设计工作报告.docx
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设计工作报告
4工程设计工作报告
4.1工程概况
xx水电站工程位于xx省xx县xx乡境内，距xx县城约80km，为沅水支流——公溪河在xx县境内的第二个梯级电站，电站开发方式为径流引水式。
公溪河全流域面积为488km2，河口高程166m，干流全长64km，干流坡降7.35‰。
本电站一期工程引水发电流域面积237km2，二期工程完成后引水发电流域面积275km2（另从四季河引水38km2）。
本电站装机3台卧式机组，总容量为9.6MW，保证出力1.19Mw，设计水头59m，设计流量19.2m3/s，设计年发电量2560万kWh，年利用小时数2667h。
主要枢纽建筑物包括引水坝、输水隧洞、压力前池和管道、发电厂房和升压站等，是一个以发电为主的水电枢纽工程。
本工程前期工作于1989年10月由邵阳市水利水电勘测设计院编制了《xx县公溪河流域规划报告》，规划中公溪河干流洛口洞电站以下河段布置四个梯级电站。
但在1992年邵阳市水利水电勘测设计院编制的《xx省xx县龙木坪水库初步设计报告》中，把龙木坪梯级与茶路梯级合并为一个梯纽电站，则公溪河干流洛口洞电站以下河段梯级电站为三级：
茶路电站、xx电站、玉龙岩电站，xx水电站开发符合流域规划要求。
2002年7月由xx省水利水电勘测设计研究院编制了《xx省公溪河xx茶路至xx河段规划报告》及《xx省xx县xx水电站工程可行性研究设计报告》。
根据xx省水利厅关于《xx县xx水电站工程可行性研究报告的意见并请批复的函》（湘水计[2003]11号）、xx省发展计划委员会《关于xx县xx水电站工程可行性研究报告的批复》（湘计基础[2003]798号）及xx省水利厅文件关于《xx县xx水电站工程初步设计报告的批复》（湘水农电[2004]20号）的要求采用径流引水式开发方案，即：
茶路引水坝（363m）+安顺河引水坝（363m）引水至xx。
2003年12月，受邵阳市凯亿（国际）xx电站发展有限公司委托，我院承担了本项目的设计工作。
在各项目前期工作的基础上，我院对项目进行了详细的实地勘察，对水文气象等基础资料进行详尽的调查分析，对工程选址、水位、装机等做了充分的方案论证，进行了库区淹没调查，在此基础上，编制了《xx省xx县xx水电站工程初步设计报告》,在2004年9月，我院在初步设计的基础上，组织力量编制了《xx省xx县xx水电站工程技施设计报告》和施工图设计。
4.2工程规划设计要点
4.2.1工程规模、等级和洪水标准
按照国家《防洪标准》GB50201-94，《水电水电枢纽工程等级级别及设计安全标准》DL5180-2003，《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252-2000，工程等级划分中列入了库容、防洪、治涝、灌溉、供水、发电共六项分等指标。
xx水电站开发的主要任务是发电，装机容量只有0.96万KW，小于1万kw范围内，本电站工程属Ⅴ等工程，小
（2）型规模。
xx水电站茶路引水坝正常蓄水位363.0m，相应库容为28.1万m3，校核洪水位368.21m，水库总库容为61.2万m3，水库工程属Ⅴ等工程，小
（2）型规模。
综上所述，xx水电站为小型工程，水库工程属Ⅴ等工程，电站工程属Ⅴ等工程，小
（2）型规模。
本次设计，水库工程的溢流坝、冲砂闸及引水隧洞等主要建筑物为5级建筑物，电站工程发电厂房系统、开关站等为5级建筑物，次要建筑物为5级建筑物，临时建筑物为5级建筑物。
洪水标准按照《水电水电枢纽工程等级级别及设计安全标准》SL252-2000规定及GB50201-94《防洪标准》要求：
溢流坝、发电厂房等永久建筑物正常运用洪水标准为洪水重现期30~20年，溢流坝非常运用洪水标准为洪水重现期200~100年，发电厂房非常运用洪水标准为洪水重现期50年。
