水电站初步设计报告Word文件下载.doc
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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。
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
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
3
设计尾水位
245.0
238.0
7
4
设计毛水头
166.2
172.2
-6.0
5
装机容量
kW
12500
6
年均发电量
kW.h
4337
4434
-97
投资合计
万元
4008
3838
170
其中：
1）
引水工程（前池之前）
2423
2653
-230.
2）
发电工程
1460
1125
335
前池
150
100
发电隧洞
340
压力钢管土建部分
130
194
电站工程
370
323
尾水渠
160
金结
310
508
3）
工程占地补偿投资
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；
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。
在距左坝端5.7m设置冲砂闸，冲砂闸孔口尺寸为1m×
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
单位
上坝线
下坝线
一
建筑项目
㈠
枢纽工程
86.32
37.21
土方开挖
m3
4404
2316
填土方
1143
278
砼
1017
396
浆砌石
1934
926
拆除浆砌石
307
钢筋
t
17.1
7.00
㈡
引水建筑物投资
67.50
46.61
㈢
占地及淹没处理补偿费
21.94
74.97
二
工程总投资
175.76
158.79
备注
推荐
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。
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；
高），进口底高程为417.1m。
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：
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）；
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
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]
1.00
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
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）
1.71
3.1
39.8
35
36
52
29
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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