水利水电工程专业水电站毕业设计.doc

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水利水电工程专业毕业设计

目录

摘要 -5-

ABSTRACT -5-

第一章设计基本资料 -7-

1.1流域概况和地理位置 -7-

1.1.1水文条件 -7-

1.1.2气象条件 -7-

1.1.3厂区水位流量关系 -8-

1.1.4水库面积、容积 -8-

1.1.5工程地质 -9-

1.1.6当地建筑材料 -10-

1.1.7工程效益 -10-

1.2设计资料 -11-

1.2.1水能规划 -11-

1.2.2挡水建筑物及泄水建筑物 -11-

1.2.3引水建筑物 -11-

1.2.4水电站厂房 -11-

1.3设计任务 -11-

1.3.1水能利用 -11-

1.3.2枢纽布置、挡水及泄水建筑物 -11-

1.3.3水电站引水建筑物 -12-

1.3.4水电站厂房 -12-

1.3.5其他 -12-

第二章水轮机 -13-

2.1特征水头的确定 -13-

2.2水轮机选型 -13-

2.3水轮机蜗壳及尾水管 -16-

2.3.1蜗壳尺寸确定 -16-

2.3.2尾水管尺寸确定 -17-

2.4调速设备及油压设备选择 -18-

2.4.1调速功计算 -18-

2.4.2接力器选择 -18-

2.4.3调速器的选择 -19-

2.4.4油压装置 -19-

第三章发电机 -21-

3.1发电机的尺寸估算 -21-

3.1.1主要尺寸估算 -21-

3.1.2外形尺寸估算 -22-

3.2发电机重量估算 -23-

第四章混凝土重力坝 -25-

4.1剖面设计 -25-

4.1.1坝高的确定 -25-

4.1.2坝底宽度的确定 -27-

4.2稳定与强度校核 -28-

4.2.1 作用组合和类型 -28-

4.2.2承载能力极限状态强度和稳定验算 -34-

4.2.3正常使用极限状态进行强度的计算和验算。

-42-

4.3混凝土坝的材料与构造 -45-

4.3.1材料 -45-

4.3.2构造 -45-

4.4地基处理 -46-

4.4.1坝基帷幕灌浆 -46-

4.4.3坝基排水设施 -46-

第五章引水建筑物布置 -47-

5.1压力钢管布置 -47-

5.1.1确定钢管直径 -47-

5.2进水口布置 -47-

5.2.1确定有压进水口的高程 -47-

5.2.2渐变段尺寸确定 -48-

5.2.3拦污栅尺寸确定 -49-

5.2.4通气孔的面积确定 -50-

第六章主厂房尺寸及布置 -51-

6.1厂房高度的确定 -51-

6.1.1水轮机安装高程 -51-

6.1.2.尾水管顶部高程及尾水管底部高程 -51-

6.1.3基岩开挖高程 -51-

6.1.4水轮机层地面高程 -51-

6.1.5发电机层楼板高程 -52-

6.1.6吊车轨顶高程 -52-

6.1.7厂房顶高程 -52-

6.2主厂房长度的确定 -52-

6.2.1机组段长度确定 -52-

6.2.2端机组段长度 -53-

6.2.3装配场长度 -54-

6.3主厂房宽度和桥吊跨度的确定 -54-

第七章混凝土溢流坝 -56-

7.1溢流坝段总宽度的确定 -56-

7.1.1单宽流量q的选择 -56-

7.1.2确定溢流前缘总净宽L -56-

7.1.3确定溢流坝段总宽度 -57-

7.2堰顶高程的确定 -57-

7.2.1堰顶高程的确定 -57-

7.2.2闸门高度的确定 -58-

7.3堰面曲线的确定 -58-

7.3.1最大运行水头和定型设计水头的确定 -58-

7.3.2三圆弧段的确定 -58-

7.3.3曲线段的确定 -59-

7.3.4直线段的确定：

-59-

7.3.5反弧段的确定 -59-

7.3.6鼻坎挑角和坎顶高程的确定 -60-

7.3.7溢流坝倒悬的确定 -60-

7.4溢流坝强度和稳定验算 -60-

7.4.1作用组合和类型 -60-

7.4.2承载能力极限状态强度和稳定验算 -62-

7.4.3正常使用极限状态进行强度的计算和验算 -64-

7.5溢流坝的结构布置 -65-

7.6因布置厂房调整后的溢流坝剖面 -65-

