英布魯水電站廠房設(shè)計(jì)

蔣志勇 王小青 時(shí)鐵城

英布魯水電樞紐工程系一單純發(fā)電工程,按庫容指標(biāo)確定工程等別為一等,大 (Ⅰ)型規(guī)模,電站廠房按1級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。工程區(qū)域地震烈度小于6度,屬無地震或輕微地震區(qū)。

廠房基礎(chǔ)為弱鈣質(zhì)膠結(jié)的白堊系 (K2)軟弱砂巖,巖體力學(xué)強(qiáng)度低,呈中等—強(qiáng)透水性,透水性較強(qiáng),易產(chǎn)生滲透變形。

1 電站廠房布置

河床電站布置在右岸河灘,由4個(gè)河床電站壩段和1個(gè)安裝場壩段組成。電站前部建基面高程為277.00m,坐落在K2i-3層,中部齒槽開挖高程為267.00 m,坐落在巖體相對(duì)較密實(shí)完整、透水性相對(duì)較弱的K2i-2巖層上,為樞紐建筑物的最低開挖高程,故廠房為樞紐工程中高度最大的擋水建筑物,最大擋水高度達(dá)44.5 m(不含集水井及壩頂以上高度)。機(jī)組中心線與壩軸線平行,偏壩軸線下游側(cè)14.5 m。

主廠房內(nèi)安裝4臺(tái)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組,單機(jī)容量30MW,單機(jī)引用最大流量215 m3/s,最大水頭20.41m,電站總裝機(jī)容量120MW,水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑5.5 m。電站共分4個(gè)機(jī)組段和1個(gè)安裝間壩段,自右至左依次為安裝間壩段、1#、2#、3#、4#機(jī)組段。主廠房總長度為128.4 m,其中機(jī)組段長90.9 m,安裝間長37.5 m。從電站進(jìn)水口上游前沿至尾水管下游末端,順?biāo)飨蛉L為62.61 m(不含牛腿部分)。

1.1 主廠房布置

主廠房分發(fā)電機(jī)層、水輪機(jī)層、蝸殼層、尾水管層等。發(fā)電機(jī)層高程為298.00 m,機(jī)組段中部風(fēng)罩內(nèi)徑為11 m,Ⅰ象限布置有調(diào)速器、油壓裝置。機(jī)旁動(dòng)力盤、控制盤布置在廠房下游側(cè)的排架柱間。在1#和3#機(jī)組段的第Ⅳ象限布置有交通樓梯,供發(fā)電機(jī)層和水輪機(jī)層上、下交通之用,在2#、4#機(jī)組段的第Ⅳ象限布置有吊物孔。水輪機(jī)層高程為291.00 m,布置有技術(shù)供水閥、中性點(diǎn)柜等設(shè)備。

電站下游最低尾水位287.62 m,按選定水輪機(jī)允許吸出高度 Hs=-4.0～-5.0 m,確定水輪機(jī)安裝高程為286.50 m。根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)部件尺寸及設(shè)備布置,確定發(fā)電機(jī)層高程為298.00 m?？紤]起吊發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪等大型部件的吊運(yùn)要求及起吊方式的空間限制,確定吊車軌頂高程為312.00 m。考慮吊車與屋架的空間要求,再加上廠房屋架自身高度、屋蓋結(jié)構(gòu)厚度和女兒墻高度,計(jì)算確定屋頂高程為319.10 m,主廠房高21.10 m(自發(fā)電機(jī)層高程298.00 m計(jì)算)。

考慮蝸殼上、下游方向平面尺寸的限制和機(jī)電設(shè)備布置、廠房排架結(jié)構(gòu)尺寸和大型部件的吊裝空間需要,確定主廠房上部排架柱距,機(jī)組中心上游側(cè)為9m,下游側(cè)為10 m,機(jī)組段上部凈跨度為19 m。根據(jù)蝸殼平面尺寸,確定機(jī)組段寬為21.5 m,4#機(jī)組段受橋式起重機(jī)吊鉤范圍線控制,機(jī)組段寬度為26.4 m。廠房按機(jī)組分段,在每個(gè)機(jī)組段之間設(shè)置永久縫,分縫從建基面高程起一直到廠房屋頂。廠內(nèi)設(shè)置1臺(tái)雙小車電動(dòng)橋式起重機(jī),主鉤起吊質(zhì)量為2×125 t,副鉤的起吊質(zhì)量為25 t。

