上石盤電航樞紐工程燈泡貫流式機(jī)組廠房設(shè)計(jì)

鞏緒威,王其利,成 益, 曾祥華

(上?？睖y設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434)

1 工程概況

上石盤電航綜合樞紐工程位于四川省廣元市境內(nèi)嘉陵江干流上，屬河床式開發(fā)，水庫總庫容6 860萬m3，正常蓄水位472.50 m以下庫容5 825萬m3，調(diào)節(jié)庫容412萬m3，具有日調(diào)節(jié)性能。電站裝機(jī)容量30 MW，年均發(fā)電量1.27億kWh，為Ⅲ等中型工程，主要建筑物為3級，廠房按50年一遇洪水設(shè)計(jì)，200年一遇洪水校核。壩址區(qū)50年基準(zhǔn)期超越概率10%的基巖水平地震動峰值加速度為0.108g，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度。壩址以上集水面積26 542 km2，多年平均徑流量為202 m3/s。泥沙以懸移質(zhì)為主，多年平均含沙量4.48 kg/m3，多年平均輸沙量2 783萬t，入庫推移質(zhì)輸沙量為18萬t。壩址區(qū)地層主要由第四系堆積物和下伏侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組上段的粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及砂巖組成。

樞紐布置格局以不影響泄水閘通暢泄水和有利于通航為原則，泄水建筑物占據(jù)河床主河槽，通航建筑物占據(jù)凹岸即左岸一側(cè)，自左至右為左岸連接段+船閘+泄洪閘+廠房+右岸連接段。電站為低水頭日調(diào)節(jié)水電站，河床式廠房，安裝2臺中國產(chǎn)燈泡貫流式機(jī)組，單機(jī)容量15 MW，在中國同類機(jī)組中屬中型，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑3.95 m，最大水頭16 m，最小水頭10.3 m，額定水頭13.4 m，單機(jī)額定流量126.7 m3/s。廠區(qū)主要建筑物包括進(jìn)口建筑物、主廠房、副廠房、尾水渠、開關(guān)站等。

樞紐工程于2013年10月正式開工建設(shè)，電站于2016年2月全部機(jī)組并網(wǎng)成功，目前運(yùn)行情況良好。

2 水電站運(yùn)行方式

為充分利用水能資源，汛期水庫維持正常蓄水位按來水流量發(fā)電，當(dāng)入庫流量大于電站發(fā)電引用流量253.4 m3/s時(shí)通過控制閘門下泄棄水；非汛期進(jìn)行日調(diào)節(jié)，在正常蓄水位472.50 m與死水位472.00 m間運(yùn)行。為減少庫區(qū)淤積，當(dāng)入庫流量大于1 800 m3/s時(shí)，電站停機(jī)沖沙，并根據(jù)庫區(qū)淤積情況進(jìn)行不定期的排沙調(diào)度。

3 廠區(qū)布置

進(jìn)口建筑物包括進(jìn)水渠、攔沙坎、上游廠閘導(dǎo)墻等。因廠房流道進(jìn)口底板低于河床，進(jìn)水渠設(shè)攔排沙坎，以防推移質(zhì)進(jìn)入流道，為減少水頭損失，電站運(yùn)行時(shí)坎上流速不超過0.5～0.6 m/s，并通過水工模型試驗(yàn)確定坎頂高程為462.00 m，高出坎前河床5 m，平面呈折線型布置，與上游廠閘導(dǎo)墻相連，導(dǎo)墻為半重力式混凝土結(jié)構(gòu)，長34 m，墻頂高程473.00 m。進(jìn)水渠最低高程446.44 m，向上游以1∶3坡比至457.00 m，岸坡采用貼坡式鋼筋混凝土擋墻或護(hù)坡結(jié)合錨桿支護(hù)。