7.7消能与防冲 -65-

7.7.1鼻坎的型式和尺寸 -65-

7.7.2挑射距离和冲刷坑深度的估算 -65-

第八章压力钢管应力分析及结构设计 -67-

8.1水力计算 -67-

8.1.1水头损失计算 -67-

8.1.2水锤计算 -74-

8.2压力钢管厚度的拟定 -77-

8.3钢管、钢筋、混凝土联合承受内压的应力分析 -79-

8.3.1混凝土开裂情况判别 -79-

8.3.2应力计算 -83-

参考文献 -86-

摘要

紧水滩水电站位于龙泉溪上，是瓯江上游干流梯级开发的第一级水电站，工程以发电为主，兼顾航运、放木及防洪等综合利用要求。

该工程挡水建筑物为混凝土重力坝，泄水建筑物为溢流坝，设计洪水位为289.94m，相应的下泄流量为11000m3/s；校核洪水位为291.80m，相应的下泄流量为14100m3/s，正常蓄水位为284m，设计低水位为264m.非溢流坝坝顶高程293.88m。

坝基开挖至高程200m。

最大坝高93.88m。

上游坝坡坡度1：

0.15，下游坝坡坡度1：

0.77，溢流坝堰顶高程272.37m，水电站进水口中心线高程254.2m

本枢纽河谷底宽80m左右，坝顶高程处坝轴线长278m，，泄水建筑物进口净宽96m。

根据布置，溢流坝段布置在河床中间，厂房布置在溢流坝段,为厂房顶溢流形式。

因右岸比较平缓，可布置开关站.

该工程采用坝后式水电站布置方式，通过计算选用了混流式水轮机型，转轮直径为3.0m,转速为214.3r/min。

安装水轮发电机组4台，单机容量4.6万千瓦，总装机容量为18.4万kW。

主厂房宽为19m，长为75.5m.副厂房是为保证水电站正常运行需要，设置在主厂房上游侧。

主要布置各种机电辅助设备、房间、生产间和必要生活设施房间。

进场公路布置在左岸。

本设计还包括坝内埋管的结构设计。

关键词坝后式水电站混凝土重力坝水轮机发电机进水口厂房坝内埋管

ABSTRACT

Jin-shui-tanhydroelectricstationislocatedonLong-quanstreamwhichisthefirsthydroelectricstationoftheuppermainstreamofOuriver.Theprimaryeffectofthewholeengineeringisgeneratingelectricitythatalsomeetsthedemandofshipping,driftwood,floodcontrolandetc.

Thisengineeringuseconcretegravitydamtopreventthewaterandoverflowingdamtosluicing.Thedesignwaterlevelis289.94m,itscorrespondingflowamountis11000m3/s.Thechecklevelis291.80m,itscorrespondingflowis14100m3/s.Theregularwaterretaininglevelis284m.Thecrestelevationofthenon-over-falldamis293.88m,thefoundationofdamarrivesto192mheight,Themaxheightofthedamis93.88m,Theupstreamdamslopeis1:

0.15,thedownstreamdamslopis1:

0.77,thecrestelevationis272.37m.Theelevationofthewaterintakeoftheplantis254.2m.

Thewidthofbottomoftherivervaletothishingeisabout80m;thelengthofaxisontopofdamis278m;Accordingtodisposal,theoverflowingliesinthemiddleofriverbed,whereasfactoryliesinthemiddleofoverflowingdam.Becausetheleftshoreismuchflaterwhichcanlaytheswitchstation.

