吉沙水電站發(fā)電系統(tǒng)布置與設(shè)計

韓小鳴，張大成，曹廣勛，梁健龍，張慧敏，杜賢軍

（中國水電顧問集團(tuán)北京勘測設(shè)計研究院，北京 100024）

吉沙水電站總裝機(jī)容量120 MW （2×60 MW），發(fā)電額定水頭485.0 m，是一座以發(fā)電為主的水電站。電站采用引水式開發(fā)，廠房設(shè)于全長15.58 km的引水系統(tǒng)末端，采用岸邊式地面廠房形式，內(nèi)設(shè)立軸水斗式?jīng)_擊水輪機(jī)組。發(fā)電系統(tǒng)主要由廠區(qū)建筑物、主副廠房、尾水渠、開敞式開關(guān)站等部分組成，布置設(shè)計主要包括：廠區(qū)建筑物布置、主副廠房布置及其結(jié)構(gòu)設(shè)計、開關(guān)站布置、廠房后邊坡開挖支護(hù)設(shè)計等。

本工程為Ⅲ等工程，其主要建筑物廠房和開關(guān)站等為3級建筑物，次要建筑物為4級建筑物。設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，相應(yīng)洪峰流量為370 m3/s，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200 a一遇，相應(yīng)洪峰流量為501 m3/s。工程所在區(qū)域地震動峰值加速度為0.2 g，動反應(yīng)特征周期為0.4 s，工程所在的大中甸地區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度，廠房設(shè)防烈度8度。

1 廠區(qū)布置

廠房設(shè)計和校核洪水尾水位分別為2 584.15 m和2 584.67 m，廠區(qū)布置在花椒坡村河床左岸較為平坦的灘地上，平臺高程2 599.20 m。

廠區(qū)內(nèi)主要布置有：主機(jī)間、安裝間、上下游副廠房、尾水渠、開關(guān)站、機(jī)修間等建筑物。主廠房內(nèi)布置2臺機(jī)組，左端布置安裝間，上、下游側(cè)分別布置電氣副廠房和尾水副廠房。上游副廠房的上游側(cè)設(shè)6 m寬的消防通道，主廠房下游側(cè)的尾水平臺上布置兩臺主變壓器，安裝間下游側(cè)布置機(jī)組檢修間。進(jìn)水管以埋管形式垂直進(jìn)入廠房。發(fā)電尾水自下游尾水箱涵以無壓流方式，通過0.2%的縱坡流向碩多崗河主河道。開關(guān)站布置于廠房尾水平臺下游側(cè)，地坪高程2 596.50 m。進(jìn)廠公路從廠區(qū)左側(cè)進(jìn)場，在距廠房約200 m處分叉，分別通往廠前區(qū)和開關(guān)站。

為減少工程量，節(jié)省工程投資，廠區(qū)采用半挖半填臺階式布置形式，形成廠區(qū)平臺和開關(guān)站平臺。廠前區(qū)地坪采用200 mm厚C30 F150二級配混凝土鋪設(shè)。

2 廠房布置

2.1 廠房總體布置

2.1.1 廠房控制高程

沖擊式水輪機(jī)組安裝高程須高于下游最高尾水位3.5 m。下游最高尾水位為2 584.67 m，結(jié)合地形、地質(zhì)條件及開挖、回填工程量，水輪機(jī)的安裝高程取2 588.50 m。

廠房基礎(chǔ)高程由機(jī)組安裝高程、尾水管高度和尾水管底板厚度等因素決定。吉沙水電站尾水為無壓明流，考慮到單機(jī)引用流量14.37 m3/s、廠房尾水下游河道河床底高程2 576.00 m、尾水流道寬5 m、控制流道中最高校核洪水位2 584.67 m，低于頂板，并留有不少于0.7 m的通氣高度等因素，確定電站尾水底板高程為2 582.50 m，相應(yīng)廠房建基高程為2 579.00 m。

球閥層地面高程由水輪機(jī)檢修通道和球閥安裝、運輸布置要求，確定為2 585.70 m。

水輪機(jī)層地面高程，即進(jìn)水管上部外包混凝土頂部高程。為使上部荷載能均勻下傳，按外包混凝土厚度不小于1.5 m控制，并滿足上游球閥安裝和廊道交通要求，確定水輪機(jī)層地面高程為2 590.50 m。