主副廠房與進(jìn)水口、尾水平臺形成整體，建基面高程436.50～444.44 m，順?biāo)飨蜷L58.24 m，河床式布置，正向進(jìn)水，分2孔，每孔凈寬7.9 m，進(jìn)水口底板高程設(shè)為448.44 m， 2臺燈泡貫流式機(jī)組水輪機(jī)安裝高程448.61 m，主機(jī)間段長28.95 m，副廠房布置在主機(jī)間下游側(cè)。尾水管采用平直管，出口設(shè)2扇平面鋼閘門，出口處底高程為445.055 m。檢修平臺高程463.00 m。安裝間段長28.3 m，與主機(jī)間并排布置在右岸基巖上。廠區(qū)平面布置見圖1。

圖1 廠區(qū)布置平面圖

出口建筑物主要是尾水渠的布置。為避免泄洪時(shí)的回流淤積影響，防止有效發(fā)電水頭降低，在各種運(yùn)行工況下的尾水渠出口流速，均不大于2.0 m/s。尾水渠擴(kuò)散段兩側(cè)擴(kuò)散角均為12°，渠底寬度由25.3 m漸變?yōu)?5.87 m，順?biāo)鞣较虿捎?∶5反坡由445.055 m高程過渡至454.50 m高程，與平坡段長50 m相連，其后以緩坡過渡到455.50 m與下游河床相接，護(hù)坦及海漫總長134.26 m，大于電站下游水深的9～10倍。為減少泄洪閘下泄洪水對尾水渠及右岸岸坡的影響，尾水渠與沖砂閘消力池之間布置鋼筋混凝土廠閘導(dǎo)墻，結(jié)合水工模型試驗(yàn)，導(dǎo)墻長97 m，尾水渠末端在停機(jī)泄洪時(shí)回淤較少，墻頂高程463.00 m，高于電站停機(jī)沖沙起始流量1 800 m3/s時(shí)對應(yīng)下游水位461.50 m；右岸岸坡采用衡重式混凝土岸墻、鋼筋混凝土護(hù)坡進(jìn)行防護(hù)。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行觀察，尾水渠水面銜接良好，無壅水現(xiàn)象。

開關(guān)站就近布置在安裝間下游側(cè)岸上，主變室、GIS室、樓梯間及柴油發(fā)電機(jī)房等并列布置，其中左側(cè)布置主變室和GIS室，平面尺寸為15.74 m×11.24 m；右側(cè)為樓梯間及柴油發(fā)電機(jī)房，平面尺寸為13.55 m×11.24 m。室外地面高程473.70 m。

進(jìn)廠公路直接引自廣元市濱江路，從安裝間下游側(cè)水平方式進(jìn)廠，路面寬度為8 m，是交通主通道，供設(shè)備安裝、檢修運(yùn)輸。

4 電站廠房型式比較及引水防沙設(shè)計(jì)

4.1 電站廠房型式比較

本工程主廠房為河床式布置，廠房作為樞紐工程擋水建筑物的組成部分，其洪水標(biāo)準(zhǔn)與壅水建筑物一致。電站水頭范圍為10.3～16.0 m，額定水頭為13.4 m，對軸流轉(zhuǎn)槳式和燈泡貫流式2種型式的機(jī)組進(jìn)行比較：在相同水頭和相同出力下，燈泡貫流式水輪機(jī)效率高，轉(zhuǎn)速高、機(jī)組尺寸小、重量輕，可減少機(jī)電設(shè)備投資，施工和設(shè)備安裝方便；流道順直，平面尺寸相應(yīng)減少，機(jī)組段間距少3 m，廠房前緣長度比軸流機(jī)組減少18%左右，無軸流機(jī)組的尾水射管，建基面高程比軸流機(jī)組高0.7 m，廠房結(jié)構(gòu)簡單、基礎(chǔ)開挖較淺、混凝土工程量減少約20%、工程投資節(jié)省，同時(shí)可縮短工期，具有比較好的綜合指標(biāo)，所以采用燈泡貫流式機(jī)組。

4.2 引水防沙設(shè)計(jì)