Thisengineeringusessuchdisposalthatthehydroelectricstationisbehindthedam.Wechoosethemixedhydraulicturbine,whosediameteris3.0mandr.p.mis214.3r/min.OneofGeneratorhas46000kwelectricity.Itisensuredtogenerate184000kwelectricity.Thewidthofthemainpowerhouseis19m,thelengthis75.5m.Allkindsofauxiliaryequipmentandotherkindsofroomsassembleindeputyhouse.

Thisdesignconcludesthepenstockembededindam.

KeyWords：

Powerstationatthetoeofthedam，concretegravity,overflowspillway,turbine,generator,intake,powerhouse,penstockembededindam

第一章设计基本资料

1.1流域概况和地理位置

紧水滩水电站在瓯江支流龙泉溪上，坝址以上流域面积2761平方公里。

龙泉溪发源于浙闽交界仙霞岭、洞官山，河流长度153公里，直线长度77公里，平均宽度36公里。

除龙泉县城附近及赤石仁三处有小片盆地外，其余地段多为峡谷，河床覆盖多以大块石和卵石组成，险滩较多。

本流域东侧与瓯江支流小溪相邻，西侧与钱塘江支流乌溪江相邻，南侧为闽江支流松溪，北侧为瓯江支流松阴溪。

河流四周均为岭南山系洞官山脉包围，山脉走向与河流流向一致，最高峰黄茅尖高达1921米，流域平均高度662米，河道坡降上游陡、下游缓，平均坡降为6.32‰~0.97‰，因河道陡，河槽调蓄能力低，汇流快，由暴雨产生的洪水迅涨猛落，历时短，传播快，所以一次洪水过程尖瘦，属典型的山区性河流。

龙泉溪是浙江省木材主要产地，境内森林茂盛，植被良好，水土流失不严重。

本工程为瓯江干支流规划的五个梯级开发中的一级，以发电为主，兼顾航运、放木（竹）以及防洪等综合效益。

电站建成后主要担任华东电网调峰并供电丽水、温州，将使丽、温两地区通过220千伏输电线路联系，形成浙南电力系统。

为解决建坝后龙泉溪木材（竹）的流放和航运的发展，大坝左岸专门设置有货筏过坝建筑物。

水库有1.53亿立方米的防洪库容，用以减轻下游丽水、碧湖地区防洪的负担。

1.1.1水文条件

紧水滩坝址与石富站流域面积仅差41平方公里，占控制流域面积的15%，故坝址处流量资料均不加修改，直接采用石富站资料。

1.1.2气象条件

1.1.2.1气温

本地区地处浙东南沿海山区，属温带季风气候，气候温和，坝址区历年平均气温17.3℃，月平均气温以1971年7月份30.7℃最高，1962年1月份13℃最低，实测最高气温为40.7℃（1966年8月），最低气温-8.1℃（1969年2月）。

1.1.2.2湿度

流域内气候湿润，历年平均相对湿度79%，其中以六月份的87%为最大，一月份的84%为最小，实测最小相对湿度仅8%。

1.1.2.3降雨量

本流域距东海仅120~180公里，水汽供应充沛，坝址以上流域年平均雨量为1833.8毫米，但在年内分配很不均匀，3~9月占年雨量为80.5%，其中5~6两月为雷雨季节，降雨量占年雨量的三分之一，往往形成连绵起伏的洪水，本流域暴雨常出现在此期间，实测最大24小时雨量为236.8毫米。

