颜家河水电站冲沙闸初步设计说明Word格式.docx
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YanjiaRiverStationforasmall
（2）-typeⅤandotherprojects,themainbuildingforthefivebuildings,isapurehydro-electricpowerprojects,primarilybyretainingstructures,sedimentstructures,waterplants,suchasbuildingsandpowerplantcomponents.AccordingdeterminetheYanjiaRiverHydropowerStationstandarddesignfloodforareturnperiodof10years,thecorrespondingpeakdischarge2562m3/s,Project,factorycalibrationstandardfor20-yearfloodreturnperiod,thecorrespondingpeakflowfor2912m3/s.
Flushingsluicedamislocatedattheextremeleft,closetotheinletconnectedwiththemountain,long32m,fortherectangularholegateareflatsteelgatecontrol,gateholesandfloorelevationis730.00m,theoperationofthegaterunningsandmainlybasedonwatersedimentationroomconditions.
Thedesignofthebuildingsthemainhuboftheprogramcarefullyselectedanddetailedthanthesizeofthedesign,andbuildingsdesignedbythesecuritychecktoensurethesafeoperationofbuildings
Keywords:
Scouringsluice；
YanjiaRiver；
HydropowerStation
第一章基本资料
1.1工程概况
渭河是黄河最大的一级支流，发源于甘肃省渭源县的乌鼠山，经甘肃的陇西、甘谷、天水，自风阁岭进入陕西境内，是关中地区最主要的地表水资源河流。
渭河干流长70km，平均比降3.5‰，地处深山峡谷，河道蜿蜒曲折，蕴藏着丰富的水能资源。
颜家河水电站属纯水力发电工程，主要由挡水建筑物、排沙建筑物、引水建筑物和电站厂房等组成。
电站设计水头16.00m，设计流量60
/s，装机容量7500kW，多年平均发电量3860×
104kW·
h。
颜家河水电站工程南靠310国道，北邻陇海铁路，对外交通便利、快捷。
110kV输电线路和10kV供电线路均通过或到达电站区域，电站并网和施工用电方便。
河道中工程建设所需的砂石料储量丰富，可就近采用，邻近的山体均为花岗岩，可就地开采使用，地材价格低廉。
有线电话及无线通信网络已到达工程附近。
陇海铁路复线和310国道施工时建有大量临设，稍加修整即可使用。
工程附近有胡店镇，当地的劳动力资源丰富。
颜家河水电站开发建设，施工和经营管理所需的基本条件已具备。
本次设计为颜家河水电站坝体冲沙闸部分的水力设计.
1.2气象
该地域属暖温带半干旱半湿润季风气候区，四季分明。
六盘山区、关山及南部山区，垂直差异和小气候明显，气温低，热量条件差，降水多，较湿润；
丘陵台原区，热量充足，气温高，降水偏少。
流域内气温变化的趋势是西低东高，北低南高，而降雨也是西少东多，北少南多。
影响本流域气候的重要因素是季风环流，其环流形势以季节为转移。
林家村临近工程区，气温降雨差异不大，就以林家村为代表来简要说明流域内的气象条件。
多年平均气温12.9℃，最高气温41.6℃（1973.8.8），最低气温-13.9℃（1977.1.30）；
多年平均降雨量683.4mm，实测最大降雨量948.6mm（1964），实测最小降雨量434.5mm（1977）；
多年平均陆地蒸发量550mm，水面蒸发量800mm。
多年平均最大风速17.2m/s，洪水期多年平均最大风速13.3m/s。