為減少過機(jī)泥沙，可行性研究階段進(jìn)水口底板首部設(shè)置沖沙廊道，斷面尺寸為2 m×4 m(寬×高)，經(jīng)彎段轉(zhuǎn)入左邊墻內(nèi)，漸變?yōu)?.5 m×4 m的沖沙孔，設(shè)置檢修閘門和工作閘門各1扇，將淤沙通過沖沙孔排入泄洪閘消力池內(nèi)。

水工整體模型試驗(yàn)表明，攔沙坎能有效地阻隔沿床岸運(yùn)動的泥沙進(jìn)入攔沙坎內(nèi)，增大攔沙坎外緣的水流流速，達(dá)到控制導(dǎo)沙坎前的淤積高程不至于過高的目的。

廊道排沙效果試驗(yàn)表明，口門附近局部區(qū)域的最大拉沙率不超過45%，僅依賴于廊道單獨(dú)運(yùn)行來拉沙，則其淤積的泥沙僅能部分地被拉走。在排沙廊道進(jìn)口上方設(shè)立懸梁板的試驗(yàn)表明：拉沙范圍雖有所增大，但相對于電站前池的總面積來說仍然很有限。

根據(jù)新店子水文站1966—2007年(其中1968、1969和1996年缺測)實(shí)測懸移質(zhì)顆粒級配資料，壩址懸移質(zhì)泥沙顆粒級配計(jì)算成果如表1。施工圖階段考慮到入庫泥沙較細(xì)，閘前水位較高，結(jié)合模型試驗(yàn)成果以及水庫運(yùn)行方式，取消了沖沙廊道，必要時(shí)，采用機(jī)械清淤方式清除電站前池內(nèi)的淤積泥沙。

5 廠房布置

5.1 進(jìn)水口段

廠房布置為河床式，采用正向進(jìn)水，進(jìn)水口由喇叭形進(jìn)水口、攔污柵、檢修閘門及其啟閉設(shè)備和結(jié)構(gòu)等組成。進(jìn)水口段分為2孔，每孔凈寬7.9 m，對應(yīng)2臺燈泡貫流式機(jī)組，其中沖砂閘側(cè)邊墩寬4.85 m，安裝間側(cè)邊墩寬3 m，中隔墩寬5.3 m，底板厚3～ 4 m，斷面呈“山”字形墩墻結(jié)構(gòu)。為使攔污柵前的流速不超過1.0～1.2 m/s，進(jìn)水口采用上翹式喇叭形流道進(jìn)口，在垂直立面上擴(kuò)大，其上部以胸墻為輪廓，以引導(dǎo)水流平穩(wěn)進(jìn)入流道中段，胸墻厚1.2 m。進(jìn)水口段每孔上游布置1道直立式攔污柵，清污機(jī)布置在由排架支撐的工作平臺上，排攔污柵底檻高程為448.44 m，孔口尺寸7.9 m×26.64 m，設(shè)計(jì)水頭差4 m。底檻下游為1∶1.238的斜坡段及半徑為5 m的反弧段，然后接高程為444.225 m的水平段，胸墻下游布置檢修門槽1道，兩孔共用1扇檢修門，為平面鋼閘門，孔口尺寸為7.9 m×11.22 m。非檢修期放置于安裝間前沿的門庫內(nèi)。進(jìn)水口檢修門與沖砂閘、泄洪閘檢修門使用同1臺門機(jī)。閘墩頂高程為476.00 m，交通橋布置在攔污柵槽與檢修門槽之間，與閘頂交通相連。廠房橫剖面見圖2。

表1 壩址多年平均懸沙級配成果表

攔污柵的清污與柵前漂浮垃圾的清理主要由專門的液壓清污抓斗進(jìn)行，清污機(jī)抓斗由2×320 kN的雙向臺車操作。清污機(jī)將污物抓取后運(yùn)輸至卸污平臺，通過導(dǎo)污裝置轉(zhuǎn)入運(yùn)輸卡車進(jìn)行清理。

