抽水蓄能电站布置方案选择及上游调压但室涌浪计算说明书

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1、水利水电工程专业毕业设计目录：摘 要：6ABSTRACT71 基本设计资料81.1 流域概况81.2 气象91.1.1 气温91.2.2 降水91.2.3 蒸发91.2.4 风速风向101.2.5 地温、相对湿度101.3 水文特性101.3.1 下水库坝址径流与洪水104.1 泥沙114.1.1 下水库泥沙114.1.2 下水库泥沙111.5 工程地质111.5.1 区域地质和地震111.5.2 上水库地质条件121.5.2.1 库区地质条件121.5.2.2 坝址区地质条件121.5.3 下水库地质条件131.5.3.1 库区地质条件131.5.3.2 坝址区地质条件131.5.4 厂道系

2、统地质条件141.5.4.1 一般地质条件141.5.4.2 水文地质条件161.5.4.3 物理地质条件171.6 天然筑坝材料181.7 电站运行方式191.7.1 调峰填谷191.7.2 抽水电源191.7.3 旋转备用191.8 抽水蓄能电站的综合利用201.9 给定的设计数据资料201.9.1 水能规划201.9.2 挡水建筑物及泄水建筑物201.9.3 引水建筑物201.9.4 水电站建筑物211.9.5 其他211.9.6 设计任务212 枢纽布置、挡水及泄水建筑物222.1 枢纽布置222.1.1 枢纽等级222.1.2 枢纽布置型式222.1.2.1挡水与泄水建筑物布置222

3、.1.2.2 开发方式的确定及主厂房位置的选择232. 2 挡水建筑物的设计242. 2. 1 防浪墙顶高程的确定242.2.2 坝顶宽度282.2.3 坝坡282.2.4 面板282.2.4.1 面板厚度282.2.4.2面板分缝：292. 2. 5 趾板292.2.5.1 趾板定线（X-X）292.2.5.2 趾板宽度292.2.5.3 趾板厚度h302.2.5.4趾板端部斜长度QT302. 2. 6 防浪墙302. 2. 7 坝体分区312. 2. 8 坝基处理312.3 泄水建筑物的设计312.4稳定及应力和变形分析323水电站引水建筑物323. 1 输水系统布置323. 2输水系统各

4、组成建筑物设计333.2.1引水隧洞333.2.2压力管道333.2.3 尾水隧洞343.3 上下库进出水口343.3.1进出水口位置选择343.3.2进出水口的轮廓尺寸确定353.3.2.1隧洞直径353.3.2.2进/出水口的参数353.4 调压室384 水电站厂房384. 1 机组选型384.1.1 抽水蓄能电站特征水头计算384.1.2 水泵水轮机的选型394.1.2.1水泵水轮机的额定出力Nr394.1.2.2 水泵水轮机的引用流量404.1.2.3水泵水轮机的性能参数计算404.1.2.4水泵水轮机主要尺寸和重量估算434.2 蜗壳与尾水管454.2.1 蜗壳尺寸454.2.2 尾

5、水管尺寸464.3 发电电动机的类型选择474.3.1 电动发电机外形尺寸474.3.2 外形尺寸估算504.3.2.1平面尺寸估算504.3.2.2 轴向尺寸计算504.3.3 发电机重量估算514.4 调速设备选择524.4.1 调速功计算524.4.2 接力器选择524.4.2.1接力器直径的计算524.4.2.2接力器最大行程 计算524.4.2.3接力器容积计算534.4.2.4 主配压阀直径计算534.4.3 油压装置534.5 进水阀的选择544.5.1.进水阀的作用544.5.2. 进水阀的选择544.6主厂房主要尺寸的拟定544.6.1 厂房起吊设备的选择544.6.2 高度

6、方向尺寸的确定574.6.3 宽度方向尺寸的确定584.6.4长度方向尺寸的确定594.6.4.1.机组段长度594.6.4.2 端机组段长度594.6.5 装配场尺寸的确定594.7副厂房主要尺寸的拟定605 专题：上游调压室涌浪高度计算6151判断是否需要设置调压室615.1.1上游引水道设置调压室的判断准则615.1.2 尾水道设置调压室的判断准则615.2 调压室的位置选择625.3 上游调压室的稳定断面面积计算625.3.1水头损失计算625.3.1.1 引水隧洞的水头损失hw0635.3.1.2 压力管道的水头损失655.3.2上游调压室的托马断面面积计算695.4上游调压室涌浪计

7、算705.4.1 调压室涌波水位计算工况选择及其对应水头损失计算705.4.1.1引水隧洞的水头损失hw0计算715.4.2 几种调压室的涌浪计算比较795.4.2.1 简单式调压室涌浪计算795.4.2.2 阻抗式调压室涌浪计算805.4.2.3 差动式调压室涌浪计算825.4.2.4 带上室的阻抗式调压室涌浪计算855.5 调压室选择设计865.5.1 分析涌浪计算结果选择调压室型式865.5.2 对所选择的调压室进行结构设计875.5.3 校核洪水位工况下对调压室涌浪校核875.5.4 抽水断电工况带扩大上室调压室的最低涌浪计算89参考文献：92摘 要：丰宁抽水蓄能电站位于河北省承德市丰

8、宁满洲自治县，电站以正在建设中的丰宁水电站水库为下水库，上水库位于永利村滦河左岸灰窑子沟顶端。枢纽总体建筑物由上水库、输水系统、下水库、地下厂房系统及地面出线场和开关站等部分组成。电站总装机 175万千瓦，共六台机，每台29万千瓦。水库枢纽工程包括： 钢筋混凝土面板堆石坝、放空隧洞、 进 / 出水口、环库公路 。本电站引水系统较长,尾水系统较短，经比较选择引水和尾水系统均采用一管三机的布置方式。经计算, 引水系统需设置调压井。水道系统由引水系统和尾水系统两部分组成。引水系统建筑物包括 : 上水库进 / 出水口、引水隧洞、引水调压井、高压管道、岔管和高压支管。 尾水系统建筑物包括 : 尾水支洞、

