壩后式水電站設(shè)計(jì)及發(fā)電機(jī)機(jī)座結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算的設(shè)計(jì)計(jì)算書

-1- 目錄目錄 1 重力壩非溢流壩段重力壩非溢流壩段4 1.1 剖面設(shè)計(jì)剖面設(shè)計(jì)4 1.1.1 壩高的確定4 1.1.2 壩底寬的確定4 1.1.3 實(shí)用剖面5 1.2 荷載計(jì)算荷載計(jì)算6 1.2.1 設(shè)計(jì)洪水位下荷載6 1.2.2 校核洪水位下荷載7 1.3 穩(wěn)定驗(yàn)算穩(wěn)定驗(yàn)算9 1.3.1 設(shè)計(jì)洪水位下9 1.3.2 校核洪水位下9 1.4 應(yīng)力驗(yàn)算應(yīng)力驗(yàn)算 10 1.4.1 設(shè)計(jì)洪水位下10 1.4.2 校核洪水位下10 1.5 壩內(nèi)廊道及壩基處理壩內(nèi)廊道及壩基處理11 1.5.1 壩內(nèi)廊道11 1.5.2 壩基處理11 1.5.3 壩體分縫12 2 重力壩溢流壩段重力壩溢流壩段 13 2.1 剖面設(shè)計(jì)剖面設(shè)計(jì) 13 2.1.1 堰頂高程的確定13 2.1.2 堰面曲線14 2.1.3 下游反弧段15 2.2 荷載計(jì)算荷載計(jì)算 17 2.2.1 設(shè)計(jì)洪水位下荷載17 2.2.2 校核洪水位下荷載18 2.3 穩(wěn)定驗(yàn)算穩(wěn)定驗(yàn)算 19 2.3.1 設(shè)計(jì)洪水位下19 2.3.2 校核洪水位下19 2.4 應(yīng)力校核應(yīng)力校核 20 2.4.1 設(shè)計(jì)洪水誒下20 2.4.2 校核洪水位下20 -2- 2.5 溢流壩消能抗沖刷措施溢流壩消能抗沖刷措施21 2.5.1 挑距21 2.5.2 沖坑21 2.5.3 導(dǎo)墻高度21 3 機(jī)電設(shè)備及輔助設(shè)備選擇機(jī)電設(shè)備及輔助設(shè)備選擇22 3.1 特征水頭的計(jì)算特征水頭的計(jì)算22 3.1.1 校核洪水位下22 3.1.2 設(shè)計(jì)洪水位下22 3.1.3 正常蓄水位+一臺(tái)機(jī)組滿發(fā) 22 3.1.4 正常蓄水位+四臺(tái)機(jī)組滿發(fā) 22 3.1.5 設(shè)計(jì)低水位+一臺(tái)機(jī)組滿發(fā) 23 3.1.6 設(shè)計(jì)低水位+四臺(tái)機(jī)組滿發(fā) 23 3.2 水輪機(jī)選型比較水輪機(jī)選型比較24 3.2.1 轉(zhuǎn)輪直徑 D124 3.2.2 轉(zhuǎn)速 n（最優(yōu)工況）24 3.2.3 效率修正24 3.2.4 工作范圍檢驗(yàn)25 3.2.5 吸出高度 Hs26 3.3 發(fā)電機(jī)選型及主要尺寸計(jì)算發(fā)電機(jī)選型及主要尺寸計(jì)算 26 3.3.1 主要尺寸估算26 3.3.2 平面尺寸估算27 3.3.3 軸向尺寸27 3.4 蝸殼及尾水管計(jì)算蝸殼及尾水管計(jì)算 28 3.4.1 金屬蝸殼尺寸28 3.4.2 尾水管尺寸29 3.53.5 調(diào)速器與油壓裝置的選擇調(diào)速器與油壓裝置的選擇 29 3.5.1 調(diào)速器29 3.5.2 油壓裝置30 3.6 廠房橋吊設(shè)備的選擇廠房橋吊設(shè)備的選擇31 4 水電站廠房結(jié)構(gòu)計(jì)算水電站廠房結(jié)構(gòu)計(jì)算32 4.1 主廠房的特征高程主廠房的特征高程32 4.1.1 水輪機(jī)安裝高程32 4.1.2 尾水管底板高程32 4.1.3 水輪機(jī)層地面高程32 4.1.4 定子安裝高程32 4.1.5 發(fā)電機(jī)層地面高程（定子埋入式） 32 4.1.6 裝配場(chǎng)地面高程32 -3- 4.1.7 