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1、水电站工程工程选址工程总体布置及主要建筑物设计方案1.1 设计依据1、工程等级及建筑物级别某某水电站工程是一座以发电为主，兼有灌溉、防洪等综合效益的水利枢纽工程。枢纽建筑物主要由水泥沙浆浆砌石重力坝坝、发电引水系统及发电厂房等组成。本工程水库系年调节水库，水库正常蓄水位376.09m,水库正常库容1.2万m3,电站总装机800kw。根据防洪标准(GB50201-2000)及水利水电工程等级划分及洪水标准(SL252-2000),水库为小型水库，电站为小型电站，枢纽工程等别属V等，工程规模为小(2)型。大坝挡、泄水建筑物按5级建筑物设计，发电引水系统及发电厂房按5级建筑物设计，其它临时建筑物按5
2、级建筑物设计。2、洪水标准及洪水位根据已确定的各建筑物设计级别，按防洪标准(GB50201-2000)水利水电工程等级划分及洪水标准(SL252-2000)水电站厂房设计规范(SL266-2001)以及溢洪道设计规范(SL253-2000)中有关规定，确定各建筑物洪水标准，各建筑物洪水标准及相应洪水位见表5-1。表5-1主要建筑物洪水标准及相应洪水位建筑物建筑物级别洪水重现期及相应洪水位设计洪水重现期(年)相应上游水位(m)相应下游水位(m)校核洪水重现期(年)相应上游水位(m)相应下游水位(m)水泥沙浆520378.81100379.4浆砌石重(2号8(2号力坝378.16378.5m)7m
3、)发电厂房510339.8820340.1(注：引水建筑物进水口洪水标准同大坝)3、采用的主要技术规程设计中采用的主要技术规范如下：(1)防洪标准(GB50201-2000)；(2)水利水电工程等级划分及洪水标准(SL252-2000)；(3)浆砌石坝设计规范(SL25-91)；(4)混凝土拱坝设计规范(SL282-2003)；(5)水电站进水口设计规范(SD303-88)；(6)水工隧洞设计规范(SL279-2002)；(7)水电站调压室设计规范(DL/T5058-1996)；(8)水电站厂房设计规范(SL266-2001)；(9)水工碎结构设计规范(SL/T191-96)；(IO)水利水电
4、工程钢闸门设计规范(DL/T5019-95)；(11)溢洪道设计规范(SL253-2000)；(12)碎重力坝设计规范(SL5108-1999)；(13)水工建筑物荷载设计规范(DL5077-1997)；(14)水工建筑物抗震设计规范(SL203-97)。4、设计基本资料(1)基本资料水文气象基本资料多年平均气温为197C,1月平均气温为97C,7月平均气温为27.4C,最低气温为-4.2,最高气温为39.9,坝址库面吹程0.2km,厂址水位流量关系见表2-9。泥砂资料某某水坝址泥沙淤积高程为369.OOmo特征水位与流量各频率洪水、流量及相应水位见表4-2及表5-1。最大引用流量3.8m7s
5、,单机发电引用流量1.56m7s和0.68m7s0地震烈度根据2001年颁布的中国地震动峰值区划图(GB1830-2001)查得,工程区地震动峰值加速度为0.05g,根据水工建筑物抗震设计规范(SL2003-1991)的规定，建筑物可不作抗震计算和设防。坝基岩石物理力学指标坝址基岩岩性为弱风化砾岩，工程地质勘察坝址岩体物力学参数建议值见表3-2O建筑物设计主要控制指标根据相关规范要求，浆砌石坝设计主要控制指标如下：大坝抗滑稳定：基本荷载组合的抗滑稳定安全系数Kc1.05,特殊荷载组合的抗滑稳定安全系数Kc2L00；基本荷载组合的浆砌石抗压力不大于44MPa;特殊荷载组合不大于(2)工程开发任务
