黃河龍口水利樞紐電站廠房設(shè)計(jì)

韓 強(qiáng) 趙小娜 王曉輝 聶學(xué)軍

龍口水利樞紐為二等工程,電站廠房為2級(jí)建筑物,洪水標(biāo)準(zhǔn)按100年一遇洪水設(shè)計(jì),1000年一遇洪水校核。廠房最高尾水位866.02m,最低尾水位861.40m。整體采用 “混凝土重力壩+河床式電站”的布置形式。混凝土重力壩壩頂高程900m,最大壩高51m。廠房縱軸線平行于壩軸線,廠房上游墻兼作擋水建筑物。廠內(nèi)安裝4臺(tái)單機(jī)容量100mW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組,為滿足黃河龍口—天橋區(qū)間瞬時(shí)最小流量不小于50m3/s的要求,安裝1臺(tái)20mW混流式水輪發(fā)電機(jī)組。電站總裝機(jī)容量420mW,其中400mW參與系統(tǒng)調(diào)峰發(fā)電。水輪機(jī)運(yùn)行最大水頭36.3 m,額定水頭為31m。

龍口水利樞紐位于山西省忻州市的偏關(guān)縣和河曲縣與內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗的交界地帶,壩址區(qū)段河谷呈U形,谷寬360～600m。河床地形平坦,河底高程858～861m。兩岸岸坡在85°以上,高50～70m。電站廠房建筑物區(qū)地層為奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組第二段第一小層O2m的中下部巖層,由中厚層、厚層灰?guī)r、豹皮灰?guī)r組成,層內(nèi)夾少量薄層灰?guī)r,屬于致密堅(jiān)硬巖石。地層呈單斜狀,巖層傾向下游偏左岸,傾角3°～6°。地層中的NJ304-1、NJ304、NJ303是河床壩基中的控制滑動(dòng)面,其摩擦系數(shù) f=0.25～0.35,凝聚力 c=10～35 kPa。

1 廠區(qū)布置

壩址區(qū)左、右岸地形條件基本相當(dāng),泄流條件相似。經(jīng)比較,電站廠房布置在左岸時(shí)對(duì)外交通和出線更為便利,廠房地基開挖深度和壩基軟弱夾層埋藏深度相適應(yīng),總體工程量比放在右岸可減少石方開挖6.1萬(wàn)m3,節(jié)約混凝土5.3萬(wàn)m3,因此最終選擇將廠房布置在左岸。

主廠房包括主安裝場(chǎng)、主機(jī)間和副安裝場(chǎng)。主安裝場(chǎng)設(shè)在主機(jī)間左側(cè)接左岸進(jìn)廠公路,副安裝場(chǎng)設(shè)在主機(jī)間右側(cè)。20mW機(jī)組是為使黃河下游不斷流情況下,利用小流量發(fā)電而設(shè)置,因而將其布置在靠近河床中部的100mW機(jī)組壩段與副安裝場(chǎng)之間。副廠房與GIS開關(guān)站連成一字形緊靠主安裝場(chǎng)左側(cè)布置。GIS開關(guān)站為2層框架結(jié)構(gòu)。副廠房布置在GIS開關(guān)站下游,為地下1層、地上4層(局部5層)的框架結(jié)構(gòu)。副廠房地下布置二次電纜室,通過(guò)地下電纜廊道與主廠房相通。

2 主廠房布置設(shè)計(jì)

2.1 主廠房控制高程和尺寸

主廠房?jī)?nèi)安裝4臺(tái)單機(jī)容量100mW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組和1臺(tái)20mW混流式水輪發(fā)電機(jī)組,采用一機(jī)一縫的形式。100mW機(jī)組段寬度受尾水管尺寸控制確定為30m;20mW機(jī)組段寬度受進(jìn)水管和尾水管尺寸控制定為15m;100mW機(jī)組安裝高程為857.00m,水輪機(jī)層高程864.80m,發(fā)電機(jī)層、安裝場(chǎng)、尾水平臺(tái)高程相同,為872.90m,發(fā)電機(jī)層和水輪機(jī)層之間設(shè)電纜夾層。20MW機(jī)組安裝高程860.60m,并將其發(fā)電機(jī)層、電纜夾層和水輪機(jī)層取與100mW機(jī)組段同高,目的是可共用安裝場(chǎng)和起吊設(shè)備,以節(jié)約投資并方便運(yùn)行。廠房最大高度69.55m,順?biāo)飨蛉L(zhǎng)81.4m。

安裝場(chǎng)總面積按1臺(tái)機(jī)組段擴(kuò)大檢修確定。主安裝場(chǎng)長(zhǎng)度40m,放置轉(zhuǎn)輪、轉(zhuǎn)子、上機(jī)架、支持架;副安裝場(chǎng)長(zhǎng)12.0m,放置頂蓋和推力軸承支架等部件。副安裝場(chǎng)壩段還設(shè)有電梯間作為廠房與壩頂之間的交通通道。

