三間房水電站燈泡貫流式機(jī)組廠房設(shè)計(jì)

劉金巖 蘇道峰

（吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 吉林長(zhǎng)春 130021）

1 工程概況

牡丹江市三間房水電站坐落于牡丹江干流上，位于牡丹江市西安區(qū)溫春鎮(zhèn)老黑山村下游1.4km處，上游距鏡泊湖發(fā)電廠100km，距石頭發(fā)電廠約50km，距石頭水文站46.7km，距溫春鎮(zhèn) 12km，下游距牡丹江市區(qū) 14km。流域面積16664km2，占全流域面積的44.3%。牡丹江為松花江第二大支流，發(fā)源于長(zhǎng)白山牡丹嶺，由吉林省敦化市境內(nèi)流入鏡泊湖，河流大致近南北向，全長(zhǎng)725km，平均坡降1.39‰，總落差為1007m，流域面積37600km2。

在牡丹江干流上自鏡泊湖發(fā)電廠下游依次開發(fā)了保溫電站、紅衛(wèi)（1）電站、紅衛(wèi)（2）電站、紅農(nóng)電站、阿堡電站、青年電站、渤海電站、石頭電站、蓮花電站、晨光電站等水電站，還有紅巖電站、蘭崗電站、橡膠壩1# 電站、橡膠壩2# 電站、二道溝電站、白虎哨電站等待建電站。本工程是牡丹江干流水電開發(fā)規(guī)劃（鏡泊湖電站—晨光電站之間）的梯級(jí)水電站中的一級(jí)擬建電站，是一座以水力發(fā)電為主的工程。同時(shí)為充分利用當(dāng)?shù)厮苜Y源，發(fā)揮水資源綜合效益，促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，緩解水、火電源失衡現(xiàn)象，從而在牡丹江干流上開發(fā)建設(shè)本工程。

三間房水電站為河床徑流式水電站。電站主體建筑物包括七孔泄洪閘、廠房、升壓站等，樞紐布置采用“左泄洪閘、右廠房”的布置型式。電站采用燈泡貫流式機(jī)組，單機(jī)容量 3000KW，機(jī)組臺(tái)數(shù)為4臺(tái)，總裝機(jī)容量12MW，電站設(shè)計(jì)保證率為90%，水庫(kù)總庫(kù)容為2143萬(wàn)m3。多年平均發(fā)電量為4497×104kWh，年利用小時(shí)3748h。電站最大水頭為7.38m，最小水頭為2.5m。

2 地質(zhì)概況

本區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為 0.05g，屬相對(duì)穩(wěn)定區(qū)，地震基本烈度為Ⅵ度，動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35s，抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度。

電站廠房工程地質(zhì)條件：設(shè)計(jì)基礎(chǔ)座于粉砂質(zhì)泥巖和中～粗砂巖中，巖體透水率 13.9Lu～26.1Lu，屬中等透水層，粉砂質(zhì)泥巖和中～粗砂巖均半成巖，弱膠結(jié)，強(qiáng)度低，屬軟巖，抗滑及抗變形能力差，工程地質(zhì)條件一般。地基承載力建議值[R]：粉砂質(zhì)泥巖和中～粗砂巖280kPa～300kPa。地下水對(duì)混凝土具有分解類弱腐蝕。

3 工程等級(jí)及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2000）和《小型水力發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50071-2002）的規(guī)定，綜合確定工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型，主要建筑物為3級(jí)，次要建筑物為4級(jí)，臨時(shí)性建筑物為5級(jí)。工程等級(jí)及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)參見表1。

表1 工程等級(jí)及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)表

4 廠區(qū)布置及廠房型式的選擇

4.1 廠區(qū)布置

電站廠房屬于新建工程，布置于河床的右岸階地，左側(cè)與七孔泄洪閘相接，廠區(qū)內(nèi)主要建筑物有進(jìn)水前池、主廠房、副廠房、升壓站、尾水渠等。為滿足交通要求，在泄洪閘閘室及廠房上游設(shè)檢修橋兼做貫穿樞紐左、右岸的交通橋。廠房與泄洪閘之間上、下游設(shè)置隔墻，廠房與右岸岸坡用圓弧翼墻相連，翼墻上、下游設(shè)現(xiàn)澆混凝土板塊護(hù)坡。為了防止繞壩滲漏，在右岸圓弧翼墻側(cè)設(shè)帷幕灌漿。根據(jù)校核洪水標(biāo)準(zhǔn)和廠區(qū)建筑物布置要求，確定廠區(qū)地面高程為245.00m。廠房和升壓站均設(shè)置排水溝，且排水溝相通，通過廠房側(cè)排水溝排入廠房下游尾水渠。廠區(qū)交通采用公路進(jìn)場(chǎng)的方式，在右岸布置由溫春老道經(jīng)干溝子泵站至站址的進(jìn)場(chǎng)公路，與電站交通橋連通，交通橋頂高程與廠區(qū)地面高程相同。廠房進(jìn)口攔污柵及檢修閘門與泄洪閘檢修閘門及工作閘門共用一臺(tái)門機(jī)啟閉。此廠區(qū)布置具有布局緊湊，合理利用空間，環(huán)保節(jié)能，工程造價(jià)合理等優(yōu)點(diǎn)。

