[毕业设计]某水电站枢纽布置及岔管设计(计算书、cad图)
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目 录目 录11 基本资料42 水轮机42.1 水电站水头的确定42.1.1 的确定42.1.2 设计低水位的确定52.1.3 的确定62.2 水轮机型号选择:62.2.1HL200型水轮机方案的主要参数选择62.2.2 HL180型水轮机方案的主要参数选择72.3 HL180型水轮机方案的调速设备选择93 发电机133.1 主要尺寸估算1332 外形尺寸估算134 混凝土重力坝1641计算坝高164.1.1 设计洪水位情况164.1.1 校核洪水位情况1642坝顶宽度1743坝顶高程1744 稳定和应力校核(以下计算均取单宽=1M,混凝土采用 C20)175 溢流坝265.1确定堰顶高程265.1.1 溢流坝下泄流量的确定265.1.2 由抗冲能力拟定单宽流量265.1.3 堰顶高程的确定275.1.4 闸门布置285.2 溢流坝的剖面布置285.2.1 溢流面曲线285.2.1.1 溢流前沿:285.2.1.2 溢流段:(溢流面曲线采用WES曲线)295.2.1.3直线段:295.2.1.4反弧段设计305.3溢流坝稳定验算315.4鼻坎的型式和尺寸345.5挑射距离和冲刷坑深度的估算346 引水建筑物366.1 基本尺寸366.1.1隧洞断面366.1.2闸门断面366.1.3 拦污栅断面366.2 压力管道设计376.3 托马断面386.3.1引水隧洞的水头损失386.3.2 压力钢管的水头损失406. 3.3断面计算416.4 调压室设计比较:426.4.1 阻抗式调压室426.4.2差动式调压室466.4.2.1最低涌波水位计算466.4.2.2 最高涌波水位计算477 厂房507.1厂房长度确定507.1.1机组段长度507.1.2端机组段长度507.1.3装配场长度507.2主厂房宽度确定507.3 主厂房顶高程确定517.3.1水轮机安装高程:517.3.2尾水管底板高程517.3.3基岩开挖高程:517.3.4水轮机层地面高程517.3.5 定子安装高程517.3.8桥吊安装的高程527.3.9厂房顶部高程528 压力钢管结构计算548.1 明钢管的设计548.1.1确定经济管径548.1.2确定管壁厚度548.2 管身应力分析和结构设计558.2.1 跨中断面1-1558.2.2支承环附近断面22578.2.3 支承环断面33598.3 外压稳定校核678.3.1 无加劲环时688.3.2 对加劲环自身稳定的临界外压计算688.4 地下埋管钢衬结构的计算681 基本资料2 水轮机2.1 水电站水头的确定2.1.1 的确定1. 校核洪水位+满发 Z=240.00m =8500 由xx水位流量关系曲线得:Z=128.30m= Z- Z=240.00-128.30=111.70m=96%111.70=107.23m2. 设计洪水位+满发 Z=238.00m =6250由xx水位流量关系曲线得: Z=125.92m=238.00-125.92=112.08m=96%112.08=107.60m3. 正常蓄洪水位+一台机组发电 Z232.00m发电机出力N=4.25万千瓦则即水轮机出力为=4.427万KW(96%为大中型水轮机的效率)根据N=9.8QH ,水电站的效率一般为85%即=85%试算过程: 表2-1试算过程Q()Z(m)Z(m)(m)(m)(万KW)55232.00115.53116.47111.815.1350232.00115.48116.52111.864.6645232.00115.44116.56111.904.20 由NQ关系曲线,N=4.427万KWQ=47.47 Z=115.46m=232.00-115.46=116.54m=96%116.54=111.88m=max107.23,107.60,111.88=111.88m2.1.2 设计低水位的确定设计低水位(即设计死水位)+机组满发 Z192.00m发电机出力N=9.8QH=4.254=17万千瓦,即水轮机出力为=17.71万KW试算 表2-2试算过程Q()Z(m)Z(m)(m)(m)(万KW)350192.00116.9175.0972.0921.04300192.00116.7675.2472.2318.07250192.00116.6275.3872.3615.08 由NQ关系曲线,N=17.71万KWQ=293.98 Z=116.74m=192.00-116.74=75.26m=96%75.26=72.26m即=72.25m2.1.3 的确定加权平均水位=0.6max+0.4min=96.028m 引水式水电站=96.028m2.2 水轮机型号选择:根据该水电站的水头工作范围72.25111.88,查水电站教材型谱表选择合适的水轮机型有HL200和HL180两种。现将这两种水轮机作为初选方案,分别求出其有关参数,并进行比较分析。2.2.1HL200型水轮机方案的主要参数选择转轮直径(假定=91.1%)=2.357m 取标称直径=2.5m1. 转速 n取n=300r/m,磁极对数P=102. 效率及单位参数修正 =1.0% =1.5% (与上述假定相同) 3% 单位转速可不加修正,同时,单位流量也可不加修正。 4工作范围的检验 =0.8390.84 =51.39 在图上做出工作范围。5. 吸出高度Hs计算 查水电站教材 =0.105,=0.02,由此可求出水轮机的吸出高度:Hs=-2.14 -4.0m可见HL200型水轮机方案的吸出高度满足电站要求 2.2.2 HL180型水轮机方案的主要参数选择1. 转轮直径(假定=90.9%)=2.47 m 取标称直径=2.5m2. 转速 n取n=300r/m,磁极对数P=103. 效率及单位参数修正 =1.0 =1.9% (与上述假定相同) 3% 单位转速可不加修正,同时,单位流量也可不加修正。 4工作范围的检验 =0.839166.7r/min Da=Di+=405.13+63.64=468.78cm32 外形尺寸估算(一)平面尺寸估算 1、定子机座外径 =300 r/min 2、风罩内径20000KVA D2=D1+2.4m=8.26m 3、转子外径 4、下机架最大跨度10000214r/min 2、上机架高度 所以采用悬式 3、推力轴承高度、励磁机高度、副励磁机高度和永磁机高度 (起重机架高0.8)1.0m 4、下机架高度 5、定子支座支承面至下机架支承面或下挡风板之间的距离悬式 6、下机架支承面主主轴法兰底面距离=700mm1500mm这里取7、转子磁轭轴向高度无风扇时 +(500600)mm=184.62cm+(5060)cm=2.35m2.45m8、发电机主轴高度=(0.70.9)H=7.68610.116,取h11=9.0m9、定子铁芯水平中心线至法兰盘底面距(三) 水轮发电机重量估算 水轮发电机的总重量 发电机转子重量=发电机飞轮力矩4 混凝土重力坝41计算坝高 已知吹程D=2Km计算风速:设计洪水情况:校核洪水情况:4.1.1 设计洪水位情况 4.1.1 校核洪水位情况 综合以上两种情况,取最大值,则42坝顶宽度坝顶宽度b=(8%10%)H,且不小于2m。