雙溝水電站廠房布置設(shè)計(jì)

王 超，陳立秋，郝利勛

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春130021）

雙溝水電站位于吉林省東南部山區(qū)撫松縣境內(nèi)，為松江河梯級(jí)第二級(jí)電站，樞紐工程由混凝土面板堆石壩、岸坡溢洪道、引水系統(tǒng)及發(fā)電廠房等建筑物組成。水庫(kù)正常蓄水位585.00 m，總庫(kù)容3.88×108m3，為多年調(diào)節(jié)水庫(kù)，多年平均發(fā)電量3.78×108kW·h。工程為Ⅱ等工程，廠房為2 級(jí)建筑物，相應(yīng)正常運(yùn)用洪水重現(xiàn)期100年，非常運(yùn)用洪水重現(xiàn)期500年。

1 廠區(qū)布置

發(fā)電廠房位于壩址河道下游約2.5 km，廠區(qū)建筑物由發(fā)電廠房、副廠房、GIS 開關(guān)站和尾水建筑物等組成，機(jī)組縱軸線方位角NE31°。廠房?jī)?nèi)布置2 臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，水輪機(jī)型號(hào)HLA883-LJ-400，裝機(jī)容量2×140 MW，布置1 臺(tái)跨度18.00 m，起吊重量250 t+250 t/50 t/5 t 的橋式吊車，屋面采用球型鋼網(wǎng)架及彩色復(fù)合板結(jié)構(gòu)。廠區(qū)地面高程486.50 m，GIS 開關(guān)站布置在主廠房上游側(cè)，進(jìn)廠永久交通由廠房下游側(cè)的公路進(jìn)入廠區(qū)。

2 廠房設(shè)備布置

2.1 廠房平面尺寸確定

1 號(hào)機(jī)組段長(zhǎng)19.00 m，2 號(hào)機(jī)組段為邊機(jī)組段，長(zhǎng)22.50 m，主機(jī)間段總長(zhǎng)41.50 m。根據(jù)機(jī)組安裝及擴(kuò)大性檢修要求，布置發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、水輪機(jī)頂蓋、發(fā)電機(jī)上機(jī)架等部件，同時(shí)滿足檢修通道以及安裝間下部空壓機(jī)室、透平油罐室、油處理室等要求，確定安裝間段長(zhǎng)31.50 m，發(fā)電廠房總長(zhǎng)73.50 m。機(jī)組縱軸線上游側(cè)寬10.50 m，下游側(cè)寬11.50 m，確定廠房寬22.00 m。

根據(jù)設(shè)備布置要求確定上游副廠房寬10.00 m。根據(jù)尾水管長(zhǎng)度、尾水平臺(tái)交通、門機(jī)運(yùn)行要求以及各層房間需求和設(shè)備的布置確定下游副廠房寬6.70 m。

2.2 廠房各層高程確定

為避免水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪輪葉氣蝕破壞，按一臺(tái)機(jī)運(yùn)行時(shí)的尾水位477.76 m，以及水輪機(jī)吸出高度Hs=-4.0 m，確定機(jī)組安裝高程473.80 m，根據(jù)尾水管高度和尾水管底板厚度確定建基高程459.58 m。考慮各層的凈空要求，確定水輪機(jī)層地面高程477.50 m，母線層地面高程482.00 m，發(fā)電機(jī)層地面高程486.50 m，結(jié)合廠區(qū)地形條件，安裝間層與發(fā)電機(jī)層同層布置，安裝間層高程486.50 m。

