淺析砬子溝河床式水電站廠房設(shè)計(jì)及穩(wěn)定計(jì)算

顧曉琳

(丹東市水利勘測設(shè)計(jì)研究院，遼寧 丹東 118000)

?

淺析砬子溝河床式水電站廠房設(shè)計(jì)及穩(wěn)定計(jì)算

顧曉琳

(丹東市水利勘測設(shè)計(jì)研究院，遼寧 丹東 118000)

摘要：砬子溝電站為遼寧省丹東市境內(nèi)蒲石河流域階梯開發(fā)的中間一級。砬子溝電站地處山區(qū)為閘壩徑流式水電站。砬子溝水電站工程的開發(fā)任務(wù)是以發(fā)電為主，兼有養(yǎng)殖、旅游等綜合效益的樞紐工程。通過計(jì)算，電站最大水頭9.7 m，最小水頭6.5 m。根據(jù)同一條河流階梯式開發(fā)上下游引用流量匹配的原則，選擇單機(jī)設(shè)計(jì)引用流量分別為14.20 m3/s(大機(jī)組)、9.39 m3/s(小機(jī)組)。單機(jī)裝機(jī)容量為1000 kW的機(jī)組兩臺和單機(jī)裝機(jī)容量為630 kW的機(jī)組兩臺，即裝機(jī)總?cè)萘看_定為3260 kW。本文根據(jù)該工程所處的地理位置、地質(zhì)條件、水力條件及結(jié)合施工條件論述河床式電站廠房工程等別的確定，廠房布置及結(jié)構(gòu)尺寸的確定，水輪機(jī)機(jī)組安裝高程的確定。通過對廠房各個階段的分析總結(jié)，歸納出6種對廠房穩(wěn)定最不利工況，并對最不利工況下廠房穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算分析。

關(guān)鍵詞：河床式;廠房;設(shè)計(jì);安裝高程；穩(wěn)定

砬子溝電站位于遼寧省丹東市寬甸縣古樓子鄉(xiāng)砬子溝村，是以發(fā)電為主的水利樞紐工程，距上游蒲石河抽水蓄能電站下庫小孤山電站約4.1 km，距下游蒲石河電站約7.28 km。電站供電區(qū)主要為電網(wǎng)的周邊地區(qū)。壩址以上集水面積1174 km2。砬子溝電站廠房為河床式，水庫總庫容339.45萬m3，正常庫容136.82萬m3，裝機(jī)容量3260 kW，確定本電站工程等別為IV等。

樞紐與河道正交，成“一”字行布置，廠房選用河床式位于壩址左岸，從左岸到右岸布置依次為擋水壩段、廠房壩段、沖沙閘段、自動控制翻板閘門溢流壩段、擋水壩段。

1廠房布置需要考慮幾個問題

(1) 由于河床寬闊,主要建筑物沿河床橫斷面呈一字形集中布置，溢流壩泄洪主流對準(zhǔn)右岸主河道，廠房與閘壩在結(jié)構(gòu)上合為一體，作為擋水前沿的一部分，布置在左河床凹岸。這種布置方式，上下游水流銜接比較平順，水力條件較好，泥沙淤積較輕。

(2) 廠房位置選擇在左岸一側(cè)，可以利用左岸原有唯一一條鄉(xiāng)村公路溝通廠區(qū)對外交通，便于布置開關(guān)站，方便輸電線的出線。

(3) 廠房布置在河床左岸，可以分期進(jìn)行施工導(dǎo)流。第一期施工廠房，既可以提前發(fā)電，又可以方便進(jìn)行廠房機(jī)組發(fā)電前期廠區(qū)的交通設(shè)施建設(shè)，導(dǎo)流簡單易行，有利于縮短總工期。

2廠房設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

電站總裝機(jī)容量3260 kW。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252-2000)的有關(guān)規(guī)定和可行性研究審批意見，本工程屬IV等工程，由于樞紐部分擋水建筑物的高度小于15 m，并且上下游水頭差小于10 m，水工建筑物的防洪標(biāo)準(zhǔn)按照平原區(qū)、濱海區(qū)確定。河床式水電站廠房作為擋水建筑物時，其防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)與主要擋水建筑物的防洪標(biāo)準(zhǔn)保持一致?？紤]到本工程功能以發(fā)電為主，且無下游防洪要求。因此確定主要建筑物擋水壩段(包括電站廠房壩段)為4級建筑物，按10 a一遇洪水設(shè)計(jì)、50 a一遇洪水校核。