5.2 主機(jī)間及副廠房

主機(jī)間沿壩軸線方向長度同進(jìn)水口段為28.95 m，順?biāo)鞣较驅(qū)?8.6 m，凈寬15 m，副廠房緊靠主機(jī)間布置在其下游側(cè)，寬13.69 m；下部流道內(nèi)裝2臺GZ-WP-395、SFW15-40/440燈泡貫流式機(jī)組，轉(zhuǎn)輪直徑3.95 m，水輪機(jī)安裝高程448.61 m，機(jī)組間距13.2 m，機(jī)組段建基面高程439.16 m。主機(jī)間采用雙層布置，流道頂板頂面高程455.65 m；操作運(yùn)行層高程465.80 m，布置油壓裝置、調(diào)速器、勵(lì)磁等設(shè)備及吊物孔。運(yùn)行層地面以下用于連接發(fā)電機(jī)井與副廠房，布置輔機(jī)層和電纜，運(yùn)行層地面噪音低、整潔、美觀。

主廠房內(nèi)布置75 t/20 t電動橋式起重機(jī)1臺，吊車軌頂高程根據(jù)廠內(nèi)吊運(yùn)部件的最大吊運(yùn)高度、吊運(yùn)方式、吊鉤極限高度、操作運(yùn)行層與安裝間相對位置等因素確定，為485.00 m，屋架底高程為489.00 m。機(jī)組間不設(shè)永久沉降縫，尾水管底板建基面高程 442.16 m。主廠房下游側(cè)布置有輔機(jī)層、副廠房及工作通道，底層為輔機(jī)層，高程455.65 m，裝備消防供水和檢修水泵；副廠房從下至上分4層，為框架結(jié)構(gòu)，其中一層為電纜夾層，二層為高低壓開關(guān)室、辦公室，三層為通信設(shè)備層，四層為中央控制室。

燈泡機(jī)組安裝高程較低，廠房流道頂板頂面以上四周均采用鋼筋混凝土擋水墻結(jié)構(gòu)。上游側(cè)墻厚度為2～2.5 m，支撐在進(jìn)口閘墩及流道中段的頂板上并連成整體，墻頂高程476.00 m，與閘壩頂高程相同；下游側(cè)墻厚為1～2.5 m，兩側(cè)支撐在尾水閘墩上，下部支撐在尾水管頂板上連成整體，墻頂高程474.80 m，高于下游校核洪水位加上安全超高；端部擋水墻和上、下游擋水墻及流道頂板形成整體，其中安裝間側(cè)墻厚為0.8～2.35 m，墻頂高程474.80 m，泄洪閘側(cè)墻厚為1.3～2 m，墻頂高程476.00 m。

圖2 廠房橫剖面圖 單位：m

5.3 流道出口段

流道從廠房進(jìn)水墩處起至尾水管出口處(包括尾水閘墩)共分3段：進(jìn)水口段從上游側(cè)機(jī)組檢修閘門以上至進(jìn)水口閘墩，攔污柵布置于閘墩前部；中段從上游側(cè)機(jī)組檢修閘門至水輪機(jī)室，位于主機(jī)間下部；出口段(尾水管段)從轉(zhuǎn)輪室至尾水管出口處(尾水閘墩)，位于副廠房下部及下游側(cè)。發(fā)電尾水通過尾水管進(jìn)入尾水渠，尾水管采用平直管，出口處設(shè)置2扇尾水閘門，為直升式平面鋼閘門，孔口尺寸為7.11 m×7.11 m。尾水管出口處底高程為445.055 m，尾水管出口頂部高程452.165 m，低于設(shè)計(jì)最低尾水位456.35 m，淹沒深度滿足不小于0.5～1 m的要求 。尾水管出口尾水墩墩頂設(shè)檢修平臺，高程463.00 m，同時(shí)設(shè)有尾水工作閘門及其啟閉設(shè)備，可滿足電站運(yùn)行時(shí)人員巡視以及閘門簡易維修的功能要求。尾水平臺以上啟閉機(jī)排架頂端平臺高程474.80 m，布置2臺電動卷揚(yáng)機(jī)，啟閉機(jī)房房頂高程479.30 m。啟閉機(jī)房與副廠房中間留有1條凈寬1.8 m供人行、采光和通風(fēng)的通道。

