毕业设计-太平哨水利枢纽引水式水电站设计.doc
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河北工程大学毕业设计
目录
1基本资料…………………………………………………………………………6
1.1任务的提出………………………………………………………………………6
1.2工程地质条件……………………………………………………………………6
1.2.1地貌与地层………………………………………………………………6
1.2.2水库区工程地质条件……………………………………………………7
1.2.3坝址工程地质条件………………………………………………………7
1.2.4付坝工程地质条件……………………………………………………8
1.2.5引水隧洞和厂房区工程地质条件……………………………………8
1.3建筑材料…………………………………………………………………………9
1.4水文与气象………………………………………………………………………11
1.4.1流域自然地理概况………………………………………………………11
1.4.2气象条件…………………………………………………………………11
1.4.3水文资料…………………………………………………………………12
1.5水利、动能及水库…………………………………………………………………17
1.5.1电站任务…………………………………………………………………17
1.5.2水库水位……………………………………………………………………18
1.5.3装机容量的选择…………………………………………………………18
1.5.4引水隧洞的洞径选择……………………………………………………18
1.5.5附图………………………………………………………………………19
2水轮机选型设计……………………………………………………………………25
2.1机组台数与单机容量的选择…………………………………………………25
2.1.1机组台数选择………………………………………………………………25
2.1.2机组单机容量选择…………………………………………………………26
2.2水轮机型号及装置方式的选择………………………………………………26
2.2.1水轮机型号选择……………………………………………………………26
2.2.2装置方式的选择…………………………………………………………………26
2.3水轮机参数计算………………………………………………………………26
2.3.1HL240型水轮机方案主要参数选择………………………………………26
2.3.2ZZ440型水轮机方案主要参数选择…………………………………………29
2.3.3HL240型水轮机及ZZ44型水轮机两种方案的比较………………………31
2.4水轮机运转特性曲线的绘制…………………………………………………32
2.4.1等效率曲线的绘制…………………………………………………………32
2.4.2出力限制线的绘制…………………………………………………………33
2.4.3等吸出高度曲线的绘制……………………………………………………34
2.5水轮机蜗壳设计………………………………………………………………35
2.5.1蜗壳形式的选择……………………………………………………………35
2.5.2断面形状及包角的选择……………………………………………………35
2.5.3进口断面面积及尺寸的确定………………………………………………35
2.5.4中间断面尺寸的确定………………………………………………………36
2.5.5图的绘制………………………………………………………36
2.6尾水管设计…………………………………………………………………37
2.6.1尾水管的形式………………………………………………………………37
2.6.2弯肘形尾水管部分尺寸的确定……………………………………………37
2.7发电机的选择………………………………………………………………38
2.7.1发电机型式的选择…………………………………………………………38
2.7.2水轮发电机的结构尺寸……………………………………………………38
2.8调速器设计……………………………………………………………………39
2.8.1调速设备的选择……………………………………………………………39
2.8.2接力器的选择………………………………………………………………39