地震基本烈度為7°，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按設(shè)防要求考慮。

3廠房布置設(shè)計(jì)

電站最大水頭9.7 m，最小水頭6.5 m，設(shè)計(jì)水頭分別為8.6 m(大機(jī)組)、8.3 m(小機(jī)組)，單臺額定出力時對應(yīng)下游尾水位分別為32.89 m(大機(jī)組)、32.73 m(小機(jī)組)，4臺機(jī)組同時發(fā)電時對應(yīng)的下游尾水位為33.67 m。為了與上游電站水頭銜接，綜合各方面考慮確定安裝裝機(jī)總?cè)萘繛?260 kW，其中單機(jī)容量1000 kW的立式軸流水輪發(fā)電機(jī)組2臺；單機(jī)容量630 kW的立式軸流水輪發(fā)電機(jī)組2臺。單機(jī)設(shè)計(jì)引用流量分別為15.63 m3/s(大機(jī)組)、9.39 m3/s(小機(jī)組)，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑分別為1.60 m(大機(jī)組)、1.30 m(小機(jī)組)。

安裝高程確定：

①依據(jù)廠家提供(1000 kW)裝機(jī)安裝布置圖尺寸要求尾水管頂淹沒深度不小于0.84 m的要求，根據(jù)下游水位流量關(guān)系曲線，當(dāng)引用流量為15.63 m3/s時，內(nèi)插計(jì)算得一臺1000 kW機(jī)組發(fā)電時，下游尾水位32.89 m。計(jì)算1000 kW機(jī)組水輪機(jī)安裝高程E=33.85 m。

同理依據(jù)廠家提供(630 kW)裝機(jī)安裝布置圖尺寸要求吸出高度不小于0 m的要求，根據(jù)下游水位流量關(guān)系曲線，當(dāng)引用流量為9.39 m3/s時，內(nèi)插計(jì)算得一臺630 kW機(jī)組發(fā)電時，下游尾水位32.73 m。因此計(jì)算630 kW機(jī)組水輪機(jī)安裝高程E=32.73 m。

②依據(jù)允許吸出高度Hs常用公式

(1)

式中：Hs為水輪機(jī)的允許吸出高度，m；為水輪安裝位置的海拔高程，本次設(shè)計(jì)取42.15 m；σm為模型氣蝕系數(shù)，根據(jù)廠家提供參數(shù)數(shù)據(jù)，取0.92(大機(jī)組)、0.96(小機(jī)組)；Δσ為氣蝕系數(shù)的修正值，可根據(jù)設(shè)計(jì)水頭查取0.1；H為水輪機(jī)水頭，一般取設(shè)計(jì)水頭，m；

計(jì)算得出大小機(jī)組的允許吸出高度Hs分別為：

考慮到原型水輪機(jī)與模型水輪機(jī)在制造上的差異，根據(jù)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，在確定吸出高度時，可再降1m左右，作為實(shí)際的吸出高度Hs′。則1000 kW：Hs′=Hs-1=0.18 m;630 kW：Hs′=Hs-1=0.16 m。

確定水輪機(jī)安裝高程分別為:

比較以上兩種方法計(jì)算成果，分析采用計(jì)算最小值作為設(shè)計(jì)的安裝高程可以減少氣蝕作用對機(jī)組的損壞，對發(fā)電更有利。確定取計(jì)算的最小值作為該電站各水輪機(jī)的安裝高程，即ZDJ6-LH-130(630 kW)水輪機(jī)安裝高程為32.73 m,ZDJ6-LH-160(1000 kW)水輪機(jī)安裝高程為33.07 m。

根據(jù)機(jī)電布置及水工結(jié)構(gòu)要求，機(jī)組間距在2.0~3.1 m之間，主廠房總長33.90 m，寬9.0 m，地面上部高9.6 m。分引水室層、水輪機(jī)層和發(fā)電機(jī)層三層布置應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況結(jié)合機(jī)組安裝布置圖確定各層層高。廠內(nèi)設(shè)一臺LDT10-S型電動單梁起重機(jī)，根據(jù)廠家提供機(jī)組起吊設(shè)備最大軸長部件為轉(zhuǎn)輪，軸長4.03 m。安裝間地面高程為42.15 m，起吊件底部垂直安全距離取0.50 m，進(jìn)入安裝間裝設(shè)備車高度取1.5 m，電動葫蘆到主梁的距離1.245 m。依據(jù)《常用設(shè)備》吊車梁的凈跨度LK=7.5 m，LDT10-S型電動單梁起重機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)及安裝尺寸計(jì)算得,軌頂高程49.83 m。各機(jī)組段均設(shè)有樓梯，溝通上下層交通。

