大藤峽水電站廠房總體設(shè)計(jì)布置

張 逍 ，尹紹清

(1.中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021；2.廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，廣西 桂平 537200)

大藤峽水利樞紐工程位于珠江流域西江水系黔江河段的下游，壩址距桂平市彩虹橋約6.6 km，是紅水河水電梯級規(guī)劃中最末一個(gè)梯級[1]。大藤峽水利樞紐電站安裝8臺200 MW軸流轉(zhuǎn)漿式水輪發(fā)電機(jī)組(型號為ZZ-LH-1040)，總裝機(jī)容量1 600 MW，多年平均發(fā)電量60.55億kW·h，保證出力366.9 MW。電站廠房為河床式布置，分左、右岸布置在泄水閘兩側(cè)，其中右岸廠房安裝5臺機(jī)組，左岸廠房安裝3臺機(jī)組，采用兩岸分設(shè)布置方案，總工期最短，首臺機(jī)發(fā)電最早[2]。右岸廠房總長280.06 m，左岸廠房總長198.86 m，總寬度98.85 m，最大高度88.23 m。機(jī)組運(yùn)行水頭變幅較大，轉(zhuǎn)輪直徑10.42 m，蝸殼進(jìn)口最大凈寬度30.2 m，最大高度16.18 m。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采取了多項(xiàng)優(yōu)化措施，如大尺度蝸殼采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土蝸殼；右岸廠房進(jìn)水口攔污柵門槽、檢修門槽、工作門槽采用云車澆筑施工技術(shù)，一、二期混凝土一起澆筑；優(yōu)化分層分塊澆筑設(shè)計(jì)；尾水管頂板、滲漏集水井頂板、樓梯等采用預(yù)制件等，加快了施工進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)了廠房提前擋水、盡早發(fā)電目標(biāo)，可為低水頭大流量河床式電站以及其他同類工程設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

1 廠房建筑物總體布置

大藤峽水利樞紐電站廠房為河床式布置，根據(jù)地形地質(zhì)條件、樞紐布置、施工導(dǎo)流、通航條件和先期發(fā)電的要求，電站廠房分左、右兩岸布置在泄水閘壩段兩側(cè)。出線場布置在左岸船閘下游引航道擋墻內(nèi)側(cè)，左、右岸廠房共用一個(gè)開關(guān)站， GIS布置在左岸廠房主變上方副廠房。

圖1 廠房建筑物布置示意

2 廠房布置設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)條件

大藤峽水利樞紐工程為Ⅰ等，工程規(guī)模為大(1)型。電站廠房為1級建筑物，按0.1%洪水設(shè)計(jì)，0.02%洪水校核；電站副廠房及開關(guān)站防洪標(biāo)準(zhǔn)按0.5%洪水設(shè)計(jì)，0.1%洪水校核。水庫校核洪水位61.10 m，設(shè)計(jì)洪水位(正常蓄水位)61.00 m，汛期限制水位47.60 m，下游校核洪水尾水位46.41 m，設(shè)計(jì)洪水尾水位44.17 m，8臺機(jī)發(fā)電尾水位29.98 m，最低發(fā)電尾水位22.71 m。設(shè)計(jì)最大水頭37.79 m，最小水頭12.91 m，額定水頭25 m，單機(jī)額定引用流量890.34 m3/s。

右岸廠房壩段位于河床右側(cè)，主機(jī)間建基高程-16.01 m，位于弱風(fēng)化巖體下部，安裝間建基高程20.00 m，基礎(chǔ)以泥質(zhì)巖石為主。左岸廠房壩段位于左岸Ⅰ級階段和Ⅱ級階地殘丘，主機(jī)間建基高程-16.01 m，位于微風(fēng)化巖體下部，安裝間建基高程20.00 m，位于弱風(fēng)化巖體下部，基礎(chǔ)以泥質(zhì)巖石為主。