在發(fā)電機(jī)層和水輪機(jī)層之間布置母線層以滿足母線布置要求。由于母線層布置了發(fā)電機(jī)斷路器等設(shè)備，層高要求較高，其地面高程取為2 594.00 m。

發(fā)電機(jī)層地面高程以發(fā)電機(jī)和大軸的高度以及下部母線夾層設(shè)備布置要求決定，確定為2 599.20 m。

廠房吊車軌頂高程由吊運最大設(shè)備及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子帶軸的高度控制，吊車采用單鉤起吊，考慮其下緣和發(fā)電機(jī)層地面留有一定的安全距離以及吊車本身的設(shè)計參數(shù)，確定廠房吊車軌頂高程為2 610.20 m。

廠房屋架底高程考慮廠房吊車高度、吊車距屋面梁安全距離等因素，確定為2 614.50 m。

2.1.2 廠房平面控制尺寸

1號機(jī)組段為右側(cè)邊機(jī)組段，－X向長度由發(fā)電機(jī)尺寸和吊鉤限制線控制，+X方向由進(jìn)水管和球閥布置尺寸控制，并考慮垂直交通的布置要求。根據(jù)風(fēng)罩內(nèi)徑8 m，風(fēng)罩壁厚0.8 m，吊鉤限制線距廠房山墻距離5.5 m，確定1號機(jī)組段長度為20 m。

2號機(jī)組段位于1號機(jī)組段和安裝間之間，雖不受吊鉤限制線的影響，但考慮廠房整體設(shè)備布置要求，確定2號機(jī)組段長度為19 m。

廠房機(jī)組縱軸線上游側(cè)寬度根據(jù)進(jìn)水管進(jìn)口球閥的設(shè)置確定為11.50 m。機(jī)組縱軸線下游側(cè)寬度除考慮發(fā)電機(jī)尺寸及機(jī)旁盤等設(shè)備布置外，還應(yīng)考慮廠內(nèi)交通要求，最終確定為9.5 m。主廠房寬21 m。

安裝間長度按滿足1臺機(jī)安裝檢修時布置轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)輪和定子、上機(jī)架等部件和所需的檢修通道以及廠內(nèi)吊車運用要求控制，確定按19.00 m設(shè)置。

最終廠房平面尺寸確定為：廠房機(jī)組段長度為39 m，安裝場長度為19 m，主廠房總長度為58 m，主廠房寬度為21 m。

2.2 主機(jī)間布置

主機(jī)間共分5層，自上而下分別為發(fā)電機(jī)層、母線層、水輪機(jī)層、球閥層和尾水層。

2.2.1 發(fā)電機(jī)層

發(fā)電機(jī)層中央為兩臺發(fā)電機(jī)組，各機(jī)組段上游邊墻處布置有1排機(jī)旁動力盤以及為滿足球閥垂直運輸而設(shè)置的4 m×3.5 m球閥吊物孔，下游側(cè)靠邊墻布置1排勵磁盤和現(xiàn)地控制保護(hù)盤。在第IV象限布置水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪起吊孔，孔口尺寸為3.2 m×3.2 m。

主廠房內(nèi)起吊最重件為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，其質(zhì)量約140 t，選擇1臺1 600 kN/3200 kN的單小車橋式起重機(jī)。主鉤限制線上游側(cè)為1.5 m，下游側(cè)為1.95 m，山墻端頭側(cè)均為5.5 m。

2.2.2 母線層

母線層發(fā)電機(jī)周圍風(fēng)罩為圓形混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑8 m，外徑9.6 m，風(fēng)罩結(jié)構(gòu)厚0.8 m，在風(fēng)罩＋Y方向為機(jī)組主引出線位置。母線層除布置與上層對應(yīng)的樓梯和吊物孔外，還布置有主引出線、發(fā)電機(jī)中性點設(shè)備和動力、控制電纜、油壓裝置、調(diào)速器等。

2.2.3 水輪機(jī)層

水輪機(jī)層中間圓形機(jī)墩內(nèi)徑5.14 m，壁厚2.225 m，機(jī)坑進(jìn)人孔布置在第三象限內(nèi)偏向第四象限。

2.2.4 球閥層

球閥層主要布置有進(jìn)水管和球閥，其中上游球閥檢修廊道寬3.25 m，球閥下部布置球閥支墩，球閥中心高程同機(jī)組安裝高程，為2 588.50 m。在機(jī)組第II象限內(nèi)布置轉(zhuǎn)輪檢修廊道，廊道寬3.2 m，通至吊物孔位置，以便轉(zhuǎn)輪垂直起吊。