6、工程等别某某水电站工程是一座以发电为主，兼有灌溉、防洪等综合效益的水利枢纽工程。枢纽建筑物主要由水泥沙浆浆砌石重力坝坝、发电引水系统及发电厂房等组成。本工程水库系年调节水库，水库正常蓄水位376.09m,水库正常库容1.2万m3,电站总装机800kwo根据防洪标准(GB50201-2000)及水利水电工程等级划分及洪水标准(SL252-2000),水库为小型水库，电站为小型电站，枢纽工程等别属V等，工程规模为小(2)型。大坝挡、泄水建筑物按5级建筑物设计，发电引水系统及发电厂房按5级建筑物设计，其它临时建筑物按5级建筑物设计。发电某某水电站设计水头36.5m,引用流量316m3s,设计装机80
7、0kwo该电站为季调节，多年平均发电量243.17万kwh,保证出力99kw,可参与县电网调峰运行。防洪某某水水库控制集雨面积21.2km2,正常库容1.2万m3,当发生10年一遇洪水时，经某某水水库调节消减洪峰流量后可明显减免水库下游洪涝灾害。(3)可行性研究报告审查意见1、为充分利用当地的水力资源，发展小水电，同意采用自筹资金兴建某某水电站;2、原则同意“可研报告”所选择的坝址；对大坝采用水泥沙浆浆砌石重力坝坝，基本同意水库正常蓄水位376.09m,相应库容L2万m,电站装机475kw03、基本同意“可研报告”推荐的厂坝址方案和隧洞引水开发方案。基本同意“可研报告”中采用的坝型和枢纽总布置
8、，本工程枢纽属V等小（2）型，永久建筑物为5级；大坝和发电厂房的设计标准为20年一遇，校核洪水标准为100年一遇。工程建成后，年均可发电量475万kwh,有利于缓解全县的电力供需矛盾，有利于某某小河水力资源的开发利用。工程符合某某小河流域水资源开发利用规划要求，具有水库淹没损失小、投资省、见效快的特点，社会经济效益显著，具有综合效益。因此，现在建设某某水电站是十分必要的，宜尽早实施。受e桂竹帽镇某某水电站委托，我院承担了本工程初步设计报告编制任务，在初步设计阶段，根据发展计划委员会对“可研报告”的批复和设计审查意见以及结合业主的开发建设意见，对某某水电站引水隧洞及厂、坝址再次进行了水文、地质调
9、查工作，对工程任务、工程规模、枢纽建筑物布置、水力机械、电气等布置作了进一步分析论证。1.2站址选择1、坝址选定本次现场踏勘及方案比较，1号坝址在某某村新屋挤下游处建坝，2号在龙坑里下游出口处建坝，两坝址两岸地形比较对称，左岸相对平缓开阔，为较对称的“U”型河谷，右岸及河床基岩裸露，岩性为紫红色弱风化砾岩，该处地形地质条件较适宜建电站。并开展初步设计阶段的地勘和设计工作。2、坝型选定在可行性研究报告的审查意见中，同意大坝坝型采用水泥沙浆浆砌石重力坝。在充分利用水力资源的基础上，为了不淹没上游村庄、农田及本工程坝址地质条件为控制，本工程适宜采用水泥沙浆浆砌石重力坝坝型。因此，经全面经济技术比较，
10、确定大坝坝型采用以埋石碎水泥沙浆浆砌石重力坝坝型。3、厂址选定某某水电站厂址选定，为充分利河床自然落差，厂址选在距大坝下游坝址下游右岸2600m处的茶亭下转弯处。厂房开挖工程量不大，无淹没占地，尾水渠不长，出流条件好，经济较为明显等优点。枢纽工程布置的基本原则为：(1)满足各个建筑物在布置上的要求，保证其在设计工作条件下能正常运行；(2)在满足建筑物稳定和强度的前提下，降低枢纽总造价和年运行费用；(3)枢纽中各个建筑物布置紧凑、美观、协调。枢纽主要建筑物由大坝、发电引水系统、发电厂房等组成。1号坝址在某某村新屋挤下游处建坝，2号在龙坑里下游出口处建坝，1号最大坝高8.99m,2号最大坝高12.
