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

1、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 FCB00205 FCB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 35.1 设计依据 35.2 坝轴线选择及工程总体布置 55.3 挡水建筑物 85.4 泄水建筑物 115.5 发电厂房及开关站 145.6 通航建筑物 155.7 观测 195.8 永久性房屋建筑 205 工程布置及建筑物5.1 设计

2、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(SDJ 12-78) (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(SDJ 217-87)(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

3、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,%0.10.20.5123.3351050洪

4、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

5、c,MPafc,MPafc,MPafc,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EMPa抗压强度RaMPa抗拉强度RgMPa抗剪强度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Kc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

6、荷载组合Kc 。 (3)抗浮稳定安全系数,K0 抗浮稳定安全系数K01。 (4)地基应力控制标准 最大正应力max = ; 最小正应力min= 。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

7、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方案(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m3150#万m3200#万m3(3)钢筋t(4)浆砌石万m3其中50#万m375#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

8、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

9、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: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

10、, 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mm(宽高)溢流表孔和孔mm(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

11、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: 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mm(宽高)溢流表孔和孔mm(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

12、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5.2-2。 经技术经济比较和综合分析,方案和方案都能满足枢纽布置要求, 但 方案工程量较少,投资省, 且具有右岸岸坡平直, 船闸下游引航道与河

13、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, 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

14、, 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

15、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。 坝体自重及固定设备重 静水压力 动水压力 扬 压 力 淤

16、砂压力 风浪压力地震荷载(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+设计洪水位+特殊组合校核洪水位+正常蓄水位+地震+ (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

17、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KKKK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

18、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 10 m 设一级马道, 宽 2 m3 m 。 位于建基

19、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(SDJ 21-78) 要求, 防渗帷幕深度以单位吸水量 L/(minmm)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;

20、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 cm,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

21、, 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: 孔 m m的平底闸加 孔 m m的溢流表孔方案; 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

22、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 。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

23、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

24、 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; 侧收缩系数; s 淹没系数; n 孔数; B 每

25、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/s5.4.3.2 消力池水力计算计算公式: h=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; 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

26、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,

27、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