2.2.5 尾水層

尾水層主要是機(jī)組尾水流道，對應(yīng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪下部為直徑6.52 m的圓形結(jié)構(gòu)，再通過一矩形流道，將水流引至尾水渠。尾水層底板坐落在板巖基礎(chǔ)上。

2.3 安裝間布置

安裝間布置在2號機(jī)組段左側(cè)，從地面往下共分3層布置。

第1層地面高程為2 599.20 m，與主機(jī)間發(fā)電機(jī)層同高。機(jī)組縱軸線上游側(cè)布置定子檢修支墩孔，設(shè)有轉(zhuǎn)子及定子檢修基礎(chǔ)。下游墻靠2號機(jī)組段處布置2號樓梯通至下層。進(jìn)廠大門設(shè)置于本層左側(cè)，主變檢修軌道由進(jìn)廠大門鋪設(shè)到安裝間內(nèi)。

第2層地面高程為2 594.00 m，與母線層同高，層內(nèi)各室隔墻厚0.4 m。在靠左端墻處布置壓氣罐室，平面尺寸5.34 m×19.4 m?？?號機(jī)組段側(cè)布置高、低壓空壓機(jī)室和工具間等。下游墻處布置樓梯通至下層。

第3層地面高程為2 589.00 m，層內(nèi)各室隔墻厚0.4 m?？孔蠖藟μ幉贾猛钙接凸奘遥矫娉叽?.84 m×18.0 m。油罐室外布置透平油處理室和烘箱室，在油處理室下部布置8 m×4 m的事故油池，油池地面高程為2 584.40 m?？繖C(jī)組段側(cè)設(shè)置了全廠通風(fēng)機(jī)室。

2.4 上、下游副廠房布置

2.4.1 上游副廠房

上游副廠房與主廠房同長，總長度為58 m，寬度為9 m。共分為5層 （安裝間段4層），地面以上3層，地面以下主機(jī)間段兩層，安裝間段1層。第1層 (頂層)地面高程為2 607.20 m，從右至左分別布置有直流盤室、蓄電池室、通信室、線路保護(hù)室等；第2層為電纜夾層，地面高程為2 604.20 m；第3層與發(fā)電機(jī)層同高，布置有備品備件室、儀表試驗室、機(jī)電保護(hù)試驗室會議室等。中控室和計算機(jī)室布置在安裝間上游側(cè)，總長19 m，寬9 m；第4層與母線層同高，布置有通風(fēng)機(jī)室、低壓配電盤室和開關(guān)柜室等；第5層為電纜層，地面高程與水輪機(jī)層同高。

2.4.2 下游副廠房

下游副廠房和主機(jī)間對應(yīng)，共分5層。第1層即尾水平臺，總寬12.3 m，總長39 m，布置有兩臺主變壓器，變壓器下為集油坑。主變下游側(cè)布置主變運輸通道，通向安裝間，滿足主變進(jìn)廠檢修要求。；第2層地面高程為2 594.00 m，有10 kV開關(guān)柜、發(fā)電機(jī)斷路器柜等設(shè)備各兩套，對應(yīng)兩臺機(jī)組布置；第3層地面高程為2 590.50 m，主要布置勵磁變等，在兩端布置電纜層；第4層地面高程為2 586.70 m，為水泵層；第5層地面高程為2 580.00 m，為尾水層。尾水流道自水輪機(jī)流道出口寬度為7.9 m經(jīng)8.5 m長靜水池后漸縮為寬3.0 m，進(jìn)入尾水渠。

2.5 尾水建筑物

尾水建筑物主要為尾水明渠，布置在廠房下游側(cè)與廠房縱軸線垂直,渠道為矩形截面鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，截面凈寬3 m，順?biāo)鞣较虮３智敻叱滩蛔?，渠底?.2%縱坡排向下游碩多崗河，渠道進(jìn)口處凈高3.2 m，長約80 m，最大運行水深2.42 m。

尾水渠出口段系碩多崗河大回彎處，江岸平直，落差較大，水流較快，河床裸露巖石，因此不會出現(xiàn)嚴(yán)重的淤積現(xiàn)象。尾渠末端采用漿砌石及鉛絲石籠護(hù)根。同時在尾水渠出口左右約總長223 m的范圍內(nèi)設(shè)置砌石護(hù)坡及鉛絲籠護(hù)根。