2.2 廠房總體布置方案

就總體布置而言，廠房單側(cè)集中布置緊湊合理便于管理，但受導(dǎo)流限制只能布置在二期，由于施工期長，廠房集中布置施工期不具備提前發(fā)電條件，電能損失較大。結(jié)合分期導(dǎo)流擬定左、右岸廠房集中布置及兩岸分設(shè)3個(gè)方案進(jìn)行廠房位置比選。

a)左岸布置方案。8臺機(jī)組布置在主河床靠左側(cè)，安裝間布置在廠房兩側(cè)，右側(cè)安裝間下布置3個(gè)底孔，21孔泄水閘(3個(gè)高孔，18個(gè)低孔)布置在縱向圍堰右側(cè)，單級船閘布置在左岸。施工導(dǎo)流分兩期，一期工程先圍右岸，在左岸灘地處開挖明渠過流。進(jìn)行右岸擋水壩段、泄水閘壩段施工，左岸船閘位于左岸自然高地，不需要圍堰保護(hù)施工。二期利用已建泄水閘泄流，進(jìn)行右岸廠房的施工。工程總工期117個(gè)月，一期工程59個(gè)月，首臺機(jī)組發(fā)電工期96個(gè)月。

b)右岸布置方案。8臺機(jī)組布置在右岸主河床，安裝間布置在廠房兩側(cè)，左側(cè)安裝間下布置3個(gè)底孔，21孔泄水閘(3個(gè)高孔，18個(gè)低孔)布置在縱向圍堰左側(cè)河漫灘上。單級船閘布置在左岸。該方案施工導(dǎo)流分兩期，一期工程圍左岸，施工左岸船閘、泄水閘壩段，二期利用已建泄水閘泄流，進(jìn)行右岸廠房壩段、擋水壩段的施工。工程總工期 117 個(gè)月， 一期工程 59 個(gè)月，首臺機(jī)組發(fā)電工期 96 個(gè)月。

c)兩岸分設(shè)布置方案。22孔泄水閘布置在河床中部，縱向圍堰右側(cè)為6個(gè)低孔，左側(cè)為3個(gè)高孔和13個(gè)低孔，單級船閘布置在左岸。廠房分設(shè)兩岸，左岸布置3臺機(jī)組，右岸布置5臺機(jī)組。施工導(dǎo)流分兩期，一期工程先圍左岸，利用右岸主河床過流，進(jìn)行泄水閘、船閘、左岸廠房的施工；二期工程圍右岸，利用一期建成的泄水閘及二期圍堰擋水發(fā)電及泄流，進(jìn)行右岸廠房、右岸泄水閘的施工。總工期108個(gè)月，一期工程59個(gè)月，首臺機(jī)組發(fā)電工期 62 個(gè)月。

經(jīng)綜合比選最終選定兩岸廠房布置方案。該種布置方案施工總工期最短，首臺機(jī)組發(fā)電最早。

2.3 廠房主要尺寸

標(biāo)準(zhǔn)機(jī)組段長40.60 m，邊機(jī)組段長44.54 m。機(jī)組段順?biāo)飨蚩倢挾?8.85 m，其中進(jìn)水口段31.20 m，主機(jī)室段33.90 m，尾水段33.75 m。

機(jī)組安裝高程為19.40 m，建基面高程-17.51 m。水輪機(jī)層高程29.00 m，發(fā)電機(jī)層高程38.00 m，橋機(jī)軌頂高程63.08 m，屋頂高程70.72 m，廠房進(jìn)水口頂部高程64.00 m，與壩頂同高。尾水平臺高程49.50 m。廠房最大高度為88.23 m。

安裝間段順?biāo)飨蚩倢挾?8.35 m其中上游擋水壩體段31.2 m，安裝間段33.90 m，下游副廠房段13.25 m。安裝間長度按滿足一臺機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、定子、推力軸承支架和水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、頂蓋等的安裝檢修要求，確定安裝間長度為73.04 m。

每臺機(jī)進(jìn)水口內(nèi)布置2個(gè)中墩，將進(jìn)水口分為3孔，分別設(shè)有3扇攔污柵、3孔檢修閘門和3孔事故閘門。發(fā)電進(jìn)水口底板前端高程11.24 m，底板坡比1∶4，底板末端高程5.84 m，與蝸殼進(jìn)口底板頂高程相同。發(fā)電進(jìn)水口頂板采用逐漸收縮的喇叭型布置方式，與混凝土蝸殼進(jìn)口頂板平順連接。攔污柵孔口尺寸為8.07 m×35.99 m(寬×高)，最大柵前流速為1.0 m/s，檢修閘門孔口尺寸8.07 m×22.48 m(寬×高)，事故閘門孔口尺寸8.07 m×17.55 m(寬×高)，閘門采用后止水方式，在事故門下游側(cè)的擋水胸墻內(nèi)設(shè)置補(bǔ)氣孔。