吊車軌頂?shù)母叱?2 4.1.8 廠房頂部高程33 4.2 水電站主廠房長(zhǎng)寬尺寸的確定水電站主廠房長(zhǎng)寬尺寸的確定33 4.2.1 主廠房寬度的確定33 4.2.2 主廠房長(zhǎng)度的確定33 4.3 主廠房各層的布置主廠房各層的布置 35 4.3.1 發(fā)電機(jī)層35 4.3.2 水輪機(jī)層35 4.3.3 蝸殼層36 4.4 水電站副廠房各層高程及平面布置水電站副廠房各層高程及平面布置 36 5 水電站引水建筑物水電站引水建筑物37 5.1 進(jìn)水口高程進(jìn)水口高程37 5.2 壓力鋼管的布置壓力鋼管的布置37 5.3 壓力鋼管的厚度壓力鋼管的厚度37 5.4 攔污柵及進(jìn)水口閘門的設(shè)計(jì)攔污柵及進(jìn)水口閘門的設(shè)計(jì) 38 5.5 通氣孔的面積確定通氣孔的面積確定 39 6 專題專題發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)（含安裝場(chǎng)）層板，梁布置及結(jié)構(gòu)計(jì)算（含安裝場(chǎng)）層板，梁布置及結(jié)構(gòu)計(jì)算 40 6.1 樓板設(shè)計(jì)樓板設(shè)計(jì) 40 6.1.1 第一部分41 6.1.2 第二部分42 6.1.3 第三部分44 6.1.6 總結(jié)46 6.2 次梁設(shè)計(jì)次梁設(shè)計(jì) 46 6.2.1 C1梁46 6.2.2 C2梁50 6.2.3 總結(jié)57 6.3 主梁計(jì)主梁計(jì)算算.57 6.3.1 主梁 Z4.57 6.3.2 總結(jié)63 6.4 安裝間安裝間63 -4- 1 重力壩非溢流壩段重力壩非溢流壩段 1.1 剖面設(shè)計(jì) 1.1.1 壩高的確定 1.1.1.1 設(shè)計(jì)洪水位下 計(jì)算風(fēng)速 Vf=(1.52)*1.15=1.7252.3 取 2m/s Hm=291.0-200=91.0m 吹程 D=1.4km hl=0.166vf5/4D1/3=0.045m mDVLm2 . 5*0062 75. 3 1 0 ho=cth=0.486m m l hl 2 4 m L Hl hc=0.7m 壩高為 291+0.045+0.486+0.7=292.23m 1.1.1.2 校核洪水位下 計(jì)算風(fēng)速 Vf=1.15m/s Hm=292-200=92m 吹程 D=1.4km hl=0.166vf5/4D1/3=0.022m ho=cth=0.203m Ll hl 2 4 2 Ll Hl hc=0.5m 壩高為 292+0.022+0.203+0.5=292.73m 1.1.1.3 壩高 壩高取較大者 292.73m。 1.1.2 壩底寬的確定 基本剖面是以校核洪水位為高，再確定一個(gè)滿足應(yīng)力和穩(wěn)定條件的最小壩底 寬。 穩(wěn)定條件 -5- m H B f c 99.63 25 . 0 35 . 2 73.92 72 . 0 25 . 0 0 應(yīng)力條件 mB m f kH B c 55.69 54.66 )2 . 039 . 2 (7 . 0 73.921 . 1 )( 1 0 m=0.75 圖 1-1 非溢流壩基本剖面 1.1.3 實(shí)用剖面 壩頂需要有一定的寬度，以滿足設(shè)備布置、運(yùn)行、交通及施工的需要，非溢 流壩的壩頂寬度一般可取壩高的 810 %，并不小于 2m，如作交通要道或有移 動(dòng)式啟閉機(jī)設(shè)施時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要確定，當(dāng)有較大的冰壓力或漂浮物撞擊力 時(shí)，壩頂最小寬度還應(yīng)滿足強(qiáng)度的要求。根據(jù)壩頂雙線公路交通要求，壩頂 B 取為 9m。 -6- 壩頂高程 292.73m，壩底高程 200.00m，折坡點(diǎn)高程 230.91m，上游壩坡坡 度 1：0.15，下游壩坡坡度 1：0.75，壩頂寬 9.00m，壩底寬 74.19m，上游側(cè) 4.64m，下游側(cè) 69.55m。 圖 1-2 重力壩非溢流壩實(shí)用剖面 1.2 荷載計(jì)算 1.2.1 設(shè)計(jì)洪水位下荷載 1.自重 G11/24.6430.9123.51685.21 G292.73923.519612.40 G31/260.5580.7323.557436.37 2. 靜水壓力 上游：Px1/29.8191240618.31 Py1/29.814.64（91+60.09）3438.69 MxPx1/3911232088.74 MyPy（74.19/2e）120096.25 -7- e（61.822+92.73）/（61.82+92.73）4.64/32.17 下游：Px/1/29.81142961.38 Py/1/29.811410.5721.84 Mx/ Px/1/3144486.44 My/ Py/（74.19/21/310.5）24250.21 3. 揚(yáng)壓力 U174.1149.8110189.25 U25.640.25919.811258.72 U30.55.64（91-14-0.25*91）9.811500.78 U40.50.2591（74.19-5.64）9.817649.41 4. 浪壓力過小，忽略不計(jì)。 表 1-1 設(shè)計(jì)洪水位下荷載 名稱荷載（KN）方向力臂彎矩 （kNm） 方向 1685.21 34.0057297.14 19612.40 27.96548362.70 自重 57436.37 3.27187816.93 40618.31 30.331232088.74 上游 3517.43 34.93120096.25 961.38 4.674486.44 靜 水 壓 力 下游 721.84 33.6024250.21 10189.25 00 1258.72 34.2843148.92 1500.78 35.2252857.47 揚(yáng)壓力 7649.41 8.6165861.42 1.2.2 校核洪水位下荷載 -8- 1. 自重 G11685.21 G219612.40 G357436.37 2. 靜水壓力 上游：Px1/29.8192241515.92 Py1/29.814.64（92+61.09）3484.21 MxPx1/3921273154.88 MyPy（74.19/2e）121720.88 e（61.092+92）/（61.09+92）4.64/32.16m 下游：Px/1/29.8115.5421184.52 Py/1/29.8115.5411.66888.77 Mx/ Px/1/315.546135.81 My/ Py/（74.19/21/311.66）29514.57 3. 揚(yáng)壓力 U174.1915.549.8111310.07 U25.640.25929.811272.55 U30.55.64（92-15.54-0.2592）9.811481.55 U40.50.2592（74.19-5.64）9.817733.47 4. 浪壓力過小，忽略不計(jì)。 表 1-2 校核洪水位下荷載 名稱荷載（KN）方向力臂彎矩 （kNm） 方向 1685.21 34.0057297.14 19612.40 27.96548362.70 自重 57436.37 3.27187816.93 -9- 41515.92 30.331273154.88 上游 3484.21 34.93121720.88 1184.526 4.676135.81 靜 水 壓 力 下游 888.77 33.6029514.57 11310.07 00 1272.55 34.2843623.01 1481.55 35.2252180.19 揚(yáng)壓力 7733.47 8.6166585.18 1.3 穩(wěn)定驗(yàn)算 穩(wěn)定分析的主要目的是驗(yàn)算重力壩在各種可能荷載組合下的穩(wěn)定安全 度。