河床式低水頭小水電站廠房的優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

【摘 要】本文結(jié)合實(shí)例分析，對(duì)河床式低水頭廠房進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，能有效優(yōu)化廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而降低工程的投資。隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)設(shè)計(jì)單位的要求越來(lái)越高，要求設(shè)計(jì)不僅要滿足設(shè)計(jì)的規(guī)范要求，還要適應(yīng)經(jīng)濟(jì)要求，工程中優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)節(jié)約工程造價(jià)具有重要的意義。

【關(guān)鍵詞】河床式；水電站廠房；優(yōu)化設(shè)計(jì)

水電站設(shè)計(jì)中，當(dāng)樞紐工程區(qū)地形平緩開(kāi)闊，地形較完整時(shí)，采用河床式樞紐布置便于樞紐建筑物的橫向布置與展開(kāi)，對(duì)泄洪建筑物的布置較為有利，便于解決樞紐泄洪問(wèn)題。

河床式低水頭小水電站廠房的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)廠房建筑的總體布置情況確定基礎(chǔ)開(kāi)挖高程及廠房各層布置、高度、尺寸等，并進(jìn)行穩(wěn)定、應(yīng)力計(jì)算。進(jìn)行廠房的穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，在保證廠房建筑安全可靠的基礎(chǔ)上，還要求具有較高的安全余度。工程設(shè)計(jì)中，只要是在安全余度范圍內(nèi)，就可以對(duì)廠房設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，這對(duì)提高水電站經(jīng)濟(jì)效益具有重要的意義。

1、工程概述

以我國(guó)云南某小型水電站為例，該水電站是一座以發(fā)電為主，兼顧灌溉的水電站樞紐工程，工程區(qū)對(duì)稱寬緩的“V”型河谷地形較適宜布置集擋水、泄洪、沖沙、引水發(fā)電于一體的河床式樞紐。該工程壩址以上的控制流域面積為15220km2，多年平均流量為126m?∕s，多年平均發(fā)電量為4500×104kW.h。

按照《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》、《小型水力發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》與《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，確定本工程等別為Ⅳ等?。?）工程，其相應(yīng)的主要建筑物為4級(jí)，次要建筑物為5級(jí)，臨時(shí)建筑物為5級(jí)。閘下消能防沖洪水標(biāo)準(zhǔn)和該水閘洪水標(biāo)準(zhǔn)一致。

可研報(bào)告審查意見(jiàn)中已通過(guò)該水電站為河床中間的開(kāi)敞式平底泄水閘，并與泄水閘左側(cè)布置發(fā)電廠房。初步設(shè)計(jì)階段對(duì)電站樞紐進(jìn)行了優(yōu)化。其中壩軸線長(zhǎng)度為192.00m，開(kāi)敞式平底泄水閘壩的長(zhǎng)度為93m，與泄水閘左側(cè)相鄰的布置廠房段長(zhǎng)度為49.6m，而左右岸連接段長(zhǎng)分別為25、27.4m。

電站引水發(fā)電系統(tǒng)由壩式進(jìn)水口、主廠房、副廠房、尾水渠及升壓站（GIS樓）等建筑物組成，整個(gè)廠房位于河床內(nèi)。由于軸流式水輪機(jī)單位流量大，比轉(zhuǎn)速較高，機(jī)組尺寸較小，經(jīng)綜合分析比較，本電站水輪機(jī)采用軸流轉(zhuǎn)槳式。在該水電站的主廠房中安裝2臺(tái)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)與2臺(tái)單機(jī)裝機(jī)容量為4900kW的發(fā)電機(jī)，并于廠房右側(cè)安裝2臺(tái)調(diào)速器，在下游側(cè)安裝機(jī)旁盤。其中主廠房的長(zhǎng)寬度高分別為49.6m、17.4m、39.5m，機(jī)組間距為17m，并配有一臺(tái)25t/6.3t的橋式起重機(jī)，中心跨距為14m。其中主廠房左側(cè)為安裝間，其長(zhǎng)度為13.85m，寬度為15.33m，能滿足機(jī)組在檢修期間對(duì)定子、轉(zhuǎn)子、上機(jī)架等部件及汽車進(jìn)入的需求。在主廠房下游側(cè)作為副廠房，其高程與發(fā)電機(jī)相同，內(nèi)部并配有中央控制室、高壓柜室等工作室。副廠房下層配有部分工具房，中間夾層且安裝有電纜走線。同時(shí)，在主廠房左側(cè)的安裝間下游側(cè)可配備開(kāi)關(guān)站，其長(zhǎng)度為19.45m，寬度為14m，處于進(jìn)廠公路的右側(cè)。

2、設(shè)置兩道攔污柵，提高攔污效果

在大部分的電站中，無(wú)論其規(guī)模大小，一般都只是在廠房進(jìn)水處設(shè)置一道攔污柵。在大型的水電站中，通車采用自動(dòng)清污機(jī)進(jìn)行清污，但在小型電站中，往往只是采用角鐵或槽鋼焊接的攔污柵，并進(jìn)行人工清污。實(shí)踐證明，一道攔污柵的攔污效果比較差，未能真正實(shí)現(xiàn)有效的攔污、除污的功能。而設(shè)置兩道攔污柵后，就能有效提高攔污效果。其中，第一道攔污柵應(yīng)設(shè)置在廠房進(jìn)水流道之前，可采用角鐵制作，且兩柵條間可留有較大的距離，通常為10mm，主要是對(duì)較大垃圾污物進(jìn)行攔截，并順著流態(tài)方向?qū)⒋笮臀畚镄毕蛄鞒鰪S房流道，同時(shí)結(jié)合采用排污閘的設(shè)計(jì)，以便將垃圾污物排到下游。而第二道攔污柵應(yīng)設(shè)在前一道攔污柵后的5m處或廠房流道前設(shè)置，可采用角鐵或槽鋼焊接制作，各柵條之間的間隙應(yīng)控制在5mm左右，以實(shí)現(xiàn)對(duì)較小垃圾的有效攔截。通過(guò)設(shè)置兩道攔污柵，能有效提高攔污效果。