2.3 主廠房布置

主機(jī)間共分5 層布置，即發(fā)電機(jī)層、母線層、水輪機(jī)層、蝸殼層及尾水管層。發(fā)電機(jī)層地面高程486.50 m，上、下游側(cè)均布置一排機(jī)旁盤，靠近每臺(tái)機(jī)組布置調(diào)速器及油壓裝置。母線層地面高程482.00 m，布置發(fā)電機(jī)主引出線及中性點(diǎn)引出線。水輪機(jī)層布置有機(jī)墩進(jìn)人孔，尺寸1.5 m×2.0 m（寬×高）。機(jī)墩為圓筒形混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑5.60 m，外徑12.60 m，機(jī)墩厚3.45 m。蝸殼層布置蝸殼進(jìn)人廊道及尾水管進(jìn)人廊道，尺寸1.6 m×2.0 m（寬×高）及1.8 m×2.5 m（寬×高）。尾水管層擴(kuò)散段出口總寬10.40 m，每臺(tái)機(jī)組布置一道兩孔尾水檢修閘門及機(jī)組檢修排水系統(tǒng)，閘門孔口尺寸5.20 m×4.47 m（寬×高），擴(kuò)散段底板下布置排水廊道，尺寸1.6 m×2.0 m（寬×高）。

安裝間段緊鄰主機(jī)間段布置，共分3 層布置，主要布置滲漏排水泵室、油處理室、透平油罐室、空壓機(jī)室、高壓試驗(yàn)室等。廠房滲漏集水井緊鄰主機(jī)間段布置，全廠的滲漏水均排入到此井，經(jīng)排水泵排至下游尾水渠。機(jī)組安裝及擴(kuò)大性檢修時(shí)，布置發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、水輪機(jī)頂蓋、發(fā)電機(jī)上機(jī)架及檢修通道，并滿足運(yùn)輸?shù)跹b配件要求。安裝間端部山墻側(cè)布置進(jìn)廠大門，進(jìn)廠大門尺寸6.00 m×5.25 m（寬×高）。

主機(jī)間上游副廠房共分5 層，主要布置高壓開關(guān)柜室、發(fā)電機(jī)電壓配電裝置室、GIS 開關(guān)站設(shè)備等。安裝間上游副廠房共分3 層，主要布置生活水泵室、高壓試驗(yàn)室、通訊機(jī)房、保護(hù)試驗(yàn)室、中央控制室等。

下游尾水副廠房共分3 層，主要布置檢修排水泵室、消防水泵室、尾水管盤型閥等。

2.4 尾水建筑物布置

尾水建筑物由尾水平臺(tái)、尾水渠及兩側(cè)的混凝土擋土墻組成。廠房每臺(tái)機(jī)組布置一道兩孔尾水檢修閘門，閘門孔口尺寸5.20 m×4.47 m（寬×高），廠房尾水平臺(tái)高程486.50 m，布置1 臺(tái)門機(jī)。

尾水出口底板頂高程463.22 m，以1∶4 反坡與天然河道平順連接。尾水渠反坡段長(zhǎng)33 m，渠底采用30 cm 厚的鋼筋混凝土護(hù)底，并布置直徑50 mm 排水孔，間排距3 m。

2.5 GIS 開關(guān)站布置

2 臺(tái)主變壓器及220 kV 出線場(chǎng)布置在主廠房上游側(cè)，GIS 采用戶內(nèi)式布置，主要由2 臺(tái)主變壓器、事故油池、母線構(gòu)架及出線構(gòu)架組成。兩臺(tái)主變壓器共用一個(gè)事故油池。開關(guān)站基礎(chǔ)為回填砂礫石基礎(chǔ)。

2.6 廠房分縫及廠內(nèi)止水排水布置

為適應(yīng)溫度變化和基礎(chǔ)變形，主機(jī)間段與安裝間段之間、1 號(hào)機(jī)組段和2 號(hào)機(jī)組段之間均設(shè)置永久橫向結(jié)構(gòu)縫，形成獨(dú)立的機(jī)組段和安裝間段，永久結(jié)構(gòu)縫寬20 mm，縫間設(shè)止水，縫內(nèi)充填柔性材料。

為防止外水進(jìn)入廠內(nèi)各部位，在廠區(qū)地面高程以下，布置有上、下游垂直止水和聯(lián)系上、下游垂直止水的水平止水，形成半封閉的止水系統(tǒng)，止水材料選用橡膠止水帶。主廠房和下游副廠房水輪機(jī)層以下房間均設(shè)置排水溝，排水溝斷面尺寸0.15 m×0.15 m，匯集導(dǎo)引滲漏水至廠內(nèi)滲漏集水井，再由抽排設(shè)備排出廠外。

