乌溪江水电站枢纽布置及岔管设计说明书
目录
目录 (1)
摘要 (1)
ABSTRACT (2)
第一章设计基本资料 (3)
第二章水轮机 (9)
第三章发电机 (19)
第四章混凝土重力坝 (20)
第五章混凝土溢流坝 (27)
第六章引水建筑物 (32)
第七章主厂房尺寸及布置 (45)
第八章岔管 (49)
摘要
乌溪江水电站座落于浙江省乌溪江，湖南镇，属于梯级开发电站，根据地形要求，其开发方式为有压引水式。坝区地质条件较好，主要建筑物（混凝土重力坝），泄水建筑物（混凝土溢流坝），引水建筑物（有压引水遂洞、调压室和压力钢管），河岸式地面厂房。
水库设计洪水位237.5m，相应的下泄流量5400m3/s；校核洪水位239.0m，相应的下泄流量9700m3/s；设计蓄水位231.0m，设计低水位191.2m。
本设计确定坝址位于山前峦附近，非溢流坝坝顶高程239.5m。坝底高程115.0m。最大坝高124.5m。上游坝坡坡度1：，下游坝坡坡度1：，溢流坝堰顶高程221.81m。
引水遂洞进口位于坝址上游凹口处，遂洞全长1138.8m。洞径8m，调压室位于厂房上游228.1m左右处，高程254.4m左右的山峦上，型式为差动式。
厂房位于下游荻青位置。设计水头94.6m，装机容量4×=17万kW，主厂房净宽18.98m，净长68.6m。水轮机安装高程115.8m，发电机层高程126.455m，安装场层高程129.455m。厂房附近布置开关站，主变等。受地形限制，尾水平台兼作公路用，坝址与厂区通过盘山公路连接，形成枢纽体系。
另外，本设计还对岔管体型设计及进行了结构计算。
Abstract
The Wuxijiang hydropower station is located in HuNan Town in ZheJiang province ,which belongs to a chain of exploitation .
According to the demand of topographic form ,I choose diversion hydropower station . The geology condition is good .The main construction conclude the water retaining structure (the concrete non –over-fall dam) ,the release works (the concrete over–fall dam) ,the diversion structure (pressure seepage tunnel ,the surge-chamber ) ,and the surface power station .
The design water level is 237.5m ,its corresponding flow amount is 5400m3/s .The check level is 239.0m ,its corresponding flow is 9700m3/s .The regular water retaining level is 231.0m .
The dam site is near the former saddle .The crest elevation of the non-over-fall dam is 239.5m ,and the base elevation is 115.0m ,The max height of the dam is 124.5 m ,The upstream dam slope is 1: ,the downstream dam slop is 1: ,the spillway crest elevation is 221.81m .
The inducer of the seepage tunnel is located at the recess place ,The length of tunnel is 1138.8 m ,the diametric of which is 8m .The surge-chamber is located at the mountain , which is about 221.81m from the work shop building and is type is differential motion.
The workshop building is located at downstream ,the design level of the turbine is 94.6 m , the equipped capacitor is kW ,the clean width is 18.98 m , its whole length is 68.6 m . The fix level of the turbine is 115.8 m , and the height of dynamo is 126.455m . Near the workshop building , there are switch station and the main transformer and so on .
This design is concluded branch pipe.