2.8.3调速器的选择………………………………………………………………40
2.8.4液压装置的选择……………………………………………………………41
2.9附图………………………………………………………………………42
3坝区枢纽总布置…………………………………………………………………46
3.1坝轴线及坝型选择……………………………………………………………46
3.1.1坝轴线选择…………………………………………………………………46
3.1.2坝型选择……………………………………………………………………46
3.2泄洪方式选择及调洪演算……………………………………………………47
3.3枢纽布置………………………………………………………………………47
4拦河坝设计………………………………………………………………………48
4.1基本资料……………………………………………………………………48
4.2挡水坝剖面设计……………………………………………………………48
4.2.1挡水坝坝顶高程的确定……………………………………………………48
4.2.2挡水坝的剖面尺寸确定……………………………………………………48
4.3溢流坝剖面设计……………………………………………………………49
4.3.1溢流坝面曲线设计………………………………………………………49
4.3.2消能防冲设计………………………………………………………………50
4.4洪水下泄流量校核……………………………………………………………51
4.4.1溢流坝过流能力的验算……………………………………………………51
4.4.2底孔过流能力验算…………………………………………………………53
4.5闸门闸墩及工作桥设…………………………………………………………54
5挡水坝稳定及应力分析…………………………………………………………56
5.1计算说明……………………………………………………………………56
5.1.1计算内容……………………………………………………………………56
5.1.2计算工况……………………………………………………………………56
5.1.3计算单元与计算截面………………………………………………………56
5.2挡水坝稳定及应力分析………………………………………………………56
5.2.1荷载计算……………………………………………………………………56
5.2.2抗滑稳定分析………………………………………………………………57
5.2.3应力分析……………………………………………………………………58
6细部构造设计…………………………………………………………………60
6.1坝体分区及标选择……………………………………………………………60
6.2分缝与止水……………………………………………………………………60
6.3廊道系统和排水系统的布置…………………………………………………61
6.3.1廊道系统布置………………………………………………………………61
6.3.2排水设施布置………………………………………………………………62
6.4坝顶构造………………………………………………………………………62
6.4.1非溢流坝坝顶构造…………………………………………………………62
6.4.2溢流坝坝顶构造……………………………………………………………62
6.5坝基处理……………………………………………………………………62
6.5.1坝基开挖及清理……………………………………………………………62
6.5.2坝基的加固处理……………………………………………………………62
6.5.3坝基的防渗处理……………………………………………………………63
6.5.4地基排水……………………………………………………………………63
6.5.5两岸的处理…………………………………………………………………63
7水电站引水系统设计……………………………………………………………64
7.1隧洞洞径及洞线选择…………………………………………………………64
7.1.1有压引水隧洞洞径计算……………………………………………………64
7.1.2洞线选择原则………………………………………………………………64
7.2进水口设计……………………………………………………………………65
7.2.1进水口型式的选择…………………………………………………………65
7.2.2进水口高程确定……………………………………………………………65