2.4 廠房布置

2.4.1機(jī)組段布置

進(jìn)水口段寬31.20 m，布置有攔污柵、檢修閘門和事故閘門。頂部上游側(cè)為交通橋，下游側(cè)布置1臺2×3 200 kN雙向門機(jī)，門機(jī)上游側(cè)設(shè)置回轉(zhuǎn)吊，用于電站進(jìn)口攔污柵的啟閉、清污抓斗的操作以及壩面上零星物品的轉(zhuǎn)運(yùn)。

主機(jī)室段凈寬33.90 m，屋頂為鋼結(jié)構(gòu)。左、右岸廠內(nèi)各布置2臺300/50 t橋機(jī)，用于機(jī)組的安裝和檢修。

尾水段寬33.75 m，尾水平臺上游側(cè)布置有主變壓器，下游側(cè)布置1臺2×630 kN單向尾水門機(jī)，中間為交通道路。

左岸廠房尾水副廠房共有九層布置：20.00 m層布置有技術(shù)供水泵室；24.50 m層布置有技術(shù)供水泵和消防供水泵，以及機(jī)坑進(jìn)人洞；29.00 m層與水輪機(jī)層同層，布置極端設(shè)備室和電纜橋架夾層；33.55 m層布置極端設(shè)備室和高壓常用變壓器室；38.00 m層與發(fā)電機(jī)層同層，布置有GCB設(shè)備室和高壓廠用電裝置室；44.00 m層為電纜夾層；49.50 m層與尾水平臺同高程，布置有主變壓器；60.80 m層布置有220 kV配電裝置室和電纜夾層；67.70 m層布置GIS設(shè)備室。

右岸廠房尾水副廠房49.50 m高程以上分二層布置，49.50 m層布置有主變壓器； 60.80 m層布置有220 kV配電裝置室和電纜夾層。

圖2 右岸廠房橫剖面(m)

圖3 左岸廠房橫剖面(m)

2.4.2安裝間段布置

安裝間上游側(cè)擋水壩壩頂高程為64.00 m，考慮壩頂交通與相鄰壩段的相接以及門機(jī)運(yùn)行軌道的連續(xù)性，擋水壩寬度與發(fā)電進(jìn)水口相同為31.2 m，壩體內(nèi)布置有備用攔污柵門槽、閘門庫和設(shè)備房間。

安裝間下部布置兩層，22.00 m層布置有檢修及滲漏排水泵室、風(fēng)機(jī)室等；29.00 m層與水輪機(jī)層同層，布置有中壓空壓機(jī)室、低壓空壓機(jī)室、油罐室及風(fēng)機(jī)室等。滲漏集水井布置在安裝間下部靠近主機(jī)間側(cè)。

卸貨平臺下部布置兩層，38.00 m層布置有風(fēng)機(jī)房和工具間等；43.40 m層布置有排風(fēng)機(jī)房和設(shè)備房間。

左岸廠房副廠房共有7層，38.00 m層與安裝間同層，布置高壓廠用電配電裝置室； 44.00 m層布置自動化儀表實(shí)驗(yàn)室、蓄電池室、繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)室等；49.50 m層布置繼電保護(hù)室、火警及安防值班室、計(jì)算機(jī)室等；55.30 m層布置中控室、通信機(jī)房和衛(wèi)生間等；60.80 m層為電纜夾層； 67.80 m層布置繼電保護(hù)室和通訊機(jī)房等；73.20 m層布置蓄電池室、水箱間等。

右岸廠房副廠房49.50 m高程以上分2層布置，54.90 m層布置辦公室、通信機(jī)房和衛(wèi)生間等；60.80 m層為電纜夾層。

圖4 右岸2號安裝間橫剖面(m)

圖5 左岸3號安裝間橫剖面(m)