9、尾水事故闸门室、尾水隧洞和下水库进 / 出水口等。上水库进 / 出水口采用岸边侧式进 / 出水口 , 布置于左坝肩上游库岸 , 前沿设有拦污栅和防涡梁 , 其后布置有事故闸门井及启闭机房。电站采用中尾部开发方式 , 地下厂房洞室群布置在粗粒花岗岩层内。AbstractAbundant rather pumps water gathers can the power plant be located the Hebei Province Chende abundant rather Manchu Autonomous County, the power plant take is constru

10、cting the abundant rather hydroelectric power station reservoir as under reservoir, on the reservoir will be located forever benefits the village Luanhe River left bank ash kiln sub-ditch peak. The key position overall building by on reservoir, the water - carrige system, under the reservoir, the un

11、derground workshop system and the ground leaves parts and so on field of lines and switching house is composed. The power plant always installs equipment 1,750,000 kilowatts, altogether six machine, each 290,000 kilowatts.The reservoir key project includes: The reinforced concrete kneading board roc

12、k-fill dam, blows off the tunnel, enters/the water outlet, the link storehouse road.This power plant pilot system is long, the tailwater system is short, uses three machines after the comparison choice pilot and the tailwater system the arrangement way. After the computation, the pilot system must e

13、stablish the surge tank. The canal system is composed by the pilot system and the tailwater system two parts. The pilot system building includes: On the reservoir enters/the water outlet, the derivation tunnel, the pilot surge tank, the high-pressured pipeline, the branch pipe and the high-pressured

14、 branch. The tailwater system building includes: A tailwater hole, the tailwater accident gate chamber, the tailwater tunnel and under the reservoir enters/the water outlet and so on.On the reservoir enters/the water outlet to use the shore side type to enter/the water outlet, arranges Yu Zuoba upst

15、ream the shoulder the storehouse shore, the front is equipped with the trashrack and guards against wo Liang, after that the arrangement has the accident strobe well and the gate room.Middle the power plant uses develops the way, underground workshop hole room group arrangement in large grain granit

16、e level1 基本设计资料1.1 流域概况丰宁抽水蓄能电站位于河北省承德市丰宁满族自治县县城以北51km, 南距北京市昌平县十三陵抽水蓄能电站约155km 。电站以正在建设中的丰宁水电站水库为下水库 , 坝址位于滦河上游四岔口乡永利村上游1.3km。上水库位于永利村滦河左岸灰窑子沟顶端。河发源于河北省丰宁满族自治县大滩镇孤石村东南部小梁山南坡，向北经河北省沽源县流入内蒙古自治区的正兰旗，于正兰旗敦达浩特附近转向东, 流入多伦县, 称闪电河。在多伦县大河口附近接纳吐力根河后始称滦河。继而南行复回入丰宁县境内，至永利村附近折向东流，至隆化县郭家屯以上约2km处纳入小滦河。以后向南偏东方向辗转流

17、经隆化、滦平等城注入渤海, 全长887km，流域面积44945km2 。丰宁抽水蓄能电站下水库坝址以上流域 , 位于东经 1154311725； 北纬 41204233西、南毗邻潮白河流域 , 以燕山山脉为分水岭 , 北接内蒙古高原内陆河区 , 东为小滦河 , 流域面积为10202km2 。燕山山脉呈东西向耸立于流域南部 , 最高峰在滦河与白河的分水岭，高达2293m 。坝址以上流域在多伦县大河口以上属内蒙古高原东南部 , 俗称 坝上 , 高程在 13001400m, 地形呈波状起伏，相对高差不大，河道比降约0.5%, 其间正兰旗以上 , 河流多弯曲 , 水量较小 , 其下有黑风河、小河子河、

18、吐力根河等支流汇入，水量渐丰。自大河口向下，河流进入坝缘山地过渡区，山高谷深，林木苍郁，河道比降变陡，其间郭家屯至头道河约4 ；从头道河至潘家口河流穿行于燕山峡谷，比降为 31.67 ；潘家口以下地形逐渐开阔 , 河流进入浅山丘陵区 , 河道比降减至 1；在滦县进入冀东平原, 河道比降为 0.25 。滦河流域属典型的季风气候区，冬季受西伯利亚大陆干冷气团控制气温低，降水少；夏季69月受热带海洋暖湿气团控制，气候暖湿，降水丰沛，为滦河流域的雨季。上水库坝址以上集水面积为 4.4km2, 由三条主要支沟及十余条小支沟组成 , 地层岩性较好，沟内常年流水，库区内植被覆盖良好，多为草地并有少量桦树林。

19、上、下水库高差约为 445m。1.2 气象 1.1.1 气温根据鱼儿山站19591995年气温观测资料分析，多年平均气温为l.3 , 以7月份气温最高 , 多年平均为17.8 ，1 月份气温最低，多年平均为 -18.1 。极端最高气温为 33.1 C（1987年7月29日），极端最低气温为-35.8 （1964年2月22日） 。1.2.2 降水本流域降水量较少, 是我国东部少雨地区之一。流域多年平均年降水量400500mm, 坝址附近的永利雨量站，多年平均降水量为422.1mm。降水的年内分配不均，69月降水占全年的70%以上, 冬季因受大陆性冷高压控制, 降水较少，124月降水量仅占全年的2

