初步设计阶段河床式水电站设计报告范本5工程布置及建筑物.docx
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初步设计阶段河床式水电站设计报告范本5工程布置及建筑物
FCB00205FCB
初步设计阶段
河床式水电站设计报告范本
——5工程布置及建筑物——
[中小型]
□范本主要编写条件界定:
南方平原地区、岩基、混凝土重力坝、左岸河床式电站厂房、贯流式灯泡水轮发电机组、河床中央表孔式溢流坝（泄洪闸）、右岸船闸、左岸开关站
水利水电勘测设计标准化信息网
1999年6月
5工程布置及建筑物3
5.1设计依据3
5.2坝轴线选择及工程总体布置5
5.3挡水建筑物8
5.4泄水建筑物11
5.5发电厂房及开关站14
5.6通航建筑物15
5.7观测19
5.8永久性房屋建筑20
5工程布置及建筑物
5.1设计依据
5.1.1工程等级及建筑物级别
水电站是经批准的《流域规划报告》确定的近期开发工程。
经可行性论证和主管部门对可行性研究报告的审批意见,该工程的开发任务是以发电为主,兼有通航等综合效益的枢纽工程。
工程坝址控制流域面积km2,水库正常蓄水位m时相应库容亿m3,校核洪水位m时相应库容亿m3。
电站总装机容量MW,船闸年货运量万t。
根据《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准（SDJ12-78）》（山区、丘陵区部分）及《补充规定》【/《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准（SDJ217-87）》（试行）（平原、滨海部分）】和可行性研究审批意见,本工程属等工程,主要建筑物大坝、厂房、船闸按级建筑物设计,临库挡水建筑物按年一遇洪水设计，年一遇洪水校核；厂房下游按年一遇洪水设计,年一遇洪水校核；船闸下闸首及闸室按年一遇洪水设计,年一遇洪水校核。
5.1.2设计基本资料
5.1.2.1水位、流量资料
（1）水库特征水位
正常蓄水位:
m;
设计洪水位:
m;
校核洪水位:
m;
死水位:
m;
上游最高通航水位:
m。
（2）坝址水位流量关系
坝址水位流量关系见表5.1-1。
表5.1-1坝址水位流量关系表
水位,m
流量,m3/s
（3）调洪成果
调洪成果见表5.1-2。
表5.1-2调洪成果表
项目
频率,%
0.1
0.2
0.5
1
2
3.33
5
10
50
洪峰流量,m3/s
下泄流量,m3/s
水库水位,m
坝下游水位,m
（4）下游水位
一台机满负荷时水位：
m（Q=m3/s）；
台机满负荷时水位：
m（Q=m3/s）；
保证出力时水位：
m（Q=m3/s）；
下游最低发电水位：
m（Q=m3/s）；
下游最低通航水位：
m（Q=m3/s）。
5.1.2.2地质资料
（1）地震烈度
本地区地震基本烈度为度,设计烈度为度。
（2）基岩物理力学指标
基岩物理力学指标见表5.1-3。
表5.1-3基岩物理力学指标表
岩石类别
容重kg/m3
抗剪断强度
抗剪强度
饱和
抗压强度MPa
弹模GPa
混凝土/岩石
岩石/岩石
混凝土/岩石
岩石/岩石
f′
c′,MPa
f′
c′,MPa
f
c,MPa
f
c,MPa
（3）河床基岩抗冲流速
河床基岩抗冲流速:
v=m/s。
5.1.2.3建筑材料物理力学指标
建筑材料物理力学指标见表5.1-4。
表5.1-4建筑材料物理力学指标表
建材
容重
kg/m3
弹性模量E
MPa
抗压强度Ra
MPa
抗拉强度Rg
MPa
抗剪强度τ
MPa
抗渗标号
5.1.2.4抗滑稳定及地基应力控制标准
（1）建筑物沿建基面按抗剪强度和抗剪断强度方法计算抗滑稳定,其稳定安全度控制标准见表5.1-5。
表5.1-5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
特殊
（2）软弱层面间抗滑稳定安全系数,Kc
