水电站初步设计报告.doc
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灌阳县牛头水电站工程初步设计报告
5工程布置及建筑物
5.1设计依据
5.1.1工程等别和洪水标准
牛头水电站总装机容量2×5000+2500=12500kW，引水坝为浆砌石重力坝，最大坝高为4.8m，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）的规定，电站工程规模属小
（1）型，工程等别为Ⅳ等，主、次要建筑物分别按4级和5级设计。
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）的规定并结合本工程的具体情况，引水坝设计洪水标准为10年一遇洪水，校核洪水标准为20年一遇洪水；电站发电厂房为非挡水式地面厂房，发电厂房的设计洪水标准为30年一遇洪水，校核洪水标准为100年一遇洪水。
5.1.2基本设计资料
5.1.2.1水位流量资料
a）引水坝
正常引水水位419.50m；设计洪水位（P=10%）=423.56m，相应洪峰流量497m3/s，相应下游洪水位423.45m；校核洪水位（P=5%）=423.98m，相应洪峰流量587m3/s，相应下游洪水位423.89m。
b）发电厂房
正常发电尾水位为238.00m，发电最低尾水位为237.10m，下游设计洪水位（P=3.33%）242.63m，校核洪水位（P=1%）243.50m。
5.1.2.2地质资料
a）地震基本烈度
根据国家质量技术监督局2001年2月发布的《中国地震动参数区划图》（GB18306－2001），本工程区地震动峰值加速度为0.05g，对应地震基本烈度值Ⅵ度。
b）基岩物理力学参数
1）坝址：
卵石层fak=250kpa，=0.45；
2）厂址：
坡积层fak=170kpa，=0.35；强风化岩石fak=500kpa，f=0.55。
5.1.2.3抗滑稳定及地基应力控制标准
a）引水坝稳定安全控制标准
引水坝沿建基面按抗剪强度和抗剪断强度方法计算抗滑稳定，稳定安全度控制标准见下表5.1-1。
表5.1-1稳定安全度控制标准表
荷载组合
安全系数
备注
抗剪
Kc
抗剪断
K′c
基本
1.05
3.0
特殊
1.0
2.5
b）地基应力控制标准：
最大正应力σmax<250；
最小正应力σmin>0。
5.2工程选址
5.2.1坝址选择
牛头电站属引水式水电站，工程在三湖河仰屯自然村附近的三湖河修建引水坝，通过引水隧洞引水至牛头镇下游3km牛头河左岸发电。
工程主要建筑物有：
引水坝、引水隧洞（明渠）、前池、压力钢管、发电厂房及升压站等。
三湖河流域周边分水岭均属砂岩地形，中间区域属喀斯特地形，溶洞发育，支流多为暗河，三湖河主流明暗交替，根据牛头电站的前期规划成果以及三湖河流域的地形、地质条件，主干流的隐现情况，牛头电站的引水坝选在仰屯自然村附近，即三湖河流入溶洞前460m处，坝址上游有常年冒水的荡屯岩洞、农干洞、古榜洞和陇眉洞。
5.2.2厂址选择
根据引水工程沿途地形、地质条件和下游哥盖梯级电站的正常回水位及前期踏勘成果，牛头电站的发电厂房位置初拟两个布置方案，方案（Ⅰ）发电厂房布置在牛头镇上游约1.2km处牛头河的左岸阶地上，方案（Ⅱ）发电厂房布置在牛头镇下游3km处牛头河的左岸山脚上。
两方案的平面布置详见“牛头初-总图-01”。
a）方案（Ⅰ）