20、.4%, 且全部为固体降水。 1.2.3 蒸发本流域蒸发量较大， 根据外沟门水文站20cm蒸发器观测的蒸发资料统计：多年平均蒸发量为1458.5mm, 乘以水面蒸发折算系数换算成水面蒸发量为720.4mm 。1.2.4 风速风向流域内多大风天气，夏季以偏南风居多，冬季则以西北风为主，春季风速最大，根据鱼儿山站观测资料统计，最大风速可达24m/s, 多年平均风速为4.2m/s 。1.2.5 地温、相对湿度根据鱼儿山气象站 19591991 年地温、相对湿度观测资料统计，多年平均0cm 地温为 3.6, 多年平均相对湿度为 63% 。1.3 水文特性1.3.1 下水库坝址径流与洪水丰宁抽水蓄能电站

21、下水库坝址以上流域面积为10202km2。径流以雨水和冰雪融水补给为主。每年出现两个丰水期，第一个丰水期为4月份，来水以冰雪融水为主；第二个丰水期为610月，主要来源于降雨。由于坝址以上流域大部分属坝上草原区，对径流的调蓄作用较大，使得径流的年际变化不大。径流年内分配以4月份来水最丰，占全年的16.14%，主汛期8月份占全年的15.52%，汛期610月占全年的58.02%，115月占全年的41.98%，122月份来水较少，仅占全年的6.44%。下水库坝址处径流系列为19561999共44年，见附表1，实测多年平均径流量为2.39亿m3。由于流域内工业和生活用水、农业灌溉用水等影响，使河川径流发

22、生变化，因此需要对实测径流系列进行还原计算。经还原后，下水库坝址天，情况下多年平均径流量为2.53亿m3。下水库坝址处洪水系列为19541999年共46年。坝址附近调查到有10多处可靠洪水痕迹，1939年7月历史洪水，估算洪峰流量为510m3/s，最大1、3、6天洪量为0.389、0.839、1.31亿m3，重现期为11055年。本流域洪水分为春汛洪水和夏季暴雨洪水两类，以夏季暴雨洪水危害为大，故选取外沟门站实测的1957年8月11日和1967年7月8日两场洪水为典型，按下水库坝址设计洪峰流量和最大1、3、6天设计洪量同频率放大典型洪水。1.3.2 上水库坝址径流与设计洪量上水库坝址以上控制流

23、域面积4.4km2，上水库坝址以上流域年径流深为50.0mm，则水库多年平均径流量为22万m3。上水库蓄水后，水面面积增加，年蒸发量增大。建库前陆面蒸发量是多年平均年降水量422.1mm与多年平均年径流深50mm之差。建库后蒸发增损深度是多年平均水面蒸发深度720.4mm与建库前水库库区的多年平均陆面蒸发深度372.1mm之差，其值为348.3mm。因本电站为周调节电站，考虑今后运行需要，上水库设计洪量的计算时段取为最大三日，算出上库设计洪量。4.1 泥沙4.1.1 下水库泥沙通过对下水库入库悬移质沙量以及推移质沙量的计算分析, 坝址多年平均悬移质入库输沙量为31.72万t，多年平均流量为7.

24、51m3/s, 约合24.4万 m3：下水库多年平均推移质入库输沙量为6.34万t, 约合4.23万m3 。 根据入库水沙及下水库运行方式进行的泥沙淤积分析可见 , 水库运用50年后, 调节库容减小1265.6万m3, 损失18.1% ，淤积高程为1026.19m。4.1.2 下水库泥沙根据上水库入库水体的含沙量、泥沙级配及水库运行方式 , 按沉降水深 45m, 每周沉降时间140h, 每周从下水库抽到上水库的水量 ( 调节库容 )4356 万 m3 计算各时段泥沙沉淤量的成果分析 , 上水库50年的泥沙沉淤总量为103.35万t, 约合103.35万m3( 淤积物容重取1.0t/m3 ),

25、淤积高程1425.56m 。1.5 工程地质1.5.1 区域地质和地震工程区位于河北省北部, 地处燕山北部和内蒙古高原交界部位。海拔高程一般 800m2300m 。区内出露的地层包括太古界变质岩、中生界火岩和少量沉积岩、新生界松散堆积层。另外，本区侵入岩也有大面积出露。本区地处天山、阴山纬向构造带东部, 是一混合岩化作用较强、岩浆侵入和火山活动频繁的地区。根据国家地震局1990 年版中国地震烈度区划图 (1:40 万), 工程区位于地震基本烈度为VI区内。1.5.2 上水库地质条件1.5.2.1 库区地质条件上水库位于滦河左岸灰窖子沟顶端，为山区谷地，形成相对封闭的地貌单元，分水岭高程1522

26、1719m，库区内最低点高程约1400m。上水库地表大面积被第四系残坡积、洪积物覆盖，基岩出露较少，岩性为张家口组中段凝灰岩，全风化厚度一般小于3m，强风化厚度一般20m，局部近30m，弱风化厚度一般小于50m。另外，在凝灰岩内部分别有风化蚀变带，厚度一般为几米到十几米。库区无区域性断裂通过，凝灰岩内主要结构面方向依次为NNE向、NNW向、NE向和近EW向。发育有少量断层和节理密集带。上水库库区内及分水岭部位山体雄厚，不存在整体性自然边坡失稳问题，上水库稳定条件较好。上库具备良好的天然封闭条件，地下分水岭基本与地表分水岭一致，上库不存在全面渗漏问题。渗漏通道受断裂和风化控制，主要集中在号沟垭口