（1）挡水坝洪水标准
永久性挡水和泄水建筑物设计正常运用洪水标准为洪水重现期20年，非常运用洪水标准为洪水重现期100年；
（2）水电站厂房洪水标准
设计正常运用洪水重现期（年）20
校核非常运用洪水重现期（年）50
（3）消能防冲建筑物洪水标准
消能防冲建筑物的设计洪水标准为洪水重现期10~20年。
4.2.2工程设计
4.2.2.1工程水文
⑴水文气象
公溪河流域气候温和，四季分明，热量充足。
多年平均气温17℃，极端最高气温39.7℃，极端最低气温-11.1℃。
多年平均相对湿渡81％，多年平均蒸发量1225～1243mm之间，多年平均风速1.7m/s，最大风速17m/s，最多风向NE，汛期最大风速多年平均值10.8m/s。
⑵洪水计算
xx电站工程位于沅水支流公溪河中上游，坝、厂址处没有水文站，但下游有深渡水文站，控制面积456km2，有1959~1993年完整的实测流量资料。
其中xx引水面积237km2，占深渡水文站的52％，本项目上游建有龙木坪水库，控制面积156km2，占深渡站的34.2％。
坝、厂址处径流由深渡水文站资料采用面积比拟法求得，天然设计洪水量采用暴雨推求与移用深渡水文站相结合的方法来确定各坝、厂址天然设计洪水，设计洪水成果见表4.2-1。
xx水电站各坝（厂）址设计洪水计算成果
表4.2-1单位：
Qm-----m3/s
位置
流域面积（km2）
计算项目
频率（%）
0.2
0.5
1
2
3.33
5
10
20
50
茶路引水
坝址
211.7
Qm
1690
1380
1190
1100
922
784
562
360
165
安顺河引水
坝址
25.3
Qm
485
410
342
284
235
200
142
93
38
xx厂址
282.4
Qm
2210
1900
1680
1480
1240
1050
744
473
213
坝址多年平均悬移质输沙率为1.53kg/s，相应多年平均悬移质输沙量为4.83万吨。
xx各坝（厂）址作9～3月、9—4月、10～3月、10～4月分期洪水。
选用深渡水文站1959～1993年历年月最大流量分时段统计9～3月、9～4月、10月～3月、10～4月时段最大流量数据分别进行频率计算，xx各坝（厂）址分期洪水采用Q芋=Q深（F芋/F深）0.7计算。
⑶xx厂址下游水位～流量关系曲线
1）xx厂址Z～Q关系曲线
xx厂址处无实测水位、流量资料。
经现场进行低水流量测验和开展历史洪水调查工作（2001年6月19日发生了一场大洪水），实测厂址水尺处低水流量水位是299.54m，实测流量6.90m3/s，实测低水水面线比降为i=0.00254。
参照“天然河道糙率表”选择中高水河道糙率，按实测断面资料引用洪水坡降计算各级水位流量关系曲线。
成果见下表4.2-2。
xx各坝（厂）址及茶路厂房Z～Q关系曲线
表4.2-2
xx厂址下游
茶路引水坝址下游
安顺河引水坝址下游
茶路厂房
Z（m）
Q（m3/s）
Z（m）
Q（m3/s）
Z（m）
Q（m3/s）
Z（m）
Q（m3/s）
299.60
6.80
352.73
4.2
354.70
0.7
363.0
4.30
300.00
19.0
353.00
38.3
355.00
4.9
364.0
18.5
300.50
45.0
354.00
136.6
356.00
20.5
365.0
90.0
301.00
83.0
355.00
242.2
357.00
44.4
366.0
203
301.50
131
356.00
344.4
358.00
72.9
367.0
345
302.00
185
357.00
462.5
359.00
109.4
368.0
503
302.50
250
358.00
580.3
360.00