流域内降雨显著的特征是时空分布不均，降雨量随地形海拔高程垂直变化大，山区高而川道低，二是年内分配不均衡，7、8、9、10四个月降雨量占全年的59.7%；
三是年际丰枯变化大，丰枯比为2.26：
1。
流域冻土深度0.4m。
1.3水文
颜家河水电站坝址以上控制流域面积29348km2，其下游35km处有林家村水文站，控制流域面积30661km2，区间流域面积1313km2，占林家村水文站流域面积的4.3%，以林家村水文站作为参证站，对颜家河水电站进行水文分析。
林家村水文站建于1934年至今已有68年的径流、洪水、泥沙系列资料（1934～2001年）。
1、径流
采用水利年（9～10月）对林家村水文站进行径流分析，用皮-Ⅲ曲线适线。
再将林家村水文站径流分析成果按面积比拟法折算到颜家河水电站坝址处，颜家河水电站径流成果详见表1.3-1。
表1.3-1年径流成果表
站名
统计参数
各种频率年径流量（亿m3）
CV
CS
20%
30%
50%
70%
80%
90%
林家村
23.7
0.4
0.8
31.1
27.6
22.4
18
15.6
12.6
颜家河
22.7
29.8
26.4
21.4
17.2
14.9
12.1
2、洪水
根据林家村（1944-2001）58年系列洪水资料，加入1933年历史调查洪水Q=6890m3/s，进行频率分析采用皮－Ⅲ型频率曲线适线，得出林家村水文站不同频率的洪峰流量，再用面积比拟法换算到颜家河水电站坝址处，其洪水成果详见表1.3-2。
表1.3-2洪峰流量成果表
各种频率洪峰流量（m3/s）
0.1%
0.33%
0.5%
1%
2%
3.3%
10%
9782
7995
7378
6356
5346
4626
3072
9361
7651
7060
6083
5116
4427
2562
3、泥沙
林家村水文站多年平均悬移质输沙量为1.5771亿t，推移质输沙量为0.0287亿t。
1.4工程地质
电站工程区域无大的地质构造。
坝址处河道为砂卵石覆盖层，基岩埋深17～26.7m，其岩性为花岗岩；
两坝肩为花岗岩山体。
坝基磨擦系数为0.45～0.5。
工程区抗震设防烈度为6度，建筑场地类别为Ⅱ类。
1.5交通
1.6工程材料
工程建设所需的砂、石子、块石均采用于河道及附近的山体，储量丰富。
1.7正常挡水位的确定
本工程为径流式水电站，增加水头对提高发电效率至关重要，提高挡水位又受到上游回水区环境条件的限制。
合理的选择正常挡水位是本设计的重点之一。
经勘测，上游回水区陇海铁路线、310国道、以及居民点和耕地的最低点是限制挡水位高程的主要因素。
为此对上游回水区控制点作了重点勘测。
根据测量成果，上游回水区陇海铁路线最低点在距坝上游500m处，高程为761.08m；
310国道最低点在距大坝1km的马鬃山沟口桥梁处，桥梁下的高程为746.27m；
上游回水区居民及耕地最低点在上游1km北马鬃山村的5户居民点及台阶地处，村民住房集中区的高程为743.38m，阶地低点高程为742.58m。
依据实测资料经分析计算，本阶段拟定的正常挡水位为742.15m。
在此挡水位下，百年重现期的校核洪水位为745.66m。
陇海铁路线最低点的高程为761.08m，百年重现期洪水位为745.66m，高出百年重现期洪水位15.42m，陇海铁路线的安全不受影响。
310国道防洪标准为50年重现期，310国道最低点的高程为746.27m，50年重现期的洪水位为743.83m，310国道最低点高出50年重现期的洪水位2.44m，高出百年重现期洪水位0.61m，310国道的安全不受影响。
马宗山村5户居民点及台阶地的防洪标准在20年重现期以下，20年重现期的设计洪水位为741.20m，低于马宗山村5户居民点2.18m，低于台阶地最低点1.38m，不影响居民点及台阶地的安全。
以上控制点的洪水校核，符合国家防洪标准（GB50201—94），以及水利部《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252一2000）的规定。
（见下表国家防洪标准GB50201—94的有关规定）
表1.7-1国家标准轨距铁路各类建筑物、构筑物的等级和防洪标准
表1.7-2汽车专用公路各类建筑物、构筑物的等级和防洪标准
第二章水力计算
2.1闸室的结构形式及孔口尺寸确定
2.1.1闸室的结构型式及高程确定
本工程的主要任务是冲沙，也用于泄洪。
采用设胸墙的平底闸底板。
