程，而顶板应满足最小淹没深度要求；轮廓形状按流线喇叭口体形设计，顶板收缩，底板倾斜，两侧采用直墙；拦污栅设计内容主要包括拦污栅的面积、布置方式，并考虑清污问题。6、桥吊选择桥吊的选择主要是确定其起重量和桥吊跨度。桥吊的最大起重量取决于所吊运的最重部件，一般为发电机转子。悬式发电机的转子需带轴吊运，伞式发电机的转子可带轴吊运，也可不带轴吊运。对于低水头电站，最重部件可能是带轴或不带轴的水轮机转轮。少数情况下，桥吊的起重量决定于主变压器(主变需要在厂内检修)。桥吊跨度是指桥吊大梁两端轮子的中心距。选择桥吊跨度时应综合考虑下列因素：①桥吊跨度要与主厂房下部块体结构的尺寸相适应，使主厂房构架直接坐落在下部块体结构的一期混凝土上。②满足发电机层及装配场布置要求，使主厂房内主要机电设备均在主副钩工作范围之内，以便安装和检修。③尽量选用起重机制造厂家所规定的标准跨度。17 桥式吊车的吊运方式应尽可能减小厂房的高度和宽度，并同时满足机组正常运行和检修的要求。起吊部件和吊车的主钩由吊索或吊具系在一起。在吊运过程中，起吊部件和其它设备及墙壁之间应留有一定的安全距离。当采用刚性吊具时，垂直方向的安全距离为0.3-0.5m，水平方向安全距离为0.2-0.4m。若采用柔性吊具，垂直方向安全距离取0．6—l.0m。7、副厂房为了保证机组正常运行，在主厂房近旁布置的各种辅助机电设备、控制、试验、管理和运行人员工作和生活的房间，称为副厂房。对于本电站，副厂房可以设在主厂房靠对外交通的一端。副厂房的面积要求见表3-25。(五)施工导流导流方案的选择受各种因素的影响。一个合理的导流方案，必须在周密地研究各种影响因素的基础上，同时拟定几个可能的方案，进行技术经济比较，才能选择出来。选择导流方案时应考虑的主要因素有：1、水文条件河流流量的大小、水位变化的幅度、全年流量的变化情况、枯水期的长短、汛期洪水的延续时间、冬季的流冰及冰冻情况等，均直接影响导流方案的选择。对于本电站来说，由于河床较宽，宜采用分段围堰法导流。由于上游已建成B电站，在一定程度上可以控制坝址处通过的洪水，因此导流标准不必太高。另一方面，本电站所在河流枯水期较长，充分利用枯水期安排工程施工是完全必要的。表3-25副厂房房间及参考面积副厂房名称参考面积/m330~200MW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17 交接班室20~2520~25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）10~1510~15根据本电站的情况，导流标准可按20年一遇洪水设计，建议用“两段两期”施工导流方案。其中一期先围左岸，尽早建成电站厂房和几个留有导流底孔的挡水坝段。2、地形条件坝区附近的地形条件，对导流方案的选择影响很大。对于河床宽阔的河流，尤其在施工期有通航过筏要求的河流，宜采用分段围堰法导流。由于本电站河床中没有天然石岛或沙洲，建议纵向围堰采用混凝土围堰，而上下游横向围堰采用土石围堰。3、地质及水文地质条件河流两岸及河床的地质条件对导流方案的选择与导流建筑物的布置有直接影响。当采用分段围堰法导流时，由于河床的束窄，减小了过水断面的面积，使水流的流速增大。这时，为了河床不受过大的冲刷，避免把围堰基础掏空，应根据河床地质条件来决定河床可能束窄的程度。对于岩石河床，抗冲刷能力较强，河床允许束窄程度较大，甚至可达到88％，流速增加到7.5m／s；但对覆盖层较厚的河床，抗冲刷能力较差，其束窄程度大多不到30％，流速仅允许达到3.0m／s。此外，选择围堰型式，基坑能否允许淹没，能否利用当地材料修筑围堰等等，也都与地质条件有关。水文地质条件则与基坑排水工作和围堰型式的选择有很大关系。因此，为了更好地进行导流方案的选择，要对地质和水文地质勘测工作提出专门要求。4、水利水电枢纽建筑物的型式及其布置水工建筑物的型式和枢纽布置与导流方案相互影响，因此在决定建筑物的型式和枢纽布置时，应该同时考虑并拟定导流方案，而在选定导流方案时，又应该充分利用建筑物型式和枢纽布置方面的特点。这样相辅相成，选出最佳方案。采用分段围堰法修建混凝土坝枢纽时，应当充分利用水电站与混凝土坝间或混凝土坝溢流段和非溢流段间的隔墙作为纵向围堰的一部分，以降低导流建筑物的造价。在这种情况下，对于第一期工程所修建的混凝土坝，应该核算它是否能布置宣泄二期工程汛期洪水用的泄水建筑物(底孔、预留缺口等)。与此同时，为了防止河床冲刷过大，还应核算河床的束窄程度，保证有足够的过水断面来宣泄施工流量。由于混凝土重力坝抗冲能力较强，允许流速可以达到25m／s，故不但可以通过底孔泄流，而且还可以通过未建完的坝身过水，使导流方案选择的灵活性大大增加。5、施工进度、施工方法及施工场地布置水利水电工程的施工进度与导流方案密切相关，通常是根据导流方案才能安排控制性进度计划。在水利水电枢纽施工导流过程中，对施工进度起控制作用的关键性时段主要有：导流建筑物的完工期限，截断河床水流的时间，坝体拦洪的期限，封堵临时泄水建筑物的时间，以及水库蓄水发电的时间等。