关键词：水利枢纽；挡水建筑物；泄水建筑物；稳定；水轮机；引水隧洞；调压室；厂房；岔管。
第一章设计基本资料
流域概况和地理位置
乌溪江属衢江支流，发源于闽、浙、赣三省交界的仙霞岭，于衢县樟树潭附近流入衢江，全长170公里，流域面积2623平方公里。
流域内除黄坛口以下属衢江平原外，其余均属山区、森林覆盖面积小，土层薄，地下渗流小，沿江两岸岩石露头，洪水集流迅速，从河源至黄坛口段，河床比降为1/1000，水能蕴藏量丰富。
流域内已建成二级水电站，第一级为湖南镇水电站，坝址位于衢县境内乌溪江区山前峦处，坝址以上流域面积为2151平方公里。第二级为黄坛口水电站，坝址位于衢县黄坛口公社。坝址以上流域面积为2328平方公里。
1.1.1 水文条件
湖南镇坝址断面处多年平均径流量为83.0m3/s。实测最大洪峰流量为5440 m3/s，（1954年），千年一遇洪水总量（4日）为亿立方米，洪峰流量为11300m3/s。万年一遇洪水（4日）总量为16.2亿立方米，洪峰流量为16600m3/s。保坝洪水
总量为17.2亿立方米，洪峰流量为22000m 3/s 。
表1-1 坝址断面处（山前峦）水位～流量关系曲线
水位（m ）
流量（m 3/s ） 10 50 100 200 500 1000 2000 水位（m ）
流量（m 3/s ） 3000 5000
7500
10000
12500
15000
水位流量关系曲线
120
125130135140
1450
5000
1000015000
20000
流量
水位
系列1
表1-2 电站厂房处获青水位～流量关系曲线
水位（m ） 115 116 流量（m 3/s ） 10 20 40 60 80 100 120 水位（m ）
流量（m 3/s ） 140 160 180 200 400 700 1000 水位（m ）
流量（m 3/s ） 1500
2000
3000
4000
6000
8000
10000
1.1.2气象条件
乌溪江流域属副热带季风气候，多年平均气温10.4℃，月平均最低气温4.9℃，最高气温28℃。多年平均降雨为1710mm ，雨量年内分配极不均匀，4、5、6三个月属梅雨季节，降雨量占全年的50%左右。7、8、9月份会受台风过境影响，时有台风暴雨影响，其降雨量占全年的25%左右。
表1-3 水库水位—面积、容积曲线
高程（m）水库面积
（m2）
总库容
（8
10m3）
250 245 240 235 230 225 220 215 210 205 200 195 190 185 180 170 160 150
1.1.3工程地质
库区多高山峡谷，平原极少。地层多为白垩纪流纹斑岩及凝灰岩分布，柱状节理及顺坡向节理裂隙普遍，断裂构造不甚发育，受水库回水影响，可能有局部土滑、崩塌等情况，但范围不会很大，因此库区的岸坡稳定问题是不严重的。唯坝前水库左岸的梧桐口至坝址一段地形陡峭，顺坡裂隙较为发育，经调查有四处山坡因顺坡裂隙切割，不够稳定，每处不稳定岩体为2～3万立方米，在水库蓄水过程中，裂隙中充填物受潮软化，易崩塌、滑落，由于距坝趾较近，在施工过程中应注意安全。
库区未发现有经济价值的矿床，仅湖南镇上游破石至山前峦一带有30余个旧矿，经地质部华东地质局浙西队调查，认为无经济价值。
本工程曾就获青、项家、山前峦三个坝址进行地质勘测工作，经分析比较，选用了山前峦坝址。
山前峦坝址河谷狭窄，河床仅宽110m左右，两岸地形对称，覆盖层较薄，厚度一般在0.5m 以下，或大片基岩出露，河床部分厚约2～4m。岩石风化普遍不深，大部分为新鲜流纹斑岩分布，局部全风化岩层厚1m左右，半风化带厚约2～12m，坝址地质构造条件一般较简单，经坝基开挖仅见数条挤压破碎带，产状以西北和北西为主，大都以高倾角发育，宽仅数厘米至数十厘米，规模及影响范围均不大，坝址的主要工程地质问题为左岸顺坡裂隙发育，差不多普及整个山坡，其走向与地形线一致，影响边坡岩体的稳定性。
坝址地下水埋置不深，左岸为11～26m，右岸15～34m。岩石透水性小，相对抗水层（条件吸水量0.01L/dm）埋深不大，一般在开挖深度范围内，因此坝基和坝肩渗透极微，帷幕灌浆深度可在设计时根据扬压力对大坝的影响考虑选用。