闸底板高程定在730.00m。
2.1.2拟定闸孔尺寸及闸墩厚度
由孔流公式
初步拟定闸孔净宽，故
，取校核工况来计算。
式中：
B————闸孔净宽，（m）；
Q————闸门泄流量，（m3/s）；
由于溢流坝承担主要的泄洪任务，所以经分析比较，校核情况下，冲沙闸承担的最大泄流量为1050m3/s。
————闸门开度；
————上游水头；
（
=上游水位—闸底板高程=745.66—730.00=15.66m）
————淹没系数；
假设校核工况时为自由出流，则
=1.0
————流量系数；
闸门全开时，孔流流量系数取0.62。
将已知值代入公式得，
，取B=18m。
故拟设四孔矩形冲沙闸，单孔净宽
，单孔闸孔宽x闸孔高=5.5mx6.5m，选用整体式底板，边墩厚度为2m，中墩厚度为3m。
2.2泄流能力计算
1.根据选定的孔口尺寸与上、下游水位，分别计算当闸门开度为1/4、2/4、3/4和全开时单孔闸门的泄流流量，如下表2.2-1、表2.2-2所示,
表2.2-1设计洪水位
上游水深
下游水深
闸门开启高度
流量系数
自由出流量Q
收缩水深
收缩断面流速
跃后水深
淹没系数
流量Q
（m）
（m3/s）
（m/s）
12.20
8.53
1.63
0.58
65.20
1.00
14.45
6.05
0.65
42.38
3.25
0.55
125.09
2.02
13.73
7.87
0.82
101.95
4.88
0.53
179.68
3.07
13.00
8.87
6.50
0.51
228.97
4.21
12.08
9.29
表2.2-2校核洪水位
15.66
11.57
74.53
16.57
7.00
43.23
0.56
144.38
15.85
9.22
0.68
98.18
209.54
15.16
10.57
0.79
164.49
270.03
4.11
14.61
11.48
0.98
264.09
由于在单孔运行时，下游收缩水深受相邻闸孔的影响，可能在两边形成漩涡，所以实际的收缩水深要靠模型试验得出，以上仅为理论值。
2.闸门在不同运行工况下的泄流量
同上，当四孔全开时，闸门的泄流量为：
设计情况Q=915.88（m3/s）
校核情况Q=1056.38（m3/s）
所以闸孔尺寸满足泄流要求。
2.3消能防冲设计
2.3.1下游水流衔接形式
选用校核情况来确定下游水流的衔接形式。
1.收缩水深hc
收缩水深由迭代公式
求出
式中hc——收缩水深，（m）；
q——单宽流量（m3/s.m）；
q=Q/B=1056.48/18=58.69m³
/（s.m）;
——流速系数，取
＝0.95；
E0——堰顶以上的上游水头（坝前水位+流速水头－堰顶高程），（m）
2.跃后水深
求得
=11.49m，而下游水深为11.57m，故下游水流在自然衔接时将发生淹没式水跃衔接。
2.3.2消力池尺寸确定及构造
（1）消力池深度计算
本工程的特点是流量大、上下游水位落差小，河床覆盖层深，所以采用底流式消能。
又下游为淹没式水跃。
故从理论上可不设消力池，但为了稳定水跃的位置，充分消能及调整消力池的流速分布，仍把池底降低1.0m，即消力池的深度d=1.0m。
校核当消力池深度为d=1.0m时其他水位下游是否发生淹没式水跃。
表2.3-1
流量Q（m3/s））
1056.48
915，472
单宽流量q（m3/s.m）
58.69
50.86
上游水位Z1（m）
745.66
742.20
下游水位Z2（m）
741．57
738.53
上游水头ho（m）
17.377
14.087
下游水深hs（m）
11.57
8.53
收缩水深hc（m）
3.785
3.764
跃后水深hc"
11.87
10.109
出池落差△Z（m）
0.207
0.718
池末水深（m）
12.78
10.25
淹没度
1.08
1.01
计算说明，消力池深度d=1.0m满足要求。
（2）消力池池长确定
水跃长度：
＝6.9（
－hc）
消力池与闸底板之间采用斜坡连接，坡度为1：
4，所以消力池长度L=4d+0.7
取消力池长度L=34m。
确定消力池长为34m。
（3）消力池的构造
采用挖深式消力池。
为降低底板下部渗透压力，在护坦的后半部设排水孔，孔下铺反滤层，排水孔径10cm，间距2m，呈梅花形布置。
按抗冲要求，根据式
计算护坦厚度。
式中
为护坦计算系数，取0.19；
q为确定池深时的过闸单宽流量；