7~9月间台风侵袭，也有暴雨出现，最大24小时雨量曾达145.4毫米。

流域多年平均降水日数为172天，最多达201天，最少145天。

1.1.2.4风向风速

本流域4至8月为东南风，1至3月、9至12月一般为东北风及西北风。

历年平均风速1.15米/秒，出现在1970年4月，风向西北偏西。

坝址区可能发生最大风力为11级，相当于风速32米/秒。

1.1.3厂区水位流量关系

表1—1厂区水位流量关系

水位

（m）

202

203

204

205

206

207

208

209

210

流量

（m3/s）

80

240

540

880

1280

1740

2300

2900

3620

水位

（m）

211

212

213

214

215

216

217

218

219

流量

（m3/s）

4380

5200

6060

7000

7940

8980

10080

11200

12340

1.1.4水库面积、容积

表1—2水库面积、容积

高程

（m）

205

215

220

225

230

235

240

面积

（km2）

0

1.3

2.3

3.9

5.7

7.7

9.7

容积（108m3）

0

0.05

0.2

0.35

0.6

0.925

1.375

高程

（m）

245

250

255

260

265

270

275

面积

（km2）

11.6

13.6

15.9

18.3

21.3

24.5

27.7

容积（108m3）

1.9

2.5

3.2

4.05

5.05

6.25

7.575

高程

（m）

280

285

290

295

300

面积

（km2）

31.2

35.2

40.3

48.1

58.4

容积（108m3）

9.10

10.75

12.7

15.05

17.7

1.1.5工程地质

1.1.5.1地形地势

库区周边地势高峻，无低矮分水岭，岩石坚硬完整，虽有部分断层伸延库外，但断层胶结好，山体雄厚，且地下水位分布较高，故无永久渗漏之虑。

库区岩石以山岩为主，物理地质现象以小型塌滑体居多，蓄水后小型的边坡再造虽有可能但不致产生大规模的边坡不稳定。

本地区的地震烈度为6度。

紧水滩峡谷长约300米，坝址上游河谷为东西向，进入坝址后转为南北向，水流湍急，河流径急滩折向南偏东流出河谷，在坝址上游转弯和下游急滩两地段，水流集中冲刷形成深潭。

河谷深切，河谷呈“V”型，两岸地形坡度：

200～220米高程为35°，220～260米高程为45°，260～340米高程为50°～60°，河低高程约200米，谷宽80～100米，一般苦水面宽度：

50米，水深1～3米。

1.1.5.2岩性

坝区位于90平方公里的“牛头山”花岗斑岩岩枝的南缘，细粒花岗岩和小型的石英岩脉、细晶岩脉，辉绿岩脉侵入穿摘其间与围岩接触良好。

1.1.5.3地质构造

根据坝址区资料分析，紧水滩坝址两岸地形对称，岩性均一，较新鲜完整，风化浅，构造不甚发育，水文地质条件较简单，故属工程地质条件较好的坝址。

但对缓倾角节理，低水头的裂隙承压水和两岸坝肩的三角稳定问题等需加重视。

1.1.6当地建筑材料

1.1.6.1土料

下村料场：

距坝址0.5公里，有效储量426700立方米。

油坑料场：

位于500～550米高程的立平山丘上，为粘土及壤土组成。

1.1.6.2砂石料

共计23个料场，有效储量水下557000立方米，水上3094600立方米、合计3651600立方米

1.1.7工程效益

本电站以发电为主，同时兼顾防洪、航运、渔业等综合利用。

1.1.7.1发电

龙泉溪水电站建成后连入华东电力系统，作为系统调峰电源之一。

1.1.7.2防洪

水库建成后，可减轻洪水对丽水县城和碧湖平原的影响。

在水库五年一遇和二十年一遇洪水时，紧水滩洪峰流量，由原来的4270、6260秒立方米。

分别削减为2270、3560秒立方米。

1.1.7.3航运与木竹流放

水库建成后，库区可通航机动船，由于水库的调节作用，坝址至丽水枯水期的最小流量由原来的2.23秒立米提高到50秒立米，保证率（80～85%）水深增加了0.6米左右。

从而改善了航运条件。

水库建成后，经水库调节，流放竹、木条件可大为改善，有效流放时间可大为增长，流放量由现在的14万立方米提高到27.4万立方米。

1.1.7.4渔业

水库建成后，正常畜水位时，水库面积达34.2平方公里，为发展渔业及其他水产养殖事业创造了有利条件。

1.2设计资料

1.2.1水能规划

1.校核洪水位:

291.80m,校核洪水最大下泄流量14100m3/s.

2.设计洪水位:

289.94m,设计洪水最大下泄流量11000m3/s.