坝址的可利用基岩的埋置深度，在岸10～12m，右岸6～9m，河中6～8m，详见坝址地质剖面图。
坝体与坝基岩石的摩擦系数采用。
引水建筑物沿线为流纹斑岩分布。岩石新鲜完整，地质条件良好。有十余条挤压破碎带及大裂隙，但宽度不大，破碎程度不严重。
厂房所在位置地形陡峻，覆盖极薄，基岩大片出露，岩石完整，风化浅，构造较单一。有两小断层，宽～0.8m，两岸岩石完好。
本区地震烈度小于6度。
1.1.4 当地建筑材料
本工程需要砾石约186万立方米，砂67万立方米。经勘测，砂的粒径偏细，
砾石超粒径的含量偏多，其他指标均能满足要求，但坝址附近几个料场的贮量不能完全满足设计要求。故不足的砾石用轧石解决，轧石料场选在大坝左岸距坝址～12公里的范围内。不足的砂料用楼里村附近的几个料场补充，距坝址～3 公里。
坝址至衢县的交通依靠公路，衢县以远靠浙赣铁路。
设计资料
1.2.1水能规划
a .校核洪水位：239.0m，校核最大洪水下泄流量9700m3/s；
b .设计洪水位：237.5m，设计洪水最大下泄流量5400m3/s；
c .设计蓄水位：231.0m；
d .设计低水位：191.2m；
e .装机容量：17万kW，即4×=17万kW；
f .机组机型：自选
1.2.2 挡水建筑物及泄水建筑物
a.挡水建筑物：混凝土重力坝
b.泄水建筑物：混凝土溢流坝
c.其它：无
1.2.3 引水建筑物
有压引水
1.2.4 水电站建筑物
河岸式地面厂房
1.2.5 专题
岔管
设计任务
1.3.1 枢纽布置、挡水及泄水建筑物
要求对整个水利枢纽进行布置（包括挡水及泄水建筑物、引水建筑物、厂房、对外交通、进水口及开关站等，绘出枢纽平面布置图）
要求根据现有资料设计挡水及泄水坝段的断面型式，进行必要的稳定计算，绘出挡水及泄水坝的剖面图。
1.3.2 水电站引水建筑物
根据地形、地质条件选顶引水隧洞的路线，并设计隧洞断面的型式，绘出引水隧洞的布置图（含进水口）。
根据地形、地质及水力计算，确定调压室的位置、型式和尺寸并绘出调压室剖面图。
1.3.3 水电站厂房
根据所选机型及水位计算条件，确定厂房的轮廓尺寸，并绘出发电机层、水轮机层和蜗壳层的平面布置图以及厂房的横剖面图。
对厂区进行布置并绘出平面布置图（包括开关站、主变场、厂房、尾水渠和对外交通等）
1.3.4 其他
岔管设计（包括岔管体型设计及结构计算）
第二章 水轮机
水头H m ax 、H m in 、H r 选择
根据N=绘N ～H 曲线图。
max H 的确定
a. 校核洪水位下最大下泄流量9700s m 3，查获青水位流量关系曲线得下游水位129.5m,净水头H=96％×（）=105.12m
b. 设计洪水位下最大下泄流量5400s m 3,查获青水位流量关系得下游水位124.915m,净水头H=96％×（）=108.1m
c. 设计蓄水位下四台机组满发查N ～H 曲线图得H=109.97m
max H =max ﹛,,﹜=109.97m
2.1.2 min H 的确定
设计低水位下四台机组满发查N ～H 曲线图得H=71.5m
2.1.3 av H 的确定
加权平均水位=+=min max av 4.06.0H H H 94.6m 引水式水电站r H =av H =94.6m
水轮机选型
根据该水电站的水头工作范围～109.97m ，查《水电站》水轮机系列型谱表选
择合适的水轮机型有HL200、HL180型两种。现将这两种水轮机作为初选方案，分别求出其有关参数，并进行比较分析。
本电站4台机组，装机容量N=kW ，发电机效率η=97％，则水轮机单机出力N=
ηm N =97
.04170000?= HL200型水轮机方案的主要参数选择
转轮直径1D
假定η=90%，查型谱表得在限制工况下单位流量1Q '=0.95m s /3 转轮直径η
r r '1
r
1H H 81Q .9N D =
=2.39 m
式中 r N -- 水轮机额定出力,kW ；
1Q ' -- 水轮机限制工况下单位流量，s m 3； r H -- 设计水头，m ； η -- 发电机效率，%。
选用与之接近而偏大的标称直径1D =。 转速 n
查型谱表得最优工况下单位转速min /6810
r n =' '
10av 1