4.2 廠房型式的選擇

三間房水電站廠房的設(shè)計(jì)型式在可研、初設(shè)兩個(gè)設(shè)計(jì)階段重點(diǎn)對(duì)有代表性的軸流立式機(jī)組和燈泡貫流式機(jī)組廠房?jī)蓚€(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了詳盡的綜合比較。

軸流立式機(jī)組廠房設(shè)計(jì)方案因采用肘式尾水管設(shè)計(jì)，導(dǎo)致廠房主體的混凝土工程量增加約30%，開挖基礎(chǔ)高程加深約 4m，工程造價(jià)顯著增加；而燈泡貫流式機(jī)組廠房與之相比具有工程量較少、廠房結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了、開挖基礎(chǔ)較淺，施工工期明顯縮短，并且機(jī)組適應(yīng)工作水頭變化的范圍較大，利用效率較高，年收益多等優(yōu)點(diǎn)。另外結(jié)合電站機(jī)組水頭、直徑和轉(zhuǎn)速等主要參數(shù)，對(duì)燈泡貫流式和軸伸貫流式水輪機(jī)、機(jī)組臺(tái)數(shù)亦進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)分析比較。經(jīng)綜合分析比較，三間房水電站選用了燈泡貫流式水輪機(jī)組廠房設(shè)計(jì)方案，選擇4臺(tái)機(jī)組，單機(jī)容量3000kW。主廠房橫剖面圖如圖1所示：

圖1 三間房水電站主廠房橫剖面圖

5 廠房總體布局

5.1 進(jìn)口流道

進(jìn)水流道檢修平臺(tái)高程245.00m，流道內(nèi)設(shè)攔污柵（4孔4扇）、檢修閘門（4孔1扇），攔污柵與檢修閘門共用一臺(tái) 2×250KN雙向門式起重機(jī)操作。進(jìn)水流道順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)13.8m，寬43.8m。為使進(jìn)水口水流平順，三個(gè)中墩采用半圓弧型式，中墩厚4.4m，邊墩厚4.1m，底板厚2.0m。

5.2 主廠房

機(jī)組安裝高程：根據(jù)電站的特點(diǎn)和運(yùn)行方式，結(jié)合水輪機(jī)空蝕性能，并考慮尾水管出口淹沒深度（0.5m～1.0m）的要求，機(jī)組安裝高程按一臺(tái)機(jī)發(fā)電時(shí)的尾水位233.91m確定安裝高程（主軸中心線）為227.90m。根據(jù)機(jī)組高度和基礎(chǔ)厚度確定廠房底板建基高程為221.10m，基礎(chǔ)座落在粉砂質(zhì)泥巖上。根據(jù)機(jī)組高度、設(shè)備高度、操作空間、結(jié)構(gòu)厚度確定機(jī)組頂板高程為233.50 m；操作設(shè)備層樓面高程為239.30m；安裝間地面高程確定為245.00m；根據(jù)安裝、檢修機(jī)組起吊要求確定吊車梁頂高程為254.10m；屋面圈梁頂高程為258.00m。廠房自建基高程到屋頂總高度為36.90m。

機(jī)組進(jìn)入孔中心距轉(zhuǎn)輪中心線6.20m，廠房上游側(cè)吊車柱內(nèi)邊線距轉(zhuǎn)輪中心線為9.70m；根據(jù)機(jī)旁盤布置要求確定廠房下游側(cè)吊車柱內(nèi)邊線距轉(zhuǎn)輪中心線為 3.30m。主廠房?jī)魧挾葹?3.0m，總寬度為 15.2m。主廠房 245.00m高程以上為磚混結(jié)構(gòu)，以下全部為混凝土結(jié)構(gòu)，屋頂采用鋼桁架支撐的波紋彩鋼板結(jié)構(gòu)。

根據(jù)水輪機(jī)進(jìn)水流道寬度5.60m，結(jié)構(gòu)厚度4.40m，確定機(jī)組間距為 10.0m?？紤]整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，采用兩機(jī)一縫的結(jié)構(gòu)形式。安裝間與主機(jī)間之間設(shè)永久變形縫。分縫均從建基面高程一直到廠房屋頂。機(jī)組縱向排列順序自右向左依次為 1#、2#、3#、4#。4#機(jī)組段中心距端墻外邊線7.50m，1#機(jī)組段中心距安裝間6.3m，故確定主機(jī)間總長(zhǎng)43.8m。根據(jù)燈泡貫流機(jī)組過水流道部分尺寸，并主廠房下部順?biāo)鞣较蚩傞L(zhǎng)度，需要滿足進(jìn)口攔污柵、進(jìn)口檢修閘門、流道長(zhǎng)度、機(jī)組布置及出口尾水事故閘門布置的要求確定為42.8m。