基本荷载组合Kc≥;
特殊荷载组合Kc≥。
（3）抗浮稳定安全系数,K0
抗浮稳定安全系数K0＞1。
（4）地基应力控制标准
最大正应力σmax=;
最小正应力σmin=。
5.2坝轴线选择及工程总体布置
5.2.1坝线选择
在本工程的可行性研究设计阶段,共对个坝址进行了比较,并对各坝址作了大量的地勘工作。
提示：
概述各坝线的地形地质条件。
经技术经济综合比较,可行性研究阶段选定在坝址建坝,并经主管部门审查通过。
本阶段除对选定坝址的坝线进行重点地勘工作外,对其它条坝线也进行了补充地勘工作,并进一步对各坝线进行了技术经济综合比较,现将各坝线优缺点简述如下：
。
提示：
概述各坝线的优缺点,包括地形、地质条件、工程总体布置、施工条件、工期、投资、运行条件等。
各坝线的工程量、工期及投资见表5.2-1。
表5.2-1各坝线方案工程量、工期、投资比较表
项目
单位
方案
备注
方案Ⅰ
方案Ⅱ
……
（1）土石方开挖
万m3
其中
土方
万m3
石方
万m3
（2）混凝土、钢筋混凝土
万m3
其中
100#
万m3
150#
万m3
200#
万m3
（3）钢筋
t
（4）浆砌石
万m3
其中
50#
万m3
75#
万m3
（5）干砌石
万m3
（6）填土方
万m3
（7）钢材
t
（8）帷幕灌浆
m
（9）固结灌浆
m
（10）总工期
a
（11）总投资
万元
经技术经济综合比较,可行性研究报告推荐的坝线明显优于其它坝线,故本阶段选定在坝线筑坝。
5.2.2工程枢纽布置
提示：
根据实际情况,仔细修改本部分,并以此为据,统一其他各章有关内容,不可有茅盾与遗漏。
例如,本范本未考虑当地材料坝,如有,则应作必要的补充。
5.2.2.1坝型选择
本工程是河上的径流电站,洪峰流量大,水库无调蓄能力。
根据坝址地形、地质和建材,并考虑施工期导流、通航和施工进度等条件,拦河大坝采用混凝土重力坝,设表孔和平底闸联合泄洪。
5.2.2.2枢纽布置方案比较
本枢纽由溢流坝、非溢流坝、厂房和船闸等主要建筑物组成。
由于洪峰流量大,水库无调蓄能力,泄洪问题是枢纽布置的主要矛盾。
为此,枢纽布置应以泄洪为主兼顾其它,合理布置厂房、船闸,以达到互相协调、施工方便、运行安全和经济合理的目的。
可行性研究阶段曾比较过河床左、右侧厂房两种布置方案,最后推荐河床左侧厂房方案,经主管部门审查和评估认为,推荐的枢纽总布置方案是合理可行的。
本阶段仍按上述两个方案进一步进行技术经济比较。
方案比较时,除优先考虑泄洪布置,合理布置厂房和船闸外,还着重考虑了施工导流、施工期通航和工期等。
在枢纽布置时,建筑物相互位置和各建筑物结构尺寸较可行性研究阶段均有调整。
现将两个枢纽布置方案分述如下。
（1）方案Ⅰ:
河床左侧厂房方案
拦河大坝为混凝土重力坝,河床中央布置溢流坝段（泄洪闸）,左侧布置电站厂房,右侧布置船闸，各建筑物之间均以非溢流坝段连接。
大坝建基面高程m,坝顶高程m,最大坝高m,坝顶长m。
坝顶设……m宽的交通桥沟通两岸交通。
为满足渲泄洪水的要求,设……孔……m×……m（宽×高）溢流表孔和……孔……m×……m（宽×高）的平底闸联合泄洪,堰顶高程分别为m和m,采用底流消能,设钢质弧门控制水位。
主厂房总长m,宽m,高m,其中主机房长m,安装场长m,位于主机房
左侧。
副厂房设在主厂房下游侧,平面尺寸为m×m。
台主变压器布置在副厂房左端,其平面尺寸为m×m,地面高程为
m。
开关站布置在左岸台地上,平面尺寸为m×m,地面高程为m,为式开关站。
船闸闸室长m，宽m，通航水深m。
最大过坝船只吨位t，年货运量万t。
上坝公路布置在左岸,分别通向厂房、开关站和坝顶交通桥。
通过坝顶交通桥沟通两岸交通。
（2）方案Ⅱ:
河床右侧厂房方案
拦河大坝为混凝土重力坝,河床中央布置溢流坝段（泄洪闸）,右侧布置电站厂房,左侧布置船闸。
各建筑物之间均用非溢流坝段连接。
大坝建基面高程m,坝顶高程m,最大坝高m,坝顶长m。
坝顶设……m宽的交通桥沟通两岸交通。