2.7 廠房基礎(chǔ)處理

廠房地基巖石為灰綠～灰褐色安山巖，為中等風(fēng)化巖，呈中等風(fēng)化狀態(tài)，雖發(fā)育多條斷層，但規(guī)模不大，對(duì)地基影響較小，基礎(chǔ)強(qiáng)度滿足承載力要求，廠房基礎(chǔ)未進(jìn)行特殊的基礎(chǔ)處理。

3 廠房主要結(jié)構(gòu)布置

3.1 鋼吊車梁結(jié)構(gòu)

電站吊車梁采用焊接工字形鋼吊車梁結(jié)構(gòu)，梁高1.90 m，鋼吊車梁按簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最大跨度按8.82 m 進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。吊車梁頂部與外墻間有走道板相連，走道板為鋼桁架結(jié)構(gòu)，與廠房圈梁相連接。

吊車梁主要承受廠內(nèi)橋式吊車的使用荷載，是直接承受吊車荷載的承重結(jié)構(gòu)，除吊車梁自重、軌道及附件等均布恒載外，主要承受移動(dòng)的豎向集中荷載和橫向水平剎車力，因此需用影響線求出各計(jì)算截面的最大（或最?。﹥?nèi)力，畫出內(nèi)力包絡(luò)圖，并據(jù)此進(jìn)行截面強(qiáng)度設(shè)計(jì)及變形等驗(yàn)算。

3.2 尾水管結(jié)構(gòu)

尾水管位于廠房的最下部，由錐管段、肘管段和擴(kuò)散段組成。尾水管錐管段四周均為大體積混凝土，擴(kuò)散段出口寬5.2 m，高4.47 m。尾水管是水電站廠房主要承重結(jié)構(gòu)之一，除承受本身自重外，還承受頂板以上的設(shè)備和結(jié)構(gòu)自重，此外還有管內(nèi)靜水壓力、揚(yáng)壓力、地基反力和外水壓力，整個(gè)廠房上部荷載大部分經(jīng)由尾水管傳至基礎(chǔ)。廠房基巖局部較破碎，尾水管擴(kuò)散段底板采用整體式結(jié)構(gòu)，由底板、邊墩和頂板組成封閉式框架，肘管段和擴(kuò)散段底板厚均為2.0 m，邊墻最小厚度2.92 m。按結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。尾水管的幾何形狀比較復(fù)雜，為簡(jiǎn)化計(jì)算，不考慮空間結(jié)構(gòu)的整體作用，而是順?biāo)鞣较蛉〉湫徒孛娼朴?jì)算尾水管結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，垂直水流方向簡(jiǎn)化為平面問題考慮，即沿水流方向分區(qū)切剖面，按平面框架進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算。

3.3 蝸殼結(jié)構(gòu)

蝸殼的進(jìn)口與壓力鋼管相連接，它是一個(gè)空間的整體結(jié)構(gòu)，幾何形狀復(fù)雜，內(nèi)部應(yīng)力情況也較復(fù)雜。蝸殼采用鋼蝸殼，并設(shè)置了彈性墊層，計(jì)算時(shí)按照鋼蝸殼只承受內(nèi)水壓力，不承受外壓進(jìn)行計(jì)算。

在計(jì)算外圍結(jié)構(gòu)時(shí)，“Γ”形剛架下部固結(jié)于彈性墊層底部的邊墻上，內(nèi)端視為絞支于水輪座環(huán)上。外圍結(jié)構(gòu)的荷載為正常運(yùn)行情況，荷載組合包括機(jī)墩傳來的荷載及結(jié)構(gòu)自重。

在工程設(shè)計(jì)中，用彈性墊層將鋼蝸殼頂部半圓周與外包鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)分隔開來，外包鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承受結(jié)構(gòu)自重及上部傳來的荷載，而鋼蝸殼承擔(dān)全部?jī)?nèi)水壓力，不考慮外包鋼筋混凝土和鋼蝸殼聯(lián)合作用。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法是沿蝸殼中心徑向取若干單位寬度的截面，按平面“?！毙慰蚣苓M(jìn)行計(jì)算。根據(jù)實(shí)際計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合有關(guān)工程實(shí)例，進(jìn)行斷面的設(shè)計(jì)。其斷面控制尺寸為頂板最小厚1.73 m，側(cè)向厚2.06 m，在250°方向布置有進(jìn)入蝸殼人孔的通道，通道寬1.6 m。