11、83m,溢洪道布置在坝顶中部，为水泥沙浆浆砌石重力坝。发电引水隧洞布置在右岸山体中，全长约2012.24m,进口底板高程370.00m,o发电厂房布置在大坝下游约2600m处的茶亭下转弯处。为地面式厂房，其尺寸为19.6277.77.35m(长X宽义高)，装机3台，装机容量800kw0根据坝址工程地质条件、水库运行要求、工程开发任务及建筑物组成情况，经上述方案比较，选定如下工程总体布置方案：枢纽建筑物由大坝、发电引水系统、发电厂房等建筑物组成，大坝采用采用水泥沙浆浆砌石重力坝坝，溢洪道布置在坝顶中部，采用无闸控制泄流、消能方式采用挑流消能，电站采用引水式电站，发电引水隧洞布置在大坝右岸山体内,
12、隧洞全长2012.24m,分别由进水口、有压隧洞、压力钢管组成，其中隧洞与发电岔管连接采用明管方式。发电厂房位于大坝下游260OnI处，为地面式发电厂房，开关站布置在厂房左侧，生活区布置在厂房左侧,尾水与河道采用尾水明渠连接。1.4主要建筑物1、挡水建筑物(1)结构布置和材料挡水坝型选择a、体形参数根据本工程的地形、地质和淹没等条件，大坝大坝采用浆砌石重力坝，1号坝最大坝高8.99m,m,坝长4L043,其中泄流长度21.Omo,2号坝最大坝高12.83m,m,坝长56.041m,其中泄流长度20.Omo大大坝体型几何特征见表52、5-3项目单位几何尺寸正常蓄水位m376.09非溢流坝顶高程m
13、379.49基础底r程m371.0基础底宽m6.121基础底板齿槽高程m370.5下游鼻坎坎顶高程m373.0溢流坝长m21.0表5-21号大坝体型几何特征值表表5-32号大坝体型几何特征值表项目单位几何尺寸正常蓄水位m376.09非溢流坝顶高程m378.82基础底高程m366.49基础底宽m9.784基础底板齿槽高程m361.99下游鼻坎坎顶高程m370.981溢流坝长m20.0b坝体结构大坝为实用堰,消能形式为面流消能,坝体采用m7.5水泥沙浆浆砌石，为满足防渗和稳定要求上下游均设齿槽,齿槽深O.5m,宽0.3m。齿槽用cl5碎浇筑。根据工程地质条件和建筑物布置要求，原大坝基础座落在弱风化
14、岩层上，最大开挖深度约L4m。为增加大坝基础底板的抗滑稳定性，现坝基上游设齿槽嵌入微风化岩层。坝顶高程的确定某某水电站正常蓄水位选择主要在某某河流域梯级开发规划方案的基础上进行全面优化和方案比较，尽量提高调节性能（增加调节库容和水头），同时不增加过大的淹没损失，达到梯级开发经济效益最佳为目的。某某水电站正常蓄水位选择主要在镇江河流域梯级开发规划方案的基础上进行全面优化和方案比较，尽量提高调节性能（增加调节库容和水头），同时不增加过大的淹没损失，达到梯级开发经济效益最佳为目的。坝址上游IOokm处为某某村粮田，根据本次调查测376.09m以下无淹没林地及耕地。某某水电站水库正常蓄水位的选择在充分
15、利用水力资源的基础上，主要以不淹没某某村粮田及本工程坝址地质条件为控制目标，本阶段选定正常蓄水位为376.09m。大坝横断面尺寸大坝采用水泥沙浆浆砌石重力坝，A：1号坝非溢流坝顶高程379.49m,溢流坝顶高程376.09m,上游坡比为1:0,下游坡比为1:0.8,最大坝高8.99m,坝顶长41.043m,其中溢流坝段长21.OOmo大坝基础顺水流方向长6.121moB：2号坝非溢流坝顶高程378.82m,溢流坝顶高程376.09m,上游坡比为1:0,下游坡比为1:0.8,最大坝高12.83m,坝顶长56.04Inl,其中溢流坝段长20.OOmo大坝基础顺水流方向长9.784mo设计上下游坝脚