2.4.3分縫與止水布置

為適應(yīng)溫度變化和基礎(chǔ)約束，在主機(jī)間各機(jī)組段之間、主機(jī)間與安裝間之間、安裝間壩段中間設(shè)置永久變形縫，同時(shí)在基礎(chǔ)底高程相差較大的安裝間與下游副廠房之間設(shè)置有沉降縫。結(jié)構(gòu)縫縫寬20 mm，縫間填充輕質(zhì)聚合材料。

河床式廠房為滿足擋水要求在機(jī)組段進(jìn)水口及安裝間擋水壩體結(jié)構(gòu)縫中設(shè)置兩道豎向止水埋入基巖50 cm。為防止外水通過永久變形縫進(jìn)入廠房，在副廠房外圍及水輪機(jī)層下方設(shè)置兩道止水并與上游豎向止水相連形成封閉系統(tǒng)。下游側(cè)止水采用開放式布置，即下游止水不深入巖基。

3 廠房攔沙、攔漂排設(shè)計(jì)

右岸廠房布置在主河床深槽處，水流條件較為順暢。為防止河道中推移質(zhì)進(jìn)入流道磨損水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，在廠房上游側(cè)設(shè)有攔沙坎，攔沙坎與壩軸線夾角為20°。攔沙坎頂高程28.00 m，頂寬2 m，迎水側(cè)鉛直，背水側(cè)上部坡比為1.0∶0.4、下部坡比為1.0∶0.6，與上游導(dǎo)墻平順相接。為滿足充水?dāng)r沙坎擋墻內(nèi)外平壓，在擋墻上設(shè)置充水孔。

右岸廠房進(jìn)水口前沿設(shè)置攔漂排。攔漂排上游錨墩布置在壩軸線上游約320 m處的右岸岸邊坡上，下游錨墩布置于右岸廠壩導(dǎo)墻上，攔漂排長390 m，與主河床主流方向夾角70°。

左岸廠房進(jìn)水口前也設(shè)置攔漂排，攔漂排上游錨墩位于進(jìn)水前池上游，距壩軸線296 m，下游錨墩布置于左岸廠壩導(dǎo)墻上，攔漂排長270 m，與河床主流方向夾角9.6°。

4 GIS設(shè)備和出線場布置

GIS室與出線場分體布置，GIS室布置在左岸尾水平臺主變壓器上方67.70 m高程副廠房內(nèi)，GIS室長度與左岸廠房主機(jī)間長度相同，寬度與尾水副廠房寬度相同，占地面積126 m×15.8 m；出線場布置在船閘下游引航道右側(cè)擋墻內(nèi)側(cè)，出線場距壩軸線482.0m，地面高程49.50 m，占地面積88 m×54.7 m，電纜自左岸安裝間下部引出，沿廠區(qū)電纜廊道引向出線場。

GIS室靠近主廠房，工作人員巡視便利，出線場面積相對減小，布置相對靈活； GIS配電裝置室布置有GIS斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電壓互感器、電流互感器、避雷器及匯控柜等，室內(nèi)設(shè)有1臺5 t吊車，可滿足GIS配電裝置安裝和斷路器檢修需要。

5 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

5.1 大尺度預(yù)應(yīng)力混凝土蝸殼設(shè)計(jì)

大藤峽水電站為低水頭大流量河床式電站，運(yùn)行水頭變幅較大，轉(zhuǎn)輪直徑10.42 m，蝸殼型式為混凝土蝸殼。蝸殼斷面為倒直角梯形，由進(jìn)水口流道順時(shí)針方向繞導(dǎo)葉斷面尺寸依次減小，進(jìn)口最大凈寬度30.2 m，最大高度16.18 m，蝸殼側(cè)墻厚度為5.2 m。蝸殼進(jìn)口底高程5.84 m，頂高程22.02 m，導(dǎo)葉中心線(安裝高程)為19.40 m。