主機(jī)間內(nèi)共設(shè)置4臺(tái)燈泡貫流機(jī)組，單機(jī)容量為 3000kW。水輪發(fā)電機(jī)組置于過水流道內(nèi)，順?biāo)飨蛞来螢檫M(jìn)口段、座環(huán)段、轉(zhuǎn)輪室和尾水管段。廠房尾水出口設(shè)一道事故檢修閘門（4孔4扇）及4臺(tái)2×100KN卷?yè)P(yáng)式快速閘門啟閉機(jī)。主廠房設(shè)置巡視層、運(yùn)行層和交通廊道層共三層布置方式，主機(jī)間發(fā)電運(yùn)行層高程為 233.50m，布置有油壓裝置和調(diào)速器等。檢修廊道層底高程為 223.50m，此層布置有軸承油箱、測(cè)量管路、排水泵等輔助設(shè)備。高位油箱布置于尾水平臺(tái)上部副廠房二層，高程249.80m。

安裝間布置在主廠房主機(jī)間右側(cè)，安裝間長(zhǎng)度為21m，寬度15.2m。安裝間高程與廠區(qū)地面同高，為245.00m。其下設(shè)2層，各層高程分別233.50m、239.30m。高程233.50m布置油罐室、油處理室、滲漏排水泵室、檢修排水泵室及樓梯間。高程239.30m布置機(jī)修設(shè)備室、空壓機(jī)室及樓梯間。

5.3 副廠房

副廠房布置在主廠房下游側(cè)尾水平臺(tái)上部，長(zhǎng)50.8m，寬9.5m，共設(shè)5層。從下至上各層高程分別為 232.30m、237.60m、240.60m、245.0m、249.80m。高程232.30m層為技術(shù)供水泵室；高程237.60m層為電纜廊道；高程240.60m層布置機(jī)組勵(lì)磁變室及高低壓開關(guān)柜室；高程245.00m層為中控室、繼電保護(hù)及通訊室、辦公區(qū)；高程249.80m層為高位油箱室、辦公生活區(qū)。副廠房屋頂采用波紋彩鋼板結(jié)構(gòu)。

升壓站為開敞式戶外式，布置于安裝間東北側(cè)，占地面積 38.0m×28.0m，站址高程為245.00m，與廠址高程一致。

6 廠房設(shè)計(jì)計(jì)算

依據(jù)《水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL266-2001）中的規(guī)定，廠房抗滑穩(wěn)定計(jì)算公式如下：

式中：K—按抗剪強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f—滑動(dòng)面的抗剪摩擦系數(shù)，取 0.4；∑W—全部荷載對(duì)滑動(dòng)面的法向分值，包括揚(yáng)壓力，kN；∑G—全部荷載對(duì)滑動(dòng)面的切向分值，包括揚(yáng)壓力，kN。

廠房抗浮穩(wěn)定計(jì)算公式如下：

式中：Kf—抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)；∑W—作用于機(jī)組段（或安裝間段）基礎(chǔ)底面上的全部重量，kN；U—作用于機(jī)組段（或安裝間段）基礎(chǔ)底面上的揚(yáng)壓力總和，kN。

廠房基礎(chǔ)應(yīng)力計(jì)算公式如下：

式中：σ—廠房地基面上法向應(yīng)力，kPa；∑W—機(jī)組段上全部荷載在計(jì)算截面上法向分力的總和，kN；A—基礎(chǔ)面受壓部分的計(jì)算截面積，m2；∑MX、∑My—作用于機(jī)組段上全部荷載對(duì)計(jì)算截面形心軸X、Y的力矩總和，kN·m；x、y—計(jì)算截面上計(jì)算點(diǎn)對(duì)形心軸 X、Y的距離，m；JX、Jy—計(jì)算截面對(duì)形心軸X、Y的慣性矩，m4。廠房抗滑、抗浮穩(wěn)定及基礎(chǔ)應(yīng)力計(jì)算成果見表2：

表2 廠房抗滑、抗浮穩(wěn)定及基礎(chǔ)應(yīng)力計(jì)算成果表

經(jīng)計(jì)算，各種計(jì)算工況下廠房抗滑、抗浮穩(wěn)定及基礎(chǔ)應(yīng)力均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

7 結(jié)語(yǔ)

近年來，隨著對(duì)清潔能源的重視和認(rèn)識(shí)的不斷提高，進(jìn)入了重視開發(fā)低水頭電站的時(shí)期。燈泡貫流式水電站具有比軸流立式水電站建設(shè)期短、投資小、收效快、淹沒移民少、電站靠近城鎮(zhèn)、有利于發(fā)揮地區(qū)興建水電站的積極性等原因，故燈泡貫流式水電站得到了極大的普及和應(yīng)用。三間房水電站是典型的河床徑流式電站，且采用了燈泡貫流式機(jī)組廠房設(shè)計(jì)型式。本工程的設(shè)計(jì)案例具有值得借鑒的意義并且進(jìn)一步加大和推廣了燈泡貫流式機(jī)組水電站在北方地區(qū)的廣泛應(yīng)用。

1 SL/T191-2008水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 中國(guó)水利水電出版社, 2008.

2 SL266-2001水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 中國(guó)水利水電出版社, 2001.