在樁號(hào)壩0+006.45處,設(shè)有貫穿全廠的進(jìn)口流道放水閥操作廊道,底部高程為273.00 m。在樁號(hào)壩0+010.20處,設(shè)有貫穿全廠的排水廊道,底部高程269.15 m。排水廊道與安裝場底部檢修集水井相連,滲漏水排向機(jī)組滲漏集水井,檢修集水井和滲漏集水井的集水排向下游河道。

安裝場位于主廠房右側(cè),跨度及廠房高度與主廠房相同,按1臺(tái)機(jī)組擴(kuò)大檢修時(shí)可擺放發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、定子、上機(jī)架、下機(jī)架、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、頂蓋、支持蓋、推力軸承支架等部件的要求,安裝場凈空長35 m。安裝場下游側(cè)設(shè)有9 m×9 m(寬×高)的進(jìn)場大門,用于機(jī)組運(yùn)輸及廠房的進(jìn)出口交通,同時(shí),場內(nèi)還布置有主變運(yùn)輸軌道,通過下游側(cè)進(jìn)場大門與尾水平臺(tái)主變場地相連。安裝場下層高程291.00 m,布置有檢修排水集水井和滲漏排水集水井、排水水泵室、油罐室、油處理室、空壓機(jī)室等。安裝場壩段與主廠房間設(shè)結(jié)構(gòu)縫分開。

1.2 電站進(jìn)水口布置

電站上游河床的天然地面高程在295.00～300.00 m,結(jié)合施工導(dǎo)流及建筑物布置進(jìn)行開挖,開挖后電站取水口上游鋪蓋頂高程為284.00 m。電站進(jìn)水口流道采用上翹布置,底板上翹23.87°,進(jìn)口底高程286.00 m,比上游鋪蓋高2 m,可防止施工導(dǎo)流期以及水庫運(yùn)用初期被水流挾帶的推移質(zhì)進(jìn)入電站進(jìn)水口。進(jìn)水口流道頂板采用27.87°上翹,進(jìn)水口設(shè)計(jì)為喇叭口型式,在正常運(yùn)行時(shí)庫水位高于進(jìn)口弧線上緣13.506 m,滿足進(jìn)水口最小淹沒深度要求,機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí),事故快速門槽處流速為1.28 m/s。

進(jìn)水口中部設(shè)2 m厚的中墩,將每臺(tái)機(jī)組的進(jìn)口流道一分為二,單孔凈寬7.0 m。進(jìn)水口順?biāo)鞣较蚍謩e布置2道攔污柵槽,由壩頂2×630 kN雙向門機(jī)啟閉,上游第2道柵槽為攔污柵工作柵槽,第1道柵槽為備用槽,同時(shí)兼作清污抓斗工作槽。攔污柵后設(shè)機(jī)組事故快速門槽,事故快速門由壩頂固定油壓啟閉機(jī)啟閉。

壩頂公路位于壩頂門機(jī)與廠房上游側(cè)墻之間,為下部空腔、上部板梁結(jié)構(gòu)路面形式,既減少了混凝土用量,下部空腔又可作為通風(fēng)機(jī)房、通風(fēng)管道等的布置空間。

1.3 尾水管及尾水渠布置

機(jī)組尾水管采用彎肘形,根據(jù)水輪機(jī)流道布置,彎管末端距機(jī)組中心線水平段長6.793 m,底板高程為271.00 m,擴(kuò)散段長19.387 m,以8.92%反坡上翹,尾水管出口底高程為272.72 m。

電站尾水管中部設(shè)1.8 m厚的中墩,將尾水管形成2孔出流,尾水管出口設(shè)1道檢修門,由尾水平臺(tái)上2×320 kN單向門機(jī)啟閉。

考慮機(jī)組運(yùn)行、超高等要求,確定尾水平臺(tái)高程為298.00 m,布置有主變壓器,尾水門機(jī),同時(shí)該平臺(tái)也作為電站下游交通通道和消防通道。尾水平臺(tái)下部為空腔結(jié)構(gòu),分3層布置。高程291.00 m層布置10 kV開關(guān)柜、勵(lì)磁盤、勵(lì)磁變壓器、主變壓器事故油池、通風(fēng)機(jī)等設(shè)備；高程285.30 m層為電纜層；高程281.00 m層為通道,通過該層可進(jìn)入蝸殼和尾水管。

2 電站廠房設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 基礎(chǔ)防滲措施優(yōu)化

電站基礎(chǔ)為軟弱砂巖,透水性強(qiáng),可灌性差,基礎(chǔ)在有限的深度范圍內(nèi)沒有相對(duì)隔水層,如采用防滲帷幕,則帷幕為懸掛式,按電站的結(jié)構(gòu)布置,建基面呈前部高后部低的臺(tái)階式,灌漿廊道處建基面高出機(jī)組中部10 m,帷幕為懸掛式,經(jīng)計(jì)算,帷幕的作用沿深度變化防滲效果不明顯。