7.2.3进水口尺寸的拟定…………………………………………………………66
7.2.4进口设备……………………………………………………………………67
7.3引水隧洞……………………………………………………………………67
7.3.1线路与坡度的确定…………………………………………………………67
7.3.2断面形式与断面尺寸………………………………………………………68
7.3.3洞身衬砌……………………………………………………………………68
7.4调压室设计…………………………………………………………………69
7.4.1是否设置调压室判断………………………………………………………69
7.4.2调压室位置的选择…………………………………………………………70
7.4.3调压室的布置方式与型式的选择…………………………………………70
7.4.4调压室的水利计算…………………………………………………………70
7.5水击及调节保证计算…………………………………………………………72
7.5.1调保计算目的………………………………………………………………72
7.5.2调节保证计算的内容………………………………………………………72
7.5.3调节保证计算的过程………………………………………………………73
7.6压力管道设计…………………………………………………………………75
7.6.1压力管道的布置……………………………………………………………75
7.6.2压力管道直径的选择………………………………………………………76
7.6.3调节保证计算………………………………………………………………76
7.6.4压力管道的结构设计及稳定计算…………………………………………76
7.7防止地下埋管产生外压失稳的措施…………………………………………78
8水电站厂房设计…………………………………………………………………79
8.1厂区枢纽平面布置……………………………………………………………79
8.2主厂房平面设计………………………………………………………………79
8.2.1主厂房长度的确定…………………………………………………………79
8.2.2主厂房宽度确定……………………………………………………………80
8.3主厂房剖面设计………………………………………………………………81
8.3.1机组的安装高程……………………………………………………………81
8.3.2尾水管底板高程……………………………………………………………81
8.3.3基础开挖高程………………………………………………………………81
8.3.4水轮机地面高程……………………………………………………………81
8.3.5发电机定子安装高程………………………………………………………82
8.3.6发电机层楼板高程…………………………………………………………82
8.3.7吊车轨顶高程………………………………………………………………82
8.3.8天花板高程…………………………………………………………………82
8.3.9屋顶高程……………………………………………………………………83
8.4副厂房的布置与设计…………………………………………………………83
谢辞…………………………………………………………………………84
参考资料…………………………………………………………………………85
外文资料…………………………………………………………………………86
外文翻译…………………………………………………………………………89
1.基本资料
1.1任务的提出
浑江是鸭绿江在我国境内的较大支流，也是我国东北地区水力资源较为丰富的一条河流，因此，合理开发利用浑江水力资源是个重要的课题。
浑江发源于长白山老岭，河流全长430余公里，河流坡降约为1/1000;流域面积15000平方公里。
流域形状近于椭圆，南北长160公里，东西宽约170公里。
根据浑江河道自然特性的变化，大致以通化为上、中游之分界：
以桓仁为中、下游之分界。
河流系山区河流，蜿蜒于山谷之中，沿河山势陡峭，支流众多，于支流入口处，地势较为开阔，出现山间盆地。
浑江流域水系图参见图1。
浑江下游（桓仁以下）的水能利用与梯级开发问题曾进行了长时间的研究，基本上归纳为两种开发方案，即：
桓仁、沙尖子两级开发方案与桓仁、回龙山、太平哨、高岭、金坑等多级开发方案。
目前，在桓仁水电站早已建成投产的情况下，实际上变成为沙尖子高坝大库与回龙、太平哨、高岭、金坑等梯级开发方式之争。