3 廠房主要結(jié)構(gòu)布置

廠房主要混凝土結(jié)構(gòu)按澆筑順序分為一、二期混凝土，在地面以下 (2 599.20 m高程以下)的一期混凝土結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土底板、墻體結(jié)構(gòu)，二期混凝土包括風(fēng)罩、機(jī)墩、配水環(huán)管外包混凝土及主機(jī)間內(nèi)各層樓板結(jié)構(gòu)。地面以上 (2 599.20 m高程以上)采用排架和框架結(jié)構(gòu)。

整個主、副廠房在1號與2號機(jī)組段間及2號機(jī)組段與安裝間段間設(shè)結(jié)構(gòu)縫，縫寬2cm?？p內(nèi)上、下游及底面設(shè)651型橡膠止水帶?？p內(nèi)填高發(fā)泡聚乙稀閉孔泡沫塑料板。

3.1 主廠房一期混凝土結(jié)構(gòu)布置

發(fā)電機(jī)層2599.20m高程以下一期混凝土主要包括尾水管底板、上下游副廠房及安裝間底板、上下游副廠房四周混凝土墻體、安裝間四周混凝土墻體、主機(jī)間四周混凝土墻體、上下游副廠房及安裝間發(fā)電機(jī)層以下樓面及樓面板梁柱結(jié)構(gòu)。

發(fā)電機(jī)層2 599.20 m高程以上主廠房一期混凝土采用排架結(jié)構(gòu)，1、2號及安裝間上下游各布置12根排架柱，結(jié)構(gòu)縫處采用雙柱形式。排架柱自地面以下水輪機(jī)層向上伸至屋架底部，頂端部作為網(wǎng)架支點，下柱截面1.5 m×0.8 m，上柱截面0.8 m×0.8 m。在上、下柱交接面處外伸吊車梁牛腿支承C35預(yù)制混凝土吊車梁，梁高1.4 m，矩形截面。吊車梁頂部橋機(jī)軌道頂部高程2 610.20 m。

上游副廠房采用框架結(jié)構(gòu)。上游側(cè)在上游副廠房2 599.15 m以下混凝土墻體結(jié)構(gòu)頂部起柱，柱截面尺寸0.5 m×0.5 m，直達(dá)屋頂，結(jié)構(gòu)縫處采用雙柱形式。下游側(cè)與主機(jī)間、安裝間共用排架柱，每層樓板的主梁直接搭接于主廠房排架柱上，排架柱間在樓面高程處的聯(lián)系梁同時又是副廠房的框架梁。上游副廠房每層樓板厚度為0.15～0.12 m。采用主次梁傳力結(jié)構(gòu)，次梁設(shè)于走廊隔墻下部。在每層樓板上按建筑通風(fēng)及機(jī)電設(shè)備安裝要求留孔。

3.2 廠房二期混凝土結(jié)構(gòu)布置

二期混凝土結(jié)構(gòu)主要包括配水環(huán)管外包混凝土、機(jī)墩、風(fēng)罩和各層二期混凝土樓面板。

（1）配水環(huán)管外包混凝土。配水環(huán)管外包混凝土內(nèi)徑6.52 m。外側(cè)為14.5 m×18 m的矩形平面。在大體積混凝土中設(shè)有7邊形轉(zhuǎn)輪吊物孔及矩形轉(zhuǎn)輪水平運輸通道。

（2）機(jī)墩。機(jī)墩采用圓筒式混凝土機(jī)墩,底部固結(jié)在配水環(huán)管外包混凝土頂板大體積混凝土上，上部與風(fēng)罩連接。機(jī)墩的下部圓筒內(nèi)側(cè)半徑2.57 m，外側(cè)半徑4.8 m，壁厚2.23 m；中部內(nèi)側(cè)半徑1.95 m，外側(cè)半徑為4.8 m，壁厚2.85 m；上部內(nèi)側(cè)半徑2.57 m，外側(cè)半徑4.8 m，壁厚2.23 m。機(jī)墩右側(cè)設(shè)1個寬度為1.5 m的機(jī)坑進(jìn)人通道。