根據(jù)工程地質(zhì)條件及建基面開挖情況,經(jīng)綜合比較分析,取消了防滲帷幕方案,進(jìn)而采用電站上游長約42 m的混凝土防滲鋪蓋,電站下游護(hù)底底部排水的防滲措施。計(jì)算及監(jiān)測結(jié)果表明,電站基礎(chǔ)各部位滲透比降均小于基礎(chǔ)允許滲透比降,防滲措施是合理的,既解決了基礎(chǔ)滲流穩(wěn)定問題,保證了建筑物的安全,又節(jié)省了投資,保證了工期。

2.2 蝸殼、尾水肘管設(shè)置鋼襯

電站為低水頭河床徑流式,采用梯形斷面鋼筋混凝土蝸殼,彎形尾水管。由于蝸殼及尾水肘管形狀復(fù)雜,需制作異型模板進(jìn)行混凝土澆筑,而當(dāng)?shù)啬苤谱鳟愋湍０宓母呒?jí)工極少,模板制作周期長,且當(dāng)?shù)啬静暮看?制作的木模板變形大,易開裂,控制精度低,異型模板制作難度很大。綜合考慮后,對(duì)蝸殼內(nèi)壁側(cè)立面及頂板、尾水肘管等部位設(shè)置鋼襯,消除了異型模板對(duì)施工的影響,縮短了工期,同時(shí)也避免了溫度裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)正常使用及耐久性的影響。

2.3 事故快速門設(shè)置及油泵、控制設(shè)備優(yōu)化布置

電站進(jìn)口流道較短,按國內(nèi)規(guī)范,電站進(jìn)水口設(shè)置檢修門即可滿足要求,但考慮電站為剛果國家電網(wǎng)中的骨干電站,在承擔(dān)基荷發(fā)電的同時(shí),還要承擔(dān)電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻等多項(xiàng)任務(wù),且該國水電站運(yùn)行人員的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)較少,按業(yè)主及德方咨詢工程師的要求,電站進(jìn)口設(shè)置事故快速門,由布置在壩頂?shù)墓潭ㄓ蛪簡㈤]機(jī)啟閉。

結(jié)合事故快速門的設(shè)置,在2#機(jī)組段壩頂下部空腔內(nèi)設(shè)置305.80 m高程平臺(tái),形成7.0 m×17.5 m的房間,作為事故快速門油缸及控制設(shè)備的布置場地,解決了壩頂空間有限,無法布置油泵房的問題,將此處布置為油泵房,能充分利用壩頂公路下的空間,方便液壓管線的布置,同時(shí)管線也較短。

將現(xiàn)地控制盤布置在廠房上游實(shí)體墻頂部,即廠內(nèi)橋機(jī)上游軌道與上游填充墻之間,盤柜操作面板朝向上游,操作面板處上游墻壁開孔,操作人員站在壩頂即可進(jìn)行閘門的現(xiàn)地操作,方便、可視。

2.4 廠房上游管道廊道、通風(fēng)廊道的布置

電站流道進(jìn)口上部設(shè)置斷面尺寸為1.5m×3.8 m(寬×高)的管道廊道和斷面尺寸為1.6 m×2.6 m(寬×高)的通風(fēng)廊道,底部高程分別為292.45 m和293.65 m,廊道右端延伸至安裝場下的通風(fēng)機(jī)房,左端至4#機(jī)組段,貫通全廠的油、氣、水主管及廠房水輪機(jī)層送風(fēng)管均集中布置在此廊道內(nèi),廊道通過下游側(cè)門與主廠房水輪機(jī)層連通,檢修維護(hù)方便。

管線的集中布置,避免了對(duì)水輪機(jī)層其它設(shè)備布置及交通的干擾,使得主廠房水輪機(jī)層簡潔寬敞,極大地優(yōu)化了內(nèi)部空間,同時(shí),在電站進(jìn)口流道上部混凝土厚度較大的部位開設(shè)廊道,既沒有造成該部位的應(yīng)力集中,又節(jié)省了混凝土用量。