该方案引水线路自引水坝进水口引水至A点进入隧洞至E点延伸到I点，然后左拐至J点出口，隧洞出口与前池相接，通过发电隧洞、压力钢管引水至厂房发电，引水线路总长8825.5m，其中无压隧洞7633m，引水涵洞292.5m，发电隧洞550m，压力钢管350m，另外尾水渠长790m。
电站装机2×5000+2500=12500kW。
b）方案（Ⅱ）
该方案引水线路在E点前与方案（Ⅰ）相同，通过E点后经F点在G右拐，在H点出口，隧洞出口与前池相接，通过压力钢管引水至厂房发电，引水线路总长9620m，其中无压隧洞8689.5m，引水涵洞292.5m，压力钢管638m。
电站装机2×5000+2500=12500kW。
c）方案比较
1）引水工程
两方案的枢纽布置基本相同，都为引水式水电站，方案（Ⅰ）的引水线路总长度为8825.5km，方案（Ⅱ）的引水线路长度为9620km，两方案相比，方案（Ⅱ）比方案（Ⅰ）长794.5km，其中无压隧洞长1056.5m，压力管长288m，但方案（Ⅰ）有550m长的发电隧洞及需增加790m长的尾水渠。
另外，方案（Ⅰ）的前池位于高山山顶上，交通不方便，运行管理因难，并在压力隧洞段需设90m深的井竖。
2）厂区布置
方案（Ⅰ）厂址距离牛头河较远，机组安装高程较高，厂房周围地形开阔，不需要考虑厂房防洪问题，管理和生活等附属建筑物可就近布置。
方案（Ⅱ）厂址处地形较窄，靠近牛头河布置，管理和生活等附属建筑物距离厂房较远，管理运行不方便。
3）工程占地
方案（Ⅰ）厂址周围以水田为主，并且需修建790m长的尾水渠，占用水田20亩，旱地3亩，林地5亩，所占用土地以耕地为主，占地补偿投资共计125万元，征地补偿工作较困难；方案（Ⅱ）厂址布置在山脚，前池与压力管沿着山坡布置，占用旱地5.04亩，林地29.22亩，所占用土地以林地为主，占地补偿投资共计60万元，较方案（Ⅰ）少65万元，征地补偿工作相对较容易。
4）工程效益
方案（Ⅰ）的设计尾水位为245m，比牛头河正常水位高7m左右，不能充分利用水资源，年均发电量4337kW.h；方案（Ⅱ）的设计尾水位为238m，能与牛头河水位衔接，可充分利用水资源，年均发电量4434kW.h，比方案多97万kW.h。
5）工程施工
两方案的施工均以无压引水隧洞为主，控制工期均为引水隧洞，方案（Ⅱ）的引水隧洞较长，但最大单向进深与方案（Ⅰ）基本相同，施工工期相差不大；方案（Ⅰ）的发电隧洞中间有竖井，隧洞后接压力钢管，施工工序较多，竖井施工难度也较大。
在工程施工难易程度上方案（Ⅱ）略优于方案（Ⅰ）。
6）工程投资
方案（Ⅰ）的工程占地投资125万元，引水工程投资2423万元，发电工程投资1460万元，投资合计4008万元，方案（Ⅱ）的工程占地投资60万元，引水工程投资2653万元，发电工程投资1125万元，投资合计3838万元，比方案（Ⅰ）多170万元。
两方案的主要工程特性表见下表5.2-1。
表5.2-1厂址方案比较工程特性表
序号
项目名称
单位
数量
备注
方案（Ⅰ）
方案（Ⅱ）（推荐方案）
（Ⅰ）-（Ⅱ）
1
引水线长度
km
8825.5
9620
-794.5
2
前池正常水位
m
411.2
410.2
1.0
3
设计尾水位
m
245.0
238.0
7
4
设计毛水头
m
166.2
172.2
-6.0
5
装机容量
kW
12500
12500
0
6
年均发电量
kW.h
4337
4434
-97
7
投资合计
万元
4008
3838
170
其中：
1）
引水工程（前池之前）
万元
2423
2653
-230.
