H河床式水电站毕业设计.docx
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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。
表3-17坝址处气温统计表（单位：
℃）
月份
平均
最高
最低
1月
-19.2
4.0
-36.5
2月
-15.3
12.0
-31.7
3月
-5.4
19.0
-28.6
4月
4.9
27.0
-10.8
5月
13.1
31.6
-10.8
6月
17-6
33.0
3.0
7月
31.6
37.0
9.4
8月
21.0
37.0
0.8
9月
13.0
36.0
-2.0
10月
5.3
27.0
-12.0
11月
-5.5
16.1
-24.0
12月
-15.2
8.5
-33.5
全年
3.0
38.0
-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
0.01
0.02
0.1
0.2
0.33
0.5
1
2
3.3
5
10
20
洪峰流量
4840
4450
3450
3040
2740
2500
2110
1720
1460
1220
872
540
三天洪量
2.71
2.55
2.12
1.94
1.81
1.70
1.52
1.33
1.2
1.08
0.88
0.68
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。
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（%）
5
10
20
5
10
20
QP/（m3.S-1）
308
261
208
104
77
57
（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/kPa
6
8
10
12
混
合
岩
半风化
粗
磨
面
组数
5
5
5
5
算术平均值
51.0
68.8
85.0
104.4
0.86
小值平均值
45.0
64.0
70.0
96.0
0.76
最小值
45.0
56.0
70.0
90.0
0.70
微风化
细
磨
面
组数
5
5
5
5
算术平均值
54.0
54.4
75.4
106.8
0.83
小值平均值
45.0
49.0
67.3
84.0
0.67
最小值
42.0
48.0
60.0
84.0
0.60
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
5
5
5
5
5
3
5
算数平均值
26.8
26.8
27.4
0.95
0.19
117.6
119.2
小值平均值
26.4
26.4
27.0
0.36
0.17
107.6
100.1
新
鲜
组数
2
2
1
1
2
2
2
1
算数平均值
27.4
27.4
27.5
1.09
0.14
129.5
97.0
128.8
花岗岩
半风化
组数
3
3
2
2
3
1
3
50.8
算数平均值
25.9
26.2
26.9
3.71
0.73
169.7
161.6
2
新鲜
组数
2
2
2
2
2
2
2
162.3
算数平均值
26.0
26.2
27.1
4.06
0.70
178.9
169.1
煌斑岩
半风化
组数
2
2
2
2
2
算数平均值
26.8
26.9
27.7
0.38
131.4
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
6~12
4.5~11
0.5~4
0.5~5.5
岩石风化深度
从地面算起
全风化岩石
6.5~14
6~14.5
0.5~5
1.7~8
半风化岩石
18~21
12~21
6~13
7~12.5
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。
（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
A2
A2
A2
A2
A2
B
产地面积
/（104m2）
3.4
8.7
3.6
30.58
92.0
26.0
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
0
0.66
0.14
0.87
0.86
0.90
有效层平均
厚度/m
3.71
2.86
2.86
3.23
2.25
2.40
无效层储量
/（104m3）
0
7.64
0.05
26.58
78.2
有效层储量
/（104m3）
13.01
26.58
10.04
100.0
415.6
62.4
水上储量
/（104m3）
0
5.50
1.16
22.0
50.3
水下储量
/（104m3）
13.01
21.08
8.88
78.0
365.3
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（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
m
297.10
校核洪水位（P=0.1%）
m
293.90
设计洪水位（P=1%）
m
290.90
正常蓄水位
m
290.00
死水位
m
289.00
2、正常蓄水位时水库面积
Km2
15.17
3、水库容积
校核洪水时总库容
108m3
2.29
正常蓄水位时库容
108m3
1.63
死库容
108m3
1.49
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-1
8200.00
相应下游水位
m
273.20
2、校核洪水最大下泄量
m3·s-1
11700.00
相应下游水位
m
274.90
3、保坝洪水量大下泄量
m3·s-1
15600.00
相应下游水位
m
277.40
三、电站电能指标
装机容量
MW
200.00
保证也力
MW
35.00
多年平均发电量
108kW·h
4.35
年利用小时数
h
2255
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
m
298.00
最大坝高
m
46.00
名称
单位
数量
备注
坝顶长度
438.00
2、泄水建筑物
型式
m
混凝土溢流坝
堰顶高程
m
280．00
溢流坝长度
m3·（s·m）-1
128．00
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
8－12×100kN
3、开关机
型式
露天式
面积（长×宽）
10665.60
4、水轮机工作参数
最大工作水头
m
25.60
最小工作水头
m
22.80
设计水头
m
23.30
吸出高程
m
-4.00
机组安装高程
m
259.50
（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）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
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