本任务书取材于梯级开发方案的太平哨水电站，并拟定为混合式开发的地面厂房型式。
有关浑江下游梯级开发情况可参见附图1。
1.2工程地质条件
1.2.1地貌与地层
本地区的地貌景观按其成因类型可分为两类：
构造剥蚀地形，海拔高程360—770米，相对高度200—600米，为中低山地形，由古老的变质岩系组成，山脊较狭窄，起伏不大，无明显的峰峦，地形坡度较大。
侵蚀堆积地形，本区可见相对高度为20—30米的二级阶地，3—12米的一级阶地和2—4米的河漫滩。
水库区及水工建筑物区出露的地层有：
前震旦系，震旦系、寒武系、朱罗系、和第四系，简单分述如下：
前震旦系：
主要为一套区域变质岩石，部分经受不同程度的混合岩化作用，形成各种类型的混合质变质岩。
各水工建筑物均位于本地层的混合变质岩上。
震旦系：
仅在水库区东南局部出露，主要为石英砂岩、石英砾岩、粉砂岩、页岩等。
寒武系：
该系出露更少，仅局部可见，主要为灰岩。
朱罗系：
该系在水库区北部，雅河口以上至回龙山一带广泛分布，为陆相火山岩建造，主要为安山岩、安山质凝灰岩、流纹岩等。
第四系：
在本区出露的有上更新统和全新统。
前者分布于浑江二级阶地，为洪—冲积层，主要为砂卵砾石、砂和亚粘土，后者包括一级阶地、河漫滩及河床上堆积的亚砂土、砂砾石，残积的亚粘土等。
1.2.2水库区工程地质条件
本库区两岸山体高峻，高程为360—700米，分水岭厚度均在0.8公里以上。
库岸岩石在雅河口以上为侏罗纪火山碎屑岩类，以下为震旦纪变质岩和混合质变质岩，地下水位较高，不会向邻谷产永久性渗漏。
不存在塌岸问题。
1.2.3坝址工程地质条件
曾选两条坝线（上坝线与下坝线）进行比较。
上、下坝线相距200—300米，地质条件基本相同，但下坝线右岸地形更单薄，左岸岩石完整性较差，呈片状破碎，风化也较深，而上坝线左岸则比较完整。
河谷部分，下坝线岩石普遍风化较深，而上坝线只有个别地段风化较深。
从上述分析确定选用上坝线。
修建土坝或混凝土重力坝，地质上都是可能的。
坝址区出露的地层有前震旦系和第四系。
前震旦系为经受中等程度混合岩化作用的变质岩系，包括黑云母斜长石注入片麻岩、黑云母混合片麻岩和大理岩，前者分布在左岸，后者分布在右岸，两者为整合接触。
第四系包括各种不同成因的松散堆积物。
堆积层分布于两岸山坡，为亚砂土夹碎石，厚度左岸为1.5—4.0米，右岸为0.3—2米。
河床砂卵砾石厚0—3.5米。
坝址区两岸发现有断层三条，其中一条为平推断层（F3）位于左岸，走向NE36°,倾向南东，倾角70°，破碎带宽5米。
另外两条北东向断层F1与F2°据分析F1就是区域性的太平哨大断裂，在右坝头西北约300米处通过;F2位于右岸，产状为走向北东40—50°，倾角80°，断层带宽3—4米。
F1与F2对建筑物均无直接影响。
坝址区基岩的透水性，根据19个孔、75次压水试验成果统计，单位吸水量由上而下逐渐减小。
距地面深4.3—15米范围内单位吸水量的平均值为0.1升/分，25米以下时为0.027升/分。
据分析，若采用混凝土重力坝坝型时（估计坝高40米左右），大坝将建基于比较完整的半风化岩石之上。
河谷部分的开挖深度（自基岩面算起）约为2—7米，相应于此开挖标准，坝基岩石与混凝土摩擦系数建议为0.6，河床部位岩石风化较浅，实际上可挖至微风化岩石，建议摩擦系数采用为0.65。
坝址右岸岩石强烈风化，全风化岩石深达30米。
强烈风化的原因主要是黑云母混合片麻岩中斜长石和黑色矿物含量较多，长石结晶体粗大，抗风化能力较薄弱所致。
建议处理意见是：
砂砾状全风化层（深15米左右）可采用混凝土防渗墙方法处理，块状全风化层以下采用帷幕灌浆方法处理。
左岸F3断层以及局部破碎带可按常规办法处理。
1.2.4付坝工程地质条件
葫芦细子地段山体低缓，最低点地面高程仅为192米，需要修建付坝。
若主坝采用土坝型式，则此处可修建岸坡式溢洪道。
此处山体最狭窄处宽仅70米，上、下游水为差7米。
此坡地形陡峭，基岩裸露，南坡较缓，坡度一般约20°—30°。
此垩口是浑江侵蚀堆积二级阶地，垩口顶部和山坡上分布有砂卵砾石，厚度1—5米，其地质时代为上更新世坡积层。
本地段地层主要是前震旦纪黑云母斜长石注入片麻岩，混合岩化程度较低，岩性不均一，有的地方可见变质岩基体。
本地段发现断层共七条，但规模均很小，宽度大都在一米以内，最大宽对为1.5米。
这些断层大多延伸不长，对建筑物无影响，设计与施工时按常规方法处理即可。
通过地质分析与稳定计算可以认为，此地段山体是稳定的。
为了确保建筑物安全，建议在设计时要加强帷幕灌浆与排水措施。
