五強溪水電站設計(方案三)

河海大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)設計——水資源規(guī)劃（方案Ⅲ）專業(yè)年級：站點名稱：姓名：學號：指導老師：二○年月目錄1基本情況.........................................................................................................11.1流域概況.................................................................................................11.2開發(fā)任務.................................................................................................11.3設計任務.................................................................................................21.4設計前提.................................................................................................21.5設計內(nèi)容.................................................................................................31.6設計原始資料.........................................................................................32興利計算...........................................................................................................62.1基本資料整理.........................................................................................62.2死水位的確定.........................................................................................62.3保證出力計算.........................................................................................72.4水電站必需容量選擇.............................................................................82.5水電站調(diào)度圖繪制.................................................................................92.6重復容量選擇與多年平均電能計算3防洪計算.........................................................................................................153.1水庫調(diào)洪計算.......................................................................................153.2壩頂高程的確定...................................................................................17附表.....................................................................................................................19附圖.....................................................................................................................25摘要:沅水五強溪水庫位于湖南省沅陵縣境內(nèi)，是一個以發(fā)電為主，兼有防洪、航運和灌溉等效益的綜合利用大型水庫。流域雨量充沛，水量豐富，壩址多年平均流量2060m/s，年水量649億m，壩址位于沅水干流最后一33本次畢業(yè)設計是在給定備選方案Ⅲ（即正常蓄水位為108m）情況下，進行五強溪水庫的興利計算、防洪計算。在興利計算中，主要包括對設計原始資料進行整理，繪制各類曲線；錄入調(diào)試計算機程序；考慮三方面因素，確定水庫死水位；計算保證出力；采用經(jīng)驗方法確定水電站必須容量；繪制水電站防破壞線，確定水庫防洪限制水位；選擇重復容量、計算多年平均電能以及確定水庫有關參數(shù)等內(nèi)容。在防洪計算中，利用水庫調(diào)節(jié)計算程序求得本方案的防洪高水位、設計洪水位。校核洪水位及相應的最大下泄流量；根據(jù)計算公式求得壩頂高程。關鍵詞：水庫；興利計算；防洪計算1基本情況1.1流域概況五強溪水電站位于湖南省沅陵縣境內(nèi)，上離沅陵縣城73km，下距常德市130km。壩址控制流域面積83800km，占沅水總流域面積的93%，流域雨2量充沛，水量豐富，壩址多年平均流量2060m/s，年水量649×10m，并有3831925年以來的水文資料和核實的歷史洪水資料。壩址位于沅水干流最后一段峽谷出口處，巖性堅硬，地形地質(zhì)條件良好。具備了修筑高壩的自然條件。溪及酉水的風灘（已建成）梯級，是一個以發(fā)電為主，兼有防洪、航運效益的綜合利用水庫，系湖南省最大的水電電源點。1.2開發(fā)任務工程。其開發(fā)任務分述如下：1．發(fā)電五強溪水電站建成后投入華中電網(wǎng)，主要供電范圍為湖南省。2．防洪統(tǒng)稱沅水尾閭。這個地區(qū)地勢低洼,全靠提防保護，共保護人口106萬，農(nóng)水15920000m31943、1949、1954、1969等年洪水重現(xiàn)，河道均不能完全承泄，防洪標準僅為5年一遇。五強溪水庫靠近沅水尾閭，控制全流域面積的93%，解決尾閭防洪問題，是它的基本防洪任務。3．航運五強溪水電站的航運效益為改善水庫區(qū)和壩下游河道的通航條件。沅水是湘西的水上交通動脈，其干流全長1550km，通航里程為640km，但航道險灘很多。五強溪水庫修建以后，壩址以上，沅水以下河段成為常年深水區(qū)，其險灘都將淹沒。下游航道，確定五強溪航運基荷按10萬kw相應流量考慮，枯水流量加大，上、下游航道均可改善。4．灌溉每年自5月下旬至9的灌溉流量平均為35m/s。31.3設計任務下，進行水庫的興利與防洪計算，確定各方案水利設備的參數(shù)，水庫的調(diào)節(jié)操作方式及計算水利指標。1.4設計前提1．本水利樞紐是以發(fā)電、防洪為主要目標的綜合利用水庫；2．水電站參加系統(tǒng)工作，發(fā)電設計保證率3．水電站的備選方案（正常蓄水位）見表1.1；表1.1備選方案正常蓄水位表正常蓄水位（m）1084．本水利樞紐根據(jù)國家規(guī)定屬一級，以千年一遇洪水為設計標準，萬年一遇洪水為校核標準，電站使用年限為50年計；6．水庫下游有防洪要求，設計標準為二十年一遇洪水，安全泄洪流量q=20000m/s。3安1.5設計內(nèi)容1．水電站死水位選擇及保證出力N計算；P2．水電站裝機容量選擇；3．繪制水電站調(diào)度圖的防破壞線，加大出力輔助線，確定汛期限制水位；4．求重復容量，計算水電站多年平均電能；5．進行防洪計算，確定各種防洪特征水位及壩頂高程；6．求水利指標；1.6設計原始資料1．壩址以上流域面積F=83800km；23．水庫水位～面積、庫容曲線見表1.2；4．壩址下游水位流量關系曲線見表1.3；5．為改善下游通航條件，確定五強溪航運基荷按10kw計；6．船閘操作需要耗用10m/s，此部分流量不能用來發(fā)電；3表1.2水庫水位～面積、庫容曲線表高程（m）5006070809010011012013014020.5031.59239.4914.521172.1364.9889.692111.184187.915297.288462.987647.0042018.490151.57883m01269.572183.433619.115770.973表1.3壩址下游水位流量關系曲線表水位m流量48.549.049.550.050.551.051.552.052.553.053.554.054.555.055.556.056.557.033203360442050405720645072007950970057.558.059.060.061.062.063.064.065.09470103001200013700156001750019300212002320066.067.068.069.070.071.072.073.074.0252002720029300316003380036000383004030043400112014901900235028207．