經(jīng)研究綜合分析比較，廠房采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土蝸殼，采用蝸殼左側(cè)墻外側(cè)布設(shè)豎向預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計(jì)方案，錨索采用擴(kuò)大內(nèi)錨固段結(jié)構(gòu)形式。該方案有效解決了常規(guī)大尺寸混凝土蝸殼設(shè)計(jì)難題，降低了因大量配置鋼筋所導(dǎo)致的混凝土施工難度，保證了蝸殼混凝土的澆筑質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了增加配筋量無法實(shí)現(xiàn)的良好效果；預(yù)應(yīng)力錨索的布置使蝸殼混凝土應(yīng)力顯著下降，有效抑制極端工況下蝸殼側(cè)墻外側(cè)混凝土開裂，對大尺寸蝸殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中涉及的關(guān)鍵技術(shù)問題有重大意義，為工程施工的保質(zhì)保量進(jìn)行做出了貢獻(xiàn)。

5.2 廠房設(shè)計(jì)優(yōu)化

右岸廠房進(jìn)水口攔污柵門槽、檢修門槽、工作門槽混凝土澆筑引進(jìn)云車等新工藝，一、二期混凝土一起澆筑，大幅提高施工效率、降低安全風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約直線工期超兩個(gè)月。

廠房壩段順?biāo)飨蛞来螢檫M(jìn)水口段、主機(jī)室段、尾水段3部分，對應(yīng)廠房結(jié)構(gòu)混凝土澆筑分層分塊設(shè)計(jì)中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)；由于主機(jī)室段結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)電埋件多，施工干擾大，進(jìn)水口段、主機(jī)室段、尾水段3部分同步上升難度較大。廠房結(jié)構(gòu)混凝土澆筑分層分塊設(shè)計(jì)中，為保證廠房結(jié)構(gòu)的整體性，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)之間、每個(gè)區(qū)左右塊之間采用錯(cuò)縫搭接。為加快Ⅰ、Ⅲ區(qū)澆筑進(jìn)度，使廠房能夠早日具備擋水條件，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)在以錯(cuò)縫方式澆筑到一定高程后，采用直縫、寬槽結(jié)構(gòu)將Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)分開，使Ⅰ、Ⅲ區(qū)澆筑不受Ⅱ區(qū)澆筑的制約。

為加快施工進(jìn)度，盡早實(shí)現(xiàn)廠房發(fā)電，廠房滲漏集水井頂板采用預(yù)制板作模板、樓梯采用預(yù)制吊裝、尾水管采用倒T型梁等結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5.3 廠房三維設(shè)計(jì)

對大藤峽右岸廠房進(jìn)行BIM建模設(shè)計(jì)，模型建立完成后，進(jìn)行多項(xiàng)應(yīng)用，包括：巡游瀏覽，直觀展現(xiàn)大藤峽右岸廠房結(jié)構(gòu)布置；工程量統(tǒng)計(jì)，按部位、材料等快速準(zhǔn)確計(jì)算工程量，有效節(jié)省復(fù)雜結(jié)構(gòu)工程量計(jì)算時(shí)間；三維CAE集成技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了三維建模軟件與CAE分析軟件之間模型共享，可將三維模型輕松導(dǎo)入CAE分析軟件，進(jìn)行靜、動力計(jì)算，為配筋提供依據(jù)；施工圖繪制，配筋軟件能有效減少設(shè)計(jì)人員施工圖繪制的重復(fù)性、機(jī)械性，提高效率；碰撞檢查，避免各專業(yè)之間管路出現(xiàn)交叉、碰撞等問題，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

圖6 右岸廠房三維軸測視

6 結(jié)語

大藤峽水利樞紐主體工程于2015 年9開工建設(shè)，首臺機(jī)組已于2020年4月發(fā)電投入商業(yè)運(yùn)行。發(fā)電廠房為河床式，采用兩岸分設(shè)布置方案，總工期最短，首臺機(jī)發(fā)電最早。廠房設(shè)備布置簡潔、緊湊，結(jié)構(gòu)布置合理。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采取了多項(xiàng)優(yōu)化措施，如進(jìn)水口攔污柵門槽、檢修門槽、工作門槽采用云車澆筑施工技術(shù)、優(yōu)化分層分塊澆筑設(shè)計(jì)、采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土蝸殼等，解決了多項(xiàng)技術(shù)難題，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，可為低水頭大流量河床式電站以及其他同類工程設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。