電站進(jìn)口流道大小、機(jī)組尺寸不同，其中大機(jī)組進(jìn)口流道寬5.18 m，高4.04 m，底板高程36.50 m；小機(jī)組進(jìn)口流道寬4.24 m，高3.56 m，底板高程36.50 m。進(jìn)水口設(shè)4扇檢修門，孔口尺寸分別為6.18 m×3.26 m、5.24 m×2.46 m，并設(shè)4扇攔污柵，孔口分別為5.98 m×4.04 m、5.04 m×3.56 m，過柵流速分別為0.970 m/s、0.89 m/s。進(jìn)水口河床高程35.50 m，大小機(jī)組分別以1∶1.25和1∶1.20的坡與進(jìn)水口底板銜接。電站尾水管尺寸根據(jù)廠家安裝布置圖確定。尾水出口與河床以1∶4.0反坡相銜接。安裝廠設(shè)在主廠房左端，長6.60 m，寬9.0 m，分3層布置。分別布置油庫、油處理室、倉庫等。主廠房下游布置副廠房，總長為33.90 m，共分3層布置。副廠房共設(shè)1個樓梯，方便上下交通。為適應(yīng)溫度變化和基礎(chǔ)變形，主廠房大小機(jī)組之間設(shè)置永久縫，縫間設(shè)止水。蝸殼、尾水管、反坡段底板、尾水渠擋土墻部分混凝土抗凍等級F200，其余部分無抗凍要求，水下部分混凝土抗?jié)B等級W6，其余無抗?jié)B要求。

4廠房整體穩(wěn)定及地基應(yīng)力計(jì)算

由于河床式廠房同時起著擋水建筑物的作用，因此必須進(jìn)行廠房總體穩(wěn)定分析和應(yīng)力計(jì)算。砬子溝電站主副廠房、安裝廠等主要建筑物均置于中等風(fēng)化層的基巖以下，其基巖與混凝土抗剪斷摩擦系數(shù)f=0.8，抗剪摩擦系數(shù)f′=0.6。

(1)允許安全系數(shù)

因?yàn)殚l基為中等風(fēng)化花崗巖，其組織結(jié)構(gòu)較好?？够€(wěn)定按照巖石地基計(jì)算，同時應(yīng)滿足巖基上的應(yīng)力最大值不得大于地基的許可承載力，

最小應(yīng)力則不得出現(xiàn)負(fù)值。

抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)允許值基本組合取1.05，特殊組合Ⅰ取1.00。按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)允許值基本組合取3.00，特殊組合Ⅰ取2.50.

(2)計(jì)算壩段

計(jì)算壩段選取整個主廠房，如圖1所示，根據(jù)分縫按照兩部分計(jì)算(以其中一部分為例)。

(3)計(jì)算工況

基本組合：①上游正常蓄水位42.50 m，下游一臺小機(jī)組發(fā)電尾水位32.52 m；②上游設(shè)計(jì)洪水位44.02 m(P=10%)，下游設(shè)計(jì)洪水位40.33 m(P=10%)。

特殊組合：①機(jī)組檢修情況，上游正常蓄水位42.50 m，下游水位為河底高程32.66 m；機(jī)組自重去掉一臺；②機(jī)組未安裝情況，上游設(shè)計(jì)洪水位44.02 m(P=10%)，下游設(shè)計(jì)洪水位40.33 m(P=10%)，機(jī)組自重全去掉；③非常運(yùn)行，上游校核洪水位46.11 m(P=2%)，下游校核洪水位41.40 m(P=2%)；④施工期階段，上下游無水情況下。

圖1　電站廠房荷載組合示意圖

(4)計(jì)算公式

抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用抗剪強(qiáng)度與抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算公式計(jì)算：

(2)

式中：K′為按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；C′為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷凝聚力，根據(jù)地質(zhì)條件取300 kPa；KC為按抗剪強(qiáng)度計(jì)算的沿廠房基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為廠房基底面與地基之間的抗剪摩擦系數(shù)，根據(jù)地質(zhì)資料取0.6；f′為混凝土與基礎(chǔ)之間的抗剪斷摩擦系數(shù)，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告取值為0.8；∑G為作用在基礎(chǔ)上的全部豎向荷載，kN；∑P為作用在基礎(chǔ)上的全部水平向荷載，kN；A為廠房與基礎(chǔ)接觸面截面面積，m2。