每年5月下旬至9月下旬為灌溉季節(jié)，在該季節(jié)自水庫上游直接引走的灌溉流量平均為35.0m/s，此部分流量亦不能用來發(fā)電；3建成）梯級，其尾水水位124m及114.2m，各正常蓄水位方案對上游風灘的影響見表1.4；表1.4各正常蓄水位方案對上游風灘的影響減少風灘009．沅水尾閭洪災情況、洞庭湖分分蓄洪提防基本情況見表1.5、1.6；表1.5水尾閭歷年洪災情況192719311933193519381943194919541969197019742480029700304002990020600286002470024300273002290021700酉水特大洪水，尾閭未見災情記載尾閭淹田100萬畝，淹死3049人桃源淹田11.4萬畝，漢壽受災11.5萬人尾閭淹田93萬畝，淹死3430人黔陽淹5萬余畝，尾閭未見災情記載沅陵、桃源災情較重，常德、漢壽未見災情記載尾閭淹田71萬畝，受災35萬人尾閭淹田73萬畝表1.6歷年較大洪水所需攔洪量單位：10m38年份攔洪量19331931193519491969195419701974193815.213.610.1待算6.56.22.311.380.3111．水庫最大吹程15km，設計風速12km/s；12．方案泄洪建筑物參數(shù)見表1.7；表1.7洪建筑物參數(shù)表方案Ⅲ(108m)壩頂高程(m)孔數(shù)15×141中孔底坎高程(m)13×82興利計算沅水五強溪水電站水庫正常蓄水位108m。2.1基本資料整理設計原始資料給定的流量是壩址斷面歷年平均流量，考慮工程實際，現(xiàn)對其平均流量（附表一）數(shù)據(jù)進行處理：扣除灌溉和船閘用水。灌溉用水按5月下旬至9月下旬的灌溉季節(jié)每月扣除35m月扣除11.7m33七、八月扣除35m/s，9月扣除22.3m船閘運行用水按每月10m/s3332.2死水位的確定死水位影響因素比較復雜，需考慮保證水庫灌溉要求、滿足泥沙淤積要求、保證水電站最低水頭要求以及航運、養(yǎng)殖等其它要求。本次設計對死水位的確定采用簡化處理的辦法，主要考慮水庫的使用壽命及泥沙淤積；灌溉、航運、養(yǎng)殖及旅游等綜合利用要求；水輪機最小水頭的限制三個因素。各方案分述如下：1．水庫的使用壽命及泥沙淤積水庫在使用壽命T按50年計，年淤積量V為669萬m3年V=V=669×50=33450萬m3淤年查庫容～水位曲線表，確定水庫在使用年限內(nèi)滿足防淤要求的死水位Z=76.20m；12．灌溉、航運、養(yǎng)殖及旅游等綜合利用要求，水庫削落的最低水位不得小于Z=82.00m;23．水輪機最小水頭的限制，水庫削落深度不大于水電站最大水頭的35%。（1）任意假定最小發(fā)電流量q，并相應下游Z。下最小發(fā)電流量取q=644m/s，查表得下游水位Z=49.70m。3下（2）極限削落深度h=（Z－Z）×35%=(108－49.70)×35%=20.41m（0）m正下死水位：Z=Z=108－20.41=87.59m3正m（3）Z=max(Z，Z)=max(76.80，82.00，87.59)=87.59m；死123（4）根據(jù)Z長系列計算各年供水期調(diào)節(jié)流量q=644.32m/s，并滿33p足|q－q|=0.32m/s＜ε=1m/s，則Z=Z=87.59m。即死水位為33p死死87.59m，相應死庫容8.445億m。32.3保證出力計算本次設計要求長系列等出力操作；用試算法逐年求解以下方程組：V=V+(Qq)×Δttt-1ttN=K×q×HpttV=V0死V,V——t時段初、末水庫蓄水量（單位：m3tQ——t3tq——t時段平均發(fā)電流量（單位：m3tH——ttV——供水期末水庫蓄水量（單位：m3t2.3.1計算方法對某一特定年份求解步驟如下：1．設N=Np（1）設q=q(q為t時段發(fā)電流量)；tt（2）V=V+(Q－q)Δt(當V＞V+V，取V=V+V)tttt興死t興死（3）由V=(V+V)/2查水位庫容曲線得到Z；均t上由q查壩址下游水位流量關系曲線得到Z；t下（4）N=Kq(Z－Z)tt上下（5）若|N|＜ε,轉(zhuǎn)下時段；否則tp1q=q+(tN)/[K(Z)]，轉(zhuǎn)（2）步驟計算。