3.设计蓄水位:

284.00m

4.设计低水位:

264.00m

5.装机容量:

4×46MW

6.机组机型：

选型计算确定

7.其它：

调速器、油压装置及起重机选型根据选定的水轮发电机组的参数计算确定。

1.2.2挡水建筑物及泄水建筑物

1.挡水建筑物：

混凝土重力坝

2.泄水建筑物：

混凝土溢流坝

3.其它：

无

1.2.3引水建筑物

坝式进水口、单元供水、金属蜗壳

1.2.4水电站厂房

坝后式水电站

1.3设计任务

1.3.1水能利用

无

1.3.2枢纽布置、挡水及泄水建筑物

确定本水电站工程枢纽的组成，建筑物及工程的等级，进行整体枢纽规划布置。

用简易方法计算挡水建筑物和泄水建筑物的基本轮廓尺寸，绘制本电站枢纽布置图和挡水建筑物、泄水建筑物典型横剖面图。

1.3.3水电站引水建筑物

根据本电站的基本资料，选择水轮机型号及其主要参数，选择配套的发电机和调速器、油压装置型号并确定主要尺寸。

在此基础上计算压力钢管主要参数并进行布置，计算进水口、拦污栅基本参数，绘制压力钢管布置图。

1.3.4水电站厂房

在上述基础上，计算本电站主厂房基本尺寸，选择合适的起重设备，然后进行厂区枢纽布置及主、付厂房设备布置。

绘制厂房典型横剖面图，水轮机层平面布置图和发电机层平面布置图各1张。

1.3.5其他

用AutoCAD将上述图纸中至少1张绘制成1＃工程图。

专题：

本电站压力钢管应力分析及结构设计，并绘制结构图。

第二章水轮机

2.1特征水头的确定

在校核洪水位下,四台机组满发，H1=70.54m；

在设计洪水位下，四台机组满发，H2=71.40m；

在设计蓄水位下,一台机组满发，H3=81.26m.；

在设计蓄水位下，四台机组满发，H4=80.08m；

在设计低水位下，四台机组满发，H5=59.79m；

在设计低水位下，一台机组满发，H6=61.32m。

最大水头为

=81.26m

最小水头为

=59.79m

加权平均水头为

=72.74

设计水头为

=69.11m

2.2水轮机选型

根据水头变化范围59.79m—81.26m,在水轮机系列型谱表3—3.表3—4中查出合适的机型为HL220.

HL220型水轮机的主要参数选择

1.转轮直径D1计算

查《水电站》表3—6和图3—12可得HL220型水轮机在限制工况下单位流量Q11M=1150L/s，效率η=89.0%，由此可初步假定原型水轮机在该工况下单位流量Q11=Q11M=1150L/s，效率η=90%。

D1=（2-1）

Nr=Ngr/ηgr

式中Nr——水轮发电机额定出力，kW；

ηgr——发电机的额定效率，ηgr=96%,

Nr=Ngr/ηgr=46000/96%=47916.67kw

Hr——设计水头，m；

η——原型水轮机的效率（%），由限制工况下的模型水轮机的效率修正可得。

Nr=Ngr/ηgr=47916.67kw

D1==2.866m

选用与之接近而偏大的标称直径D1=3.0m.

2.转速n计算

查《水电站》表3—4可得，HL220型水轮机在最优工况下单位转速n110M=70.0r/min,初步假定n110=n110M=70.0r/min,Hav=72.74m,D1=3.0m.

n==199.00r/min（2-2）

选择与上述计算值相近而偏大的同步转速n=214.3r/min。

3.效率及单位参数修正

查表3—6可得HL220型水轮机在最优工况下的模型最高效率为ηMmax=91%模型转轮直径D1M=0.46m

ηmax=1-（1-ηMmax）=1-（1-91%）=93.8%（2-3）

则效率修正值为Δη=93.8%-91%=2.8%。

考虑到模型与原型水轮机在制造上的差异。

常在已求得的Δη值中再减去一个修正值ε，现取ε=1.0%，可得修正值为Δη=1.8%，原型水轮机在最优工况和限制工况下的效率为

ηmax=ηMmax+Δη=91%+1.8%=92.8%

η=ηM+Δη=89%+1.8%=90.8%≠90%

与假定不符。