n H n 264.6r min ==
式中n -- 水轮机转速，r/min ；
10
n ' -- 原型最优单位转速，r/min ； av H -- 加权平均水头，m ； 1D -- 标称直径，m 。
选用与之接近而偏大的标准同步转速n=300r/min 。 效率η及单位参数修正
查型谱表得最优工况下模型最高效率%7.90max =M η，模型水轮机直径
m D M 46.01=，效率修正值015.0=ε
原型最高效率1M
5
max Mmax 1
D 1(1)93.4%D ηη=--= 效率修正值Mmax max 0.6%ηηη?=-=
M 90%ηηη=+?=（与上述假定相同）
'1
max Mmax '10
n 1 1.5%n ηη?==＜3% 单位转速可不加修正，同时，单位流量'
1Q 也可不加修正。
工作范围的检验
'r
1max 2
1r r Q 9.81D H H η
=
=s m 3 水轮机最大引用流量：
'2
max 1max 1r Q Q D H =s m 3
与特征水头相对应的单位转速：
'
1
1min max
n 71.5r min H =
= '
1
1max min
n 88.7r min H =
= '
1
1r r
n 77.1r min H =
= 在HL200型水轮机模型综合特性曲线图上画出工作范围。
水轮机吸出高度Hs 计算
由m
in r 1.77n 'r 1=,='m ax 1Q s m 3
,在该型号水轮机模型综合特性曲线中查得模型气蚀系数σ=.根据设计水头Hr=94.6m 查《水电站》图2-26得气蚀系数修正值
σ?=，下游平均水位查获青水位流量关系曲线得▽=，故水轮机吸出高度
Hs=10-900
?
-（σσ?+）H=。 式中?--水轮机安装位置的海拔高程，m ；
σ--气蚀系数； σ?--气蚀系数修正值；
H —水轮机水头，取为设计水头，m 。
HL180型水轮机方案的主要参数选择
转轮直径1D
假定η=90%，查型谱表得在限制工况下单位流量1Q '=0.86m s /3 转轮直径η
r r '
1r
1H H 81Q .9N D =
=，取标称直径1D =2.5m 转速 n
查型谱表得最优工况下单位转速min /6710
r n =' '
10av 1
n H n 260.7r min ==，取n=250r/min
效率η及单位参数修正
查型谱表得最优工况下模型最高效率%92max =M η，模型水轮机直径
m D M 46.01=，效率修正值018.0=ε
原型最高效率1M
5
max Mmax 1
D 1(1)94.3%D ηη=--=
效率修正值max max 0.5%M ηηηε?=--=
M 90%ηηη=+?= （与上述假定相同）
'1
max Mmax '10
n 1 1.3%n ηη?==＜3%
单位转速可不加修正，同时，单位流量'
1Q 也可不加修正。
工作范围的检验
'r 1max 2
1r r Q 9.81D H H η
=
=s m 3
水轮机最大引用流量：
'2
max 1max 1r Q Q D H =s m 3
与特征水头相对应的单位转速：
'1
1min max
n 59.6r min H =
= '
1
1max min
n 73.9r min H =
= '
1
1r r
n 64.26r min H =
= 在HL180型水轮机模型综合特性曲线图上绘出工作范围。 水轮机吸出高度Hs
由m
in r 26.64n 'r 1=,='m ax 1Q s m 3
,在该型号水轮机模型综合特性曲线中查得模型气蚀系数σ=.根据设计水头Hr=94.6m 查《水电站》图2-26得气蚀系数修正值
σ?=，下游平均水位查获青水位流量关系曲线得▽=，故水轮机吸出高度
Hs=10-900?-（σσ?+）H=10-900
74
.115-（+）×=0.033m
表2－1 水轮机方案参数对照表
序号
项目
HL200
HL180
1 模型转 轮参数 推荐使用的水头范围(m) 90～125
90～125
2
最优单位转速10
n '（r/min ）
3 最优单位流量10Q '（L/s ）
800 720
4
限制工况单位流量
()s L Q /max 1'