1.2.5引水隧洞和厂房区工程地质条件
浑江在中下游地段，侧向侵蚀作用十分强烈，形成迂回曲折的蛇曲地貌，为修建引水式电站提供了有利的地形条件。
太平哨水电站的引水隧洞和厂房位于南天门岭，此处分水岭宽约800米，而两端河水位差达13米。
本区地层主要为前震旦系的黑云母混合片麻岩，所有建筑物均将在此岩层上。
第四纪包括出口和进口河漫滩的冲积洪积层，岩性为亚砂土，细沙和砂卵砾石，两侧山坡的坡积残积层，岩性为亚砂土，细砂和砂卵砾石；两侧山坡的坡积残积层，岩性为亚砂土夹碎块石。
隧洞均将在黑云母混合片麻岩中通过，沿洞线未发现断层，且洞顶上部覆盖新鲜岩体很厚，达80—160米，深部裂隙已趋闭合，因此工程地质条件较好，建议采用：
f=6—7,k0=500。
洞线前部通过两条较大岩脉，均大致与洞线相交，一条为石英斑岩，宽30—40米，另一条为正常闪长岩。
宽26—30米。
据地表槽探观察，岩脉与围岩接触良好，但从钻孔资料分析，石英斑岩裂隙比较发育，故建议，通过岩脉处的参数选用为：
f=4,K0=300。
厂房后山坡地形坡度约50°—60°，坡高40米左右，通过剖面裂隙绘得知，厂房后坡存在两组顺坡裂隙，第一组倾角为68°—74°，第二组倾角稍缓，为40°—45°。
表部裂隙张开1—3厘米，坡脚部位岩块已经位移。
根据上述情况。
可认为后山边坡基本上是稳定的，建议在开挖时基本上沿着上述两组裂隙挖成阶梯状边坡，对已经位移或张开宽度较大的岩块予以清除，对局部不稳定岩块可采取相应的加固措施。
厂房基础将坐落在新鲜的黑云母混合片麻岩上。
1.3建筑材料
天然建筑材料的调查，包括混凝土重力坝和粘土心墙砂砾壳坝两种坝型所需要的各种材料，其需要量初步按：
混凝土坝方案，混凝土方量50万米3，砂砾石料150万米3，土坝方案：
粘土料14万米3，坝壳砂砾料120万米3，护坡块石料5万米3，反滤料4.5万米3。
通过勘探、试验工作，可以满足上述要求，砂砾料与粘土料场分布、储量、质量评价等详见表1与表2。
土坝护坡用石料场，选择了葫芦头和榆树底两处。
葫芦头石料场位于坝址上游左岸约3公里，交通方便，基岩为黑云母混合片麻岩，榆树底位于坝上游右岸约3公里，料场山体比高100—500米，山势陡峻，覆盖厚约1米，基岩仍为黑云母混合片麻岩。
砂砾料场位置、储量及质量情况一览表表1
料场
名称
位置
面积
（米2）
体积（万米2）
勘探
等级
质量评价
开采意见
无效层
有效层
水上
水下
合计
葫芦头（漫滩）
坝线上游右岸1公里
277，800
6.3
45.5
81.1
126.6
B
各项指标均满足混凝土骨料要求运距短交通方便
夹心子
坝线下游0.5—2.5公里
216，300
29
60
60
120
B
本料场为土坝方案服务
上长岭
坝线下游右岸6公里
414,000
0
102
0
102
B
各项指标能满足混凝土骨料要求运输困难
下长岭
厂区上游左岸2.5公里
175,000
0
47
0
47
B
同上
南天门
隧洞进口
36,800
2
12
0
12
B
各项指标能满足混凝土骨料要求粘土杂质含量较高
下甸子
厂区上游右岸1公里
90,000
0
24
0
24
B
同上
粘土料场储量、质量情况一览表表2
料
场
名
称
地貌单元
位置
体积
（万米3）
天然含水量（%）
天然容重
渗透系数
固结快剪
有效层
无效层
湿
干
凝聚力
内摩擦角
葫芦头
一级阶地
坝线上游右岸0.5—1.5公里
46.4
8.2
28.3
23
1.8
1.89
1.41
1.54
1.×10-6
3.×10-6
0.21
0.17
22.2
26
老营沟
一级阶地
坝线上游左岸5公里
18
4.9
24.9
1.75
1.40
1.×10-6
0.26
25
1.4水文与气象
1.4.1流域自然地理概况
太平哨电站位于鸭绿江支流浑江下游，本站以上集水面积12950平方公里，其上游约86公里和37公里处分别有桓仁，回龙山水电站，其集水面积坝址以上分别为10，375平方公里与12，506平方公里。
浑江流域地理坐标在东经124°24′—126°36′，北纬40°40′—42°10′之间。
其相邻流域北为第二松花江，东为鸭绿江干流，西侧为辽河流域左岸支流浑河、太子河，南为鸭绿江右岸支流蒲石河、河。
浑江属于山区性河流，流域内高山群立，山势陡峭，地势起伏较大，山坡上一半多生杂草和林从，植被较好。
1.4.2气象条件
浑江属于山区河流，地形对气候的作用比较明显，
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