基底應(yīng)力的最大、最小值計(jì)算公式：

(3)

荷載組合見表1，計(jì)算結(jié)果見表2，從計(jì)算成果得知，在各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

表1　各工況下荷載大小的組合一覽表(第一部分)　kN

5結(jié)語

在水電站廠房設(shè)計(jì)過程中，選擇合理的廠房型式，既要考慮現(xiàn)場施工條件的限制，也要進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較。既要充分利用當(dāng)?shù)氐牡匦?、地質(zhì)及水文等自然條件，也要綜合考慮工程的開發(fā)要求，才能使廠區(qū)布置合理，方案經(jīng)濟(jì)可行。本次設(shè)計(jì)水電站為河床式廠房，廠區(qū)布置盡量做到與泄洪、排沙、水電站進(jìn)水口、尾水渠等建筑物銜接協(xié)調(diào)主副廠房、主變壓器場、開關(guān)站等建筑物除滿足機(jī)電設(shè)備布置與運(yùn)行要求外，還應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐匦巍⒌刭|(zhì)和泄洪條件，使各建筑物間距、高差盡可能縮小，做到廠內(nèi)外交通便利，運(yùn)行安全，維護(hù)方便，施工簡單，工程量少，投資節(jié)省。砬子溝電站于2015年3月通過初步設(shè)計(jì)階段審查。根據(jù)需要施工圖階段略有變動。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉依松．廟子頭水電站廠房設(shè)計(jì)及特點(diǎn)[N]．三峽大學(xué)學(xué)報(bào)，2002-12-24 (6)．

[2]中華人民共和國建設(shè)部．防洪標(biāo)準(zhǔn)：GB 50210-94[S]．北京：中國計(jì)劃出版社，1994．

[3]中華人民共和國水利部．水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)：SL 252-2000[S]．北京：中國水利水電出版社，2000．

[4]中華人民共和國建設(shè)部．小型水力發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50071-2002 [S]．北京：中國計(jì)劃出版社，2002．

[5]中華人民共和國水利部．水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范：SL 266-2001[S]．北京：中國水利水電出版社，2001．

[6]中華人民共和國電力工業(yè)部，水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范：DL 5077-1997[S]．北京：中國電力出版社，1997．

[7]中華人民共和國水利部．水利水電工程進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范：SL 258-2003 [S]．北京：中國水利水電出版社，2003．

[8]王樹人，董毓新，谷兆祺，等．水電站建筑物[M]．北京：清華大學(xué)出版社，1984：261-299．

Analysis on design and stability calculation of Lazigou River hydropower station plant

GU Xiaolin

(DandongWaterConservancyInvestigationandDesignInstitute,Dandong118000,China)

Abstract：Lazigou River hydropower station is at the middle position of the cascade development in Pushi River Basin in Dandong of Liaoning Province. Lazigou River hydropower station is located in a mountainous area. It belongs to the gate-dam type run-of-river hydropower station. The main development task of Lazigou river hydropower station is to generate electricity, and it also brings aquaculture, tourism and other comprehensive benefits. Based on principles of upstream and downstream reference flow matching in the cascade development of the same river, the maximum head was 9.7 meters, and the minimum head was 6.5 meters by computing. select the unit design reference flow were 14.20 m3/s (large unit), 9.39 m3/s (small unit).Two sets installed capacity of 1000 kW and two sets installed capacity of 630 kW were selected. The total installed capacity was set at 3260 kW. According to the location of the project, geological conditions and hydraulic conditions combined with the construction conditions, the methods for determining classification of the run-of-river power station, power plant arrangement and structure sizes, installation elevation of the hydraulic turbine unit were discussed. Through the analysis and summary in all stages of the power plant from the construction to the completion, 6 kinds of the most unfavorable conditions for the stability of the power plant were summed up. And the stability of the power plant in the most unfavorable conditions was calculated and analyzed.

Key words：river bed type; plant; design; installation elevation; stability

中圖分類號：

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2096-0506(2016)01-0047-05

作者簡介：顧曉琳(1987-)，女，滿族，助理工程師，主要從事水利工程設(shè)計(jì)方面的工作。E-mail：344912966@qq.com