16、均设齿槽，齿槽深0.6m。（2）大坝结构安全复核堰体抗滑稳定复核。A、荷载组合作用在坝体上的荷载主要有：结构自重、水重、静水压力、扬压力、泥沙压力等。B、计算工况1号坝上游为正常挡水位376.09m,下游河床最低372.6m水位情况。2号坝上游为正常挡水位376.09m,下游河床最低368.389m水位情况。1号坝上游为设计洪水位378.81m,下游水位373.7m的情况下。2号坝上游为设计洪水位378.16m,下游水位367.489m的情况下。1号坝上游为校核洪水位379.48m,下游水位371.6m的情况下。2号坝上游为校核洪水位378.57m,下游水位370.269m的情况下。C、主要物
17、理力学参数抗剪摩擦系数f=0.31号坝抗剪断摩擦系数f=0.62号坝抗剪断摩擦系数f=0.58抗剪断凝聚力C=0.2Mpa泥沙内摩擦角=16,碎浮容重Y=L4tm浆砌石浮容重1.2tm3D、抗滑稳定计算成果抗滑稳定计算以抗剪摩安全系数为控制目标，抗剪断安全系数作为参考目标。其稳定计算成果见表5-4、5-5o表5-41号坝抗滑稳定分析成果表计算工况断面WPK,LKt备注正常挡水位(376.09m)151.012.952.361.05KC满足设计泄流水位(378.81m)256.4426.851.261.05KC满足校核泄流水位(379.48m)357.8021.381.371.00KC满足表5-
18、52号坝抗滑稳定分析成果表计算工况断面WPK,Kc备注正常挡水位(376.09m)1168.446.082.121.05KC满足设计泄流水位(378.16m)2170.4768.11.451.05KC满足校核泄流水位(378.57m)3170.8872.961.361.00KC满足从表中可知，抗滑稳定安全系数均满足规范要求,故稳定是安全的。C、大坝泄流能力复核：大坝泄流能力，按实用堰溢流基本公式计算Q=smB(2g),/2h3/2式中：Q过坝流量，m3sB一溢流断面的平均宽度，B=25m2号坝B=20m%一计入行近流速水头的堰顶水头，m。s淹没系数可取堰顶的试验数据m流量系数取0.38一堰流侧
19、收缩系数，与边界条件有关H0=l-0.2+(n-l)0nb水位(m)376.09377377.5378378.5379379.5380.0堰上水头(m)00.911.411.912.412.913.413.91下泄流量(m3s)041.5787.90138.58196.42260.61330.6401.91表5-61号大坝泄流关系曲线表5-72号大坝泄流关系曲线水位(m)376.09377377.5378378.5379379.5380.0堰上水头(m)00.911.411.912.412.913.413.91下泄流量(m3s)036.4670.32110.86157.14208.50264.
20、48324.73经复核大坝过流能力满足20年一遇洪水设计和100年一遇洪水校核的要求。2、排沙孔冲沙孔布置在大坝左岸。孔口直径D=500cm,孔底高程为1号坝372.00m,2号坝370.181m,采用坝下闸阀控制。3、发电引水系统（1）、引水系统方案比较根据本工程地形地质条件，分别拟定渠道引水方案及隧洞引水方案进行技术、经济比较，比较结果见表5-8表5-8引水系统方案比较表方箝项目x方案1：渠道引水方案方案2：隧洞引水方案引水系统布置、施工方法及分段长度1、大坝至厂房（大坝右岸绕山西、东南走向）引水渠道长3200mo前池长12m,宽5m,深4.3mo2、渠道断面：（石方段）过水深1.5m,底
21、宽LOonb边坡1:0.3o（方段）过水深L5m,底宽0.6m,边坡1:0.8o3、大坝至厂房段采用钢1、1号大坝至2号大坝（布置大坝右岸山体西、东北走向）新开隧洞长；1224.97m,2号大坝至厂房新开隧洞长759.3m,洞径2.2mo全长1984.27mo2、大坝至厂房隧洞长1984.27m,其中:套钢管长25mo钢筋碎衬砌369m,不衬砌管长65m,镇墩2个,伸缩节2节，支墩每隔5m设1个。钢管直径1.3mo段1611.27mo3、隧洞出口至厂房段用钢管长28mo钢管直径1.3mo主要工程量大坝（72.88万元）（72.88万元）引水系统土方开挖38159m3,石方开挖34059m3,c