27、和号、号沟南侧的断裂分布区域，上水库做局部防渗处理。1.5.2.2 坝址区地质条件上水库坝址位于灰窑子沟主沟内，三沟交汇下游约70m位置。坝址区河谷为呈宽缓“U”字形，谷底平缓，高程1400m左右，宽度4555m。左岸林木茂密，谷坡坡度一般小于250，山顶高程1630m。右岸基岩裸露，谷坡坡度一般大于300，局部形成小陡壁。坝址区基岩为凝灰岩，覆盖层为残坡积碎石河洪积碎石砂土。残坡积碎石土厚度一般 2m左右 ,主要分布在左岸谷坡。洪积碎石砂土总厚度一般小于 7m, 分布在谷底部位。坝址区及其附近发育有断层 F201、F206 和节理密集带 J1。坝址区谷底常年有水 , 流量一般 510L/mi

28、n, 使地表形成沼泽地貌。 地下水按赋存方式主要分为覆盖层内孔隙水和基岩裂隙水 ,在坡积碎石土 和全强风化基岩内还存在一些临时性包气带水。上库坝址区地层对当地材料坝坝基具有良好的适应性 , 右坝肩部位地形较陡 , 受裂隙和岩体卸荷作用影响 , 局部潜存少量不稳定块体 , 但不会影响坝基整体稳定。存在坝基、坝肩和绕坝渗漏问题 , 右坝肩断层和节理密集带是渗漏主要通道。1.5.3 下水库地质条件1.5.3.1 库区地质条件丰宁抽水蓄能电站利用正在修建的丰宁一级水电站水库作为下水库。I 期工程时下水库正常蓄水位 1050m, 与丰宁一级水电站正常蓄水位一致。 II 期工程时正常蓄水位为 1060m,

29、 大坝将加高 l0m 。库区河谷宽缓 , 呈 U 字形。以库区内原小电站为界，上游河段较窄 , 河谷宽度150250m, 下游河段河谷宽缓，一般约500m, 最大宽度约800m, 邻谷不发育, 无明显垭口。沿岸断续分布I级阶地。河谷两岸山体雄厚，山顶高程一般在1200m以上, 库岸自然坡度一般25500，局部发育陡壁。库区基岩主要为燕山期花岗岩 (5) 和华力西期花岗岩 (4) 。燕山期花岗岩分布在库区中部灰窑子村上游河道两岸及下游右岸，华力西期花岗岩分布于灰窑子村下游左岸。两期花岗岩无明显分界, 呈过渡渐变状, 过渡带宽度约50m。库区内覆盖层主要为上更新统 (alQ3) 壤土、洪积 (pl

30、Q3) 卵砾石层、全新统坡积 (dlQ4) 碎石土和冲积 (alQ4) 砂卵砾石层。库区内无区域性断层通过 , 未见较大断层发育。库区两岸山体雄厚 , 不存在低于河床的邻谷和低于正常蓄水位的垭口；花岗岩透水性差，未见大的构造破碎带等渗漏通道。库区两岸地下分水岭远高于1060m, 因此不存在永久性渗漏问题。库区两岸基岩大部分裸露 , 库岸坡度一般小于500。基岩中未见大的结构面并与河流走向呈小角度相交现象 , 亦未发现大规模结构面组合切割造成的不稳定岩体 , 不具备大型基岩滑坡的地质条件。坡积覆盖层零星分布，厚度较小，沿谷坡断续出露，蓄水后，经长期浸泡局部可能产生塌滑，但由于分布零散、规模较小，

31、对工程影响甚微。因此下水库库岸稳定条件较好。1.5.3.2 坝址区地质条件坝址区基岩主要为华力西期花岗岩。河床内砂卵砾石厚度一般12 24m。坝区断裂构造相对不发育。在左岸陡壁和右岸泄洪洞进口附近出露数条规模较小的断层。前期勘察中，曾就拦河坝、泄洪放空洞、溢洪道等部位的工程地质条件进行了分析评价，并对坝基渗漏和绕坝渗漏量进行了计算。丰宁一级水电站施工时，针对于可能存在的地质问题采取了相应的处理措施，在坝基砂卵砾石内和坝肩部位均进行了防渗处理。蓄能电站二期工程时，水库大坝将加高l0m。坝肩部位原1050m高程以下部分己经进行了帷幕灌浆，加高10m后，1050m1060m段可能存在新的绕坝渗漏问题

32、，应采取相应的防渗处理措施。1.5.4 厂道系统地质条件1.5.4.1 一般地质条件（1） 地形地貌厂道系统沿线山体总体呈斜坡状，东高西低，总体坡度13。最高点位于上水库分水岭，高程 1650m，最低点位于下水库岸边，高程1050m。地表沟谷发育 , 地貌完整性较差。（2） 地层岩性厂道系统地表第四系覆盖层分布范围较广 , 一般厚度小于 2m, 主要为残坡积碎石土, 局部沟底部位有少量洪积碎块石砂土。基岩为为张家口组凝灰岩和华力西期花岗岩。花岗岩形成较早，后期火山喷发形成的凝灰岩覆盖其上，两者的接触面受古地貌控制，空间分布形态极不规则。受热变质作用及后期风化作用影响，接触带部位形成宽约5m的灰

33、白色蚀变带，带内岩石多呈粉沫状，在地表形成多处垭口、沟谷等负地貌。物探测试显示，沿接触带有一宽约25m的低速带，波速2.4km/s, 两侧岩体波速3.l( 喷出岩 ) 35( 花岗岩) km/s。推测两种岩体为断裂破碎接触 , 破碎带宽度和破碎程度因地而异。（3） 地质构造水道系统通过两期构造岩体一一燕山期第一亚期形成的凝灰岩和华力西期( 隶属前燕山期 )形成的花岗岩，两种岩体在构造发育规律上有所不同。列出了厂道系统凝灰岩体和花岗岩体中发现的断层和节理密集带。（） 凝灰岩水道系统沿线凝灰岩中发育 F206 断层和 Jl0 、 Jll 、 Jl2 节理密集带：F206断层 , 产状45NW72，