tpt上下2．求年最小水庫蓄水量V;e3．若|V－V|＜ε，轉(zhuǎn)下一年；否則e死2N=N+K[(Z+Z)/2－Z](Z)/T轉(zhuǎn)（1）步驟計算。p正死下死e供求出各年的供水期平均出力后，據(jù)設計保證率可求出N。p2.3.2計算結(jié)果本次設計采用程序計算，各方案具體參數(shù)及結(jié)果如下：方案Ⅲ：正常庫容30.13億m，死庫容8.445億m，興利庫容21.68533億m。設計保證出力N=27.84萬kw。3p2.4水電站必需容量選擇必需容量包括工作容量與備用容量兩部分。2.4.1工作容量計算本設計缺少電力平衡的資料，采用經(jīng)驗方法確定工作容量如下1．保證出力中部分擔任航運基荷：N=10（萬kw）2．N峰為擔任峰荷工作容量N=N－N=27.84－10=17.84（萬峰p3．按以下關系確定峰荷工作容量N=3.08N＋7=61.95（萬kw）峰4．水電站工作容量N=N＋N=61.95＋10=71.95（萬kw）工2.4.2備用容量計算本設計電站擔任系統(tǒng)負荷用及事故備用容量，各方案取值見表2.1。表2.1備用容量表ⅢN（萬kw）備202.4.3電站必需工作容量經(jīng)計算，沅水五強溪水電站各方案必需工作容量見表2.2。表2.2必需工作容量表（單位：萬kw）Ⅲ1061.9571.9520N91.95必需2.5水電站調(diào)度圖繪制本次設計要求從興利要求出發(fā)對水電站調(diào)度要求作兩條線，一條是基本調(diào)度線——防破壞線；一條是加大出力輔助線。2.5.1防破壞線防破壞線按下列步驟計算確定。剔除來水小于設計枯水年的年份）2．年從供水期水期末開始，按N等出力逆時序操作，求得各年遲蓄方p案水庫蓄水量過程線。具體求解方程組：=V－(Q－qΔtt-1ttt=KqHptt式中符號意義同前。其具體求解流程如下：（1）設q=q；t（2）V=V)Δt(V起始值為V)（當V，取V=Vtttt死死死（3）V=(V+V)/2查水庫水位庫容曲線得到Z；均t下（4）N=Kq(Z－Z)；tt上下（5）若|N|＜ε，轉(zhuǎn)前時段，否則tpq=q+(N)/〔K(Ztpt上下3．將各年遲蓄方案水庫蓄水量過程線點在一張圖，并取其外包線，即為防破壞線。此外包線，實際上是各條蓄水量過程線的同時縱坐標最大值，在具體操作時，可在計算機算完第（２）步后，直接給出外包線各點坐標，當然最后采用值，還應輸出結(jié)果作適當分析修正，使防破壞線更可靠。經(jīng)采用程序計算，方案防破壞線的結(jié)果見表2.3。表2.3防破壞線計算結(jié)果表/s.月）3599.12321.6332.5.2防洪限制水位確定防洪限制水位是體現(xiàn)防洪與興利相互結(jié)合的重要參數(shù)。選擇恰當，可在不影響興利可靠性前提下，降低大壩高度，節(jié)省投資。本設計以獲得最大結(jié)合庫容為原則選擇。根據(jù)五強溪水電站洪水資料分析，該庫洪水最遲發(fā)生在７月底，８月初：故防洪限制水位取值為７月底，８月初防洪線上的坐標值。經(jīng)計算并查水庫水位庫容曲線，方案防洪限制水位和相應庫容分別為：防洪限制水位為105.99m，庫容為27.39億m；3防洪限制水位作為調(diào)洪演算的起調(diào)水位，并據(jù)此可求出結(jié)合庫容。2.5.3加大出力輔助線的繪制大出力范圍較大，為減少操作的任意性，在該區(qū)中增加三條輔助線，采用簡化的方法確定該組輔助線。具體如下：Z=Z+（Z－Z）×i/4死死式中：Z為第i條加大出力線t時刻的坐標。經(jīng)計算各方案結(jié)果見表2.4。表2.4加大出力輔助計算表108m87.59105.9992.1996.79101.3911.2515.1920.12V3t（億m）3由表2.4繪出加大出力輔助線。三條輔助線將加大出力值計算公式如下：N=N+（N）÷4×iipyp方案計算結(jié)果見表2.5。表2.5加大出值計算表（單位：萬108m27.84120.1250.9173.9897.05NpNyN1N2N32.6重復容量選擇與多年平均電能計算2.6.1重復容量選擇水電站在洪水期往往會產(chǎn)生大量棄水，為了利用棄水增發(fā)季節(jié)性電能，節(jié)省火電站的燃料消耗，增加一部分裝機容量，由于它不能替代火電站的工作容量，因而稱它為重復容量。本次設計N采用經(jīng)濟利用小時數(shù)h=2500h。