2）
发电工程
万元
1460
1125
335
前池
万元
150
100
发电隧洞
万元
340
压力钢管土建部分
万元
130
194
电站工程
万元
370
323
尾水渠
万元
160
金结
万元
310
508
3）
工程占地补偿投资
万元
125
60
65
注：
1、上述工程投资不包括引水坝部分投资；
2、土建部分投资仅为直接费。
d）厂址选择
从上述分析可看出，方案（Ⅱ）的引水线路比方案（Ⅰ）长794.5km，但设计毛水头比方案（Ⅰ）多6m，年均发电量多97万kW.h，工程投资少170万元，经济效益较好。
另外，方案（Ⅱ）在工程占地征用和工程施工及运行环境方面均优于方案（Ⅰ），只是在厂区布置上略差于方案（Ⅰ）。
在综合考虑上述因素后，本阶段推荐方案（Ⅱ）的厂址，即电站的发电厂房布置在牛头镇下游3km处牛头河的左岸阶地上。
5.3坝线、坝型选择
根据三湖河仰屯自然村附近的地形地质条件，本段阶初步拟定上、下两条坝线进行比较，上坝线即为现状水轮泵引水坝，下坝线距上坝线340m。
5.3.1上坝线
上坝线为原引水坝，引水坝运行多年，施工质量差，有漏水的现象，下游两岸冲刷严重。
本设计拟对该引水坝进行改建加固，改建方法是拆除原引水坝的上部浆砌石，保留下部浆砌石基础。
在原浆砌石基础上砌筑浆砌石和浇筑砼，上游设砼铺盖，下游设消力池。
坝前正常水位419.5m，设计洪水位423.56m，校核洪水位423.98m，坝顶高程为421m，最大坝高为4.8m，坝顶宽度2m，无交通要求。
坝顶总长为118m，浆砌石重力坝分非溢流坝段和溢流坝段；溢流坝采用折线型堰，坝体采用M7.5水泥砂浆砌毛石，外包C20砼防渗、防冲，上游设C20砼铺盖厚400mm，长5m。
堰顶高程419.5m（取同现状引水坝堰顶高程），溢流段长84m，消能方式采用底流消能，底板高程为417.3m，消力池宽14.5m，长84m，池深0.5m，底板厚0.5m，消力池出口后接护坦，护坦长4m，浆砌石厚0.3m；左岸非溢流浆砌石坝段总长25m，右岸非溢流浆砌石坝段长9m。
浆砌石坝段上游面为垂直，下游面坡比为1:
0.65，坝体为M7.5水泥砂浆砌毛石，上游面设砼防渗。
在距左坝端9.4m设置引水涵洞进水口，进水口前设有拦污栅，孔口尺寸为4m×4m（宽×高），进口涵洞底高程为417.1m。
在距左坝端23.9m设置冲砂闸，冲砂闸孔口尺寸为1m×1m（宽×高），采用平面铸铁闸门，进口底高程为417.8m，闸门启闭机平台高程421m，采用1台3t手动螺杆式启闭机启闭。
5.3.2下坝线
下坝线引水坝坝前正常水位419.5m，设计洪水位423.3m，校核洪水位423.63m，坝顶高程为421m，最大坝高为6.8m，坝顶宽度2m，无交通要求。
坝顶总长为32m，浆砌石重力坝分非溢流坝段和溢流坝段；溢流坝采用折线型堰，坝体采用M7.5水泥砂浆砌毛石，外包C20砼防渗、防冲，上游设C20砼铺盖厚400mm，长5m。
堰顶高程419.5m，溢流段长20m，消能方式采用底流消能，底板高程为414.8m，消力池长20m，宽21.6m，池深0.5m，底板厚0.5m，护坦长3.5m，底板厚0.3m；左岸非溢流浆砌石坝段总长6.8m，右岸非溢流浆砌石坝段长5.2m。
浆砌石坝段上游面为垂直，下游面坡比为1:
0.65，坝体为M7.5水泥砂浆砌毛石，上游面设砼防渗。
在距左坝端5.7m设置冲砂闸，冲砂闸孔口尺寸为1m×1m（宽×高），采用平面铸铁闸门，进口底高程为415.8m，闸门启闭机平台高程421m，采用1台3t手动螺杆式启闭机启闭。
5.3.3坝线选择
a）上、下坝线各种坝型主要工程量及投资估算见下表5.3-1。
表5.3-1上、下坝线各种坝型主要工程量及估算投资表