3、降低下游閘墩及尾水平臺(tái)的高程

在軸流與混流式機(jī)組廠房設(shè)計(jì)中，出于廠房防洪安全要求，河流下游的尾水閘門平臺(tái)高度應(yīng)比下游尾水位要高，設(shè)計(jì)中通常會(huì)取較大的安全余量，因此，在滿足安全的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)廠房的實(shí)際布置情況在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)適當(dāng)降低尾水閘墩及尾水平臺(tái)的高程，降低尾水閘墩的高程可以在一點(diǎn)程度上減少混凝土的用量，從而起到降低工程造價(jià)的作用。

4、選擇合適的交通進(jìn)廠方式

廠區(qū)樞紐布置設(shè)計(jì)中，低水頭河床式水電站的進(jìn)廠方式一般有兩種，一種是垂直進(jìn)廠，一種是水平進(jìn)廠。由于水平進(jìn)廠方式有利于廠房?jī)?nèi)的通風(fēng)、采光，對(duì)于整個(gè)廠區(qū)內(nèi)的交通布置也方便，所以一般設(shè)計(jì)中都采用水平進(jìn)廠方式。

但由于低水頭河床式電站往往下游洪水位較高，下游洪水位高于進(jìn)廠公路平臺(tái)高程是很常見(jiàn)的，設(shè)計(jì)中就需要沿廠區(qū)設(shè)置防洪擋墻，這必然要增加工程量和投資，同時(shí)還要在廠區(qū)設(shè)置抽排水設(shè)施。為了解決這一問(wèn)題，在設(shè)計(jì)中可以采取垂直進(jìn)廠方式，將廠房盡量靠近岸邊布置，將主機(jī)間靠河床布置，安裝間靠河岸方向布置，高程上使安裝間的高程盡量與下游洪水位接近，按防洪規(guī)范要求略高于下游洪水位，主機(jī)間與安裝間通過(guò)樓梯垂直連接。這樣就不用再布置廠區(qū)防洪墻和廠區(qū)抽排水設(shè)施，在這種進(jìn)廠方式一定程度上節(jié)約了工程量，降低了工程造價(jià)。

5、廠區(qū)樞紐布置格局比較

河床式電站的特點(diǎn)是泄洪建筑物和發(fā)電廠房都建在河道上，廠房布置位置與施工導(dǎo)流方式和施工工期之間關(guān)系密切，為能實(shí)現(xiàn)盡早發(fā)電的目標(biāo)，在前期設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)地形地質(zhì)條件、樞紐建筑物布置、工程規(guī)模、運(yùn)行功能的要求，結(jié)合施工導(dǎo)流方式，考慮泄洪建筑物和電站廠房的不同布置方式對(duì)樞紐布置格局進(jìn)行慎重研究和比較。樞紐布置格局的擬定應(yīng)根據(jù)施工導(dǎo)流方式、結(jié)合導(dǎo)流建筑物的布置，初步擬定左岸廠房還是右岸廠房、明渠導(dǎo)流方案還是隧洞導(dǎo)流方案，將廠房布置與施工導(dǎo)流方案進(jìn)行組合，進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化、研究與比選，并在此基礎(chǔ)上從各方案的土建工程量、施工工期、運(yùn)行功能等綜合比較確定具有綜合優(yōu)勢(shì)的廠區(qū)樞紐布置格局，為工程的優(yōu)質(zhì)設(shè)計(jì)和施工創(chuàng)造條件。

6、排架結(jié)構(gòu)于副廠房中的應(yīng)用

在部分河床式電站的副廠房中，由于河道寬度的問(wèn)題而選擇了副廠房在主廠房下游設(shè)置的形式，雖然廠房寬度不斷變大，但其沒(méi)有起到實(shí)質(zhì)性的作用。如果在副廠房設(shè)計(jì)中，從尾水管頂板起就直接應(yīng)用排架梁柱結(jié)構(gòu)，就能有效延伸至發(fā)電機(jī)層，這樣就能有效縮小整個(gè)廠房的寬度，減小工程量，降低工程建設(shè)成本。

7、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在低水頭河床式廠房的設(shè)計(jì)中，在滿足規(guī)范要求的保障安全的前提下，根據(jù)河床式廠房的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)廠房從不同角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠降低廠區(qū)建筑物的單位工程造價(jià)，從而有效提高發(fā)電站的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊志明.低水頭電站設(shè)計(jì)中幾個(gè)問(wèn)題的探討[J].湖南水利水電，2002，2：10-11.

[2]張勇，肖平西，安旭文，侯建國(guó).水電站廠房抗浮穩(wěn)定安全控制標(biāo)準(zhǔn)研究[J].人民長(zhǎng)江，2011，34（23）：87-90.

[3]曾新民.對(duì)低水頭河床式電站設(shè)計(jì)的體會(huì)[J].水力發(fā)電，2005，30（9）：33-35

[4]曾新明.低水頭大流量水力樞紐特性與設(shè)計(jì)優(yōu)化.[J]技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用，2010，20：75-77.

作者簡(jiǎn)介：潘少紅（1970—），女，漢族，云南昆明人，云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院高級(jí)工程師，研究方向：水利水電工程建筑。