2.5 V形屋面板的采用

本工程主廠房屋面原設(shè)計(jì)為鋼網(wǎng)架和輕型板材結(jié)構(gòu),考慮到當(dāng)?shù)夭牧先狈?鋼網(wǎng)架及輕型板材均需從中國采購,周期長、成本高,將屋面結(jié)構(gòu)改為V形預(yù)應(yīng)力混凝土板結(jié)構(gòu),既解決了材料供應(yīng)問題,降低了工程造價(jià),同時(shí)相比鋼網(wǎng)架屋面,V形板還具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)屋面承重結(jié)構(gòu)與屋面防護(hù)結(jié)構(gòu)合為一體,一次預(yù)制成型,減小了屋頂施工對(duì)電站混凝土施工及機(jī)組安裝的影響。

(2)屋面結(jié)構(gòu)吊裝簡單快捷,可縮短屋面施工工期,這在現(xiàn)場施工過程中得到了很好的驗(yàn)證。

(3)采用V形屋面結(jié)構(gòu)可降低廠房高度1.0～1.5 m。

(4)相比鋼結(jié)構(gòu)輕型板材屋面,V形混凝土板抗火災(zāi)能力更強(qiáng),提高了建筑物整體的防火等級(jí)。

2.6 尾水平臺(tái)布置優(yōu)化

電站尾水管擴(kuò)散段長19.387 m,在尾水平臺(tái)下游側(cè)設(shè)置牛腿,使得電站下游形成了寬21.5 m的尾水平臺(tái)。通過優(yōu)化布置,在現(xiàn)有平面尺寸內(nèi),集中布置了尾水門機(jī)、主變壓器及檢修運(yùn)輸軌道、消防通道和出線。

通過下游側(cè)懸挑牛腿,尾水門機(jī)布置在電站最下游側(cè),為主變壓器及運(yùn)輸通道的布置讓出了空間,尾水門機(jī)軌距5.5 m。主變壓器緊靠主廠房下游墻布置,在變壓器下游側(cè)布置運(yùn)輸軌道,供變壓器檢修時(shí)返回安裝間用,運(yùn)輸軌道借用1條門機(jī)上游側(cè)軌道,充分利用了尾水平臺(tái)的現(xiàn)有寬度。同時(shí)變壓器運(yùn)輸通道也作為主廠房消防通道,并在4#機(jī)組段尾水平臺(tái)設(shè)置消防車回車場。

將出線架布置在主廠房下游側(cè)排架柱頂部,既不占尾水平臺(tái)空間,又充分利用了排架柱的高度,出線從門機(jī)上跨過,直接引至電站下游開關(guān)站。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 電站壩段穩(wěn)定控制

電站基礎(chǔ)白堊系砂巖具有結(jié)構(gòu)均勻、高孔隙率、強(qiáng)透水、弱膠結(jié)的特征,易滲流破壞。根據(jù)地質(zhì)條件及建基面呈臺(tái)階狀開挖情況,采取了一系列控制滲流穩(wěn)定的優(yōu)化措施,具體為電站上游設(shè)置長約42 m的混凝土防滲鋪蓋延長滲徑,電站下游護(hù)底處設(shè)置排水減壓措施。為防止?jié)B透破壞,電站上游廊道處不設(shè)排水孔,下游護(hù)底排水減壓處設(shè)置嚴(yán)密的反濾措施進(jìn)行保護(hù)。

3.2 電站廠房結(jié)構(gòu)措施

電站廠房為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),其中發(fā)電機(jī)層以下為大體積混凝土結(jié)構(gòu),發(fā)電機(jī)層以上為板梁結(jié)構(gòu)和排架結(jié)構(gòu),屋架為V形預(yù)應(yīng)力混凝土板。廠房設(shè)計(jì)過程中,對(duì)不同部位分別進(jìn)行了結(jié)構(gòu)計(jì)算,并采取相應(yīng)的結(jié)構(gòu)措施。此處僅對(duì)下部結(jié)構(gòu)中體型及應(yīng)力相對(duì)復(fù)雜的蝸殼和尾水管作簡單介紹。

3.2.1 蝸殼結(jié)構(gòu)計(jì)算與防滲措施

電站混凝土蝸殼結(jié)構(gòu)體型較為復(fù)雜,采用簡單的切取Γ形框架的計(jì)算方法很難反映蝸殼結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況。本工程蝸殼結(jié)構(gòu)分析采用三維有限元分析法進(jìn)行空間計(jì)算?；炷廖仛び?jì)算邊界左、右側(cè)取至壩縫,上游取至樁號(hào)壩0+005.50,下游取至樁號(hào)壩0+026.50,蝸殼底部為全約束。