167.6
369.0
688
303.00
327
359.00
728.0
361.00
237.0
370.0
895
304.00
518
360.00
931.6
362.00
311.5
371.0
1120
305.00
738
361.00
1204.9
363.00
382.2
372.0
1382
306.00
988
362.00
1497.2
364.00
465.5
373.0
1673
307.00
1253
363.00
1862.2
365.00
542.3
374.0
1988
308.00
1556
364.00
2230.3
366.00
620.2
375.0
2333
309.00
1892
365.00
2634.5
376.0
2705
310.00
2242
2）茶路引水坝Z～Q关系曲线
茶路引水坝上距茶路电站尾水渠1km，上下地形相似，本次从电站尾水渠~引水坝施测了低水水面线，用流速仪施测了枯水流量为4.2m3/s，实测河床低水比降i=0.01。
利用水面落差，低水流量控制，将茶路电站厂房尾水Z～Q关系曲线换算为引水坝处Z～Q关系曲线，成果见表4.2-2。
3）安顺河引水坝Z～Q关系曲线
安顺河引水坝地处深山峡谷中，河床陡峭，实测河床低水比降i=0.02，施测了枯水流量为0.42m3/s，根据实测断面及相关水力要素计算Z～Q关系曲线，成果见表4.2-2。
4.2.2.2工程地质
（1）区域地质概况
本区大地构造：
西为新华夏系雪峰山隆起带，东为祁阳山字型构造前弧弧顶部位。
根据构造形迹的展布特点及相互组合关系，区内分布有NE、NNE、弧形及SN向构造。
区内历史上无地震记载，根据GBl8306-2001版1：
400万《中国地震动峰值加速度区划图》和《中国地震动反应谱特征周期区划图》，本区的地震基本烈度为Ⅵ度。
（2）枢纽工程地质条件
茶路引水坝地质条件：
坝区位于田瑶倒转背斜的NE翼，距轴部1.2km的上游。
岩层倒转，岩层产状N15°～20°E，NW∠65°～75°，走向与河流斜交，局部变缓或近于直立。
库、坝区未见大的断层切割。
坝区基岩裸露，仅河床局部地段有少量砂卵砾石堆积。
灰绿色巨厚层间夹中厚层状冰碛砾泥岩分布于坝基（肩）及上、下游整个坝区。
砂、卵砾石一般上部以中细砂和粗砂砾为主，下部以卵砾石为主，厚1.0～2.0m，分布于坝区河床部分地段。
含碎石粉质粘土与强风化碎块石，厚度1～5m，分布于左岸边及左、右山坡。
安顺河引水坝地质条件：
坝区位于宝瑶倒转向斜的NE侧正常翼，岩层产状N20°～30°E，NW∠75°～80°，走向为顺河向，无大的断层切割。
板坡隧洞地质条件：
位于公溪河左岸，自茶路引水坝至安顺河引水坝，全长1950m。
桩号0+000～0+110，洞向正北，洞线与岩层走向斜交，交角72°；桩号0+110～0+215，为洞线转向弧线段；桩号0+215～1+934，洞向S60°W，洞线与岩层走向斜交，交角40°～50°。
山体高程在400～600m之间，顶板厚度较大；洞线穿过的地层有：
震旦系下统南沱组（Zan）灰色至暗灰色冰碛砾泥岩和寒武系下统小烟溪组（∈1×y）深灰色至黑色板岩间夹炭质板岩。
沿洞线地质构造较为复杂，需跨越田瑶倒转背斜及区域铁山平移逆断层。
羊公坪隧洞地质条件：
自安顺河引水坝至xx电站站址，全长1098m。
桩号0+000～0+902，洞线方向N7°E，洞线与岩层走向斜交，交角10°～25°；在桩号0+902处，向东偏转44°13′，转弯半径为50m，与隧洞出口用直线段相连；在桩号1+098处通过连接段与压力前池相连。
隧洞经过地段山体高程400-600m之间，隧洞顶板厚度大；洞线穿过的地层均为寒武系下统小烟溪组（∈1×y）深灰色至黑色板岩间夹炭质板岩。
沿洞线地质构造较为复杂，需跨越宝瑶倒转向斜，据xx坝区钻孔资料，宝瑶向斜内含有丰富的裂隙承压水。