工程實(shí)踐和試驗(yàn)研究表明，巖基上的重力壩失穩(wěn)破壞可能有兩種情況： 一種是壩體沿抗剪能力不足的薄弱層面產(chǎn)生滑動(dòng)，另一種是在荷載作用下， 上游壩踵以下巖體受拉產(chǎn)生傾斜裂縫以及下游壩趾巖體受壓發(fā)生壓碎區(qū)而 引起傾倒滑移破壞。 為保證重力壩的安全可靠性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)中，要明確規(guī)定出安 全儲(chǔ)備要求。其表達(dá)形式有定值安全系數(shù)法和分項(xiàng)系數(shù)極限狀態(tài)法。下面 就采取這兩種方法驗(yàn)算穩(wěn)定，定值系數(shù)法采用抗剪強(qiáng)度公式和抗剪斷公式。 1.3.1 設(shè)計(jì)洪水位下 1.3.1.1 抗剪斷公式 -10- 0 . 313 . 4 93.39656 741902 . 109.623752 . 1 )( p AcUWf K 1.3.1.2 抗剪穩(wěn)定公式 1 . 1101 . 1 93.39656 09.623757 . 0 )( p UWf K 1.3.1.3 極限狀態(tài)法 2.10.32.1 )(0.1 2.10.1 0 dmR R f C 持久狀況 09.136565 R 93.39656S 93.39656)( 11.163878)( 0 d RRRR S ACWfR 1.3.2 校核洪水位下 2.3.1.1 抗剪斷公式 0 . 303 . 4 4 . 40331 741902 . 132.613092 . 1 )( p AcUWf K 2.3.1.2 抗剪穩(wěn)定公式 1 . 116 . 1 4 . 40331 32.613097 . 0 )( p UWf K 2.3.1.3 極限狀態(tài)法 2.10.32.1 )(0.1 2.10.1 0 dmR R f C 持久狀況 滿足要求 ）（ ）（75.89067 R 14.339030S 14.39030)( 3 . 106881)( 0 d RRRR S ACWfR -11- 1.4 應(yīng)力驗(yàn)算 采用分項(xiàng)系數(shù)極限狀態(tài)法進(jìn)行壩體強(qiáng)度驗(yàn)算 1.4.1 設(shè)計(jì)洪水位下 1.4.1.1 壩趾抗壓強(qiáng)度承載能力極限狀態(tài) 作用效應(yīng)函數(shù)=1495.63kPa 2 0 1m J TM A W S R RR R R 極限狀態(tài)抗力函數(shù) kPafR c 10000 滿足要求 RS 1.4.1.2 壩踵抗拉強(qiáng)度驗(yàn)算 滿足要求 004.638 R RR R R J TM A W 1.4.2 校核洪水位下 1.4.2.1 壩趾抗壓強(qiáng)度承載能力極限狀態(tài) 作用效應(yīng)函數(shù)=1858.43kPa 2 0 1m J TM A W S R RR R R 極限狀態(tài)抗力函數(shù) kPafR c 10000 滿足要求 RS 1.4.2.2 壩踵抗拉強(qiáng)度驗(yàn)算 滿足要求 004.638 R RR R R J TM A W 1.5 壩內(nèi)廊道及壩基處理 1.5.1 壩內(nèi)廊道 -12- 灌漿廊道距壩底 5m，距上游壩面 4m，廊道寬 3m，高 3.5m。由于下 游尾水位較高，產(chǎn)生較大的揚(yáng)壓力，為增加壩的安全穩(wěn)定，在壩基面上設(shè) 兩個(gè)基礎(chǔ)排水廊道以減小揚(yáng)壓力。兩廊道距上游壩面距離分別為 19m，49m 沿灌漿廊道向上，間隔 30m 布置一層廊道，共分 3 層，每層縱向廊道 布置向下游延伸的橫向廊道，并在下游再布置一條縱向貫穿廊道作為連接。 非溢流壩段除底層廊道橫向不貫穿至下游外，其余橫向廊道均貫穿，非溢 流壩段橫向廊道連接兩排縱向廊道。 廊道尺寸寬 2.1m，高 2.4m，由于上游壩面傾斜，故廊道上下并非垂直 布置，而是向下游傾斜，這使得排水管亦傾斜布置，但角度不大，在允許 的范圍內(nèi)。 