序号
项目名称
单位
上坝线
下坝线
一
建筑项目
㈠
枢纽工程
万元
86.32
37.21
1
土方开挖
m3
4404
2316
2
填土方
m3
1143
278
3
砼
m3
1017
396
4
浆砌石
m3
1934
926
5
拆除浆砌石
m3
307
6
钢筋
t
17.1
7.00
㈡
引水建筑物投资
万元
67.50
46.61
㈢
占地及淹没处理补偿费
万元
21.94
74.97
二
工程总投资
万元
175.76
158.79
备注
推荐
注：
表中工程量仅列引水坝部分，引水建筑物仅为隧洞前涵洞段，工程总投资为直接费。
b）坝线选择
1）从地形、地质条件分析
上坝线河床较宽，下坝线河床较窄。
上下坝线河床表层均存在松散砾砂，坝基为卵石，下部为砾质粘土，下伏基岩均为弱风化灰岩。
上坝线卵石层顶高程约为417.0m，下坝线卵石层顶高程约为415.0m，上坝线建基面较高，修筑的拦水坝坝高较下坝线少2m，上下坝线坝基下部均存在软弱下卧层砾质粘土，较小的坝高可降低坝体发生不均匀沉陷的可能，有利于拦水坝的抗滑和抗变形稳定。
上下坝线下伏基岩均具岩溶普遍发育现象，但溶洞绝大部分被软塑状砾质粘土全填充。
下坝线北面约110m处发育有两个较大的落水洞，该落水洞与河段溶洞具连通性，可能形成强透水岩溶渗漏通道，不利于库区防渗漏。
两岸岸坡基本稳定，未见有土洞、地面塌陷、滑坡、泥石流等不良地质作用，具备建重力坝条件。
2）从枢纽布置条件、交通条件分析
现状引水坝运行多年，施工质量差，有漏水现象，下游两岸冲刷严重。
现对引水坝进行改建加固，改建方法是拆除原提水坝的上部浆砌石，保持下部浆砌石基础，在原浆砌石基础上砌筑浆砌石和浇筑砼，上游设砼铺盖，下游设消力池。
上坝线右岸有村级公路经过，只需进行平整即可满足施工道路的要求，上坝线河床比较宽，有利于枢纽布置。
下坝线需占用农田修建一段施工道路，河床比较窄，不利于枢纽布置。
3）施工条件及工期分析
上坝线为原引水坝，本设计对原引水坝进行改建，拆除原引水坝浆砌石，量不多，施工工期也不长，左右坝端均有开阔地可满足施工场地布置。
下坝址河床较窄，对施工导流布置不利，导流围堰高。
4）从淹没及工程占地情况和工程投资分析
上坝线坝前特征水位不变，无淹没影响，而下坝线则增加了上坝线至下坝线区间的淹没耕地，上坝线方案工程占地及淹没合计：
水田4.6亩，荒坡地、河滩地4.6亩，占地及淹没投资21.49万元，下坝线方案工程占地及淹没合计：
水田15.2亩，荒坡地、河滩地5.6亩，占地及淹没投资74.97万元，该方案淹没较多，征地补偿工作困难，增加工程实施的难度。
从上表5.3-1看，上坝线是在原引水坝的基础上进行改建，投资比下坝线工程总投资多16.97万元。
综合以上分析，本阶段推荐采用上坝线方案。
5.4工程总体布置
根据工程选择和坝线比较的成果，引水坝布置在仰屯自然村附近，利用原水轮泵拦水坝进行改建加固；发电厂房布置在牛头镇下游3km处牛头河的左岸阶地上，发电厂房距下游斑马屯约500m；引水涵洞和引水隧洞根据沿线的地形地质条件、引水高程和施工支洞设置情况，折线布置，出口与前池相连；压力前池根据引水线高程布置在厂房背侧的山坡410m高程附近，前池与发电厂房通过压力钢管相连，压力钢管顺着山坡布置。
为补偿原水轮泵抽水浇灌，拟在引水坝右端上游设一抽水站。
工程的总布置详见“牛头初-总图-01”。
5.5主要建筑物
5.5.1引水坝
5.5.1.1坝顶高程的确定（非溢流坝）
a）特征水位
水库正常水位419.5m。
设计洪水位423.56m（P=10%），相应下游水位423.45m。
校核洪水位423.98m（P=5%），相应下游水位423.89m。
b）坝顶高程的确定