34、长度(km)/ 宽度(m)： l.8/l0，由碎裂岩、片状、岩粉构成,矿物多己蚀变。受风化和蚀变影响,地表岩体呈粉沫状。地貌上形成对顶沟。J10节理，产状5NW80，长度(km)/ 宽度(m)：1.l/46，带内同向裂隙间距l530cm,岩石破碎,形成垭口沟谷等负地貌。J1l节理，产状352NE82，长度(km)/ 宽度(m)：0.4/l4，地表全部覆盖,地貌上形成对顶沟。Jl2节理，产状85NW85，长度(km)/ 宽度(m)：1.4/24，带内同向裂隙间距1540 cm,岩石破碎，形成垭口沟谷等负地貌。构面走向 , 凝灰岩中主要结构面发育程度依次为 MJE 向组、 NNW 向组、 NE 向

35、组和近 EW 向组： NNE 向组：多为中高倾角，裂隙发育频度一般56 条 / 米 , 张开宽度一般小于3mm, 裂面较平直，多呈张扭性。 NNW向组。走向集中在 NW33503550, 多为中高倾角，裂隙发育频度一般46 条/米，张开宽度一般小于5mm, 延伸性良好。断层和节理密集带多为 NNE 和 NNW 向组。 NE向组：走向集中在NE550650，多为中高倾角，裂隙发育频度一般 45 条/米，裂面不规则，多呈压扭性。近EW向组：多为中高倾角，裂隙发育频度一般 45 条 / 米 , 宽度小于 3mm。（）花岗岩水道系统沿线花岗岩中发育有断层 F101 、 F102 、 F103 和节理密

36、集带J9：J9节理，产状3400SW60，长度(km)/ 宽度(m)：0.7/46，带内同向裂隙间距530cm,岩石破碎，形成垭口沟谷等负地貌,两侧可见陡壁。F101断层，产状670SE40，长度(km)/ 宽度(m)： /1.5，断面起伏波状,断层带由碎裂岩和断层泥组成,矿物多己经蚀变,具明显的绿泥石化特征,影响带宽约12m。F102断层，产状2800NE57，长度(km)/ 宽度(m)： /153cm，断面较规则,断层带由碎裂岩、断层泥、组成，矿物多己经蚀变,具明显的绿泥石化特征。F103断层，产状70NW65，长度(km)/ 宽度(m)： /36cm，地表全部覆盖,在地貌上形成埋口、对顶

37、沟。花岗岩内结构面主要包括下面几组： NE650: 该组裂隙以倾向SE的中等倾角 (250550) 裂隙为主 , 发育频度最高,野外统计发育频率5条/米，张扭性,裂隙较平直,一级电站揭示的断层也以此组为主干断层。 NE450：该组裂隙以倾向SE的中等倾角(350550) 裂隙为,主发育频率34条/米，张扭性，面较平直； NE50：该组裂隙以中高倾角(450 700 )为主 , 倾向NW 或 SE 。发育度一般 34条/米 , 张扭性，面较平直； NW2750 ：该组构造以倾向NE的中等倾角裂隙为主。在水道系统附近较发育,且规模巨大 , 在地貌上形成多处斜坡。初步统计，该组结构面中延伸达百余米

38、数百米的，可距为50l00m；延伸小于100m的, 间距仅十余米 四十余米。1.5.4.2 水文地质条件（l） 地下水类型厂道系统沿线沟谷发育, 几个较大的冲沟平时无地表径流 , 仅在雨季有少量洪水。沿线地下水类型主要为基岩裂隙水，接受天然降水补给，以蒸发或补给河水方式排泄。地下水位较高。另外，在全强风化带内还存有少量包气带水。厂道系统沿线的几个较大的断层带 ( 如 F206 、 F1O1 、 F103) 以及花岗岩与凝灰岩接触带形成相对储水带和导水带，这些部位地下水储量丰富。在较大结构面之间发育的各组裂隙构成次一级的导水通道。这些规模不一的结构面相互交割 , 形成网状的地下水存储、 运移通道

39、。由于岩体中构造发育不均一 , 地下水分布也呈现不均一性 , 在较大构造带内部及附近地下水丰富 , 而在其他部位则相对较少。（2） 凝灰岩体透水性根据上库钻孔压水资料，凝灰岩属弱透水岩体，完整(较完整)岩体透水率一般为3Lu 。全强风化岩体(总厚度一般小于25m)多为中等透水，透水率相当于粉砂中砂，弱风化岩体透水率一般为35Lu, 属弱透水 ,微风化岩体透水率一般小于3Lu 。断层的透水性较为复杂，初步判断NNW向断层呈压扭性，相对透水率较小。节理密集带内裂隙发育，透水性强。不同类型的风化蚀变带透水性不同。 I 型（以风化为主）岩石以片状、碎块状为主, 透水率较大段的风化蚀变带透水率接近 14