为满足渲泄洪水的要求,设……孔……m×……m（宽×高）溢流表孔和……孔……m×……m（宽×高）的平底闸联合泄洪,堰顶高程分别为m和m,采用底流消能,设钢质弧门控制水位。
主厂房总长m,宽m,高m,其中主机房长m,安装场长m,位于主机房右侧。
副厂房设在主厂房下游侧,其平面尺寸为m×m。
台主变压器布置在副厂房右端,其平面尺寸为m×m,地面高程为m。
开关站布置在右岸台地上,平面尺寸为m×m,地面高程为m,为式开关站。
船闸闸室长m,宽m,通航水深m,最大过坝船只吨位t,年货运量
万t。
上坝公路布置在右岸,分别通向厂房、开关站和坝顶交通桥。
（3）枢纽布置选择
本枢纽布置主要取决于电站在枢纽中的位置,各枢纽布置方案工程量、造价和工期如表5.2-2①。
经技术经济比较和综合分析,方案Ⅰ和方案Ⅱ都能满足枢纽布置要求,但方案Ⅰ工程量较少,投资省,且具有右岸岸坡平直,船闸下游引航道与河流主航道同在一侧,行船安全方便,同时,左岸便于布置开关站和进厂、上坝公路等优点。
故选定方案Ⅰ,即河床左侧布置厂房、右侧布置船闸、溢流坝居中为枢纽布置推荐方案。
5.3挡水建筑物
提示：
挡水建筑物结构及材料与后面的叙述直接相关,所有描述应以此为据。
5.3.1结构布置和材料
5.3.1.1结构布置
枢纽坝轴线总长m,挡水建筑物从左至右分别由长……m左岸非溢流……坝段、……m河床电站厂房、……m混凝土重力坝段、……m溢流坝段（平底闸）、……m混凝土重力坝段、……m船闸段和……m右岸非溢流……坝段组成。
（1）混凝土重力坝
混凝土重力坝基本断面为上游铅直的三角形,坝顶宽m,坝顶高程m,下游折坡点高程m,下游坡比为1∶,建基面高程m,最大坝高m,最大底宽m。
（2）溢流坝（泄洪闸）
表孔溢流坝段采用上游面为铅直的基本三角形断面,堰顶高程m,堰面为型曲线,建基面高程m,最大底宽m。
平底闸底板高程m,最低建基面高程m,最大底宽m。
中墩厚m,边墩厚m。
坝顶面上游侧,高程m,设检修门、移动式启门机和轨道支架;坝顶面中部,高程m,设弧门固定式启门机平台;坝顶面下游侧,高程m,设m宽的坝顶交通桥。
5.3.1.2材料
（1）重力坝:
混凝土重力坝采用C混凝土。
（2）溢流坝（泄洪闸）
溢流坝坝体采用C混凝土,溢流面采用C混凝土,消力池为C混凝土,闸墩、护坦为C混凝土。
（3）厂房
厂房m高程以下大体积混凝土采用C,挡水墙采用C混凝土,板梁结构为C混凝土。
（4）坝顶交通桥
坝顶交通桥采用C混凝土,启闭机工作桥采用C混凝土。
（5）船闸
船闸闸墙采用C细石混凝土砌筑块石,闸墙防渗面板及底板采用C混凝土,门槽、门轴柱部位采用C混凝土,输、泄水廊道采用C混凝土。
5.3.2大坝设计计算
5.3.2.1整体稳定及地基应力计算
（1）荷载
提示：
编写具体工程的设计报告时,应进一步确认荷载（或作用）的种类,例如,是否还有冰荷载,是否考虑过温度作用等。
①坝体自重及固定设备重
②静水压力
③动水压力
④扬压力
⑤淤砂压力
⑥风浪压力
⑦地震荷载
（2）荷载组合
荷载组合见表5.3-1。
表5.3-1荷载组合表
项目
主要设计情况
荷载
荷载组合
自重
静水压力
动水压力
扬压力
淤砂压力
风浪压力
地震荷载
基本组合
正常蓄水位
①
②
④
⑤
⑥
①+②+④+⑤+⑥
设计洪水位
①
②
③
④
⑤
⑥
①+②+③+④+⑤+⑥
特殊组合
校核洪水位
①
②
③
④
⑤
⑥
①+②+③+④+⑤+⑥
正常蓄水位+地震
①
②
④
⑤
⑥
⑦
①+②+④+⑤+⑥+⑦
（3）稳定及应力计算
抗剪强度稳定计算公式:
抗剪断强度稳定计算公式:
坝址、坝踵垂直正应力计算公式:
式中：
K——抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数;
K′——抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数;
F——坝体混凝土与坝基接触面的抗剪摩擦系数;