1.5.2 壩基處理 重力壩承受較大的荷載，對(duì)地基要求較高。然而天然基巖經(jīng)受長(zhǎng)期地 質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及外界因素的作用，多少存在著風(fēng)化，節(jié)理，裂隙，破碎帶等缺 陷，因此，必須對(duì)地基進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚怼?地基處理一般包括壩基開挖清理，對(duì)基巖進(jìn)行固結(jié)灌漿和防滲帷幕灌漿， 設(shè)置基礎(chǔ)排水系統(tǒng)，對(duì)特殊軟弱帶如斷層，破碎帶和溶洞等進(jìn)行專門的處理。 緊水灘峽谷而岸風(fēng)化層零星分布，一般厚 0.52 米，所以壩基開挖比較 容易 帷幕灌漿作用是降低壩基的滲透壓力，減少滲透流量，防止壩基內(nèi)產(chǎn)生 機(jī)械或化學(xué)管涌。帷幕灌漿是在靠近上游壩基布設(shè)一排或幾排鉆孔，利用高 壓灌漿填塞基巖內(nèi)的裂隙和孔隙等滲水通道。防滲帷幕的深度因根據(jù)基巖的 透水性，壩體承受水頭和降低壩體滲透壓力的要求確定。 此外在基巖表面設(shè)置排水廊道。 1.5.3 壩體分縫 橫縫將壩體沿壩軸線方向分成若干壩段，其縫面常為平面，不設(shè)鍵槽， 不進(jìn)行灌漿，使各壩段獨(dú)立工作。縫的寬度器取 1cm，橫縫間距為 20m， 橫縫止水用兩道金屬止水片（紫銅片或不銹鋼片）和一道防滲瀝青井。 縱縫是為了適應(yīng)混凝土的澆筑能力和減小施工期溫度應(yīng)力而設(shè)置的臨 時(shí)縫。 本設(shè)計(jì)采用兩條垂直縱縫，詳細(xì)見圖紙。 為了加強(qiáng)壩體的整體性，縫面一般設(shè)置鍵槽，槽的短邊和長(zhǎng)邊大致與 第一及第二主應(yīng)力相交，使槽面基本承受正壓力。且鍵與槽互相咬合，可 提高縱縫的抗剪強(qiáng)度。 -13- 2 重力壩溢流壩段重力壩溢流壩段 2.1 剖面設(shè)計(jì) 2.1.1 堰頂高程的確定 2.1.1.1 設(shè)計(jì)洪水位下 7000-0.9 232.71=6790.56m3/s 0 QQQ s 當(dāng)河谷狹窄、巖石堅(jiān)硬、且下游水深較大時(shí)，應(yīng)選擇較大的單寬流量，本 工程所處河谷狹窄、壩址兩岸地形對(duì)稱，巖性均一，較新鮮完整，風(fēng)化淺，構(gòu) 通過溢流壩頂?shù)南滦沽髁繛椋?smQs 3 7000 sm H N Q 3 0 71.232 915 . 8 180000 5 . 8 -14- 造不甚發(fā)育，水文地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單，故屬工程地質(zhì)條件較好的壩址。單寬流量 取為 100。 3 /ms m LQ/q 67.91m 機(jī)組段的間距為 14.26m，機(jī)組進(jìn)水口設(shè)置在閘墩里，故有機(jī)組段的孔口 寬需考慮機(jī)組段長(zhǎng)，有機(jī)組段閘墩寬 7m，則孔口大小為 14.26-7=7.26m，取 L7.263+164=85.78m 溢流壩總寬度： L0 85.78+47+23119.78m 計(jì)算堰上水頭： 2 3 0 2 HgmLQ 求得 H=11.61m 流速水頭： 則堰上水頭 H=11.61-0.004=11.61m 堰頂高程=291-11.61=279.39m 2.1.1.2 校核洪水位下 8500-0.9 230.18=8292.84m3/s 0 QQQ s 壩址巖基狀況良好，故取設(shè)計(jì)狀況下的單寬流量 q100 m2/s LQ/q82.93m 機(jī)組段的間距為 14.26m，機(jī)組進(jìn)水口設(shè)置在閘墩里，故有機(jī)組段的孔口 寬需考慮機(jī)組段長(zhǎng)，有機(jī)組段閘墩寬 7m，則孔口大小為 14.5-7=7.5m，取 L7.53+16485.78m 溢流壩總寬度： 10 2) 1(ddnnbL L0 85.78+47+23119.78m 計(jì)算堰上水頭： 2 3 0 2 HgmLQ 通過溢流壩頂?shù)南滦沽髁繛椋?smQs 3 8500 sm H N Q 3 0 18.230 925 . 