40、Lu:H 型 ( 以蚀变为主)岩石大多己蚀变成粉沫状，颗粒细而密实，透水率较较小，一般小于 4Lu。（3）花岗岩体透水性完整(较完整) 花岗岩体为弱微透水，其透水性主要受风化程度和构造断裂控制。全强风化岩体( 总厚度一般小于10m) 多为中等透水 弱透水，弱风化岩体多属弱透水，微风化岩体以微透水为主。花岗岩中的断层大多经历多期构造，带内岩体破碎，具较强的透水性。 PD3 平洞中的断层 F101 在每次降雨后都渗水。1.5.4.3 物理地质条件(1) 风化厂道系统上段的凝灰岩全风化厚度一般不超过 3m, 强风化厚度一般 20m, 局部近30m, 弱风化厚度一般小于50m 。另外 , 岩体内部存在

41、风化蚀变带。根据钻孔及坑槽、测绘等揭示的情况，风化蚀变带在空间分布上无规律性，规模不一，厚度一般为几米到十几米。很可能在某些地段形成深层夹层风化或囊状风化。厂道系统下段的粗粒花岗岩垂直全强风化厚度一般小于10m, 弱风化厚度一般小于50m 。另外 , 在花岗岩体内存在不规则球状风化，某些部位的花岗受球状风化和垂直风化综合影响，全风化厚度可达十余米。(2) 卸荷下水库花岗岩和上水库凝灰岩均有卸荷现象 , 一般水平强卸荷深度约8m, 卸荷裂隙垂直切割深度小于10m。表1-1 水道系统围岩物理力学性质指标建议值岩性类型项 目岩 性IIIII、干容重/g/cm3花岗岩2.702.652560凝灰岩2.

42、652.72.552.602.42.50弹性模量/GPa花岗岩20251015051.O凝灰岩l5208.01205l.O变形模量/GPa花岗岩15l810l20.20.3凝灰岩10l35.O8.00.20.3泊松比花岗岩0.230.300.30.35凝灰岩0.230.300.30.35渗透系数/cm/s花岗岩0-510-6l0-3l0-4l0-310-2凝灰岩10-510-6l0-3l0-4l0-310-2单位弹性抗力系数/kN/cm357l30.2l坚固性系数67340.5l.O1.6 天然筑坝材料丰宁抽水蓄能电站所需天然建筑材料包括：坝体堆石料、混凝土骨料、 下水库加高用料和围堪防渗土料

43、。坝体堆石料料场位于上水库库区内 ,I号沟右岸，属II类场地。堆石料主要技术指标满足满足筑坝要求，储量远大于设计需用量的3倍，开采运输、条件方便。砂砾料场包括盘道沟和北台两个料场。两料场总共可提供砂砾料约490万m3, 满足设计需用量3倍 , 主要技术指标满足规范要求。土料料场包括东湾子和粱家营两个料场 , 每个料场的储量均大于设计用量的 3倍，均可作为临时围堪用料使用。1.7 电站运行方式随着地区用电结构的调整，京津唐电网的供电负荷在一周内的变化更加显著，工作日与休息日的负荷差越来越大，迫切需要建设具有周调节性能的调峰电源。1.7.1 调峰填谷丰宁抽水蓄能电站具有周调节能力，同时也可进行日调

44、节，可较好地解决电网的调峰问题。电站周内运行方式为：周一至周五以发电为主，日满负荷发电历时4.5h左右；周六至周日以抽水为主，满负荷抽水小时约为16h。结合电站的自身特性和电网需求，工作日期间电站在京津唐电网峰负荷位置运行，并利用负荷低谷剩余电量进行抽水。从而降低电网内大容量燃煤火电机组在一周内的变化幅度，有效改善燃煤火电机组的运行条件，提高京津唐电网的经济效益。1.7.2 抽水电源2001年4月6日，北京市国际电力开发投资公司与内蒙古电力有限责任公司签定了共同建设正兰旗电厂（规划装机2400MW）的投资意向书，一期工程装机容量1200MW，总投资48亿元人民币，京蒙双方各出资50%。该电厂距

45、丰宁抽水蓄能电站70km，距北京昌平区250km，建成后将由承德接入京津唐电网，向北京地区供电。丰宁抽水蓄能电站可通过建设一定的输变电设施就近接入正兰旗电厂的输电线路，在京津唐电网负荷低谷时，利用正兰旗电厂等作为抽水电源。1.7.3 旋转备用抽水蓄能电站可以作为电力系统的旋转备用容量（包括负荷备用和紧急事故备用等），由于抽水蓄能电站运行灵活，增减负荷速度快，投入运行后可视系统频率的变化情况跟踪负荷变化，尤其是当系统发生事故时，紧急启动或快速增加负荷，使系统的周波迅速恢复到允许的范围之内，提高电力系统供电质量。不仅如此，抽水蓄能电站还具有调相功能，在系统无功过剩时，抽水蓄能点可以吸收无功，使系统

46、电压在正常范围内变化，保证系统安全运行。1.8 抽水蓄能电站的综合利用丰宁抽水蓄能电站可进行周调节，还能进行日调节，建成后将主要配合十三陵等先期建设的抽水蓄能电站及其它调峰电源，共同解决京津唐电网调峰能力不足的问题，特别是通过周调节，解决电网在一周内的用电不均衡问题，以进一步改善电网供电质量。同时，电站还可承担系统调频、调相、负荷备用和紧急事故备用等任务。优化京津唐电网的电源结构，改善网内火电机组的运行条件，提高电网运行的经济性、安全性和稳定性。与地区内其他可能的调峰电源比较，丰宁抽水蓄能电站是京津唐电网最经济的调峰电源，其自身条件具有较强的市场竞争能力。电站上水库为抽水蓄能专用水库 , 无其