主廠房屋頂支撐結(jié)構(gòu)采用螺栓球節(jié)點(diǎn)四角錐形空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu),屋面采用弧形直立鎖邊鋁板,局部設(shè)天窗,網(wǎng)架空格內(nèi)設(shè)3條檢修馬道。網(wǎng)架全長(zhǎng)186.20m,總覆蓋面積為5423 m2?？紤]排水及整體美觀要求,屋面向下游方向呈5%傾斜。

2.2 主廠房布置

龍口電站主廠房采用典型的河床式電站廠房布局。水輪機(jī)層以下為大體積結(jié)構(gòu)。尾水管采用彎肘型尾水管,整體式底板結(jié)構(gòu)形式。100mW機(jī)組段蝸殼采用T形斷面鋼筋混凝土蝸殼,包角216°。20mW機(jī)組段采用金屬蝸殼,包角345°。100mW機(jī)組段蝸殼及尾水管進(jìn)人廊道均布置在下游側(cè),20mW機(jī)組段的尾水管進(jìn)人廊道布置在上游側(cè)。機(jī)墩均為圓筒形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),100mW機(jī)組段機(jī)墩在-x軸與-y軸向各布置1個(gè)進(jìn)人通道,靠上游側(cè)布置濾水器、蝸殼排水閥和調(diào)速器回復(fù)機(jī)構(gòu)。20mW機(jī)組段在第Ⅲ象限與-y軸成30°處布置進(jìn)人通道。發(fā)電機(jī)出線均在下游側(cè)平行于-y軸方向引出,進(jìn)入主廠房下游側(cè)尾水平臺(tái)下的母線室。

發(fā)電機(jī)層第Ⅰ象限布置壓力油罐、調(diào)速器及電氣盤柜。第Ⅱ象限布置保護(hù)盤。各100mW機(jī)組段第Ⅲ象限廠房排架柱間均布置1個(gè)垂直向主交通樓梯通向下面各層。各機(jī)組段第Ⅳ象限內(nèi)均布置1個(gè)吊物孔,可直達(dá)水輪機(jī)層,以吊運(yùn)發(fā)電機(jī)層以下各層較大物件。機(jī)組段上游側(cè)有2.0m寬、下游側(cè)有3.0m寬通道貫通全廠?？紤]到廠房進(jìn)口段較短,主廠房水輪機(jī)層以上上游側(cè)壁均設(shè)防潮隔墻,滲水通過(guò)排水管溝匯入滲漏集水井。

電站尾水平臺(tái)上布置5臺(tái)主變壓器 (一機(jī)一變)和1臺(tái)2×630kN雙向尾水門機(jī)。主變可通過(guò)運(yùn)輸軌道進(jìn)入安裝間內(nèi)檢修。尾水門機(jī)負(fù)責(zé)電站出口尾水檢修閘門、排沙洞出口工作閘門和檢修閘門的啟閉。尾水平臺(tái)以下空間分成4層,布置部分生產(chǎn)副廠房,如高壓電纜通道、盤柜室、廠用變壓器、循環(huán)水池等。

100mW機(jī)組段進(jìn)水口分3孔布置,20mW機(jī)組段進(jìn)水口布置為1孔。每個(gè)進(jìn)水口沿水流方向依次設(shè)攔污柵、檢修閘門和事故閘門,攔污柵采用連通布置。進(jìn)水口底板高程綜合考慮攔沙效果和機(jī)組效率后定為866.00m,進(jìn)水口與蝸殼間用1∶0.8的斜坡段連接。攔污柵和檢修門均由壩頂2×1250kN雙向門機(jī)啟閉。

為防止電站進(jìn)水口淤堵,在每個(gè)100mW機(jī)組壩段左右對(duì)稱布置2個(gè)排沙洞。排沙洞進(jìn)口底高程860.0m,內(nèi)徑3.0m?？肯掠蝹?cè)設(shè)置排沙洞檢修廊道與尾水管進(jìn)人廊道相接。

3 廠房設(shè)計(jì)特點(diǎn)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

龍口水電站廠房孔洞多,尺寸大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在下部塊體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中采用結(jié)構(gòu)力學(xué)法結(jié)合有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。采用結(jié)構(gòu)力學(xué)法分析時(shí),一般切取若干斷面簡(jiǎn)化成平面桿系進(jìn)行分析,計(jì)算中考慮剛域和剪切變形的影響;為彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)力學(xué)法在寬厚結(jié)構(gòu)計(jì)算中的不足,又選擇一定范圍的結(jié)構(gòu)按均質(zhì)彈性體進(jìn)行三維有限元計(jì)算,最終通過(guò)兩種計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行配筋。上部結(jié)構(gòu)包括主廠房排架、發(fā)電機(jī)風(fēng)罩和主副廠房及安裝場(chǎng)各層板、梁、柱結(jié)構(gòu),一般只采用結(jié)構(gòu)力學(xué)法進(jìn)行分析,分析時(shí)不考慮剪切變形的影響。所有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),均進(jìn)行限裂驗(yàn)算。對(duì)于上部結(jié)構(gòu),還進(jìn)行了變形驗(yàn)算。

3.2 混凝土蝸殼設(shè)計(jì)