由于三湖河为山区性河流，洪水瀑涨瀑落，两岸阶地经常被洪水淹没。
为减少水库淹没，引水坝正常水位仍保持原提水坝的水位419.5m，两岸的非溢流坝段坝顶高程取与两岸阶地相平，即取坝顶高程为421m。
5.5.1.2平面布置及断面设计
原引水坝为砌石结构，坝线布置和坝型不规则，坝长约88m，坝顶宽2.5m，坝底宽5.9m，坝高4.5m，坝顶高程约419.5m，坝基置于砂卵石层上。
本设计对原引水坝进行改建加固，改建方法是拆除原引水坝的上部浆砌石，保留下部浆砌石基础，在原浆砌石基础上砌筑浆砌石和浇筑砼，上游设砼铺盖，下游设消力池。
坝前正常水位419.5m，设计洪水位423.56m，校核洪水位423.98m，坝顶高程为421m，最大坝高为4.8m，坝顶宽度2m，无交通要求。
坝顶总长为118m，浆砌石重力坝分非溢流坝段和溢流坝段；溢流坝采用折线型堰，坝体拆除原浆砌石，外包C20砼防渗、防冲，上游设C20砼铺盖厚400mm，长5m。
堰顶高程419.5m，溢流段长84m，消能方式采用底流消能，底板高程为417.3m，消力池长14.5m，宽84m，池深0.5m，底板厚0.5m，消力池出口后接海漫，海漫长4m，浆砌石厚0.5m；左岸非溢流浆砌石坝段总长25m，右岸非溢流浆砌石坝段长9m。
浆砌石坝段上游面为垂直，下游面坡比为1:
0.65，坝体为M7.5水泥砂浆砌毛石，上游面设砼防渗。
在距左坝端9.4m设置引水涵洞进水口，进水口前设有拦污栅，孔口尺寸为4m×4m（宽×高），进口底高程为417.1m。
在距左坝端23.9m设置冲砂闸，冲砂闸孔口尺寸为1m×1m（宽×高），采用平面铸铁闸门，进口涵洞底高程为417.8m，闸门启闭机平台高程421m，采用1台3t手动螺杆式启闭机启闭。
引水坝平面布置见“牛头初-坝-01”。
消力池两侧为M7.5浆砌石斜坡护岸厚400mm，长19m，护岸顶高程为421m。
消力池下游右岸为斜坡式浆砌石护岸，长38.1m，厚0.4m，坡比1:
1.5，护岸顶高程为421m。
5.5.1.3应力及稳定计算
a）荷载
作用于坝上的荷载有：
坝体自重、静水压力、扬压力、泥砂压力、动水压力荷载。
1）自重：
主要为坝体和水的重量，其重度分别取22KN/m3和10kN/m3。
2）静水压力
p=γH
式中：
p——计算点处静水压力，kPa；
γ——水的重度，取10kN/m3；
H——计算点处的作用水头，m。
3）泥沙压力
作用在坝面单位宽度上的水平泥沙压力，按下式计算：
式中Psk——泥沙压力。
kN/m；
γsb——泥沙的浮重度，取γsb=9.5kN/m3；
hs——坝前泥沙淤积厚度，8m；
φs——泥沙的内摩擦角，取φs=20°。
4）动水压力（只作用于溢流坝段）
作用在溢流坝面单宽反弧上的动水压力，按下式计算：
式中：
PH，PH——总动水压力有水平和铅直分量，kN；
α1，α2——反弧最低点两侧弧段所对的中心角，度；
q——单宽流量，m3/（s·m）；
γ——水的重度，取10kN/m3；
g——重力加速度，m/s2；
υ——水的流速，m/s；
b）荷载组合：
荷载组合分为基本荷载组合和特殊荷载组合两种。
1）基本荷载组合选择下面情况组合：
工况1：
自重+坝前正常水位下的静水压力+扬压力+泥沙压力
工况2：
自重+坝前设计洪水位下的静水压力+扬压力+泥沙压力；
2）特殊荷载组合选择下面情况组合：
工况3：
自重+坝前校核洪水位下的静水压力+扬压力+泥沙压力+动水压力。
c）计算表达式
1）抗滑稳定
坝体稳定分析按下式公式进行：
式中：
K——抗滑稳定安全系数；
W——作用于计算截面以上坝体的全部荷载对滑动平面的法向分值；
∑P——作用于计算截面以上坝体的全部荷载对滑动平面的切向分值；