5.4 安裝間

安裝間布置于廠房段的右側(cè)，沿壩軸線方向長度28.3 m，順?biāo)飨?8.6 m，與主機(jī)間之間設(shè)1道永久沉陷縫。為盡量減少巖石開挖及實(shí)現(xiàn)水平進(jìn)廠，安裝場高程為474.00 m，鋼筋混凝土地面板厚0.5 m，用于機(jī)組的安裝及檢修，考慮機(jī)組安裝期間放置發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、燈泡頭、外配水環(huán)等。其下設(shè)置地下室一層，高程為468.50 m，布置空壓機(jī)室、透平油處理室等，鋼筋混凝土底板厚1.45 m，其下采用C15埋石混凝土基礎(chǔ)，坐落于右岸岸坡上，基巖為粉砂質(zhì)泥巖夾泥質(zhì)粉砂巖，地基承載力滿足要求。安裝間上游與右岸連接壩段壩頂?shù)缆分g布置進(jìn)水口檢修平臺，頂高程476.00 m，沿壩軸方向長18.22 m、寬6.71 m。

5.5 主廠房屋面設(shè)計(jì)

可行性研究階段采用鋼筋混凝土雁型板結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)具有自重輕、抗震能力好的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)通過在板間設(shè)置透光板，可以有效解決此種類型廠房采光不足的問題。參考中國水電站廠房建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，施工圖設(shè)計(jì)階段廠房選定鋼網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)，屋面采用輕型網(wǎng)架板，由于結(jié)構(gòu)自重減輕，傳給下部結(jié)構(gòu)的荷載減小，有利于廠房排架柱截面的進(jìn)一步優(yōu)化；此外，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的桿件、節(jié)點(diǎn)、支座以及網(wǎng)架板均在專業(yè)工廠內(nèi)加工制作成型，現(xiàn)場安裝快捷簡便，施工干擾少，可加快施工進(jìn)度。

6 廠房整體穩(wěn)定及地基應(yīng)力計(jì)算

6.1 整體穩(wěn)定、地基應(yīng)力分析及抗浮驗(yàn)算

計(jì)算內(nèi)容主要包括建基面抗滑穩(wěn)定計(jì)算、抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算及基礎(chǔ)面法向應(yīng)力計(jì)算，抗滑穩(wěn)定采用SL266-2001《水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》中的抗剪斷計(jì)算強(qiáng)度公式。各部分結(jié)構(gòu)自重按其幾何尺寸及材料重度計(jì)算確定，混凝土重度下部結(jié)構(gòu)取24 kN/m3，上部結(jié)構(gòu)取25 kN/m3；水重按實(shí)際體積計(jì)算，水的重度取10 kN/m3，計(jì)算成果詳見表2。從表2中可以看出，電站廠房在所有水位組合下的抗滑、抗浮安全系數(shù)及基底應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

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

6.2 基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)

7 結(jié) 語

燈泡貫流式機(jī)組廠房多為河床式布置，機(jī)組橫臥在流道中，廠房大部分建筑位于水下，需結(jié)合工程總體布置，使之經(jīng)濟(jì)合理，方便施工；電站水頭較低，減少進(jìn)出口及流道的水頭損失非常重要，上游要做好攔污清污，中間流道要平順連接，尾水要有利于發(fā)電后水流擴(kuò)散，避免尾水抬高。本工程借鑒中國同類型水電站的設(shè)計(jì)及施工經(jīng)驗(yàn)，廠區(qū)、廠房布置合理緊湊，結(jié)構(gòu)體形簡單，工程投資節(jié)??；屋蓋設(shè)計(jì)采用鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和輕型網(wǎng)架板，具有美觀、經(jīng)濟(jì)、輕巧、施工快捷等優(yōu)點(diǎn)。