（3）風(fēng)罩。風(fēng)罩為現(xiàn)澆整體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其上部與發(fā)電機(jī)層樓板整體連接，下部與機(jī)墩環(huán)向連接，是薄壁圓筒式結(jié)構(gòu)。外徑9.6 m，內(nèi)徑8 m，壁厚為0.8 m，頂高程2 599.15 m，底高程2 594.09 m，高度為5.06 m。風(fēng)罩壁開有引出母線孔、中性點引出線孔及風(fēng)罩進(jìn)人門等孔洞。

（4）主機(jī)間二期混凝土樓板。主機(jī)間內(nèi)各層二期混凝土樓板結(jié)構(gòu)厚0.7～0.45 m，上下端分別與風(fēng)罩、機(jī)墩、配水環(huán)管外包混凝土整體連接。主要承受樓板自重、裝修荷載、機(jī)電盤柜荷載、活荷載。

4 廠房基礎(chǔ)處理及后邊坡開挖支護(hù)設(shè)計

4.1 基底固結(jié)灌漿

在主、副廠房底部巖基作固結(jié)灌漿處理。固結(jié)灌漿采用普通硅酸鹽水泥，按分序加密、先外圍后中央的原則，采用全孔一次灌漿法，分兩個次序施工。固結(jié)灌漿孔孔徑59 mm，間排距2 m×2 m?？咨钤谥鳈C(jī)間和上下游副廠房底部入巖5 m，在安裝間底部入巖8 m。

4.2 廠房后邊坡開挖支護(hù)

經(jīng)有限元分析數(shù)值模擬計算及極限平衡分析，根據(jù)計算結(jié)果及工程類比確定支護(hù)方式、參數(shù)。并在實際施工過程中，根據(jù)邊坡實際開挖揭示出來的地質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)整后最終形成如下邊坡設(shè)計：

整個邊坡共設(shè)5級馬道。高程2 599.15～2 680.00 m，邊坡根據(jù)覆蓋層 （全風(fēng)化）和崩坡積體穩(wěn)定永久邊坡坡比1:1.5進(jìn)行開挖，設(shè)φ90 mm排水孔，孔內(nèi)插φ80 mm塑料盲溝排水，孔深5 m，孔距4 m×4 m，仰角10°。打丁字形土錨釘，掛鋼筋網(wǎng)噴0.15 m厚混凝土。并在局部欠挖區(qū)域設(shè)打1 000 kN預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)。

2 680.00 m高程以上按強(qiáng)風(fēng)化體進(jìn)行開挖支護(hù)設(shè)計，高程2 680.00 m～2 710.00 m按照1:0.5進(jìn)行開挖，2710.00m～頂邊坡頂部按照1:0.75進(jìn)行開挖。均設(shè)φ56 mm@8 m×8 m排水孔，φ22 mm@2 m×2 m系統(tǒng)錨桿并掛φ6 mm@0.2 m×0.2 m鋼筋網(wǎng)，噴0.15 m厚混凝土支護(hù)。

為避免滾石和山坡洪水沖擊廠房，在后山坡從上往下分別在高程2 680.00、2 650.00、2 620.00 m設(shè)置漿砌石截水墻，墻高1 m，頂寬0.6 m。

由于電站廠區(qū)后山坡較高，為防止較大落石對廠房造成危害，在廠區(qū)內(nèi)后山坡與廠房間，距廠房6 m處設(shè)置漿砌石擋渣墻阻擋落石。墻體布置自廠區(qū)右側(cè)經(jīng)廠房上游側(cè)延伸到廠區(qū)左側(cè)進(jìn)廠公路終點。擋渣墻高3 m，頂寬0.5 m，上游側(cè)直立，下游側(cè)坡比1:0.4。

5 開關(guān)站布置

開關(guān)站布置在主廠房下游的臺地上，與廠房平行布置，地面高程為2 596.50 m，高于千年洪水位。其上游圍墻距機(jī)組縱軸線21.9 m，面積為104 m×45 m。整個場地為半挖半填形成。

電站共設(shè)兩回220 kV輸電線路，自下游副廠房頂部出線點接至開關(guān)站進(jìn)線構(gòu)架，經(jīng)母線構(gòu)架傳輸至左側(cè)出線構(gòu)架輸出。開關(guān)站四角及上游側(cè)共設(shè)有5個30 m高避雷針。

開關(guān)站內(nèi)電氣構(gòu)、支架采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土基礎(chǔ)。場地四周設(shè)3.5 m寬環(huán)場公路。場地采用磚砌圍墻與外界建筑物隔離，圍墻高2.5 m。