A——滑动面截面积；
——滑动面上的抗剪摩擦系数，根据地质资料只计算砂卵石层地基=0.45；
2）坝趾抗压强度计算
式中∑W——作用于计算截面以上坝体的全部荷载对滑动平面的法向分值；
∑M——作用于计算截面以上坝体的全部荷载对滑动平面的矩；
B——坝底宽；
m——下游边坡；
Ra——浆砌石的抗压强度。
3）坝底应力计算
d）计算结果
经计算坝体抗滑稳定及应力结果见表5.5-1和5.5-2。
表5.5-1坝基抗滑稳定及应力分析成果表（非溢流坝段）
项目
工况1
工况2
工况3
备注
抗滑稳定安全系数K
1.57
3.5
3.7
规范要求值参照（SL25-91）表4.3.3
规范要求值[K]
1.05
1.05
1.00
坝趾最大应力（KPa）
33.8
26
28
坝踵最小应力（KPa）
95.3
38
33
坝基容许压应力（KPa）
250
250
250
注：
表中应力“+”为压应力。
表5.5-2坝基抗滑稳定及应力分析成果表（溢流坝段）
项目
工况1
工况2
工况3
备注
抗滑稳定安全系数K
1.71
3
3.1
规范要求值参照（SL25-91）表4.3.3
规范要求值[K]
1.05
1.05
1.00
坝趾最大应力（KPa）
39.8
35
36
坝踵最小应力（KPa）
52
29
26
坝基容许压应力（KPa）
250
250
250
注：
表中应力“+”为压应力。
经计算可知抗滑稳定安全系数k大于规范要求的[k]，满足稳定要求。
坝趾最大压应力小于坝体容许压应力及坝基容许压应力，坝踵最小应力为压应力，满足坝体的应力要求。
图5.5-1非溢流坝段稳定计算简图图5.5-2溢流坝段稳定计算简图
5.5.1.4坝基抗渗稳定计算
a）基本资料
坝基上部为卵石层，以卵石为主，含较多砾石、砂和少量粘土，厚度1.2～4.3m，呈松散状态，属强透水性，渗透系数大约为2×10-2cm／s；下部为砾质粘土，含较多灰岩砾石，土体呈软塑状态，土层厚度约0～6.9m，其透系数大约为6×10-5cm／s，属弱透水性。
计算工况：
以计算正常蓄水位419.5m来分析坝基渗流稳定。
b）抗渗稳定计算
1）渗透压力计算
坝基底渗透压力计算采用改进阻力系数法。
（1）坝的地基有效深度按下式确定：
当L0/S0≥5时Te=0.5L0
当L0/S0＜5时
式中Te-----坝的地基有效深度（m）；
L0-----地下轮廓的水平投影长度（m）；
S0-----地下轮廓的垂直投影长度（m）。
当计算的Te值大于地基实际深度时，Te值按地基实际深度采用。
（2）分段阻力系数按下式计算：
①出口段：
式中ζ0-----进、出段的阻力系数；
S------齿墙的入土深度（m）；
T------地基透水层深度（m）。
②内部垂直段：
式中ζy-----内部垂直段的阻力系数。
③水平段：
式中ζx-----水平段的阻力系数；
Lx-----水平段长度（m）；
S1、S2-----进、出口段齿墙的入土深度（m）。
（3）各分段水头损失值按下式计算：
式中hi-----各分段水头损失值；
ζi-----各分段的阻力系数；
n-----总分段数。
（4）进、出口段修正后的水头损失值由下式计算：
式中-----进、出口段修正后的水头损失值；
-----进、出口段水头损失值；
-----阻力修正系数，当计算的时，采用；
-----板桩另一侧地基透水层深度（m）。
（5）经计算结果如下表5.5-3。
表5.5-3渗透压力计算成果表
进口段
内部垂直段
水平段
出口段
合计
阻力系数ξi
0.525
0.147
4.9021
0.652
6.23
水头损失值
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