本设计取11m43坝顶高程 图4-1 非溢流坝剖面图44 稳定和应力校核(以下计算均取单宽=1m,混凝土采用 C20) 441校核洪水位下,非溢流坝坝基面: 图4-2非溢流稳定校核示意图坝体自重: 上游水压力:扬压力:浪压力:表4-1 坝基面校核洪水位时的应力计算表格编号荷载垂直(KN)水平(KN)力臂力矩(KNm)向下向上向左向右m顺时针逆时针1自重133554.44013421762507047.67241686.93115114.25.67652697.52水压力176640.6341.673193615.0522204.57.0715585.8435898.2647.728134741719.5146.4979940.023扬压力121629.0900211010.135.6762427.4434454.9743.25192677.4546682.446.17308526.414浪压力175.31122.99255.6261.64122.647559.534.1.1.1 稳定分析摩擦公式4.1.1.2 应力分析4.4.2 校核洪水位情况下,折坡点的稳定验算表表4-2 折坡点校核洪水位时的稳定计算表格荷载计算简式垂直力(KN)水平力(KN)力臂弯矩(KNM)向下向上向右向左m顺时针逆时针自重116394.417.9293459.76219718.640.47926776水压力11765820353160扬压力12928.293.139165.5521030.0519.92049831545.0821.0732554.844.4.2.1 稳定分析4.4.2.2 应力计算(不计入扬压力)4.4.3 正常蓄水位下,非溢流坝坝基面表4-3 坝基面正常蓄水位时的稳定计算表格荷载计算简式垂直力水平力力臂弯矩向上向下向右向左M顺时针逆时针自重133554.4401342176250704767241686.93115114.2567652697.5水压力167144.55392618637.4525388.1449.17264934.84扬压力112410.265.6770366.1725021.4943.25217179.4436987.0946.17322594.124.4.3.1稳定分析 4.4.3.2应力分析4.4.4 正常蓄水位下非溢流坝折坡点荷载计算简式垂直力(KN)水平力(KN)力臂力矩(KNm)向下向上向右向左M顺时针逆时针自重116394.417.9293459.76219718.640.479267.76水压力113263.1217.67234359.33扬压力12537.853.137943.462829.7119.917764.9331339.0721.071360.14表4-4 折坡点正常蓄水位时的稳定计算表格4.4.4.1稳定分析4.4.4.2应力分析 满足应力要求5 溢流坝5.1确定堰顶高程5.1.1 溢流坝下泄流量的确定按千年一遇设计。 通过溢流坝顶的下泄流量为:5.1.2 由抗冲能力拟定单宽流量取单宽流量为100,取孔数5.1.3 堰顶高程的确定闸墩选用半圆形的墩头();圆弧形边墩,此为的第一次近似值,用以重新计算得再次试算:再次试算:与上一次计算值相近,作为正确值。行进流速堰顶高程 5.1.4 闸门布置闸门高度=正常高水位-堰顶高程+超高 =232-225.01+0.31=7.3m选择平面闸门,按规范所给值,又闸孔净宽b=13m,所以闸门取为14m8m。闸墩取为3.0m,边墩取为 2.0m工作闸门一般布置在溢流堰顶点,以减少闸门高度。为了避免闸门局部开启时水舌脱离坝面而产生真空,将闸门布置在堰顶偏下游一些,以压低水舌使其贴坝面下泄。检修闸门位于工作闸门之前,为便于检修,两者之间留有13m的净宽,本设计取净宽2m。5.2 溢流坝的剖面布置5.2.1 溢流面曲线5.2.1.1 溢流前沿:取, 则 5.2.1.2 溢流段:(溢流面曲线采用WES曲线) 定型设计水头 K、n 与上游坝面坡度有关的系数和指数(查设计手册知k=2, n=1.85) 即: 则切点的坐标为:(21.56 , 15.86) 5.2.1.3直线段:直线段采用与基本剖面一样的坡度,设与曲线相切的直线方程为:联立:对(1),(2)两式求导得:求得:x=18.2,y=12.61,即切点的坐标为(18.2,12.61) 5.2.1.4反弧段设计 选择挑流消能,取R=26m,Q=8500m3/s 时,下游水位为21.2m,而鼻坎距下游水位一般为12m,故取h=23m。反弧段圆心距坝底的距离H1=23+26cos300 =45.52m反弧段与直线段切点距坝底的距离:鼻坎超出基本剖面的距离:,故无需验算超出段应力条件。试算求 总有效水头,m;临界水深(校核洪水位闸门全开时反弧处水深),m;流速系数查表取0.95。经试算, 反孤段半径,所以取R=26m,合理。溢流坝断面如下图所示:溢流重力坝剖面如下图所示:图5-1 溢流坝剖面示意图5.3溢流坝稳定验算1 基本组合:(上游为正常蓄水位,下游水位为0)坝体自重:(闸门作为安全储备)(垂直向下)由AUTOCAD2004面域计算得G=163673KN上游水压力:水平向右的水压力垂直向下的水压力扬压力:(垂直向上)浪压力: 所以坝体混凝土与基岩接触面的抗滑稳定极限状态:1) 作用效应函数 2) 抗滑稳定抗力函数 满足要求。偶然组合:(上游水位为校核水位,即240.0m,下游水位21.2m)图5-2 溢流坝剖面在校核洪水位时的示意图坝体自重:(垂直向下)G=163673KN上游水压力:(水平向右)(垂直向下)下游水压力:(水平向左)(垂直向下)扬压力:(垂直向上)排水处的扬压力=0.3(1300-260)=312KN浪压力:(水平向右)所以坝体混凝土与基岩接触面的抗滑稳定极限状态:1) 作用效应函数 2) 抗滑稳定抗力函数 满足要求。5.4鼻坎的型式和尺寸鼻坎采用平顺连续式的,高程比下游水位高出两米,即坎顶高程为138m.5.5挑射距离和冲刷坑深度的估算连续式挑流鼻坎的水舌挑距按水舌外缘计算,其估算公式为:又鼻坎处水流平均流速v为:坎顶水面流速,坎顶垂直方向水深坎顶至河床面高差:代入公式计算得:L=230.192m最大冲坑水垫厚度估算公式:式中:水垫厚度,自水面算至坑底,m;冲坑深度,mq 单宽流量,这里为128.43m3/s,H 上下游水位差,这里为111.7m。H2 下游水位,这里为128.3-115=13.3m,冲坑系数,坚硬完整的基岩为0.91.2,这里取0.9所以:为了保证大坝的安全,挑距应有足够的长度,一般当时,认为是安全的,这里,所以大坝是安全的。6 引水建筑物6.1 基本尺寸6.1.1隧洞断面隧洞采用圆形断面,取经济流速为4。设计水位下机组满发时隧洞流量 隧洞直径 实际取为8.5m6.1.2闸门断面闸门高度取为8.5 m宽度取渐变段长度为13m,则扩散角6.1.3 拦污栅断面取,则 进水口段,上唇线采用四分之一椭圆根据水利水电工程进水口设计规范,考虑到拦污栅面积要求取椭圆方程为: 淹没深度c取0.7,实际取为7m。进水口底部高程= 拦污栅倾角为,实际取为60,这样过水面积大,且易于清污。拦污栅净高度=(8.5+7)/sin60=17.9m拦污栅高度=,考虑到一定的安全超高实际取为19m。拦污栅宽度S=235.9 88.6故满足要求。6.2 压力管道设计管道内径估算,采用彭德舒公式:估计压力管道段全长290m,上游如需调压室,则布置在最靠近厂房地面高程260m的地方。6.3 托马断面6.3.1引水隧洞的水头损失(1)沿程水头损失 计算托马断面时混凝土衬砌,选用最小糙率0.012。(2)局部水头损失1、 拦污栅处 (具有独立支墩)过栅平均流速2、 喇叭口段 (取减缩段的面积)3、 闸门段(有两个闸门门槽)4、闸门渐变段(两个渐变段) (有两个闸门门槽)(v按最不安全计算)5、隧洞转弯处 6.3.2 压力钢管的水头损失1沿程水头损失(糙率取最大值0.013) 压力管道长度 2局部水头损失1 缓管段(垂直方向)平均流速 2 分岔(共三处斜分岔和一个弯管段) (D=3.6m,R=8m,) 3 蝶阀 局部水头损失: 压力管道水头损失:6. 