△H为相应于单宽流量的上，下游水位差。
，取t=2m。
为了将水流挑向水面，减小池后水流的底部流速，使水流均匀扩散，减小对后面海漫的冲刷，在消力池末端设有尾坎，高0.5m。
图2-2消力池构造尺寸图（单位：
cm）
2.3.3海漫设计
（1）海漫长度计算
根据水闸运用经验，海漫与护坦的总长度约为上下游最大水位差的6-12倍，故取海漫长度为15m。
（2）海漫构造
因为对海漫要求有一定的粗糙度，以便进一步消除余能，有一定的透水性和柔性，所以在海漫的起始段设5m长的浆砌石水平段，后10m做成坡度为1：
15的干砌石段，以使水流均匀扩散，调整流速分布，保护河床不受冲刷。
海漫厚度为0.6m,下设0.15m的砂垫层。
2.3.4防冲槽设计
根据经验取防冲槽的深度为2.0m，槽顶高程与海漫末端齐平，采用宽浅式，底宽取4m，上游坡率为2，下游坡率为3，出槽后做成坡率为5的斜坡与下游河床相连。
2.3.5上下游岸坡防护
为了保护上下游翼墙以外的河道两岸不受水流的冲刷，需要进行护坡。
采用浆砌石护坡，厚0.3m，下设0.1m的砂垫层。
保护范围上游自铺盖向上延伸2-3倍的水头，下游自防冲槽向下延伸4-6倍的水头。
第三章水闸防渗及排水设计
3.1闸室底板布置
3.1.1地下轮廓线布置
防渗设计的目的是防止闸基渗透变形，减小闸基渗透压力，减少水量损失，需要合理选用底下轮廓尺寸。
防渗设计一般都采用防渗和排水相结合的原则，即在高水位侧采用铺盖、板桩、齿墙等防渗设施，如面层排水、排水孔排水或减压井与下游连通，是地下渗水尽快排出以减小渗透压力，并防止在渗流出口附近发生渗透变形。
1．闸基防渗长度的确定
根据公式
，因为地基土为砂卵石，所以C取2.5，则L=10m。
2．防渗设备
由于闸基土质为砂卵石，闸底板上、下游设置齿墙，并在闸底板上游处设板桩。
3．防渗设备尺寸和构造
闸底板顺水流方向长度，综合考虑取上部结构布置及地基承载力等要求，确定闸底板长20m。
（1）闸底板厚度为：
取t=3.0m。
（2）铺盖长度取3～5倍的上下游水位差，确定为16m，为方便施工，上游端取0.6m，末端为1.5m，以便和底板连接。
为了防止水流冲刷及施工时破坏铺盖，在铺盖上设置30cm厚的浆砌石保护层，10cm厚的砂垫层。
（3）校核地下轮廓线的长度。
根据以上设计数据，实际的地下轮廓线布置长度应大于理论的地下轮廓线长度，通过校核，
铺盖长度+闸底板长度+齿墙长度+板桩长度=49.62（m）>
L=10（m），满足要求。
3.2渗透压力计算
3.2.1渗流计算的目的
计算闸底板各点渗透压力；
演算地基土在初步拟定的地下轮廓线下的渗透稳定性。
3.2.2计算方法
计算方法有直线比例法、流网法和改进系数法，由于改进阻力系数法计算结果精确，采用此种方法进行渗流计算。
3.2.3计算渗透压力
（1）确定地基计算深度
判断：
式中:
为地下轮廓的水平投影长度，m；
为地下轮廓的铅直投影长度，m（地下轮廓为铺盖和底板总长）
地基有效度Tc为
计算值大于实际的
地基透水层深度17米所以取小值为17米,故
。
（2）分段阻力系数及水头值的计算
通过地下轮廓的各角点和尖端将渗流区域分成10个典型段，如图所示：
图3-2渗流区域分段图（高程：
m）
其中：
1、10段为进出口段，用公式
计算阻力系数，
3、5、6、8段为内部垂直段，用公式
计算其阻力系数，
2、4、7、9段为水平段，用公式
计算其阻力系数。
各典型段的水头损失用公式
计算。
进出口段的阻力系数修正用公式
，
阻力修正系数:
为进、出口水头损失值；
为修正后的进、出口水头损失值；
为阻力修正系数，当1
时，取
=1.0；
为底板埋深与板桩入土深度之和，或为齿墙外侧埋深；
为板桩另一侧地基透水层深度，或为齿墙底部至计算深度线的铅直距离。
修正后的进、出口段水头损失将减小Δh，
计算结果如表3.2-1所示：
表3.2-1各段渗透压力水头损失（单位：
m）
分段编号
分段名称
S
S1
S2
L
T
1
进口
1.5
-
17.0
0.48
1.585
2
水平
-
1.0
15.5
0.065
0.215
3
垂直
16.5
0.061
0.201
4
7.5
15.75
0.594
1.961
5
0.499
1.648
6
5.0
14.0
0.377
1.245
7
18.25
1.004
3.315
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