厂房工程地质条件：
厂址区河床部分地面高程300～302m。
表层第四系河床冲积堆积（Q4al），以灰黄色中细砂和卵砾石为主，厚度3～7m。
中细砂含泥量高，达30%左右；砾石成分为石英砂岩和母岩碎块等，磨圆度差，砾径1～3cm；砂卵砾石层结构松散，透水性强。
下覆为寒武系下统小烟溪组（∈1×y）灰色薄至中厚层状板岩。
推测基岩面高程293.00～298m，强风化岩体埋深自基岩面以下2.0～3.5m。
厂址区岸坡部分地面高程301～313m。
地表第四系覆盖层（Q4al）厚度5～7m；上部为灰褐色粉细砂、壤土；下部为砂卵砾石，结构松散，透水性强。
下覆为寒武系下统小烟溪组（∈1×y）灰色薄至中厚层状板岩。
岩体单层厚度0.1～0.5m。
具变余泥质结构，板状构造，岩性软弱，抗风化能力较低。
据附近地表测绘，厂房附近未见断层发育，板岩层间劈理密度2～3条/m。
（3）天然建材
工程所需天然建筑材料包括天然砂砾料、人工骨料和石料。
砂料：
砂料场主要位于龙木坪水库和xx电站站址处，xx电站站址处场料查明储量6万m3。
根据室内筛分试验资料分析，砂中有机质、针片状矿物和云母微量，以中、细砂为主，不能满足混凝土工程用料质量要求。
龙木坪水库砂料质量好，运距15km，陆运条件较好，但储量较缺。
人工骨料轧制料（混凝土粗骨料）：
料场位于xx县城至安顺村公路旁的大麻溪村采石场；地表为山地，多为树木。
剥离层平均厚度2.5m。
查明储量150万m3。
有用层平均厚度50m，为印支期（γ51）黑云母石英二长花岗岩，具中粒似斑状结构，主要矿物成分有石英、斜长石、钾长石及少量云母。
岩性致密坚硬，抗风化能力强。
质量好，储量丰富，有公路直达两坝区，运距20～21Km，开采条件好。
4.2.2.3引水坝设计
xx水电站共有引水坝两座，即位于公溪河上的茶路引水坝和位于安顺河上的安顺河引水坝。
两座引水坝均为xx水电站的主要建筑物，按5级建筑物设计，其洪水标准按20年一遇洪水设计，相应洪峰流量为：
茶路引水坝784m3/s，安顺河引水坝200m3/s；100年一遇洪水校核，相应洪峰流量为：
茶路引水坝1190m3/s；安顺河引水坝342m3/s。
引水坝为全坝段溢流型式，堰顶上设置8m×4m的自动翻板闸，坝型为浆砌石重力坝，上游及溢流面设钢筋砼面板。
溢流宽度分别为：
茶路引水坝56.0m，堰顶高程359.00m；安顺河引水坝16m，堰顶高程358.00m，采用WES实用堰型。
茶路引水坝施工导流孔3.5×5.0m（宽×高），安顺河引水坝施工导流孔2.5×3.5m（宽×高）。
施工导流孔布置于溢流引水坝右段，茶路引水坝施工导流孔进口底板高程为353.0m，出口底坡为1：
6.35，安顺河引水坝施工导流孔进口底板高程为353.90m，出口底板坡度为1：
6.0，由于茶路引水坝与安顺河引水坝的堰顶高程均低于板坡与羊公坪隧洞的进口高程，工程冲砂系统设计主要利用溢流坝在泄洪时冲砂，不另行设计冲砂孔。
4.2.2.4引水隧洞设计
引水隧洞为板坡隧洞和羊公坪隧洞共2处。
板坡隧洞设计引水水位为363.0m，设计水深2.8m，板坡隧洞进口高程采用360.20m，隧洞底坡i=1/2000，隧洞出口高程为359.10m。
板坡发电隧洞设计流量为17.2m3/s，底宽净宽B=3.8m，净高H=4.15m，直墙高度为3.0m，拱顶圆心角
=120º，拱顶圆半径为2.31m。
衬砌形式有C20钢筋混凝土衬砌0.3m厚和C15砼衬砌衬砌0.1m厚两种。
羊公坪隧洞设计引水水位为361.90m，设计水深2.9m，羊公坪隧洞进口高程采用359.0m，隧洞底坡i=1/2000，隧洞出口高程为358.31m。
设计流量为19.2m3/s，流速V=1.67m/s。
设计水深为2.9m，底宽净宽B=4.0m，净高H=4.41m，直墙高度为3.0m，拱顶圆心角