f′——坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数;
C′——坝体混凝土与坝基接触面抗剪断凝聚力;
∑W——滑动面上的法向分力总和;
∑P——滑动面上的切向分力总和;
∑M——上述荷载对坝基截面形心轴的力矩总和;
A——计算建基面截面积;
J——计算建基面对形心轴的惯性矩;
X——坝基面截面上计算点到形心轴距离。
稳定应力计算成果见表5.3-2。
表5.3-2稳定应力计算表
荷载组合
计算情况
稳定安全系数
坝基边缘应力,MPa
挡水坝
溢流坝
挡水坝
溢流坝
K
K′
K
K′
坝踵
坝趾
坝踵
坝趾
基本组合
正常蓄水位
设计洪水位
特殊组合
校核洪水位
正常蓄水位＋
地震情况
从上表中可知稳定和应力均可满足规范要求。
5.3.2.2深层滑动计算
提示：
简述坝基内软弱夹层、缓倾角结构面及不利的地形所构成的滑动体。
坝基与所构成的滑动体可构成一种可能的不利控制条件，因此，必须进行深层稳定复核。
沿层面计算时,不考虑C′的作用。
深层滑动稳定计算成果见表5.3-3。
表5.3-3深层滑动稳定计算表
荷载组合
计算情况
安全系数K
备注
挡水坝
溢流坝
基本组合
正常蓄水位
设计洪水位
特殊组合
校核洪水位
正常蓄水位＋地震情况
5.3.3基础处理
5.3.3.1大坝基础开挖
本枢纽属径流式电站,基础应力不大,要求基础一般应开挖至风化限以下m。
坝基持力层以岩为主,一般风化深度是:
左岸m～m;右岸m～
m;河床部位m～m。
风化带内岩体力学强度较低,裂隙发育,大坝基础范围内一般予以挖除,自上而下开挖，开挖边坡见表5.3-4。
对于深切边坡每隔10m设一级马道,宽2m～3m。
位于建基面之内的裂隙和断层等构造的开挖另行处理。
表5.3-4设计边坡开挖表
岩层类别
边坡类别
备注
临时
永久
5.3.3.2坝基防渗与排水
（1）帷幕灌浆
坝基防渗以水泥灌浆为主,按《混凝土重力坝设计规范（SDJ21-78）》要求,防渗帷幕深度以单位吸水量ω≤L/（min·m·m）为控制标准。
防渗帷幕沿挡水建筑物前缘布置排,帷幕灌浆孔距m,排距m,孔深一般为m。
断层影响带局部漏水量较大的地段,增设一排补强帷幕,补强帷幕孔距m,排距m,孔深一般为m。
（2）固结灌浆
大坝基础范围内用固结灌浆加固基岩。
河床坝段大坝上游坝踵及下游坝趾,固结灌浆孔深m;坝基中间应力较小区域孔深m;基础所有固结灌浆孔距、排距均为m,呈梅花形布置。
（3）坝基排水
为更有效地降低坝基扬压力,在距大坝帷幕线下游m处设一排排水孔，孔距m,孔径φcm,孔深m。
5.4泄水建筑物
5.4.1方案比较
5.4.1.1泄洪方案
本枢纽为径流式电站,泄水建筑物除满足渲泄设计和校核洪水流量外,还应结合考虑施工期导流和通航要求,及厂房和船闸的合理布置,布置原则为:
（1）渲泄年一遇洪水时,维持坝前水位为正常蓄水位,以减少库区淹没损失;
（2）溢流坝段尽可能布置在主河床上,以减少枢纽工程的开挖量;
（3）泄洪方式应结合考虑施工期导流和通航等要求。
根据以上原则和本枢纽的特点,宜采用开敝式实用堰溢流形式。
在坝前为正常蓄水位和同一溢流净宽的条件下,经对不同的堰顶高程进行计算比较,确定堰顶高程为m。
根据施工期通航和二期施工导流的要求,设置了孔m×m的平底闸。
本阶段就泄水建筑物泄洪方式作了两种方案的比较:
①孔m×m的平底闸加孔m×m的溢流表孔方案;
②孔m×m的平底闸加孔m×m的溢流表孔方案。
计算结果表明,方案①泄年一遇洪水时,坝前水位不壅高,符合设计要求。
在渲泄设计洪水和校核洪水时,坝前水位比天然洪水位壅高分别为m和m;单宽流量分别为m3/s和m3/s。
此外,该方案的溢流长度对枢纽布置有利,如再加大溢流长度,对降低坝前雍水高度效果不大,但对枢纽布置不利,并将增大工程投资。
经综合分析比较,选定方案①。
5.4.1.2消能工结构
由于水库调蓄能力甚小,泄洪量及下游水位变化幅度较大,且溢流堰不高,能适应面流流态的流量范围很小,也很难形成较稳定的戽流,因此采用底流消能。