3.3断面计算隧洞断面面积:为了保证稳定性和加快削减速度,实际调压室的面积还应比托马断面大,工程中往往将其乘以1.05,所以得:=6.4 调压室设计比较:6.4.1 阻抗式调压室最低涌波水位上游取最低水位,引水隧洞糙率n取大值0.015, m=0.5(两台增加到四台) 孔口面积: 其中 最高涌波水位的计算(设计水位满发时的工况) 拦污栅处: 喇叭口段: 闸门槽: 渐变段: 隧洞拐弯处:校核洪水位情况:拦污栅处:喇叭口段: 闸门槽: 渐变段: 隧洞拐弯处:6.4.2 差动式调压室6.4.2.1最低涌波水位计算上游水库水位取最低水位,m=0.5(两台增加到四台),升管断面面积 6.4.2.2 最高涌波水位计算1 设计水位满发时工况假定, 相应大井体积为:升管溢流量:溢流水:进入大井水体积:两者接近, 故2 校核洪水位情况计算过程同设计洪水位假定, 相应大井体积为:升管溢流量:溢流水:进入大井水体积:两者相近,取校核洪水位情况:7 厂房7.1厂房长度确定7.1.1机组段长度1由蜗壳层决定的机组段长度 因设有蝴蝶阀,且机组段之间要分缝,按构造要求,取蝴蝶阀一侧涡壳混凝土厚度1.2m,另一侧为0.8m;故所需机组段长度为4.62+3.826+1.2+0.8=10.446m2尾水管层 取闸墩最小厚度为4.0m,尾水管出口宽度为6.8m,则所需机组段长度:10.8m3发电机层 L=发电机定子外径+2风道宽(0.81.5m)+风道间过道宽()=4.69+2+21.5=9.69m综上,机组段最小长度为10.8m,考虑到布置间隙及方便,最终机组段的长度定为12.0m。7.1.2端机组段长度端机组段的附加长度:L=(0.21.0)D.根据需要取为1.0m7.1.3装配场长度装配场长度L=(1.01.5.)L=(1421)m 取16m7.2主厂房宽度确定由蜗壳层决定的厂房宽度: 上游侧最小宽度:=机组中心线至上游蜗壳外缘尺寸+蜗壳外包混凝土+蝴蝶阀净宽+外墙厚=下游侧最小宽度:=机组中心线至下游蜗壳外缘尺寸+蜗壳外包混凝土+外墙厚= 7.3 主厂房顶高程确定7.3.1水轮机安装高程:对于 HL180型水轮机 式中为设计尾水为:由于本水电站装机四台,故取一台水轮机满发电时的额定流量,即对应的xx水位流量关系曲线中查得=115.51m 。吸出高度, 。得到水轮机的安装高程 Zs=115.44m。7.3.2尾水管底板高程 =115.44-6.5=108.69m 7.3.3基岩开挖高程: =108.691.5107.19m 7.3.4水轮机层地面高程蜗壳进水口混凝土厚度(1m)7.3.5 定子安装高程 7.3.6 发电机层地面高程(定子埋入式)取125.3m7.3.7 装配场层地面高度采用发电机层和装配场层不同高方案,装配场层与地面同高,下游最高水位128.3m,取装配场层地面高度128.5m。7.3.8桥吊安装的高程=装配场高程+最大吊运部件尺寸+吊运部件与固定物之间的安全距离=128.5+9+1= 138.5m。7.3.9厂房顶部高程+轨道面至起重机顶端的距离+小车至天棚必要距离+屋顶大梁高+_屋顶厚=138.5+4.3+0.3+1+0.2=144.3m。起重机的额定起重量一般为发电机转子重量、平衡梁重以及专用吊具重量之和根据本设计额定起重量,选择与之接近而偏大的2100桥机1、设备型号台数选择:选用一台双小车起重机,跨度14m 。表7-1工作参数表名义起重量T单台小车起重量(t)跨度m起升高度m主钩副钩2100100201426极限位置推荐用大车轨道轨道中心距起重机外端距离B1轨道面至起重机顶端距离H吊钩至轨道吊钩至轨道中心距离hh1L1L2主钩副钩11001600Qu-100400370012407008 压力钢管结构计算8.1 明钢管的设计8.1.1确定经济管径 前面已经算出,D=6.6m。8.1.2确定管壁厚度考虑工况:最大水击压力 =1.3H设=124.84m根据公式 = 压力管壁厚度(计算厚度),(); D 压力管道直径(m),D=6.6m; 管顶以上的计算水头; 水的容重; 焊缝系数,取=0.90; 钢衬容许应力,采用16Mn低合金钢,=345MPa。对于明钢管膜应力区的容许应力基本组合=0.55=189.75MPa特殊组合 =0.7=241.5MPa由于上述公式中未计入一些次要应力,因此确定管壁厚度时容许应力应降低15%,即=189.75(1-15%)=161.29MPa。=28.2mm考虑到钢板厚度的误差及运行中的锈蚀和磨损,实际采用的管壁厚度应在计算的基础上加2mm的裕度。则=28.2+2=30.2mm结构要求:D/800+4=12.25mm;制造安装厚度大于6mm。综上,取=32mm,则外径D=D+2=6600+232=6664mm每间隔10m设立一个支墩,在每个折坡处设立镇墩。8.2 管身应力分析和结构设计 本工程中,靠近厂房的露天压力钢管属于最危险段。该段段压力管道支墩间距L=9.25m,计算厚度=32-2=30mm。由于该段是最危险段,如果这段露天压力管道满足应力要求,则其他段必然满足要求。下面对这压力管道进行应力分析。第四段管道示意图如下图所示:图8-1管身计算断面8.2.1 跨中断面1-11、切向应力 = =式中 压力管壁厚度(计算厚度),(); D 压力管道直径(m),D=6.6m; H 管顶以上的计算水头 管道中心线以上的计算水头,=H+D/2 管壁的计算点与垂直中线构成的圆心角 水的容重; 管轴线与水平线的夹角,对于水平段=0对于水电站的压力管道,上式等号右端的第二项是次要的,只有当0.05时才有记入的必要。=126.56m。 =3.3cos0.05126.56=6.328m。所以,式子中的第二项可省去。 =136.57 MPa(=0、90、180)2、径向应力 管壁内表面的径向应力等于该处的内水压强,即=-H,“-”表示压应力,“+”表示拉应力。 =0 =-9810(126.56-3.3)=-1.21 MPa=90 =-=-9810126.56=-1.242 MPa=180 =-9810(126.56+3.3)=-1.274 MPa3、轴向应力 =0.253.146.629.811000+3.14(6.6+20.012)2-6.62) 9.817.9=337.062kN/m截面处弯矩 M近似取为 M=2883.68kNm=0 =-=-=-2.81 MPa=90 =0 =180 =-2.81 MPa水平管段只计算水流对管壁的摩擦力水温16.7时,=37.37(=0、90、180)2320故,管道中水流为紊流查表得管道当量粗糙度 ,于是相对粗糙度为=0.015查图可得 所以,沿程水头损失=0.033m=11.075KN故 =-=-0.0178MPa=+所以 =0 =-2.81-0.0178=-11.585MPa=90 =0-0.0178=-0.0178MPa =180 =2.81-0.0178=2.7922MPa用第四强度理论进行校核: 式中 为焊缝系数,取0.9 =0.9=170.755 MPa =0 =0 =138.596MPa =170.755 MPa=90 =137.204MPa =170.755 MPa=180 =135.857MPa =170.755 MPa所以,跨中断面11满足强度要求。8.2.2支承环附近断面22 支承环附近断面22在支承环附近,但在支承环的影响范围之外,故仍为膜应力区。 1、切向(环向)应力22断面的与11断面的相同 =136.57 MPa(=0、90、180) 2、径向应力22断面的与11断面的相同=0 =-1.21 MPa=90 =-=-1.242 MPa=180 =-1.274 MPa3、轴向应力22断面的与11断面的大小相等,方向相反。 =0 =2.81MPa=90 =0 MPa=180 =-2.81 MPa22断面的与11断面的相同 =-0.0178 MPa (=0、90、180)=+所以 =0 =2.81-0.0178=2.7922MPa=90 =-0.0178MPa=180 =-2.81-0.0178=-2.8278MPa断面22除了以上应力外,还有管重和水重在管道横截面上引起的剪应力。