補充千瓦利用小時數(shù)計重算是確定重復容量的關鍵，但其核心是計算不同重復容量的多年平均電能，多年平均電能的計算與調(diào)度圖或調(diào)度規(guī)劃有關，本次設計調(diào)度按以下規(guī)則操作：1．當時段初水位位于防破壞線內(nèi)時，時段出力N=N。tp2．汛期時段初水位位于加大出力區(qū)時，按加大出力線工作，即N=N。ti3．段初水位在防破壞線以上時，使時段水位盡可能向防破壞線上靠，同時要考慮裝機容量的限制。4．當滿裝機發(fā)電，且水位超過Z或Z時，才允許棄水。正假設重復容量N等于0、10、20、30、40萬kw時，分別計算新系列重多年平均發(fā)電量E及重復容量年利用小時數(shù)h，計算結(jié)果見表2.6。因重復容量年利用小時數(shù)h均小于h=2500h，表2.6重復容量計算表裝機容量多年平均發(fā)電年發(fā)電量差△E利用小值(億kw.h)時數(shù)(h)kw.h)57.9610203040101.95111.95121.95131.9559.241.282.892.561.90128028902560190062.1364.6991.9566.59根據(jù)表2.6N～h曲線見附圖h=2500h確重利方案ⅢN=28.17萬kw。重2.6.2裝機容量的確定裝機容量由必須容量和重復容量確定。方案的裝機容量為：方案Ⅲ：N=N+N=91.95+28.17=120.12萬kw。y必重2.6.3多年平均電能計算利用上述計算結(jié)果點繪N（N=N+N的關系圖如下，查得各方y(tǒng)y必重案多年平均發(fā)電量。裝機容量與年均發(fā)電量圖億（64量電發(fā)60）hw均k平年多91.95裝機容量（kw）方案Ⅲ：E=68.29億kw.h。3防洪計算3.1水庫調(diào)洪計算準校核。水庫下游防洪標準為P=5%，安全泄洪量q=20000m/s。本次設計3安防洪計算的任務包括上述三種洪水標準的調(diào)洪計算。利用五強溪水庫入庫典型洪水，調(diào)洪計算采用多級調(diào)節(jié)方法，具體的調(diào)洪規(guī)則如下：1．起調(diào)水位為汛前限制水位。2．當水庫洪水流量小于汛前限制水位相應的下泄能力，且小于安全泄量時，控制閘門，讓泄流量等于來水量水庫水位維持在汛期水位不變。3．當水庫入流量超過汛前限制水位相應的下泄能力，而小于下游安全泄量時，打開閘門自由泄流，水庫水位上升，下泄量隨之增大。4．當自由泄流量超過安全泄量時，控制q=q，直至調(diào)節(jié)計算結(jié)束，t安所得最高水位為防洪高水位。5．當水庫水位不及防洪高水位時，控制q=q，當水庫水位升高至防t安洪高水位時，閘門全開，自由泄流，得調(diào)洪后的最高水位。溢洪設備的選擇本身是一個經(jīng)濟問題，它是權(quán)衡上下游洪災損失的重要參數(shù)，而且泄洪設備還受材料最大應力強度及閘門結(jié)構(gòu)限制、下游巖基狀況及消能設備情況的影響。自由泄流時采用公式：Q=1.77nBH；孔口出流是采用公式：Q=nωμ(2gH)；μ=0.99－0.53a/H對于千年一遇洪水調(diào)節(jié)計算得設計洪水水位及相應最大下泄流量，對萬年一遇洪水進行調(diào)節(jié)計算得校核水位及相應最大下泄流量，并根據(jù)求得的校核洪水位，確定總庫容。在調(diào)洪計算過程中，對閘門控制泄流情形，利用水量平衡方程式推求求得，但對于自由泄流情形則需求解隱式方程組。V=V+[(Q+Q)/2－(q+q)/2]×Δttttq=f(v)本次設計按如下步驟試算求解：①、假定q=q；t②、V=V+[(Q+Q)/2－(q+q)/2]×Δt；ttt③、由V查q=f(v)曲線得相應下泄流量q；t④、若|q|<ε，轉(zhuǎn)下時段，否則假定q=q重新進行計算。⑤、確定防洪高水位、設計洪水位及校核洪水位，確定相應庫容。方案Ⅲ水庫調(diào)洪計算結(jié)果見表3.1。方案Ⅲ水庫調(diào)洪計算詳細結(jié)果見附表。表3.1水庫調(diào)洪計算成果表億m3m30.13105.9927.3987.598.445109.244.827118.84122.6638.98067.379億m3m億m3m防洪高水位防洪庫容設計洪水位校核洪水位調(diào)洪庫容總庫容億m3m億m3億m33.2壩頂高程的確定壩頂高程計算公式如下：壩頂高程1=設計洪水+風浪高+安全超高1壩頂高程2=校核洪水+風浪高2+安全超高2壩頂高程=max｛壩頂高程1，壩頂高程2｝風浪高的計算公式；Δh=0.0208VD式中Vm/s0.8；D為吹程，為15km設計洪水時取0.7m，校核洪水時取0.5m。