立式機(jī)組水電站增容擴(kuò)效廠房改造設(shè)計(jì)分析

虢 強(qiáng)

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)新疆電力設(shè)計(jì)院有限公司 新疆 烏魯木齊 830002）

1 工程概況

和田喀拉格爾水電站渠首位于新疆和田喀拉喀什河烏魯瓦提水利樞紐的下游30km、距波波娜水電站尾水下游約1km處，現(xiàn)狀裝機(jī)容量為11.4MW。改造后主廠房?jī)?nèi)布置3臺(tái)5MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)，廠房總長(zhǎng)39.09m，其中安裝間長(zhǎng)13.92m，機(jī)組間距7.5m。上游側(cè)寬7.33m，下游側(cè)寬5.1m，總寬12.43m，主廠房設(shè)1臺(tái)30t/5t橋式起重機(jī)，跨度10.5m。

2 廠房結(jié)構(gòu)分析

正常尾水位按三臺(tái)機(jī)組運(yùn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)流量Q=35m3/s，相應(yīng)尾水位為1531.093m；最低尾水位按一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)流量Q=11.7m3/s，相應(yīng)尾水位為1530.263m。

發(fā)電廠房改造主要是水下混凝土改造和復(fù)核現(xiàn)有上部結(jié)構(gòu)及排架、框架柱和梁、板。水輪機(jī)拆除后，設(shè)備外包混凝土將同時(shí)拆除，需配合新機(jī)電設(shè)備新建。

2.1 主廠房尺寸復(fù)核

根據(jù)一臺(tái)機(jī)組發(fā)電時(shí)相應(yīng)電站最低尾水位1530.263m，尾水管底板高程1528.115m，蝸殼進(jìn)口斷面直徑1.8m及原發(fā)電機(jī)層高程1537.408m，確定水輪機(jī)安裝最高高程為1530.828m，考慮蝸殼頂板厚及上部設(shè)備布置的需要，確定水輪機(jī)層高程為1486.42m。發(fā)電機(jī)層以上空間尺寸受吊車起吊高度控制，本電站設(shè)有1臺(tái)30t/5t橋式吊車，考慮起吊檢修需要，軌頂高程為1544.270m，滿足改造要求。頂梁高1546.928m，主廠房總高度26.46m。都滿足現(xiàn)階段改造要求，均不做變動(dòng)。

圖1 廠房發(fā)電機(jī)層拆除平面布置圖

表1 排架柱橫向剛度計(jì)算表

圖2 廠房拆除橫剖面圖

表2 風(fēng)罩作用效應(yīng)組合表

2.2 主廠房結(jié)構(gòu)復(fù)核

2.2.1 主機(jī)段排架、樓板

發(fā)電機(jī)層高程為1537.408m，板厚為20cm，主梁沿廠房橫向布置，兩端簡(jiǎn)支在排架柱牛腿上，中間布設(shè)兩根支撐柱，風(fēng)罩處梁的一端與風(fēng)罩固結(jié)，滿足改造要求。

機(jī)組段排架柱間距4.0m，柱斷面下柱為0.4m×0.8m，上柱為0.4m×0.6m，在伸縮縫處設(shè)雙柱。排架柱采用C25鋼筋混凝土，樓板及聯(lián)系梁采用C25鋼筋混凝土。排架柱基礎(chǔ)部位，上游側(cè)計(jì)算考慮固結(jié)在1534.342m，下游側(cè)固結(jié)在水下墻1534.342m，滿足改造要求。

選擇柱距4.0m進(jìn)行剛度驗(yàn)算，經(jīng)計(jì)算其橫向剛度可滿足《水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，計(jì)算見(jiàn)表1。

經(jīng)計(jì)算，在改造后，各種工況下上部結(jié)構(gòu)剛度滿足規(guī)范規(guī)定值，說(shuō)明結(jié)構(gòu)尺寸滿足改造要求。

2.2.2 機(jī)墩、風(fēng)罩

原機(jī)墩將被拆除，新機(jī)墩是發(fā)電機(jī)定子基礎(chǔ)，布置在蝸殼外圍砼結(jié)構(gòu)頂板上，頂板與風(fēng)罩結(jié)構(gòu)整體連接，而風(fēng)罩頂部又與發(fā)電機(jī)層樓板相連，增加機(jī)墩的抗扭、抗振能力。機(jī)墩厚1.0m。上部與風(fēng)罩相接，底部固結(jié)在蝸殼頂板上。風(fēng)罩為圓筒薄壁結(jié)構(gòu)，風(fēng)罩承受發(fā)電機(jī)層板梁傳來(lái)的荷載并考慮發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)內(nèi)外溫差引起的溫度應(yīng)力，風(fēng)罩厚度為0.35m。機(jī)墩及風(fēng)罩均采用C25鋼筋混凝土。

表3 機(jī)墩作用效應(yīng)組合表

表4 蝸殼作用效應(yīng)組合表

按《水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》的荷載作用效應(yīng)組合表，進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，風(fēng)罩及機(jī)墩荷載組合表，見(jiàn)表2、3。風(fēng)罩計(jì)算模型為：固定端頂部為鉸接的薄壁圓筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算；機(jī)墩計(jì)算模型為：機(jī)墩底部固定在蝸殼頂板上，上部與風(fēng)罩及水輪機(jī)夾層板連接，對(duì)機(jī)墩進(jìn)行動(dòng)力和靜力計(jì)算，包括垂直、水平橫向和水平扭轉(zhuǎn)、自振頻率計(jì)算，校核是否發(fā)生共振和最大振幅是否在允許范圍內(nèi)以及驗(yàn)算機(jī)墩的正應(yīng)力、剪應(yīng)力和主應(yīng)力。