管重和水重在支承环处引起的剪力可将管道视为连续梁求出,近似可取为: 式中 每米长的管重和水重 支承环的中心距 管道倾角,对于水平段=0=0.53849.25cos0=1776kN此剪力在管壁中引起的向的剪应力=5.71 MPa式中 某断面以上的管壁面积对中和轴的静矩 =2 管壁的截面惯性矩 = 管道半径 受剪截面的宽度 =2 管顶至计算点的圆心角=0 =5.710= 0MPa=90 =5.711=5.71MPa=180 =5.710=0MPa用第四强度理论进行强度校核 =0=0 =167.15MPa =0.90.55345=170.55 MPa=90 =168.58MPa =170.55 MPa=180 =169.464 MPa =170.55 MPa所以,支承环附近断面22满足强度要求。8.2.3 支承环断面33支承环处的管壁由于支承环的约束,在内水压力作用下发生局部弯曲,如下图所示: 图8-2 管壁局部弯曲示意图因此,与断面22相比,增加了局部弯曲应力,切向应力也因支承环影响而改变。支承环在管壁中引起的局部弯曲应力随离开支承环的距离而很快衰减,因而影响范围是不大的(超过这个范围可忽略不记)。其等效宽度=0.78式中 管道的半径 管壁的厚度 泊松比,钢材取0.3 =245mm图8-3加劲环断面尺寸支承环断面尺寸的确定 a在与2之间,取a=50mm h=300mm,=30mm具体尺寸如右图所示: 支承环断面净面积 =0.0165m 支承环断面有效断面面积 =0.0312 m 截面形心轴O O距支承环顶的距离为235.67mm支承环有效断面形心的曲率半径 = = =3402mm断面惯性矩 = =325755865.7mm= =0.48支承环断面33的与22断面的相同=0 =2.81 MPa=90 =0 MPa=180 =-2.81 MPa=119.31 MPa(内为正,外为负) 式中 水的容重 计算水头 D 管道内径 管壁的计算厚度=-0.0178 MPa1、支承环处管壁引起的局部应力 表8-1 支承环处管壁引起的局部应力0内缘2.81119.31-0.0178122.1外缘-119.31-0.0178-116.5290内缘0119.31-0.0178119.29外缘-119.31-0.0178-119.3278180内缘-11.555119.31-0.0178116.52外缘-119.31-0.0178-122.1 2、径向应力 径向应力在此处较小,可不考虑。 径向应力在管壁外表面较小,可不考虑。 内缘:=0 =-1.21 MPa=90 =-1.242 MPa=180 =-1.274 MPa3、剪应力支承环的约束在管壁中引起的剪应力=式中 沿圆周向单位长度管壁的剪力,=0.480.2459810126.56=146 kN在管壁的内缘和外缘 故=0在管壁的中心点 剪应力最大 =3146/(20.03)= 7.3 MPa4、由管重和水重在管壁中引起的剪应力 =5.71=0 =0MPa=90 =5.71MPa=180 =0 MPa5、切向应力由b、c两项荷载在支承环中引起的切向应力 =9810126.563.3(1.560.48+0.05)/0.0165 =70.92 MPa由d项荷载引起的应力一般比较小,可不予考虑。a项荷载作用下引起的应力(管段即为半跨管重和水重)计算需用到系数:为了充分利用材料,b与R的最合理比值是使支承环上不同断面的两个最大弯矩相等,研究证明满足这一条件的比值为0.04, RK=R=3402mm,1/K=l=245mm.由压力钢管设计规范:=0.9446=0.881=-0.068由压力钢管设计规范表22-4,得:表8-2()K1K2K3K4K5K60-0.2387320.318310.011268-0.0683100090上侧-0.250000000.250000-0.0795770.318310下侧0.25000000-0.2500001800.238732-0.318310-0.0112680.06831000=0=90.536kN.m=779.456 kN.m=90 上侧 =31.175 kN.m =-779.456 kN.m =-315.59 kN.m 下侧 =-31.175 kN.m =779.456 kN.m =315.59kN.m=180 =-90.536kN.m =-130 kN.m =0=0 =-=-17.6Mpa(外缘) =26 Mpa(内缘)=90 上侧 =-=-6.07 Mpa(外缘) =8.9Mpa(内缘) 下侧 =6.07Mpa(外缘)=-=-8.9 Mpa(内缘)=180 =-=17.6Mpa(外缘) =-26Mpa(内缘)由引起的应力 =0 =4.166 Mpa =90上侧 =-24.98 Mpa下侧 =24.98 Mpa=180 =-4.166 Mpa表8-3 计算结果(MPa)位置=+0内缘70.92264.166101.086外缘-17.657.48690上侧内缘8.9-24.9854.84外缘-6.0739.87下侧内缘-8.924.9887外缘6.07101.97180内缘-26-4.16640.754外缘17.684.354引起的应力 = =0 =0 =90 上侧 外缘 =2007000mm =-38.75 Mpa 内缘 =4968000mm =-96.88 Mpa 下侧外缘 =-38.75 Mpa内缘 =-96.88 Mpa表8-4 计算结果汇总如下表:应力(MPa)0内缘122.10101.08600外缘-116.52057.4860090上侧内缘119.29054.845.71-96.88外缘-119.3278039.875.71-38.75下侧内缘119.290875.71-96.88外缘-119.32780101.975.71-38.75180内缘116.52040.75400外缘-122.1084.35400用第四强度理论进行强度校核: 由于 、一般比较小,可忽略不记,故上式可简化为: =0 内缘应力较外缘应力大,校核内缘 158.51 Mpa=0.90.67345=231.15 Mpa =90 校核下侧外缘应力 130.65Mpa=231.15Mpa=180 校核外缘148.4Mpa=231.15Mpa 以上均满足,所以支承环断面33强度满足要求。8.3 外压稳定校核 8.3.1 无加劲环时露天压力钢管的管壁的临界外压 =0.038 Mpa0.12=0.2 Mpa 安全系数取2.0所以,需要设加劲环。 对于设有加劲环的管壁,临界外压 ()式中 加劲环的间距,取=4.0m 泊松比,钢材取0.3 屈曲波数,需假定不同的,用试算法求出最小的 =1.63=5.3 取=5和=6分别代入()式得: =5 =1.64 Mpa =6 =0.46 Mpa取较小的值,即=6,=0.46 Mpa00.2 Mpa且 Mpa0.9=270 Mpa所以,所设的加劲环满足要求。8.3.2 对加劲环自身稳定的临界外压计算 =0.86Mpa =0.47 Mpa min、=0.47 Mpa0.2 Mpa 所以,加劲环自身稳定也满足要求。8.4 地下埋管钢衬结构的计算 钢衬承受内水压力强度计算基于以下假定:(1)、钢衬、混凝土垫层和围岩的应力都在其弹性范围之内;围岩是完全弹性且各向同性的(2)、围岩在开挖后已充分变形,混凝土垫层和钢衬在施工后无初始变形图8-3 地下埋管示意图(目 录目 录1摘 要4ABSTRACT5第一章 设计基本资料61.1 流域概况和地理位置61.1.1 水文条件61.2.2气象条件71.2.3 工程地质81.2.4 当地建筑材料91.3 设计资料101.3.1 水能规划101.3.2 挡水建筑物及泄水建筑物101.3.3 引水建筑物111.3.4 水电站建筑物111.3.5 专题111.3 设计任务111.4.1 枢纽布置、挡水及泄水建筑物111.4.2 水电站引水建筑物111.4.3 水电站厂房111.4.4 其他12第二章 水轮机132.1水头Hmax、Hmin、Hr选择132.1.1 的确定132.1.2 的确定132.1.3 的确定132.2水轮机选型132.3 调速设备及油压设备选择172.3.5水轮机阀门及其附件192.4 水轮机蜗壳及尾水管19第三章 发电机223.1 发电机的尺寸估算223.1.1主要尺寸估算223.1.2外形尺寸估算223.1.3轴向尺寸计算233.2 