47、他综合利用要求。下水库除为丰宁抽水蓄能电站提供发电循环用水外，所蓄水量还须满足丰宁一级水电站的发电要求。1.9 给定的设计数据资料1.9.1 水能规划1校核洪水位 1504.0； 校核洪水最大下泄流量175m3/s；2设计洪水位 1503.0； 设计洪水最大下泄流量142m3/s；3设计蓄水位 1489.5m (1050.0m下库)；4设计低水位 1460.0m (1040.0m下库)；5装机容量 175万kw (6 台)，6机组机型 自选；1.9.2 挡水建筑物及泄水建筑物1挡水建筑物 堆石坝2泄水建筑物 泄洪洞1.9.3 引水建筑物侧式进/出水口，有压引水道，有压尾水道分两个相对独立的饮水

48、单元，各三台机组1.9.4 水电站建筑物地下式厂房1.9.5 其他输水系统考虑设上游调压室，不设尾水调压室1.9.6 设计任务1.水能利用 2.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。3水电站引水建筑物根据地形、地质条件选定引水隧洞的路线，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。 4水电站厂房 根据所选机型及水

49、位计算条件，确定厂房的轮廓尺寸，并绘出发电机层、水轮机层和蜗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、厂房和对外交通等）2 枢纽布置、挡水及泄水建筑物2.1 枢纽布置2.1.1 枢纽等级根据水利水电枢纽工程等级划分标准，此枢纽工程为一等工程。上水库挡水坝为1级永久性建筑物。2.1.2 枢纽布置型式2.1.2.1挡水与泄水建筑物布置上水库库区由三条规模较大的冲沟构成，为一优良天然大库盆。坝址选择两岸山体雄厚，坝轴线最短，工程量最省，筑坝条件最好。上水库枢纽工程包括： 钢筋混凝土面板堆石坝、放空隧洞、 进/出水口、环库公路。通过对混凝土重力坝和当地材料

50、坝两种坝型的比较，考虑到当地材料坝能充分利用当地材料，施工简便，造价低，工期短，对基础要求较低，最终选择了钢筋混凝土面板堆石坝方案。考虑上库大坝和进/出水口的安全检查和检修，需要短期放空水库，在坝右岸山体内，利用施工期导流隧洞后期改建成放空隧洞, 城门洞型，下游采用挑流消能。利用现己建成的丰宁水电站水库为下水库，下水库枢纽建筑物包括：拦河大坝、溢洪道、泄洪放空洞。改造后的下水库拦河大坝为混合坝型：即左岸钢筋混凝土面板堆石坝、右岸混凝土重力坝。下水库泄洪放空洞布置在右岸的山体内，采用城门洞无压隧洞型式，洞线全长约300m，下游采用挑流消能。通过对地质地形图的总体分析，上库挡水坝坝轴线选在高程最低

51、的灰窑子沟口处，根据堆石坝规范SL228-98的6.1.2条，开挖线选择开挖至弱风化层上部。泄洪洞布置在坝右岸上游约160m处，于坝左岸上游约150m处的天然凹口处布置侧式进出水口。2.1.2.2 开发方式的确定及主厂房位置的选择丰宁抽水蓄能电站的水头较高，属于中水头抽水蓄能电站，相应的机组吸出高度很小，机组安装高程很低，同时，从地形条件来看，靠近下水库的地形较高，上下库之间不存在适合于置地面式或半地下式厂房的地形条件，因此，采用地下式厂房是必然的选择。另外，抽水蓄能电站的开发方式包括首部开发、中部开发和尾部开发。从丰宁抽水蓄能电站的地质地形条件来分析，上水库边界很不规则，不宜采用首部开发常用

52、的井式进水口+竖井的布置型式，同时上库附近地形明显较高且存在不易避开的地质薄弱带，若布置首部式厂房其埋深很大，而上下库之间中部和靠近下库明显降低。综上考虑，F 抽水蓄能电站采用中部式开发和尾部式开发比较合理。下面就两个存在明显差别的厂房布置方案进行比较，方案一为厂房中部布置方案，尾水道较长；方案二为厂房介于中部布置方案和尾部布置方案之间，尾水道相对较短。方案一： 厂房布置在引水系统的中间位置，为了保证厂房洞室群的围岩稳定性，厂房位置避开上下游侧两个地质薄弱带。该方案的优点是：厂房位置地质条件良好，适于主厂房和副厂房洞室的布置；厂房位置地形上有一较大的降低，可以减小厂房的埋深，同时减少与地面交通

53、的工程量；厂房上游侧压力管道的长度可以缩短，有利于压力管道的布置和降低水锤压力；等等。主要缺点是厂房下游侧尾水道较长，需要设置尾水调压室，不仅增加相应的工程量，而且对厂房洞室群的稳定和防渗等不利，需要采取专门的工程措施。方案二：在方案一的基础上，厂房向下游侧移动，以缩短尾水道的长度，从而取消尾水调压室。在确定厂房的具体位置时，也避开可能的地质薄弱带。该方案由于厂房位置靠近地形更低的下游，因此厂房的埋深以及与地面交通的工程量进一步减小，取消尾水调压室以后，有利于厂房洞室群的稳定性，但是厂房上游侧压力管道加长，对水锤压力不利。综合两个方案的比较可知，从厂房的布置而言，方案二优于方案一，若从整个系统

54、的水锤压力而言，方案一较优。本次设计考虑厂房洞室群的稳定问题和减小地面交通的工程量，选用尾部式开发。地下厂房的机组中心线距上水库沿轴线方向的水平距离大致为2900m左右，经计算，上水库需要设置调压室，下水库不需要设置调压室，上库调压室距上水库约1050m。地下厂房洞室群包括主副厂房洞，主变洞，开关室，出线洞，尾水闸门洞，排风及交通洞。其布置原则遵循洞室布置的一般要求：洞顶的最小埋藏深度可取洞室开挖深度的1.53倍，洞室最小允许间距不小于相邻洞室中大者开挖宽度的11.5倍，洞室相交尽量保持正交等，同时也满足各洞室间的特殊要求。主变洞靠近主厂房，每个尾水管设一尾水闸门井，地下副厂房在机组端部，与装