8 180000 5 . 8 m gA Q g V 004 . 0 )26391(81 . 9 2 7000 22 2 2 2 22 0 -15- 求得 H=13.264m 流速水頭： 則堰上水頭 H=13.264-0.006=13.26m 堰頂高程=292-13.26=278.74m 2.1.1.3 堰頂高程及閘門尺寸 綜上堰頂高程為 279.39m 閘門高度=正常蓄水位-堰頂高程+安全超高=285.0-279.39+1.5=7.11m 取 7.2m。 選擇平面閘門，根據(jù)孔口大小，閘門有兩種尺寸，取為 12.5m8.1m 12.5m16.6m。 工作閘門一般布置在溢流堰頂點(diǎn)，以減少閘門高度。為了避免閘門局部 開啟時(shí)水舌脫離壩面而產(chǎn)生真空，將閘門布置在堰頂偏下游一些，以壓低水 舌使其貼壩面下泄。檢修閘門位于工作閘門之前，為便于檢修，兩者之間留 有 13m 的凈寬，本設(shè)計(jì)取凈寬 1.5m。 2.1.2 堰面曲線 溢流面曲線采用的為 WES 曲線，其曲線方程為： yKHX n d n1 即： 85. 1 25.18 1 xy 最大運(yùn)行水頭 max H =292-279.39=12.61m max H校核洪水位堰頂高程 定型設(shè)計(jì)水頭，為使實(shí)際運(yùn)行時(shí) m 較大而負(fù)壓絕對(duì)值較小，對(duì)于 WES d H 剖面設(shè)計(jì)，常取=（0.750.95），取=11.35m d H max H d H 堰頂與上游采用三圓弧連接，參數(shù)如下表所示 表 2-1 三圓弧參數(shù) R1=0.5Hd=5.68R2=0.2Hd=2.27R3=0.04Hd=0.45 B1=0.175Hd=1.99B2=0.27Hd=3.06B3=0.281Hd=3.19 m gA Q g V 006 . 0 )26392(81 . 9 2 8500 22 2 2 2 22 0 -16- 堰面形態(tài)如下圖所示： 圖 2-1 堰面形態(tài) 2.1.3 下游反弧段 由于采用廠房頂溢流式，反弧段的高程應(yīng)結(jié)合廠房的頂高程，根據(jù)廠 房部分的計(jì)算，反弧段的底高程為 230.0m。 2 0 2 2 00 2 c c hg q hT m hg q hT co co 836.91036.08.91 2 2 2 2 0 試算 hc0： 假定：hc0=3 34.153 13.1353 2 0 co co h hT 假定：hc0=4 57.88 13.1353 2 0 co co h hT 假定：hc0=3.8 51.97 13.1353 2 0 co co h hT -17- 假定：hc0=3.9 86.92 13.1353 2 0 co co h hT 假定：hc0=3.92 98.91 13.1353 2 0 co co h hT 假定：hc0=3.922 89.91 13.1353 2 0 co co h hT 假定：hc0=3.923 846.91 13.1353 2 0 co co h hT 假定：hc0=3.924 802.91 13.1353 2 0 co co h hT 假定：hc0=3.923 846.91 13.1353 2 0 co co h hT 試算得：hc0=2.011 反孤段半徑，取 mhR c 11.20066.12106 0 mR15 鼻坎挑角，取 3520 30 坎頂高程。 mH o 232)30cos1 (15230 -18- 圖 2-2 溢流壩剖面圖 2.2 荷載計(jì)算 2.2.1 設(shè)計(jì)洪水位下荷載 1.自重（用 CAD 計(jì)算出溢流壩剖面的面積 4508.1636） G14508.163623.5105941.8