发电机重量估算24第四章 混凝土重力坝264.1剖面设计264.1.1 基本剖面264.1.2 实用剖面274.2 稳定与应力校核294.3混凝土坝的材料与构造374.3.1材料374.3.2构造374.3.2.1坝顶结构374.4地基处理384.4.1开挖与清理384.4.2坝基帷幕灌浆384.4.3坝基排水设施38第五章 混凝土溢流坝395.1确定堰顶高程395.1.1 溢流坝下泄流量的确定395.1.2 由抗冲能力拟定单宽流量395.1.3 堰顶高程的确定395.1.4 闸门布置415.2 溢流坝的剖面布置415.2.1 溢流面曲线415.3溢流坝稳定验算445.4鼻坎的型式和尺寸475.5 挑射距离和冲刷坑深度的估算47第六章 引水建筑物496.1 引水隧洞整体布置496.1.1 洞线布置(水平位置)496.1.2垂直方向496.2 细部构造496.2.1 隧洞洞径496.2.2 闸门断面尺寸496.2.3 拦污栅断面506.3调压室516.3.1 调压室功用516.3.2 设置调压室的条件516.4 压力管道设计516.4.1 管道内径估算516.4.2 岔管处管道直径的确定516.4.3 计算托马断面526.5 调压室设计比较:556.5.1 阻抗式调压室556.5.3 调压室方案比较成果62第七章 主厂房尺寸及布置647.1 主厂房长度确定647.1.1 机组段长度647.1.2 端机组段长度647.1.3 装配场长度647.2 主厂房宽度确定647.3 主厂房顶高程确定657.3.1 水轮机安装高程:657.3.2 尾水管底板高程 657.3.3 基岩开挖高程:657.3.4 水轮机层地面高程657.3.5 发电机层地面高程(定子埋入式)657.3.7 桥吊安装的高程66=装配场高程+最大吊运部件尺寸+吊运部件与固定物之间的安全距离667.4 起重设备667.5 厂区布置67第八章专题:压力钢管结构计算688.1明钢管断面设计688.11管径的确定688.1.2确定管壁厚度688.2 管身应力分析和结构设计698.2.1 跨中断面1-1698.2.2支承环附近断面22708.2.3 支承环断面33728.3外压稳定校核818.3.1无加劲环时,明钢管的管壁的临界外压818.3.2对加劲环自身稳定的临界外压计算828.4地下埋管钢衬结构的计算82参考文献85后 记87摘 要xx水电站座落于浙江省xx,xx,属于梯级开发电站,根据地形要求,其开发方式为有压引水式。坝区地质条件较好,主要建筑物(混凝土重力坝),泄水建筑物(混凝土溢流坝),引水建筑物(有压引水遂洞、调压室和压力钢管),河岸式地面厂房。水库设计洪水位238.0m(千年一遇),相应的下泄流量6250m3/s;校核洪水位240.0m(万年一遇),相应的下泄流量8500m3/s;正常挡水位232.0m.本设计确定坝址位于xx附近,非溢流坝坝顶高程242.1m。坝底高程115.0m。最大坝高127.1m。上游坝坡坡度1:0.1,下游坝坡坡度1:0.78,溢流坝堰顶高程225.9m。引水遂洞进口位于坝址上游凹口处,遂洞全长1113m。洞径8.5m,调压室位于厂房上游,高程260m左右的山峦上,型式为差动式。厂房位于下游荻青位置。设计水头96.028m,装机容量44.25=17万kw,主厂房净宽16.7m,净长58.5m。水轮机安装高程115.44m,发电机层高程125.3m,安装场层高程128.5m,与进场公路同高(大于下游校核洪水位)。厂房附近布置开关站,主变等。受地形限制,尾水平台兼作公路用,坝址与厂区通过盘山公路连接,形成枢纽体系。另外,本设计还对压力钢管进行了结构计算。 第一章 设计基本资料 1.1 流域概况和地理位置xx属xx支流,发源于xx三省交界的xx,于xxxx附近流入xx,全长170公里,流域面积2623平方公里。流域内除xx以下属xx平原外,其余均属山区、森林覆盖面积小,土层薄,地下渗流小,沿江两岸岩石露头,洪水集流迅速,从河源至xx段,河床比降为1/1000,水能蕴藏量丰富。流域内已建成二级水电站,第一级为xx水电站,坝址位于xx境内xx区xx处,坝址以上流域面积为2151平方公里。第二级为xx水电站,坝址位于xxxx公社。坝址以上流域面积为2328平方公里。1.2 水文与气象1.1.1 水文条件xx坝址断面处多年平均径流量为83.0m3/s。实测最大洪峰流量为5440 m3/s,(1954年),千年一遇洪水总量(4日)为11.0亿立方米,洪峰流量为11300m3/s。万年一遇洪水(4日)总量为16.2亿立方米,洪峰流量为16600m3/s。保坝洪水总量为17.2亿立方米,洪峰流量为22000m3/s。表1-1 坝址断面处(xx)水位流量关系曲线水位(m)122.71123.15123.5124.04125.4126.6128.5流量(m3/s)105010020050010002000水位(m)130.1132.6135.3137.6139.8141.8流量(m3/s)300050007500100001250015000表1-2电站厂房处xx水位流量关系曲线水位(m)115115.17115.39115.57115.72115.87116流量(m3/s)1020406080100120水位(m)116.13116.25116.37116.47117.05117.9118.5流量(m3/s)1401601802004007001000水位(m)119.45120.3121.97123.2125.65127.8129.8流量(m3/s)150020003000400060008000100001.2.2气象条件xx流域属副热带季风气候,多年平均气温10.4,月平均最低气温4.9,最高气温28。多年平均降雨为1710mm ,雨量年内分配极不均匀,4、5、6三个月属梅雨季节,降雨量占全年的50%左右。7、8、9月份会受台风过境影响,时有台风暴雨影响,其降雨量占全年的25%左右。 表1-3水库水位面积、容积曲线高程(米)水库面积(平方米)总库容(108米)25059.842592.5424554.92305.6924049.962043.5423545.931803.8223041.91584.2422538.11384.2422034.31203.2421531.151039.6221027.99891.7720524.61760.2720021.22646.6919519.11544.8719016.99454.6218514.94374.7918012.89305.221709.37193.621606.66113.771504.9555.721.2.3 工程地质库区多高山峡谷,平原极少。地层多为白垩纪流纹斑岩及凝灰岩分布,柱状节理及顺坡向节理裂隙普遍,断裂构造不甚发育,受水库回水影响,可能有局部土滑、崩塌等情况,但范围不会很大,因此库区的岸坡稳定问题是不严重的。唯坝前水库左岸的xx口至坝址一段地形陡峭,顺坡裂隙较为发育,经调查有四处山坡因顺坡裂隙切割,不够稳定,每处不稳定岩体为23万立方米,在水库蓄水过程中,裂隙中充填物受潮软化,易崩塌、滑落,由于距坝趾较近,在施工过程中应注意安全。库取未发现有经济价值的矿床,仅xx上游破石至xx一带有30余个旧矿,经地质部华东地质局浙西队调查,认为无经济价值。本工程曾就xx、xx、xx三个坝址进行地质勘测工作,经分析比较,选用了xx坝址。xx坝址河谷狭窄,河床仅宽110m左右,两岸地形对称,覆盖层较薄,厚度一般在0.5m 以下,或大片基岩出露,河床部分厚约24m。岩石风化普遍不深,大部分为新鲜流纹斑岩分布,局部全风化岩层仅1m左右,半风化带厚约212m,坝址地质构造条件一般较简单,经坝基开挖仅见数条挤压破碎带,产状以西北和北西为主,大都以高倾角发育,宽仅数厘米至数十厘米,规模及影响范围均不大,坝址的主要工程地质问题为左岸顺坡裂隙发育,差不多普及整个山坡,其走向与地形线一致,影响边坡岩体的稳定性。