由计算得知,当坝前为正常蓄水位m,全开孔m×m的表孔闸门时,下泄流量为m3/s,相应下游水位m时,下游水流便形成淹没式水跃衔接。
如果泄量小于上值时,则呈远驱式水跃。
所以,在溢流段上选择孔、长m修建消力池,以解决下泄流量小于m3/s时的消能问题。
其余孔均按淹没水跃条件设计护坦结构。
消力池设计原则是:
对应开启不同的孔数、不同的闸门开启度,消力池均应满足消能要求。
5.4.2工程布置
泄水建筑物布置在河床中央,从左至右由……孔平底闸段、……孔溢流堰下游设消力池段,……孔溢流堰下游设护坦段组成。
平底闸孔口尺寸（长×宽）为m×m,闸段长m,闸底平河床高程,设钢质弧门控制水位。
平底闸主要解决厂房常年施工和二期施工期的导流和临时通航问题，同时,有利于冲排泥砂。
溢流堰堰顶高程m,孔口尺寸为m×m,总长m,设钢质弧门控制水位。
堰面为曲线,设计水头m,溢流面曲线方程y=,采用R=m的圆弧与上游坝面衔接,下游面以R=m的反弧段与溢流面相连接。
闸墩厚m。
消力池深m,尾坎高m,池长m。
整个池底设有呈梅花形布置的排水系统。
池后接长m、厚m的抛石海漫,海漫顶高程为m。
下游为淹设式水跃衔接的泄洪坝段,为防止坝后河床的冲刷,根据本工程的具体情况设置了长m、厚m的护坦,坦面高程为m,护坦底板设有排水系统,末端设m深的齿槽,坦后铺设长m、厚m的抛石海漫,海漫顶面高程m。
坝顶布置式启闭机平台,平台高程m,并设有宽m的坝顶公路桥,以沟通两岸交通。
5.4.3设计计算及水工模型试验
5.4.3.1泄流能力计算
计算公式:
式中:
m——流量系数;
ε——侧收缩系数;
σs——淹没系数;
n——孔数;
B——每孔净宽,m;
H0——堰上水头,m。
泄流曲线计算成果见表5.4-1。
表5.4-1泄流曲线计算成果表
上游水位,m
下泄流量,m3/s
5.4.3.2消力池水力计算
计算公式:
σh″=H1+C+S
式中:
H1——计入行近流速的堰顶水头，m;
C——尾坎高;
S——池深;
σ——安全系数;
h″——第二共轭水深,m。
5.4.3.3水工模型试验
为验证水力计算成果和上、下游水流流态,坝下消能效果等。
进行了枢纽整体模型和溢流坝断面试验。
从试验结果看,孔口尺寸满足设计要求,其泄洪能力与计算值比较误差在5%以内。
水工模型试验成果详见《水工模型试验报告》。
5.5发电厂房及开关站
5.5.1厂房布置
水电站选定的枢纽总体布置方案为河床左侧厂房方案。
即河床中央布置溢流堰和平底闸,左侧布置电站厂房,右侧为船闸。
电站最大水头m,最小水头m,设计水头m,安装单机容量为MW的贯流式灯泡水轮发电机组台,单机设计引用流量m3/s,水轮机转轮直径m,安装高程m,机组中心线距坝轴线m,流道长m。
根据机电布置及水工结构要求,机组间距定为m,主厂房总长m,净宽m,高
m。
分管道和运行两层布置,其地面高程分别为m和m。
厂内设一台t桥式起重机,轨顶高程m。
各机组段均设有楼梯,沟通上下层交通。
电站进口流道宽m,高m,底板高程m。
进水口设扇m×m的检修门,并设扇m×m拦污栅。
进口检修门及拦污栅的启闭由门机操纵。
进水口河床高程m,以1∶的坡与进水口底板衔接。
电站尾水管长m,宽m,出口断面m×m,底板高程m,出口处设检修门和启闭设备。
尾水出口河床高程m,以1∶反坡与尾水管底板衔接。
安装场设在主厂房左端,长m,宽m,分两层布置。
安装层地面高程m,其下层地面高程m,布置油库及油处理室等。
主厂房下游侧全线布置副厂房,总长为m，共分层布置。
底层高程m,布置、;高程m为、室。
副厂房共设个楼梯,方便上下交通。
为适应温度变化和基础变形，每台【/二台】机组之间及主厂房与安装场之间均设置
永久缝,缝间设止水。
主厂房上游防洪标准与坝相同,结合厂房结构和整体稳
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