從計(jì)算結(jié)果分析,蝸殼應(yīng)力值主要受水擊壓力控制,蝸殼0°角斷面的應(yīng)力水平不高,主拉應(yīng)力值在700 kPa左右。經(jīng)計(jì)算,蝸殼0°～90°范圍蝸殼側(cè)壁外側(cè)受力配筋率較小,按限制裂縫寬度需要配置鋼筋即可,配筋率在正常范圍內(nèi)；蝸殼內(nèi)側(cè)受力較小,按構(gòu)造要求配置鋼筋。90°～215°范圍由于孔口逐漸縮小,應(yīng)力也隨之降低,內(nèi)外側(cè)均按構(gòu)造配置鋼筋即可滿足要求。

由于混凝土蝸殼結(jié)構(gòu)桿件粗厚,按理論計(jì)算的溫度應(yīng)力值往往很大。本工程采取施工期分層、分塊等措施釋放溫度應(yīng)力,按限制裂縫開展寬度設(shè)計(jì)。同時(shí)在蝸殼內(nèi)壁頂部及側(cè)立面設(shè)有鋼襯,可有效避免溫度裂縫影響蝸殼的正常使用及耐久性。

3.2.2 尾水管結(jié)構(gòu)分析

為了解尾水管部位的受力狀況,在尾水管沿垂直水流方向切取斷面,按桿單元進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算斷面分別取尾水管出口處樁號(hào)壩0+040.675處斷面和彎管段末端樁號(hào)壩0+021.386處斷面,流道均為矩形斷面。計(jì)算斷面均簡化為平面應(yīng)力問題,取1 m寬度進(jìn)行計(jì)算,考慮壁厚影響,計(jì)剛性節(jié)點(diǎn)的影響系數(shù)。

荷載包括:自重,內(nèi)、外水壓力,揚(yáng)壓力和地基反力。

采用美國SupperSAP通用結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力分析程序進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。從計(jì)算結(jié)果看,機(jī)組檢修及機(jī)組未安裝2種工況下應(yīng)力較大,尤以底板應(yīng)力最大,因此,尾水管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受以上2種工況控制。根據(jù)控制工況進(jìn)行混凝土強(qiáng)度計(jì)算:彎管末端斷面內(nèi)力較大,按內(nèi)力大小配置鋼筋,并在內(nèi)部設(shè)置鋼襯；尾水管斷面由于有中墩,單孔跨度小,計(jì)算內(nèi)力較彎管末端斷面小得多,但由于底板和側(cè)墻混凝土較厚,基本以限制裂縫寬度要求,構(gòu)造配筋即可。

電站投入運(yùn)行后尾水管長期處于水下,受溫度變化的影響較小,對(duì)減小混凝土干縮有利。施工期的溫度應(yīng)力采取合理的分層、分塊澆筑混凝土方式解決,尾水管結(jié)構(gòu)按限制裂縫寬度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.3 混凝土溫度控制措施

本工程電站廠房混凝土結(jié)構(gòu)尺寸不大,均在混凝土施工規(guī)范允許的溫度控制范圍之內(nèi),而工程區(qū)多年平均氣溫為26.3℃,絕對(duì)最高氣溫37.6℃,絕對(duì)最低氣溫14.5℃,最大濕度94%,最小濕度64%,溫差小,濕度大,氣溫條件對(duì)混凝土澆筑較為有利。

在充分分析以上有利條件后,工程沒有考慮專門的溫度控制措施,對(duì)混凝土入倉溫度也沒有嚴(yán)格限制,而是通過合理分層分塊、加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)、表面覆蓋避免強(qiáng)日光照射等措施解決溫控問題。現(xiàn)場施工過程表明,本工程溫控措施的選擇是合理的,不僅降低了混凝土施工成本,加快了施工進(jìn)度,整個(gè)電站混凝土澆筑期間,也沒有出現(xiàn)大的影響結(jié)構(gòu)安全的溫度裂縫。

4 結(jié) 語

英布魯水電站的主要任務(wù)是發(fā)電,建成后將成為剛果 (布)電力系統(tǒng)的骨干電站,不但要承擔(dān)基荷發(fā)電任務(wù),還要承擔(dān)電力系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻,重要程度可見一斑。

通過選擇合理的基礎(chǔ)防滲方案,蝸殼、尾水肘管設(shè)置鋼襯,進(jìn)口事故快速門油泵、控制設(shè)備的布置,設(shè)置集中的管道廊道和通風(fēng)廊道,采用V形屋面板等優(yōu)化措施,電站得以在物質(zhì)極度匱乏、施工條件差的非洲順利建成,4臺(tái)機(jī)組均一次試運(yùn)行成功,目前電站運(yùn)行正常,為今后在同類地區(qū)修建類似工程積累了成功經(jīng)驗(yàn)。