2.2.3 蝸殼

蝸殼采用金屬蝸殼，其四周設(shè)有外包混凝土，在蝸殼上半部用彈性墊層和蝸殼分開(kāi)，整個(gè)水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)部分垂直軸向水推力和所有外部荷載均通過(guò)下機(jī)架傳至蝸殼外圍大體積砼上。蝸殼采用金屬蝸殼，按《水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》的荷載作用效應(yīng)組合表，進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，荷載組合表，見(jiàn)表4。改造后金屬蝸殼外圍采用C25鋼筋混凝土，滿足改造要求。

3 廠房整體穩(wěn)定及地基應(yīng)力計(jì)算

選取1#和2#機(jī)組段為代表計(jì)算單元，進(jìn)行廠房穩(wěn)定分析和地基應(yīng)力計(jì)算。作用在機(jī)組段的荷載可分基本荷載和特殊荷載兩類。

基本荷載考慮廠房結(jié)構(gòu)自重、機(jī)電設(shè)備重、正常蓄水位或設(shè)計(jì)洪水位情況下靜水壓力及揚(yáng)壓力；特殊荷載考慮校核洪水位或檢修水位情況下的靜水壓力及揚(yáng)壓力、地震力。

3.1 抗滑穩(wěn)定計(jì)算

抗剪斷強(qiáng)度的計(jì)算公式：

式中，K′——抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

f′——滑動(dòng)面的抗剪斷摩擦系數(shù)；

C′——滑動(dòng)面的抗剪斷凝聚力；

A——基礎(chǔ)面受壓部分的計(jì)算截面積；

∑W——全部荷載對(duì)滑動(dòng)面的法向分值（包括揚(yáng)壓力）；

∑P——全部荷載對(duì)滑動(dòng)面的切向分值（包括揚(yáng)壓力）。

經(jīng)計(jì)算，荷載基本組合和特殊組合下的抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)K分別為4.15和3.7，滿足規(guī)范要求。

3.2 抗浮穩(wěn)定計(jì)算

抗浮穩(wěn)定計(jì)算公式：

式中，Kf——抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，任何情況下不得小于1.1；

∑W——機(jī)組段全部豎向荷載，kN；

U——作用于機(jī)組段的揚(yáng)壓力總和。

抗浮穩(wěn)定性計(jì)算選擇：①機(jī)組檢修；②機(jī)組未安裝；③非常運(yùn)行三種情況中最不利情況，進(jìn)行核算。其中機(jī)組未安裝且下游校核洪水位為最不利工況，經(jīng)計(jì)算，滿足規(guī)范要求。

3.3 地基應(yīng)力計(jì)算

地基應(yīng)力計(jì)算采用材料力學(xué)偏心受壓構(gòu)件公式，即：

式中，δ——廠房地基面上法向應(yīng)力，kPa；

∑W——作用于機(jī)組段上全部豎向荷載（包括或不包括揚(yáng)壓力）在計(jì)算截面上法向分力的總和，kN；

∑Mx、∑My——作用于機(jī)組段上全部荷載(包括或不包括揚(yáng)壓力)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)至形心軸Y、X的距離，m；

Jx、Jy——計(jì)算截面對(duì)形心軸Y、X的慣性矩，m；

A——廠房地基計(jì)算截面受壓部分的面積，m2。

經(jīng)計(jì)算，δmax=183kPa，δmin=136kPa。從計(jì)算結(jié)果可以看出：廠房地基面上所承受的最大垂直正應(yīng)力小于基礎(chǔ)的允許壓應(yīng)力300kPa。廠房地基應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)斷面尺寸的選取是合理的。

經(jīng)以上計(jì)算分析得出以下結(jié)論：

（1）廠房地基面地基允許承載力，滿足改造要求。

（2）廠房地基面平均地基應(yīng)力小于地基允許承載力，滿足改造要求。

（3）地基面法向應(yīng)力不均勻系數(shù)的允許值不超過(guò)規(guī)范規(guī)定值，滿足改造要求。

（4）各種運(yùn)行工況下，廠房抗浮、抗滑均滿足規(guī)范要求，滿足改造要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)計(jì)算分析，本電站廠房滿足增容擴(kuò)效改造要求。通過(guò)合理安排廠房拆除區(qū)域，預(yù)留新老混凝土接縫位置，保留原廠房鋼筋搭接的足夠長(zhǎng)度，施工過(guò)程中合理使用施工方法及施工機(jī)械，使得本電站增容擴(kuò)效改造得以順利進(jìn)行。電站的改造投產(chǎn)為改善邊疆地區(qū)的缺電少電情況做出了巨大貢獻(xiàn)，也為老、舊立式機(jī)組水電站改造提供了新的思路。陜西水利

［1］GB/T50700-2011,小型水電站技術(shù)改造規(guī)程[S].

［2］SL266-2001,水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

［3］GB50011－2010,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].