坝址地下水埋置不深,左岸为1126m,右岸1534m。岩石透水性小,相对抗水层(条件吸水量0.01L/dm)埋深不大,一般在开挖深度范围内,因此坝基和坝肩渗透极微,帷幕灌浆深度可在设计时根据扬压力对大坝的影响考虑选用。坝址的可利用基岩的埋置深度,在岸1012m,右岸69m,河中68m,详见坝址地质剖面图。坝体与坝基岩石的摩擦系数采用0.68。引水建筑物沿线为流纹斑岩分布。岩石新鲜完整,地质条件良好。有十余条挤压破碎带及大裂隙,但宽度不大,破碎程度不严重。厂房所在位置地形陡峻,覆盖极薄,基岩大片出露,岩石完整,风化浅,构造较单一。有两小断层,宽0.50.8m,两岸岩石完好。本区地震烈度小于6度。1.2.4 当地建筑材料 本工程需要砾石约186万立方米,砂67万立方米。经勘测,砂的粒径偏细,砾石超粒径的含量偏多,其他指标均能满足要求,但坝址附近几个料场的贮量不能完全满足设计要求。故不足的砾石用轧石解决,轧石料场选在大坝左岸距坝址0.8-12公里的范围内。不足的砂料用楼里村附近的几个料场补充,距坝址2.5 公里。1.2 交通状况坝址至xx的交通依靠公路,xx以远靠xx。高程(米)容积(亿立米)高程(米)容积(亿立米)备注980.1281080.423吴淞零点990.1371090.4671000.1691100.5141010.1941110.5641020.221120.6181030.2491130.6741040.2791140.7341050.3111150.7951060.3451160.8571070.3331170.8211.3 设计资料1.3.1 水能规划a .校核洪水位:240.0m,校核最大洪水下泄流量8500m3/s;b .设计洪水位:238.0m,设计洪水最大下泄流量6280m3/s;c .设计蓄水位:232m;d .设计低水位:192m;e .装机容量:17万KW,即44. 25=17万KW;f.机组机型:自选1.3.2 挡水建筑物及泄水建筑物a.挡水建筑物: 混凝土重力坝b.泄水建筑物: 混凝土溢流坝c.其它 :无 1.3.3 引水建筑物 有压引水 1.3.4 水电站建筑物 河岸式地面厂房 1.3.5 专题 压力钢管结构计算1.3 设计任务1.4.1 枢纽布置、挡水及泄水建筑物要求对整个水利枢纽进行布置(包括挡水及泄水建筑物、引水建筑物、厂房、对外交通、进水口及开关站等,绘出枢纽平面布置图)要求根据现有资料设计挡水及泄水坝段的断面型式,进行必要的稳定计算,绘出挡水及泄水坝的剖面图。1.4.2 水电站引水建筑物根据地形、地质条件选顶引水隧洞的路线,并设计隧洞断面的型式,绘出引水隧洞的布置图(含进水口)。根据地形、地质及水力计算,确定调压室的位置、型式和尺寸并绘出调压室剖面图。1.4.3 水电站厂房根据所选机型及水位计算条件,确定厂房的轮廓尺寸,并绘出发电机层、水轮机层和涡壳层的平面布置图以及厂房的横剖面图。对厂区进行布置并绘出平面布置图(包括开关站、主变场、厂房、尾水渠和对外交通等)1.4.4 其他压力钢管结构计算第二章 水轮机2.1水头Hmax、Hmin、Hr选择2.1.1 的确定1. 校核洪水位+满发 =96%111.70=107.23m2. 设计洪水位+满发 =96%112.08=107.60m 3. 正常蓄洪水位+一台机组发电 发电机出力N=4.25万千瓦则即水轮机出力为=4.427万KW(96%为大中型水电站。根据N=9.8QH ,水电站的效率一般为85%即=85%=96%116.54=111.88m=max107.23,107.60,111.88=111.88m2.1.2 的确定设计低水位(即设计死水位)+机组满发 =96%75.26=72.26m即=72.25m2.1.3 的确定加权平均水位=0.6max+0.4min=96.028m 引水式水电站=96.028m2.2水轮机选型根据该水电站的水头工作范围72.21112.34,查水电站教材型谱表选择合适的水轮机型有HL200、HL180两种。现将这三种水轮机作为初选方案,分别求出其有关参数,并进行比较分析。HL200型水轮机方案的主要参数选择1. 转轮直径(假定=91.1%)=2.357m 取标称直径=2.5m2. 转速 n取n=300r/m, 取n=300r/m3. 效率及单位参数修正 =1.0% =1.5% (与上述假定相同) 3% 单位转速可不加修正,同时,单位流量也可不加修正。 4工作范围的检验 =0.8390.84 =51.39 在图上做出工作范围。5 吸出高度Hs计算 查水电站教材 =0.105,=0.02,由此可求出水轮机的吸出高度:Hs=-2.14 -4.0m可见HL200型水轮机方案的吸出高度满足电站要求 HL180型水轮机方案的主要参数选择1. 转轮直径(假定=90.9%)=2.47 m 取标称直径=2.5m2. 转速 n取n=300r/m3. 效率及单位参数修正 =1.0 =1.9% (与上述假定相同) 3% 单位转速可不加修正,同时,单位流量也可不加修正。 4工作范围的检验 =0.839166.7r/min Da=Di+=405.13+63.64=468.78cm3.1.2外形尺寸估算(1)定子机座外径 =300 r/min (2)风罩内径 20000KVA时 D2=D1+2.4m=8.26m(3)转子外径 (4)下机架最大跨度 10000214r/min (2) 上机架高度 (3) 推力轴承高度 励磁机高度和永磁机高度,副励磁机 (起重机架高0.8)1.0m (4)下机架高度 (5)定子支座支承面至下机架支承面或下挡风板之间的距离 (6)下机架支承面主主轴法兰底面距离 ;这里取(7)转子磁轭轴向高度+(500600)mm=184.62cm+(5060)cm=2.35m2.45m; 这里取(8)发电机主轴高度 =(0.70.9)H=7.68610.116,取h11=9.0m(9)定子铁芯水平中心线至法兰盘底面距3.2 发电机重量估算式中:发电机总重量(t)系数,悬式=810,这里取9发电机转子重=发电机飞轮力矩第四章 混凝土重力坝4.1剖面设计重力坝剖面设计的任务在于选择一个既满足稳定回去强度要求,又使体积最小和施工简单、运行方便的剖面。4.1.1 基本剖面重力坝的基本剖面,一般指在主要载荷作用下满足坝基面稳定和应力控制条件的最小三角剖面。因此,基本剖面分析的任务是在满足强度和稳定的要求下,根据给定的坝高求得一个最小的坝底宽度,也就是确定三角形的上下游坡度。为分析方便计,沿坝轴线方向取单位长度的坝体进行研究,其上下游面的水平投影长度分别为和。假定上游库满水位平三角形顶点水深为,下游无水。坝的载荷只考虑上游水平压力、水重和坝体自重以及扬压力,在此情况下,讨论及应如何取值才能满足安全和经济的要求。4.1.1.1 按应力条件确定坝底最小宽度 式中为设计洪水位,为上游坡度取时可以得到: 4.1.1.2 按稳定条件确定坝底最小宽度由于电站形式为引水式,故坝上游侧无有压进水口,上游坝坡坡度不受限制,用应力条件和稳定条件公式确定坝底的最小宽度。 得,B坝底宽度,m;H基本剖面坝高,m(基本剖面H=238.0-110.0=128m);坝体材料容重,;水的容重,;扬压力折减系数,按规范坝基面取0.3;摩擦系数,由资料可得本设计采用0.68;K基本组合安全系数。考虑一定的裕度,坝底宽度最终定为110m。4.1.2 实用剖面4.1.2.1坝顶宽度 坝顶宽度b=(8%10%)H,且不小于2m。本设计取11m4.1.2.2 坝顶高程波浪涌高,m;波浪中线高出静水位的高度,m;安全超高,m。风速,m/s;吹程,m。该水库缘地势高峻,故采用官厅水库计算公式 Vf =15/s,D=2km 波长-查水工建筑物(上)河海大学出版社表2-8。根据水电站装机17万kw,水库总库容,取工程规模为大(1)型,主要建筑物级别:1级,次要建筑物:2级,临时建筑物:4级。基本组合:hc=0.7m,特殊组合hc=0.5m 坝顶高程=设计洪水位+=242.1m坝顶高程=校核洪水位+=241.3m4.1.2.3剖面形态由上可知,稳定条件为限制条件,所以采用上游坝面上部铅直、而下部呈倾斜,这样可利用部分水重来增强坝的稳定性。