22、l5碎衬砌5030m3o镇墩支碎663m3,模板1675116压力钢管65t。钢筋L5t,占用林地63亩。土方明挖957抗石方明挖170m3,石方洞挖8546m3,c20碎衬砌678m3,镇墩支碎221m3,o钢筋24T,压力钢管21to模板300m2o工程费及效益（在相等概算价情况下进行比较，具体数字以引水系统269.93万元+林地占用费估11.75269.61万元。）发电厂房39.88万元。39.88万元。第11章为准）合计398.39万元382.29万元施工条件施工简单，工期较短，受气候影响较大。施工较复杂，工期较长，受气候影响较小。工程效果及优缺点施工容易，工期较短，但，渠道长渗漏较难
23、控制，弯多水头损失也大，施工受气候影响较大。不利于今后工程管理，工程总造价高。不宜采用。施工较复杂，工期较长,但,水头损失较小，有利于今后工程管理，能使该工程发挥最佳效益，推荐采用。根据业主意见，为不占用林地减少工程投资，能使该工程发挥最佳效益。本阶段采用方案二，即：隧洞引水方案布置方案。（2）、引水隧洞形式及纵坡A、1号坝进口至2号坝出口段：桩号0+000m至0+373.653m段引水隧洞，采用成门型断面,隧洞纵坡为0%,0+373.653至1+224.97段采用城门型断面，纵坡0.5队全长1224.97m。其中：0+0000+69为衬砌断面，其余为不衬砌断面，衬砌段尺寸：宽1.6小高1.6
24、m,不衬砌段尺寸：宽2.2m,高2.2mo隧洞出口洞内钢板衬砌段长25m,钢衬管径1.3moB、2号坝进口至厂房出口段:桩号1+258.893m至2+012.235m段引水隧洞,采用成门型断面,隧洞纵坡为1.2%,全长753.342m。其中:1+258.8931+294.586和1+378.903-1+642.625为衬砌断面，其余为不衬砌断面，衬砌段尺寸：宽L6m、高L6m,不衬砌段尺寸:宽2.2m、高2.2mo对于不衬砌隧洞，要求采用光面爆破开挖，径向平均起伏差小于O.1m,最大起伏差不大于O.15mo为交通便利及压实洞底细渣，隧洞底部浇筑厚O.15m的C15碎平底垫层。衬砌段衬砌厚O.3
25、mC20,与不衬砌段连接的部位修成圆角。衬砌段采用光面爆破开挖。由于不衬砌段洞壁易脱落碎裂小块石，在洞内桩号1+967.532-1+987.532处修建集石坑，集石坑深L4m。防止石块损坏压力钢管，进入水轮机。集石坑布置在不衬砌段的下游未端。(3)、隧洞洞径计算某某水电站发电引水系统，根据业主意见：采用隧洞引水形式，引隧洞位于大坝右岸山体内，引水隧洞洞线的比较及压力管道方案比选见本报告上一小节。现就隧洞洞径方案选择分析如下：由于本工程电站总装机800kw,属小型电站，隧洞长1984.27mm,发电引用流量3.16m7so考虑到隧洞较长,流量较小,隧洞洞径按经济流速确定。分别拟定洞径L4m、L6
26、m、L8m个方案进行流速比较。当洞径D=L4m时，发电引水流速为2.05ms;当洞径D=L6m时，发电引水流速为L57ms;当洞径D=L8m时,发电引水流速为L24ms;根据电站发电引水隧洞（有压隧洞）经济流速为2.54.5ms,不衬砌隧洞一般小于2.5ms,该工程1号坝至2号坝隧洞较长，流量较小，2号坝至厂房隧洞较短，流量较大。故：综合考虑隧洞洞径（衬砌段和不衬砌段水流流速），选择发电引水隧洞洞径为L6m（不衬砌段洞径为2.2m）,为方便施工把圆形下部做成“城门形”，压力明管内径L3m。具体详见设计图。（4）、发电引水系统水头损失计算水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失，水头损失按一般水力