100MW機(jī)組蝸殼采用鋼筋混凝土蝸殼,進(jìn)口斷面尺寸為6.254m×10.5m,最大水擊壓力0.45mPa,接近混凝土蝸殼承受水頭的最大值。設(shè)計(jì)時(shí)沿徑向切取若干斷面按Γ形框架進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算外,還選取整個(gè)尾水管和蝸殼作三維整體有限元結(jié)構(gòu)分析。針對(duì)蝸殼進(jìn)口跨度大,頂板混凝土厚度薄、拉應(yīng)力大等難題,設(shè)計(jì)采取設(shè)暗梁、加鋼板、局部鋼筋加強(qiáng)等措施解決。為解決鋼筋混凝土蝸殼防滲、抗裂問(wèn)題,在蝸殼流道進(jìn)口區(qū)和蝸殼頂板范圍內(nèi)采用16mm厚Q235B鋼板襯砌,在蝸殼流道底板及側(cè)墻采用C35F200W6抗沖磨纖維混凝土,混凝土表面采用10mm厚環(huán)氧砂漿防護(hù)。

3.3 排沙洞設(shè)計(jì)

為解決多泥沙河流排沙及電站進(jìn)水口淤堵,在每個(gè)100mW機(jī)組壩段左右對(duì)稱布置2個(gè)排沙洞,在副安裝間段設(shè)1個(gè),共9個(gè)排沙洞。排沙洞布置方式緊湊,未因此增加機(jī)組段寬度。初步設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置1道副攔污柵和1道主攔污柵,后來(lái)考慮到龍口電站上游距離萬(wàn)家寨電站較近,區(qū)間來(lái)水量及污物不多等原因,最終取消了副攔污柵。排沙洞單孔設(shè)計(jì)泄量71m3/s,洞內(nèi)最高流速19.67 m/s,出口范圍內(nèi)采用C40F200W6抗沖磨纖維混凝土。經(jīng)整體模型試驗(yàn)驗(yàn)證,在電站發(fā)電或開啟5個(gè)排沙洞參與泄洪的情況下,不僅電站進(jìn)口沒(méi)有淤積,而且整個(gè)河道中的水流更加平順,回流現(xiàn)象基本消失,電站尾水渠中基本沒(méi)有淤積,有效減輕了對(duì)下游河床的沖刷。

3.4 廠房分縫與寬縫設(shè)計(jì)

100mW機(jī)組壩段寬30m,基礎(chǔ)底部順?biāo)飨蜷L(zhǎng)為81.1m。根據(jù)溫控計(jì)算和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)分析,按照廠房建筑物布置和結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)從上游至下游分為 A、B、C三塊,A塊為攔河壩及電站進(jìn)口段,B塊為主廠房段,C塊為尾水平臺(tái)及尾水管段。A、B塊之間基礎(chǔ)體形差異較大,荷載在施工期和運(yùn)行期集度變化較大,為防止A、B塊基底應(yīng)力的變化,在A、B塊縫面引起較大的結(jié)合應(yīng)力,設(shè)計(jì)采用流道底部以下設(shè)直縫,流道以上設(shè)寬縫的方式進(jìn)行接縫連接。寬縫在施工期不填筑,其中所有結(jié)構(gòu)受力鋼筋在槽內(nèi)先斷開,從而A、B塊間相對(duì)可自由變形,使接縫面應(yīng)力集中現(xiàn)象弱化。待A、B塊在自重荷載作用下基礎(chǔ)變形基本穩(wěn)定后,將寬縫內(nèi)鋼筋焊接連接,在冬季混凝土降低至穩(wěn)定溫度場(chǎng)時(shí),采用微膨脹混凝土進(jìn)行回填,寬縫兩側(cè)設(shè)鍵槽,并預(yù)留灌漿埋管,以便在必要時(shí)對(duì)縫面進(jìn)行灌漿處理。計(jì)算表明,電站壩段的B、C塊間荷載強(qiáng)度較小,基底應(yīng)力分布在過(guò)縫處突變不明顯,設(shè)計(jì)中采用直縫。接縫灌漿高程布置在857.50m以下,灌漿高程以下部位設(shè)置三角形鍵槽,鍵槽深40cm,間距150cm。上下游設(shè)置3個(gè)灌漿區(qū),每個(gè)灌漿區(qū)設(shè)有灌漿管路,灌漿管路引至樓梯間下部廊道內(nèi)灌漿站。

4 結(jié) 語(yǔ)

龍口水電站采用河床式電站布置方式,充分利用地形和交通條件,做到工程量省,施工周期短,便于工程運(yùn)行管理。主廠房布置基本上做到了簡(jiǎn)潔、緊湊、明快,機(jī)電設(shè)備布置合理。通過(guò)設(shè)置排沙洞解決了多泥沙河流電站的進(jìn)口淤積問(wèn)題,并使下泄水流更加平順。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上,通過(guò)多種理論和方法分析結(jié)構(gòu)實(shí)際受力情況,并采取多項(xiàng)優(yōu)化措施,在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下,加快了施工進(jìn)度,節(jié)約了工程投資,取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。