=120º，拱顶圆半径为2.43m。
4.2.2.5压力前池设计
压力前池分前室、进水室、溢水道、冲砂放空孔四部分。
（1）前室：
前室分为渐变段和直线段。
渐变段长12m，与渠道末端连接，底高程358.3m，扩散角8°，底坡1∶7.5；直线段长21.0m，宽7.0m，底坡1∶7.5，直至前室水平段底高程354.3m。
两侧边坡为垂直边坡。
前室水平段底板厚0.4m，采用C20混凝土护底护坡，厚度0.4m。
前室有效容积670.0m3。
（2）进水室
进水室长2m，底板高程355.00m，水平设置，工作闸门2.8m×3.8m，门后设钢筋混凝土胸墙和通气孔，沿进水室边墩外侧设用于钢管充水的Φ20cm旁通阀1个。
进水室配合钢管供水方案定为1个，钢管入口设喇叭形管口连接渐变段，再与钢管直线连接。
（3）溢水道
前室左侧墙设溢流侧堰，侧堰长20.0m，侧堰设泄水边槽，后连接泄水陡槽，泄水陡槽长120m，设计断面宽2.1m，高1.8m，用0.2m厚C15砼进行衬砌，末端挑流入公溪河。
（4）冲砂放空孔
冲砂放空孔位于溢流堰与进水室之间，为园形钢结构，直径为1.0m，闸底高程为354.5m。
闸后与溢水道街接。
采用盖板钢闸门，尺寸为1.2m×1.2m，葫芦吊起闭。
4.2.2.6压力钢管设计
压力钢管的直径，按照天津大学编《小型水电站》上册计算水管经济直径。
拟定压力钢管（主管）直径为2.50m，支管直径为1.20m。
计算主钢管的壁厚为12mm，加2mm锈蚀厚度，即钢管的壁厚为14mm。
支管的壁厚为12mm（已考虑锈蚀厚度）。
加劲环设计时综合考虑管道运输、安装等方面的要求，间距采用2.0m，加劲环为δ=14mm，宽度为100mm钢板，经双面焊接与钢管结合。
经计算，钢管设置加劲环后，能满足钢管抗外压要求。
钢管的构造：
①钢管的连接方式采用双面焊接；②伸缩节采用套筒式，设置在镇墩之间管段的上端，共1处；③弯管，在压力钢管的上下端和变坡处设置弯管；④渐变段，管径不一的钢管连接时，采用渐变段，渐变段长度取为3.5m；⑤阀门、通气孔：
阀门设在管道末端，选用Φ1500蝶阀；通气孔设在前池压力墙内钢管顶部，采用Φ300钢管。
4.2.2.7镇墩和支墩
压力钢管敷设地平均坡降为1:
1.0的斜坡上，为了将钢管固定和支承住，设置镇墩和支墩。
镇墩设立在坡度改变，主管分叉等地方，在主管段共设2处，支管段设1处，共3处。
在镇墩之间每隔4m设支墩，支墩形式为鞍型滑动式，共12处。
镇墩、支墩采用C20砼内埋20％块石的重力式结构，压力管道的弯管段埋入镇墩之内。
4.2.2.8发电厂房设计
按《水利水电工程等级划分及洪水标准》（山区、丘陵区部分）SL252-2000，厂房为5级建筑物，按《防洪标准》GB50201-94规定，xx水电站厂房防洪标准按20年一遇洪水设计，50年一遇洪水校核。
电站安装三台HLA551-WJ-82水轮发电机组，根据厂家提供机组尺寸，计算厂房平面尺寸为长×宽=49×17.0m。
水轮机安装高程，根据厂家提供数据和下游最低尾水位值，经计算为301.40m。
厂房防洪结合厂房结构和整体稳定等的需要，在厂房临水侧设置钢筋混凝土挡水墙，墙顶高程为310.9m。
4.2.2.9主变及开关站
电站装机3×3200kw，选择一台主变，主变型号：
SF9-12500/110，布置在厂房之东的升压站内，升压站紧靠厂房，地面高程315.60m。
根据电气设计，升压站面积为长×宽=58×18m，其内布置的主要设备有：
变压器、构架、油开关等。
升压站四周设排水沟，排水沟的净宽为0.5m，深在起点位置为0.2m，然后按2%坡度逐渐加深排水沟，升压站地面中部高程为315.60m，亦向四方设2％的地面排水坡，地面采用卵石护面。
在主变基础地面上设事故排油池，排油池的断面尺寸为3.8×4.8×0.25m。
电站对外公路抵达厂房、升压站，站内布置的主要设备——变压器可由车辆运至升压站。