3.4 機(jī)墩、風(fēng)罩結(jié)構(gòu)

機(jī)墩是立軸式水輪發(fā)電機(jī)組的支承結(jié)構(gòu)，承受巨大的靜荷載及動(dòng)荷載，底部與蝸殼頂板連接，頂部與風(fēng)罩連接，機(jī)墩不直接承受水壓力的作用，機(jī)組設(shè)備及發(fā)電機(jī)層樓板的部分荷載通過機(jī)墩傳至基礎(chǔ)。在機(jī)組正常運(yùn)行、機(jī)組事故、飛逸及機(jī)組制動(dòng)時(shí)，機(jī)墩要承受扭矩、水平推力、軸向力及振動(dòng)荷載的作用，受力情況比較復(fù)雜，應(yīng)從強(qiáng)度、剛度及抗振等方面選擇機(jī)墩型式。工程采用園筒形機(jī)墩，機(jī)墩外徑12.6 m ，內(nèi)徑5.7 m，機(jī)墩高4.18 m。風(fēng)罩為一薄壁結(jié)構(gòu)，外徑為13.8 m，內(nèi)徑12.6 m，風(fēng)罩厚0.6 m，風(fēng)罩下部與機(jī)墩連接，頂部與發(fā)電機(jī)層樓板整體澆筑。

機(jī)墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力計(jì)算和動(dòng)力計(jì)算，靜力計(jì)算進(jìn)行機(jī)墩截面的內(nèi)力計(jì)算，作為配筋的依據(jù)，保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度條件。動(dòng)力計(jì)算則根據(jù)正常運(yùn)行、短路時(shí)和飛逸時(shí)的3 種荷載組合情況，驗(yàn)算機(jī)墩的共振、振幅和動(dòng)力系數(shù)，保證結(jié)構(gòu)的剛度和抗振條件。

3.5 屋面結(jié)構(gòu)

初設(shè)階段廠房屋面結(jié)構(gòu)采用鋼屋架及預(yù)制混凝土板結(jié)構(gòu)，按常規(guī)布置柱間需布置一榀鋼屋架以支撐屋面板結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的屋面結(jié)構(gòu)由屋面板、保溫層、防水層等組成，其屋面荷載達(dá)4～6 kN/m2，由于荷載較大，屋架均需較大的斷面和含鋼量才能承擔(dān)上部荷載，若采用彩色復(fù)合板結(jié)構(gòu)，保溫層采用鋼板間夾輕質(zhì)玻璃巖綿，自重僅為0.2～0.3 kN/m2，即使考慮檢修，亦不超過2 kN/m2。經(jīng)過對(duì)其他工業(yè)及民用建筑的研究發(fā)現(xiàn)，利用球型鋼網(wǎng)架及彩色復(fù)合板等輕型結(jié)構(gòu)可以很好地解決大跨度屋面問題。根據(jù)相關(guān)資料，彩板掛檁條的單向跨度可達(dá)10 m 左右，其自身剛度可通過檁距的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)，經(jīng)對(duì)屋面板體系兩種結(jié)構(gòu)形式的估價(jià)測(cè)算，造價(jià)可下降20%左右。由于球型鋼網(wǎng)架及彩色復(fù)合板結(jié)構(gòu)適用于大跨度結(jié)構(gòu)，節(jié)省鋼屋架部分達(dá)總量的40%以上，因此取消了柱間鋼屋架，采用了球型鋼網(wǎng)架及彩色復(fù)合板結(jié)構(gòu)。

4 結(jié) 語

雙溝水電站工程于1999年開工，年底緩建，2003年復(fù)工建設(shè)，2010年投產(chǎn)發(fā)電。充分結(jié)合地形、地質(zhì)和交通條件進(jìn)行廠房設(shè)備布置，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上通過多種理論和方法分析并采取了多項(xiàng)優(yōu)化措施，減少了工程量，加快了施工進(jìn)度，節(jié)約了工程投資，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，可為其它相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。