950 860
5 最高效率()%Mnax η
6 气蚀系数σ
7 原型水
轮机参 数
工作水头范围（m ） ～ ～ 8 转轮直径1D （m ） 2．5 9
转速n （r/min ） 300 250 10 最高效率m ax η（%） 11 额定出力r N （kW ）
12
最大引用流量max
Q （s m /3
）
13
吸出高度s H （m ）
根据水轮机方案参数对照表可看出，两种不同机型方案在同样水头下满足额定出力情况下，HL180型具有工作范围好，气蚀系数小，安装高程高等优点，故选择HL180型水轮机。
调速设备及油压设备选择
2.3.1调速功计算
3r
max N Q 45.13m s 9.81H η
=
=
()30000Nm
Nm 10)1.87~5.1(D H Q 250~200A 5
1
max >?==
式中 max H ——最高水头 ，m ；
Q —最大水头下额定出力时的流量，s m /3
；
1D ——水轮机直径，m 。
属于大型调速器，接力器调速柜和油压装应分别进行计算和选择
2.3.2 接力器选择
接力器直径计算
选额定油压为，则每个接力器直径s d 为 1
s max b d D H 352mm D λ== 式中 λ——标准正曲率导叶参数，由016Z =，查得0.03λ=； max H ——最高水头 ，m ；
1
b D --导叶相对高度。 由此，在《水电站机电设备》表4-4中选择与之接近而偏大的375m m d s =的标准接力器。
2．3． 接力器最大行程
()max 0max 8.1~4.1a S =
式中 0max a ——水轮机导叶最大开度，mm 。
00M
0max 0Mmax
0M 0
D Z a a 175mm D Z == 式中 00,M D D --原型和模型水轮机导叶轴心圆直径；
00,M Z Z --原型和模型水轮机导叶数目； 0max M a --模型水轮机导叶最大开度。 采用系数，则315m .01758.1S max ==?= 接力器容积计算
两个接力器的总容积s V 23s s max V d S 0.07m 2
π
=
=
2.3.3 调速器的选择
大型调速器的型号是以主配压阀的直径来表征的，主配压阀的直径
m
s s
V T V d 13
.1=，导叶关闭时间s T s 4=，管内油流速s m V m /5.4=，则mm V T V d m
s s
7113
.1== 选择与之相邻而偏大的DT-80气液压型调速器。
2.3.4 油压装置
此处油压装置不考虑空放阀和进水阀的用油，则压力油罐的容积
3K S V (18~20)V 1.26~1.4m ==
由此，在《水电站机电设备》表4-2种选则与之相邻而偏大的分离式油压装置。
水轮机安装高程
一台水轮机额定流量Q=η
Hr N
81.9=52.46m 3/s,查获青水位流量关系曲线得设
计尾水位▽w =。
水轮机安装高程Zs=▽w +Hs+b 0/2=115.783m,取为115.8m 。
式中 ▽w --设计尾水位，m ； Hs —水轮机安装高程，m ； b 0--导叶高度，m 。
水轮机蜗壳及尾水管
金属蜗壳，断面为圆形，座环蝶形边切线与水平中心线夹角α=55?，蜗壳包角0?=345?。
通过任一断面i 的流量Q i =Q m ax i ?/360?，断面半径 i ρ=
c
i
v Q π??360max
式中 c V ——蜗壳断面流速 ，根据水轮机设计水头查《水电站》图2-8得v c =7.5m/s ；
i ρ--断面半径，m ；
i φ——蜗壳包角；
max Q ——相应的最大流速，3/m s 。
由水轮机转轮直径查得：座环外径a D =410cm ，内径b D =340cm ，则r a =D a /2=2.05m ，r b =D b /2=1.7m
断面中心距a i =r a +i ρ,断面外半径R i =r a +2i ρ
表2-2 涡壳计算表格
从蜗壳鼻端
至断面i 的包角i ?（°） 断面半径i ρ（m ） 断面中心距i a (m) 断面外半径i R (m)
345 300
255 210 165 120 75 30
尾水管尺寸的确定： 采用弯肘形尾水管：
a.进口直锥段 单边扩散角θ=8?