采用的折坡高程为180.0m,坡度为1:0.1。最终确定的剖面如下图所示:图4-1 非溢流坝剖面4.2 稳定与应力校核441校核洪水位下,非溢流坝坝基面: 图4-2非溢流稳定校核示意图坝体自重: 上游水压力:扬压力:浪压力:表4-1 坝基面校核洪水位时的应力计算表格编号荷载垂直(KN)水平(KN)力臂力矩(KNm)向下向上向左向右m顺时针逆时针1自重133554.44013421762507047.67241686.93115114.25.67652697.52水压力176640.6341.673193615.0522204.57.0715585.8435898.2647.728134741719.5146.4979940.023扬压力121629.0900211010.135.6762427.4434454.9743.25192677.4546682.446.17308526.414浪压力175.31122.99255.6261.64122.647559.534.1.1.1 稳定分析摩擦公式4.1.1.2 应力分析4.4.2 校核洪水位情况下,折坡点的稳定验算表表4-2 折坡点校核洪水位时的稳定计算表格荷载计算简式垂直力(KN)水平力(KN)力臂弯矩(KNM)向下向上向右向左m顺时针逆时针自重116394.417.9293459.76219718.640.47926776水压力11765820353160扬压力12928.293.139165.5521030.0519.92049831545.0821.0732554.844.4.2.1 稳定分析4.4.2.2 应力计算(不计入扬压力)4.4.3 正常蓄水位下,非溢流坝坝基面表4-3 坝基面正常蓄水位时的稳定计算表格荷载计算简式垂直力水平力力臂弯矩向上向下向右向左m顺时针逆时针自重133554.4401342176250704767241686.93115114.2567652697.5水压力167144.55392618637.4525388.1449.17264934.84扬压力112410.265.6770366.1725021.4943.25217179.4436987.0946.17322594.124.4.3.1稳定分析 4.4.3.2应力分析4.4.4 正常蓄水位下非溢流坝折坡点表4-4 折坡点正常蓄水位时的稳定计算表格荷载计算简式垂直力(KN)水平力(KN)力臂力矩(KNm)向下向上向右向左m顺时针逆时针自重116394.417.9293459.76219718.640.479267.76水压力113263.1217.67234359.33扬压力12537.853.137943.462829.7119.917764.9331339.0721.071360.144.4.4.1稳定分析4.4.4.2应力分析 满足应力要求4.3混凝土坝的材料与构造4.3.1材料采用的混凝土编号为4.3.2构造4.3.2.1坝顶结构采用实体结构,顶面按路面设计,在坝顶上布置排水系统和照明设备4.3.2.2坝体分缝横缝将坝体沿坝轴线方向分成若干坝段,其缝面常为平面,不设键槽,不进行灌浆,使各坝段独立工作。缝的宽度器取1cm,横缝间距为20m,横缝止水用两道金属止水片(紫铜片或不锈钢片)和一道防渗沥青井。纵缝是为了适应混凝土的浇筑能力和减小施工期温度应力而设置的临时缝。为了加强坝体的整体性,缝面一般设置键槽,槽的短边和长边大致与第一及第二主应力相交,使槽面基本承受正压力。且键与槽互相咬合,可提高纵缝的抗剪强度。4.3.2.3坝体排水设置排水廊道大小为4.3.2.4坝内廊道 基础帷幕灌浆廊道大小为4.4地基处理4.4.1开挖与清理 左岸有断层破碎带贯穿整个山坡,故需进行灌桨加固处理,除适当国深表层砼塞外,仍需在较深的部位开挖若干斜并和平洞,然后用砼回填密实,形成由砼斜塞和水平塞所组成的刚性支架,用以封闭该范围内的破碎填充物,限制其挤压变形,减小地下水对破碎带的有害作用。河床段及右岸靠近河床段了裂隙,采用砼梁和砼拱进行加固,具体分法是将软弱带挖至一定深度后,回填砼以提高地基局部地区的承载力。4.4.2坝基帷幕灌浆帷幕灌浆是在靠近上游坝基设一排或几排钻孔,利用高压灌浆填塞基岩内的裂缝和孔隙等渗水通道,在基岩中形成一道相对密实的阻水帷幕。其作用是:降低坝基的渗透压力,减少渗透流量;防止坝基内产生机械或化学管涌,即防止基岩裂缝中的充填物被带走或溶滤。4.4.3坝基排水设施布置横向及纵向排水廊道大小为第五章 混凝土溢流坝5.1确定堰顶高程5.1.1 溢流坝下泄流量的确定按千年一遇设计。 通过溢流坝顶的下泄流量为:5.1.2 由抗冲能力拟定单宽流量取单宽流量为100,取孔数5.1.3 堰顶高程的确定闸墩选用半圆形的墩头();圆弧形边墩,此为的第一次近似值,用以重新计算得再次试算:再次试算:与上一次计算值相近,作为正确值。行进流速堰顶高程 5.1.4 闸门布置闸门高度=正常高水位-堰顶高程+超高 =232-225.01+0.31=7.3m选择平面闸门,按规范所给值,又闸孔净宽b=13m,所以闸门取为14m8m。闸墩取为3.0m,边墩取为 2.0m工作闸门一般布置在溢流堰顶点,以减少闸门高度。为了避免闸门局部开启时水舌脱离坝面而产生真空,将闸门布置在堰顶偏下游一些,以压低水舌使其贴坝面下泄。检修闸门位于工作闸门之前,为便于检修,两者之间留有13m的净宽,本设计取净宽2m。5.2 溢流坝的剖面布置5.2.1 溢流面曲线5.2.1.1 溢流前沿:取, 则 5.2.1.2 溢流段:(溢流面曲线采用WES曲线) 定型设计水头 K、n 与上游坝面坡度有关的系数和指数(查设计手册知k=2, n=1.85) 即: 则切点的坐标为:(21.56 , 15.86) 5.2.1.3直线段:直线段采用与基本剖面一样的坡度,设与曲线相切的直线方程为:联立:对(1),(2)两式求导得:求得:x=18.2,y=12.61,即切点的坐标为(18.2,12.61) 5.2.1.4反弧段设计 选择挑流消能,取R=26m,Q=8500m3/s 时,下游水位为21.2m,而鼻坎距下游水位一般为12m,故取h=23m。反弧段圆心距坝底的距离H1=23+26cos300 =45.52m反弧段与直线段切点距坝底的距离:鼻坎超出基本剖面的距离:,故无需验算超出段应力条件。试算求 总有效水头,m;临界水深(校核洪水位闸门全开时反弧处水深),m;流速系数查表取0.95。经试算, 反孤段半径,所以取R=26m,合理。溢流坝断面如下图所示:溢流重力坝剖面如下图所示:图5-1 溢流坝剖面示意图5.3溢流坝稳定验算1 基本组合:(上游为正常蓄水位,下游水位为0)坝体自重:(闸门作为安全储备)(垂直向下)由AUTOCAD2004面域计算得G=163673KN上游水压力:水平向右的水压力垂直向下的水压力扬压力:(垂直向上)浪压力: 所以坝体混凝土与基岩接触面的抗滑稳定极限状态:1) 作用效应函数 2) 抗滑稳定抗力函数 满足要求。偶然组合:(上游水位为校核水位,即240.0m,下游水位21.2m)图5-2 溢流坝剖面在校核洪水位时的示意图坝体自重:(垂直向下)G=163673KN上游水压力:(水平向右)(垂直向下)下游水压力:(水平向左)(垂直向下)扬压力:(垂直向上)排水处的扬压力=0.3(1300-260)=312KN浪压力:(水平向右)所以坝体混凝土与基岩接触面的抗滑稳定极限状态:1) 作用效应函数 2) 抗滑稳定抗力函数 满足要求。5.4鼻坎的型式和尺寸鼻坎采用平顺连续式的,高程比下游水位高出两米,即坎顶高程为138m.5.5 挑射距离和冲刷坑深度的估算连续式挑流鼻坎的水舌挑距按水舌外缘计算,其估算公式为:又鼻坎处水流平均流速v为:坎顶水面流速,坎顶垂直方向水深坎顶至河床面高差:代入公式计算得:L=230.192m最大冲坑水垫厚度估算公式:式中:水垫厚度,自水面算至坑底,m;冲坑深度,mq 单宽流量,这里为128.43m3/s,H 上下游水位差,这里为111.7m。