55、配厂不相邻。装配厂选择布置在主厂房中间，有利于主厂房洞室边墙的稳定。输水系统包括上下库进/出水口，引水隧洞，调压室，压力管道，岔管，尾水管，尾水岔管，尾水隧洞。由于引水道水平进入水库，上下库进出水口均采用侧式进水口。由水电站压力钢管设计规范SL281-20033.1.8规定，管道转弯半径不宜小于3倍管径，故取转弯半径为50m。压力管道在距厂房上游约100m处分岔。2. 2 挡水建筑物的设计2. 2. 1 防浪墙顶高程的确定根据碾压式土石坝设计规范SL274-20015.3.4“当坝顶上游侧有防浪墙时，坝顶超高可改为对防浪墙顶的要求”，故超高计算采用土石坝超高计算公式，即 （2-1）式中，Y坝顶

56、在水库静水位以上的超高，m；R最大波浪在坝坡上的爬高，m； e最大风浪雍高，m； A安全加高，m，根据坝的等级及运用情况由表2-1确定；表2-1 土坝坝顶安全超高值（m）运用情况坝的级别1234，5正常1.51.00.70.5非常0.70.50.40.3R和e值可参见SL2742001碾压式土石坝设计规范附录A。即：（2-2）m 单坡的坡度系数，该式适用于m =1.55.0的情况；、斜坡的糙率渗透性系数和经验系数，见下表；、平均波高和平均波长。平均波浪爬高。由不规则波法查得不同频率下的爬高与平均爬高的比值关系（见碾压式土石坝设计规范SL274-2001），即可以由求得R，此处取最大波浪爬高为百

57、年一遇。即R=R1%。表2-2糙率及渗透系数护面类型光滑不透水护面（沥青混凝土）1.00混凝土或混凝土板0.90草皮0.850.90砌石0.750.80抛填两层块石（不透水基础）0.600.65抛填两层块石（透水基础）0.500.55 经 验 系 数11.522.533.5451.001.021.081.161.221.251.281.30注：表中W和H分别为计算风速和坝前水深 (m) （2-3）式中,W水面上10m处的风速，m/s，正常运用条件下的1级、2级坝采用多年平均风速的1.52倍，正常运用条件下的3级、4级、5级坝采用多年平均最大风速的1.5倍，非常运用条件下的各级土石坝采用多年平均

58、最大风速； D 库面吹程，km；H坝前水深，m。波浪要素采用莆田公式计算： （2-4） （2-5）式中 平均波高，m；平均波周期，s；平均波长按照下式计算： （2-6）对于深水波，即当时，上式可以简化为 （2-7）最大风浪雍高e由下式计算： (m) (2-8)式中,W水面上10m处的风速，m/s，正常运用条件下的1级、2级坝采用多年平均风速的1.52倍，正常运用条件下的3级、4级、5级坝采用多年平均最大风速的1.5倍，非常运用条件下的各级土石坝采用多年平均最大风速； D 库面吹程，km；H坝前水深，m。坝顶高程的计算，应该同时考虑以下四种情况，设计洪水位加正常运用情况的坝顶安全超高；校核洪水位

59、加非常运用情况的坝顶安全超高；正常蓄水位加正常运用情况的坝顶安全超高；正常蓄水位加非常运用情况的坝顶安全超高再加地震区安全超高。最后取其中最大值作为坝顶高程。工况为1508.8m，工况为1507.2m，工况为1495.2m，工况为1493.6m。故取防浪墙顶高程为1508.8m。2.2.2 坝顶宽度坝顶宽度主要取决于交通、运行、施工、构造、抗震、防汛等要求，当无特殊要求时，高坝坝顶宽度最小取为1015m。该坝选为10m。2.2.3 坝坡钢筋混凝土面板堆石坝其上有坝坡一般为1：1.41：1.5，该坝取为1.5，下游坝坡一般为1：1.31：1.4，取为1.4。土石坝的下游边坡，一般可沿高程每隔10

60、30m设置宽度不小于1.52.0m的马道，用于观测、检修以及交通之用，并且可沿马道设置排水沟汇集坝面雨水以防冲刷，本坝分别在1420、1450、1480米高程设置2m宽的马道。2.2.4 面板混凝土面板是坝体防渗的主体结构，它应满足下列要求：必具有低的渗透系数，以满足挡水防渗的要求；有足够的抗风化、抗冰冻能力，以满足耐久性要求，在高寒地区抗冻性应成为面板混凝土设计主要控制指标之一；有足够的柔性，以适应坝体的变形；有足够的强度和抗裂能力，能承受一定的局部不均匀变形。 2.2.4.1 面板厚度由水工建筑物教材可知，从所承受的水压力强度分布规律考虑，面板厚度从坝顶向下需渐增。不同高程处面板的厚度t与该高程处的作用水头H的关系为： (2-9)式中， t面板厚度，m； 坝顶处面板厚度，一般取为0.3m； 系数，因振动碾碾压的面板堆石坝具有高度的密实度和高变形模量，一般取值为0.0010.0037，此处取为0.002； H计算断面至面板底部的垂直距离，m；经计算得底部面板厚度为0.4695m。考虑到造价和施工方便等因素的影响，采用0.5m上下同厚的面板。2.2.4.2面板分缝： 为使面板易于伸缩以适应堆石体变形并减少结构拉力和温度应力，将面板分成若干条状，相邻条块间内设止水，即