27、学公式计算，计算公式如下：V21沿程水头损失：hLL,C=R6C2RnV2局部水头损失：hm=2g式中：V断面平均流速;1.流程长度；C谢才系数；R水力半径；n沿程损失糙率系数；局部水头损失系数。沿程水头损失计算中，糙率系数n值以及计算结果见表59、5-10.5-11.表5-9沿程损失糙率系数取值表部晨计算条碎衬砌段不衬砌段钢板衬砌段平均糙率0.0140.0300.012可能最大糙率0.0160.0330.013可能最小糙率0.0120.0250.011表5-101号坝至1号坝段发电引水系统沿程和局部水头损失计算成果表计算条件钢衬段水头损失碎衬段水头损失不衬段水头损失局部水头损失合计水头损失流
28、量2.32(m3/s)时的水头损失平均糙率0.07Q20.064Q20.05Q20.07Q20.254Q21.367可能最大糙率0.058Q20.09Q20.052Q20.058Q20.258Q21.388可能最小糙率0.04Q20.04Q20.050.04Q20.17Q20.915注：Q为发电引用流量2.32(m3s),钢衬段长Onb碎衬砌段69m,不衬砌段1151.97mo表5-112号坝至厂房段发电引水系统沿程和局部水头损失计算成果表计算条件钢衬段水头损失碎衬段水头损失不衬段水头损失局部水头损失合计水头损失单机(320kW)满发水头损失(m)3台机(800kw)满水头损失(m)平均糙率0
29、.023Q20.0123Q20.0254Q20.0115Q20.0722Q20.110.721可能最0.0270.0160.03570.010.090.1390.901大糙率Q2Q2Q215Q202Q可能最小糙率0.019Q20.009IQ20.0158Q20.0158Q20.0597Q20.0920.596注:Q为发电引用流量3.16(ms),钢衬段长25m,碎衬砌段30Onb不衬砌段459.3mo由计算成果可见，3台机组满发时，最大水头损失为O.901m,占电站设计水头的2.49%,平均水头损失为0.721m,占电站设计水头的L97%,水头损失较为适中。(5)、进水口底板高程计算进水口底板
30、高程根据泥砂淤积高程、发电死水位进水口淹没高度确定。进水口淹没深度计算公式：hkp=CV1/2式中：hkp临界淹没深度；C系数,取00.55；V流速(d/s)；Q孔口高度，a=2.2mo算结果hkp-1.38io水库泥沙淤积高程369.OOm,考虑发电引水隧洞进水口布置要求，死水位的下限定为370.OOmo考虑发电引水进水口布置条件和电站调节所需库容以及泥沙淤积高程，本阶段选定水库发电死水位为373.Omo(6)、隧洞出口洞内钢板衬砌计算压力管道出口段，因围岩覆盖厚度较薄，暂不考虑围岩承担内水压力。钢板衬砌厚度计算公式如下：=pr，式中：钢板厚度，cm；P钢管承担的内水压力，取最大内水压力P=
31、9.2kgcm2;。埋管容许应力。计算结果为=3.IOmm,D考虑到管壁锈蚀厚度，且&=10mm,所以，取管壁厚130度12mmo4、发电厂房本工程发电厂房为河床式布置，由河床右岸台地开挖而成，厂房基础座落在弱风化岩层上，工程地质条件较好。厂房平面尺寸为19.6277.77.35m（长X宽X高）。根据地形在保证河床过流宽度的同时，装机台数不宜过多，为便于施工，减少开挖工程量，本电站水轮机采用机组混流式，水轮机型号为HL240-WJ-42和HL160-WJ-42,另配二台水轮发电机型号SFW320-6/1050和一台SFW160-6/890,装机总容量800kwo输出电压0.4kv,机组传动方式为直联。发电机层地面高程为340.10m,最大毛水头39.OOm