b.中间弯肘段 h
4
=
1
=3.375m, D
4
=
1
=×=3.375m,
h 6=1=1.6875m, L 1=1=4.55m c.出口扩散段
尾水管水平长度L=1=11.25m ，尾水管高度h=1=6.5m ，h 5=1=3.05m ，顶板仰角
α=15?，B 5=1=6.8m 。由于下游布置副厂房，尾水管加长至15.55m 。
水轮机进水阀和起重设备
采用蝴蝶阀，直径D α
D f =
，671.00687.013max =-=H α，进口断面直径
D 0=3.5m ，D f =m 3.4671
.05.3=，选用蝴蝶阀直径D m f 6.4=。
最重吊运部件重量162t ，机组台数4台，选用一台双小车桥式起重机，名义起重量2×100t ，跨度L m k 14=
第三章 发电机
由N=42500kW 和250r/min ，套用《水电站机电设备》附表8，选择520型发电机。
主要尺寸
定子内径i D =4600mm ，定子铁芯长度t l
=1820mm ，定子铁芯外径a D =5200mm ，定子机座外径6390m m D 1=，风罩内径D 2 =8800mm ，转子外径3D =4572mm ，下机架最大跨度4100m m D 4=，定子机座高度1h = 2980mm ，上机架高度2h =1250mm ，永磁机高度6h =600mm ，定子支座支承面至下机架支承面或下挡风板之间的距离
8h =540mm ，下机架支承面主主轴法兰底面距离9h =1105mm ，转子磁轭轴向高度10h =2550mm ，发电机主轴高度11h =6968mm ，定子铁芯水平中心线至法兰盘底面距
12h =3180mm
水轮发电机重量
水轮发电机的总重量 G F =318t ，发电机转子重量 G Z =162t
第四章 混凝土重力坝
枢纽工程等级
水电站装机容量17万kW ，水库校核洪水位239.0m ，查水库水位容积关系曲线得水库总库容38106.1995m ?＞381010m ?，故工程规模为大（1）型，主要建筑物级别：1级，次要建筑物：3级，临时建筑物：4级。
剖面设计
重力坝剖面设计的任务在于选择一个既满足稳定回去强度要求，又使体积最小和施工简单、运行方便的剖面。
4.2.1 基本剖面
重力坝的基本剖面，一般指在主要载荷作用下满足坝基面稳定和应力控制条件的最小三角剖面。因此，基本剖面分析的任务是在满足强度和稳定的要求下，根据给定的坝高H 求得一个最小的坝底宽度B ，也就是确定三角形的上下游坡度。为分析方便计，沿坝轴线方向取单位长度的坝体进行研究，其上下游面的水平投影长度分别为B λ和()B λ-1。假定上游库满水位平三角形顶点水深为H ，下游无水。坝的载荷只考虑上游水平压力P 、水重Q 和坝体自重G 以及扬压力U ，在此情况下，讨论λ及B 应如何取值才能满足安全和经济的要求。
按在主要荷载作用下剖面满足坝基面稳定和应力控制条件确定坝底最小宽