4.2.10机电与金属结构
（1）水力机械
水轮发电机组主要参数如下：
水轮机基本参数：
型号：
HLA551-WJ-82
设计水头：
59m
额定功率：
3333kW
额定流量：
6.4m3/s
额定转速：
750r/min
飞逸转速：
1640r/min
吸出高程：
Hs=+1.2m
效率：
90.8%
发电机基本参数为：
发电机：
SFW3200-8/1730
额定功率：
3200kW
额定转速：
750r/min
额定电压：
6300V
额定电流：
366A
功率因素：
0.8
频率：
50Hz
效率：
96%
绝缘等级：
F/F
励磁电压：
78V
励磁电流：
339A
冷却方式：
管道通风
主厂房布有3台发电机和3台调速器，同时在高程315.8m布置有一台30/5t电动双梁桥式起重机。
（2）电气一次
根据xx县水电局提供的资料，电站拟以一回llOkV线路输出，输送至茶路电站，送电距离4km，并在升压站场地预留一回110kV出线位置。
电站电气主接线方案：
采用1台变压器，型号均为SF9-12500/110，发电机电压母线和110kV升高电压侧都采用单母线接线方式。
厂用电接线初步确定采用单层辐射式接线，自厂用母线成辐射状直接供给厂用电负荷，选用一台油浸式变压器，容量选择为250kVA,型号为S9-250/6.3。
选用10kV电网装设一台S9-250/10降压变压器作为厂用电的后备电源。
（3）电气二次
电气二次部分包括电站控制管理方式、励磁系统、自动化、继电保护、二次接线及直流电源等，能充分满足水电站安全经济运行的需要，同时也满足电力系统安全经济运行和调度管理的要求。
本电站设置中央控制室，通过全站集中控制系统对全站运行及主要机电设备实行全站集中监控。
并设立马赛克模拟屏，作为辅助监控设备，以满足对全站设备宏观监控的需要。
发电机励磁方式采用自并励静止可控硅全控桥整流微机励磁系统。
励磁系统的励磁调节器选用SWL双微机型，它有两个独立的调节通道，每个通道都具备自动电压调节及无功功率闭环自动调节功能，两套调节通道互为备用。
调速器为DFT-1800全可编程中型调速器微，调速器具有比例一积分一微分（PID）调节规律。
调速器可远方和现地操作，并能实现手动、自动无扰动切换。
调速器应具有与计算机监控系统的通信接口。
全站自动化元件配置和选型与全计算机监控方式相适应，满足机组和公用设备自动控制要求。
继电保护和安全自动装置采用微机型保护。
中控室是全厂指挥控制中心，电站计算机监控系统、全厂工业电视监视系统、机组自动屏、微机保护屏、直流屏、电力载波通信等均布置在中控室。
4.2.2.11金属结构
茶路引水坝及安顺河引水坝泄洪在堰顶设计自动翻板闸门，翻板闸门为钢丝网砼闸门。
闸门尺寸（宽×高）４m×８m，闸门运行条件为水位超过正常蓄水位开启，低于正常蓄水位关闭。
板坡隧洞进口设有粗拦污栅1扇，粗拦污栅垂直布置在进水口，拦污高度5.2m，拦污栅尺寸为4.8m×5.2m，过栅流速约1.0m/s。
羊公坪隧洞进口设有粗拦污栅、工作闸门各1扇。
拦污高度5.2m，拦污栅尺寸为4.8m×5.4m，过栅流速约1.0m/s。
进口工作闸门尺寸（宽×高）4.9m×4.8m，闸门设计为平面定轮钢闸门，闸门运行条件为动水关闭，动水开启，启闭设备选用QPQ-2×250KN固定卷扬式启闭机1台。
压力管道内径2.5m，进口设粗拦污栅一道，拦污栅尺寸（宽×高）为4.2m×7.0m。
压力管进口工作闸门1扇，尺寸（宽×高）2.8m×3.8m，闸门设计为平面定轮钢闸门，门叶结构主要材料采用16Mn，闸门运行条件为动水关闭，静水开启。
启闭设备选用QPK-2×80KN固定卷扬式启闭机1台。
冲冲砂放空孔采用盖板钢闸门1扇，尺寸为（宽×高）
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