H2 下游水位,这里为128.3-115=13.3m,冲坑系数,坚硬完整的基岩为0.91.2,这里取0.9所以:为了保证大坝的安全,挑距应有足够的长度,一般当时,认为是安全的,这里,所以大坝是安全的。第六章 引水建筑物6.1 引水隧洞整体布置6.1.1 洞线布置(水平位置)根据洞线布置要求,隧洞进口段设在坐标(20679700,3176255)处洞线起始沿南北向斜向延伸,至坐标(20679690,3176540)处反向变线拐角34度,至坐标(20679670,317719570)向东偏30度直至调压室。整条线路上所有节理,断层破碎带均被避开或与洞线以较大的角度相交,且压力管道出口处地势较陡,便于布置。6.1.2垂直方向隧洞进口断面为矩形,后渐变成圆形,再变为矩形主闸门段,过闸门后由矩形渐变圆形,至压力管道处再度渐变,隧洞段坡降0. 5,至压力管道后以45度角向下拐弯坐高程118.4m(发电水轮机安装高程)后水平布置直至厂房。6.2 细部构造6.2.1 隧洞洞径隧洞采用圆形断面,取经济流速为4。设计水位下机组满发时隧洞流量: 隧洞直径 实际取为8.5m 6.2.2 闸门断面尺寸闸门高度取为8.5 m宽度取渐变段长度为13m,则扩散角6.2.3 拦污栅断面取,则 进水口段,上唇线采用四分之一椭圆根据水利水电工程进水口设计规范,考虑到拦污栅面积要求取椭圆方程为:淹没深度:c取0.7,实际取为7m。进水口底部高程= 拦污栅倾角为,实际取为60,这样过水面积大,且易于清污。拦污栅净高度=(8.5+7)/sin60=17.9m拦污栅高度=,考虑到一定的安全超高实际取为19m。拦污栅宽度S=235.9 88.6(由计算得到)以下进行验算:(布置见白图“进水口”所示)6.3调压室6.3.1 调压室功用为了改善水锤现象,常在有压引水隧洞与压力管道衔接处建造调压室。调压室利用扩大的断面和自由水面反射水锤波将有压引水系统分成两段:上游段为有压引水隧洞,调压室使隧洞基本上避免了水锤压力的影响;下游段为压力钢管,调压室可以减轻位于其下游的压力钢管中的水锤压力。6.3.2 设置调压室的条件6.3.2.1 设置上游调压室 式中:L 压力水道长度,m;(隧洞 L=1113 m, m/s,钢管 L=290 m, )H设计水头m。(H=96.028m) 24 s 时,可不设上游调压室。计算得,所以本电站需要设置上游调压室。6.4 压力管道设计6.4.1 管道内径估算 式中: 钢管最大设计流量,;H设计水头,m。 6.4.2 岔管处管道直径的确定岔管采用y型布置,各分管内径用等流速公式估算,且认为水流流速在岔管段基本保持不变。1#大支管直径2#大支管直径3#大支管直径6.4.3 计算托马断面6.4.3.1 引水隧洞的水头损失(1)沿程水头损失 计算托马断面时混凝土衬砌,选用最小糙率0.012。(2)局部水头损失1、 拦污栅处 (具有独立支墩)过栅平均流速2、 喇叭口段 (取减缩段的面积)3、 闸门段(有两个闸门门槽)4、闸门渐变段(两个渐变段) (有两个闸门门槽)(v按最不安全计算)5、隧洞转弯处 6.4.3.2 压力钢管的水头损失1 沿程水头损失(糙率取最大值0.013) 压力管道长度 2 局部水头损失(1) 缓管段(垂直方向) (2)分岔(共三处斜分岔和一个弯管段) (D=3.6m,R=8m,) (3) 蝶阀 6.4.3.3 断面计算为了保证稳定性和加快削减速度,实际调压室的面积还应比托马断面大,工程中往往将其乘以1.05,所以得:=6.5 调压室设计比较:6.5.1 阻抗式调压室最低涌波水位上游取最低水位,引水隧洞糙率n取大值0.015, m=0.5(两台增加到四台) 孔口面积: 其中 最高涌波水位的计算(设计水位满发时的工况) 拦污栅处: 喇叭口段: 渐变段: 隧洞拐弯处:校核洪水位情况:拦污栅处:喇叭口段: 闸门槽: 渐变段: 隧洞拐弯处:6.5.2差动式方案: 上游水库水位取最低水位,m=0.5(两台增加到四台),升管断面面积 6.4.2.2 最高涌波水位计算6.4.2.2.1 设计水位满发时工况假定, 相应大井体积为:升管溢流量:溢流水:进入大井水体积:两者接近, 故6.4.2.2.2 校核洪水位情况计算过程同设计洪水位假定, 相应大井体积为:升管溢流量:溢流水:进入大井水体积:两者相近,取校核洪水位情况:6.5.3 调压室方案比较成果1 阻抗式调压室具体布置参数调压室最高水位=正常蓄水位-=241.01m,加上2m的裕度可得顶高程为243.01m。最低涌波水位=设计低水位-= 189.031m隧洞坡降0.5,隧洞顶高程 170.4m最低涌波水位与引水道顶部高程间的安全裕量2m,满足要求2 差动式调压室具体布置参数堰顶高程=正常蓄水位+=23211.377=243.377m最低涌波水位=设计低水位-=192.011.42=180.58 m。隧洞坡降0.5,隧洞顶高程170.4m, 最低涌波水位满足要求.大井顶高程=正常蓄水位-=23212.3244.3m加上2米的裕度,取为246.3米。经比较可以看出选用差动式方案较为合理。第七章 主厂房尺寸及布置7.1 主厂房长度确定7.1.1 机组段长度1由蜗壳层决定的机组段长度 L=4.62+3.826+1.2+0.8=10.446m 2尾水管层取闸墩最小厚度为4.0m,尾水管出口宽度为6.8m,则所需机组段长度:10.8m3发电机层 L=发电机定子外径+2风道宽(0.81.5m)+风道间过道宽()=4.69+2+21.5=9.69m综上,机组段最小长度为10.8m,考虑到布置间隙及方便,最终机组段的长度定为14.4m。7.1.2 端机组段长度端机组段的附加长度:L=(0.21.0)D 转论直径,m。(=2. 5m)根据需要取为1.0m7.1.3 装配场长度装配场长度L=(1.01.5.)L=(14.421.6)m 取16.2m7.2 主厂房宽度确定由蜗壳层决定的厂房宽度: 上游侧最小宽度:=机组中心线至上游蜗壳外缘尺寸+蜗壳外包混凝土+蝴蝶阀净宽+外墙厚=下游侧最小宽度:=机组中心线至下游蜗壳外缘尺寸+蜗壳外包混凝土+外墙厚= 7.3 主厂房顶高程确定7.3.1 水轮机安装高程:对于HL180型水轮机 式中 设计尾水位(由于本水电站装机四台,故取一台水轮机满发电时的额定流量,即对应的xx水位流量关系曲线中查得=115.51m);吸出高度,m();导叶高度,m()。得到水轮机的安装高程 Zs=115.44m。7.3.2 尾水管底板高程 =115.44-6.5=108.69m 7.3.3 基岩开挖高程: =108.691.5107.19m 7.3.4 水轮机层地面高程D蜗壳进水口直径直径(m) 外包砼厚度(1m)7.3.5 发电机层地面高程(定子埋入式) 取125.3m7.3.6 装配场层地面高度采用发电机层和装配场层不同高方案,装配场层与地面同高,下游最高水位128.3m,取装配场层地面高度128.5m。7.3.7 桥吊安装的高程=装配场高程+最大吊运部件尺寸+吊运部件与固定物之间的安全距离=128.5+9+1= 138.5m 7.3.9厂房顶部高程+轨道面至起重机顶端的距离+小车至天棚必要距离+屋顶大梁高+_屋顶厚=138.5+4.3+0.3+1+0.2=144.3m7.4 起重设备起重机的额定起重量一般为发电机转子重量、平衡梁重以及专用吊具重量之和.根据本设计额定起重量,选择与之接近而偏大的2100桥机.1、设备型号台数选择:选用一台双小车起重机,跨度14m 。表8-1工作参数表名义起重量t单台小车起重量(t)跨度lkm起升高度m主钩副钩2100100201426极限位置推荐用大车轨道轨道中心距起重机外端距离B1轨道面至起重机顶端距离H吊钩至轨道吊钩至轨道hh1中心距离主钩副钩L1L2
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