但是各项工程的施工方法和施工进度又直接影响到各时段中导流任务的合理性和可能性。例如：在混凝土坝枢纽中，采用分段围堰施工时，若导流底孔没有建成，就不能截断河床水流和全面修建第二期围堰；若坝体没有达到一定高程和没有完成基础及坝身纵缝灌浆以前，就不能封堵底孔和使水库蓄水等。因此施工方法、施工进度与导流方案三者是密切相关的。此外，导流方案的选择与施工场地的布置亦相互影响。例如：在混凝土坝施工中，当混凝土系统布置在一岸时，以采用全段围堰法导流为宜。若采用分段围堰法导流，则应以混凝土生产系统所在的一岸作为第一期工程，因为这样两岸的交通运输问题比较易于解决。在选择导流方案时，除了综合考虑以上各方面因素以外，还应使主体工程尽可能及早发挥效益，简化导流程序，降低导流费用，使导流建筑物既简单易行，又适用可靠。(六)设计成果的具体要求1、设计图设计图是毕业设计的主要成果。要求制图正确，图面饱满，没有重复，线条分明，字体工整，尺寸齐全。比例尺及材料符号等应符合《水利水电工程制图》规范要求。每个同学应完成设计图4张。2、设计说明书17 设计说明书也是毕业设计的主要成果，要求章节分明，文字简练通顺，字迹工整。应写清楚计算过程，有充分的分析论证，并说明计算条件，计算方法和成果。要尽量使用表格和附图表示。(七)H水电站设计说明书编写参考提纲第一章基本资料第一节工程概况及工程目的第二节基本资料第二章水轮机选择第一节机组台数和机组型号选择第二节水轮机主要参数的确定第三节蜗壳和尾水管的水力计算第四节水轮发电机组的选择第三章枢纽布置及坝工设计第一节坝轴线选择第二节枢纽布置及工程等级第三节挡水坝设计第四节溢流坝设计第五节坝体细部构造第四章水电站厂房设计第一节主厂房的尺寸确定第二节主厂房的布置第三节进水口设计第四节副厂房布置第五章施工导流设计17 (八)建议参考书(1)水利电力部，水电站厂房设计规范(SD335(2)金钟元，水力机械，水利电力出版社，199189)(试行)，水利电力出版社，1990。(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)1983。1997)，电力工业水利电力出版社(7)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。(10)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。(11)顾鹏飞等，水电站厂房设计，水利电力出版社，1987。(12)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。(13)袁光裕，水利工程施工，中国水利水电出版社，1996年第三版。17 四、思考题1.、如何确定本电站各种建筑物的设计标准?主要建筑物和临时建筑物的标准如何确定?2、如何选定水轮机的标称直径和额定转速、吸出高度和安装高程?3、水轮机的特征水头有哪几个?如何确定?4、水轮机的单机容量及机组台数是如何确定的?5、水轮机机组选型时为什么要对效率进行修正?如何修正?6、蜗壳的型式是如何选取的?其断面是如何确定的?画出蜗壳平面图，指出何为包角。7、尾水管的型式及尺寸是如何选取的?其尺寸的大小对水轮机的效率有何影响?8、水轮机的型号及尺寸是怎样选取的?写出你所选用的水轮机型号，各代表什么意义?9、发电机的型式是如何选取的?其优点是什么?套用机组时采用什么原则?10、水轮机的安装高程是如何确定的?设计中考虑了哪些因素?下游水位如何选取?11、说明调速器和油压装置是如何选择的。12、非溢流坝的坝顶高程、宽度是如何确定的?13、溢流坝段的长度及堰顶高程是如何确定的?14、如何选取抗滑稳定计算公式来分析坝体稳定?15、你是如何进行溢流坝消能设计的?该种消能型式有何优点?16、如何确定溢流坝的堰面曲线?当上游水位高于或低于设计水位时，溢流面上的水流如何?17、叙述进水口的尺寸及其设备的布置。18、进水口的型式、高程、轮廓形状是如何确定的?19、主厂房的宽度是怎样确定的?设计时考虑了哪些因素?20、主厂房的长度是怎样确定的?包括哪几部分?21、主厂房分了几层?各层布置了哪些设备?22、装配场的位置、高程及尺寸如何确定?23、副厂房的位置是如何确定的?说明几个主要副厂房(中控室、直流设备室等)的布置需要考虑的因素。24、机墩的型式有几种?你是怎样选取的?其优点是什么?25、本电站的设计中设置了哪些闸门?各有什么作用?26、开关站的位置和高程如何确定?27、主厂房的高度是怎样确定的?28、如何从地形、地质、施工、运行管理等方面考虑厂区枢纽布置(17 包括主厂房、副厂房、变压器场、开关场、交通)？29、主厂房内的起重设备是如何选取的？吊车限制线的作用是什么？30、说明河床式厂房的特点。本电站可以采用坝后式厂房吗？31、讲述本厂房内部的交通布置。32、请讲述坝体的细部构造（坝顶、廊道、坝缝、止水等）。17'