經(jīng)計算：Δh=0.0208*12151.15m；Δh設計校核=0.0208*(12*0.8)15=0.87m。則各方案壩頂高程為：方案Ⅲ：壩頂高程1=118.84+1.15+0.7=120.69m；壩頂高程2=122.66+0.87+0.5=124.03m。壩頂高程=max｛壩頂高程1，壩頂高程2｝=124.03m。五強溪水電站各項水利指標見表3.2。表3.2水利指標成果統(tǒng)計表單位m/s3m/s310kw410kw410kw410kw410kw422調(diào)節(jié)系數(shù)附表附表1正常蓄水位108m年份供水期初供水期末供水期來水量興利庫容調(diào)節(jié)流量頻率195119521953195419551956195719581959196019611962196319641965196619671968196919701971197219731974197519761977197819791980198163253533754323363434425433444464922.5834.82959.552106.6834.82980.471895.6834.821365.212381.8834.82643.321572.4834.82802.412186.9834.82604.341660.3834.82831.7121.883.1387.565.6390.6356.2571.8868.7596.883199.7834.821008.6318.751575.8834.82803.541399.8834.821117.311611.2834.82815.342534.7834.821123.1762.59.3859.386.2584.3812.52433.7834.821089.513496.3834.821082.7815.6331.2537.528.1378.1393.75501111121212121011834.3853.1340.6381.2543.7546.88891.6889.814504834.82附表2保證出力計算年份1951195219531954195519561957195819591960196119621963196419651966196719681969197019711972197319741975197619771978197919801981338899.8431780.7348135.6481726301559.3477472.8468534.8385386.5388267326679.3426669.3303932.7254277.4358223383148.8363590.9396516.1297155.3384149.5379629.128.1384.3840.6346.88附表3防破壞線計算成果表水庫蓄水量（m3/s·月）1156.451141.37974.13863.28689.53599.14321.633附表4洪水調(diào)度計算表(P=5%)1011121314151617181920212223242526272829303132333435363738108.02108.07108.27108.56108.89109.15109.24109.13108.79108.26107.96107.96107.96107.96107.96107.96107.96107.96107.96107.96107.96175227.5170883.7168433.9168433.9168433.9168433.9168433.9168433.9168433.9168433.9168433.9168433.9168433.974907490附表5洪水調(diào)度計算表(P=0.1%)入庫流量1360015100188002480027600276002720026800262002550024900274002950031100326003500038700414004510049000537005770053000470004100031400336003100030400300002960029100286002810027400263002490022600下泄流量1360021293.3422296.9823398.9624242.0624736.1724979.3825099.7325113.6225257.1625701.1726345.3827123.5628077.6829348.2130923.593277