金安橋水電站引水發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙 謹(jǐn)，魯 宏，蔡 雄

（中國(guó)水電顧問集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650051）

金安橋水電站位于云南省麗江市境內(nèi)的金沙江中游河段上，是金沙江中游河段規(guī)劃的第5級(jí)電站。電站距昆明市公路里程589.5 km，距攀枝花市公路里程225.5 km。

金安橋水電站屬一等大 （1）型工程，壩頂高程1 424.000 m，最大壩高160 m，水庫(kù)正常蓄水位1 418.000 m（具有周調(diào)節(jié)性能），裝機(jī)容量2 400 MW （4×600 MW），單獨(dú)運(yùn)行的保證出力為 473.7 MW，年發(fā)電量110.43億kW·h。電站樞紐建筑物由碾壓混凝土重力壩、右岸溢洪道、右岸泄洪沖沙底孔、左岸沖沙底孔、壩后廠房及進(jìn)廠交通洞等組成。

1 引水發(fā)電建筑物總體布置

金安橋水電站引水發(fā)電建筑物包括：電站進(jìn)水口、壩后背管、壩后主廠房及安裝間、廠房上游電氣副廠房、下游水機(jī)副廠房及尾水閘室、尾水渠等。

1.1 電站進(jìn)水口

壩式進(jìn)水口布置在河中7～10號(hào)壩段，壩段寬34 m，為單管單機(jī)引水，進(jìn)水口高程1 370.000 m，4孔進(jìn)水口各設(shè)斷面尺寸9 m×14 m的檢修門和9 m×12 m的事故門。

攔污柵平臺(tái)高程1 366.000 m，懸出壩面10 m，布置20孔4.5 m×30 m攔污柵。中墩厚2.2 m，邊墩厚1.35 m，高58 m，設(shè)檢修攔污柵槽和攔污柵槽。柵墩下部1 396.000 m以下每6 m設(shè)一層連系梁，柵墩間形并與壩體相連；上部1 396.000 m至壩頂，柵墩間設(shè)攔污胸墻板，用連系梁與壩體相連。

1.2 壓力鋼管

引水鋼管出壩面后，接鋼襯鋼筋混凝土聯(lián)合受力的壓力背管管徑10.5 m。壓力鋼管設(shè)計(jì)工況最大凈水頭133 m，校核工況最大凈水頭136.07 m，最大 （水擊作用下）HD=17 150 kN/m。采用1/2背管、外包混凝土厚度為1.5 m的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。管壁厚度24～36 mm，壓力背管設(shè)間距2.0 m、環(huán)高0.15 m、厚24 mm的加勁環(huán)。

1.3 主廠房

主廠房布置為壩后式廠房，建筑物屬1級(jí)建筑物，設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇，相應(yīng)下游尾水位1 316.608 m，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1 000年一遇，相應(yīng)下游尾水位1 319.330 m，1臺(tái)機(jī)正常發(fā)電尾水位1 293.889 m，4臺(tái)機(jī)發(fā)電正常尾水位1 299.409 m，設(shè)計(jì)引用流量為4×605 m3/s。

主廠房尺寸為 215 m×34 m×73.3 m （長(zhǎng)×寬×高），安裝4臺(tái)600 MW水輪發(fā)電機(jī)組。其中，機(jī)組間距34 m，廠房?jī)魧?9 m，安裝間長(zhǎng)66.5 m，機(jī)組中心線上游凈寬11.5 m、下游凈寬17.5 m，上、下游墻厚2.5 m，主廠房右端加長(zhǎng)8.5 m，上部作為吊車梁加長(zhǎng)段，下部布置廠區(qū)滲漏集水井和檢修集水井。主廠房吊車梁以下為鋼筋混凝土墻式結(jié)構(gòu)、吊車梁以上為框架結(jié)構(gòu)。

1.4 上游副廠房及GIS廳

上游電氣副廠房布置在壩與廠房之間，分5層，層高4.5～7.0 m，為框架結(jié)構(gòu)。最低層樓面高程為1 297.000 m，以下為壓力管及壩體實(shí)體結(jié)構(gòu)，1 297.000 m高程以上副廠房與主廠房間設(shè)100 mm的永久縫。

GIS樓布置在上游電氣副廠房頂，GIS廳高程1 327.100 m，層高14.90 m， GIS廳長(zhǎng)156 m，寬19 m，室內(nèi)凈寬16 m。屋頂布置500 kV出線場(chǎng)。

副廠房與壩間采用混凝土回填至1 320.000 m高程，形成寬28 m的平臺(tái)，布置主變壓器、電抗器、柴油發(fā)電機(jī)房等?？刂剖也贾迷贕IS樓左端，共3層。

1.5 下游副廠房

水機(jī)副廠房布置在下游尾水管上方，長(zhǎng)136 m，共分6層，分別布置供水設(shè)備、電纜層、輔助設(shè)備、機(jī)組自用電及通風(fēng)設(shè)備，屋頂高程1 320.000 m，與尾水平臺(tái)齊平。每個(gè)機(jī)組段布置樓梯作垂直交通。

1.6 尾水閘室及尾水渠

尾水檢修閘門為1機(jī)2門布置，閘門尺寸為11.64 m×10.0 m。8扇檢修閘門共用1臺(tái)門機(jī)啟閉。閘底板高程1 362.850 m，建基高程與主廠房同高，為1 256 m，尾水閘墩高64 m、平臺(tái)高程1 320 m。

尾水渠長(zhǎng)80 m，底寬134 m，縱向坡度為1∶6。尾水渠兩岸為1∶0.25的混凝土貼坡，與左右岸底孔邊墻結(jié)合。

1.7 進(jìn)廠交通

左岸進(jìn)廠交通洞長(zhǎng)1 479.9 m，城門洞形，斷面尺寸為10 m×12 m，路面高程為1 328.000～1 303.300 m。在廠交1+005.178處分岔出斷面尺寸為8 m×9 m的尾水交通洞至尾水平臺(tái)及主變平臺(tái)。

2 工程主要技術(shù)問題

2.1 電站進(jìn)水口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

金安橋電站進(jìn)水口攔污柵柵墩布置在懸出上游壩面10 m的平臺(tái)上，平臺(tái)高程1 366.000 m，平臺(tái)底面的傾斜角為45°。為與大壩間設(shè)置橫縫相適應(yīng)，攔污柵柵墩及其平臺(tái)設(shè)有 （沉降縫）永久縫，每個(gè)進(jìn)水口攔污柵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為9層5跨的框架，相鄰進(jìn)水口攔污柵結(jié)構(gòu)間由寬10.0 m、厚1.35 m的隔墻分開。每個(gè)攔污柵由4根立柱和兩側(cè)隔墻形成5個(gè)柵孔，每孔凈寬4.5 m，立柱為2.2 m×5 m的方圓形截面。

計(jì)算分析表明，電站進(jìn)水口喇叭段、閘門段及漸變段等各部位應(yīng)力都可以通過配筋滿足強(qiáng)度要求。

2.2 壓力背管形式研究

金安橋電站壓力鋼管設(shè)計(jì)選型時(shí)，研究比較了壓力管全外背、2/3外背及1/2外背3種情況?？紤]到金安橋水電站大壩100年超越概率2%的地震水平加速度峰值高達(dá)0.399 g，地震對(duì)外背的壓力管影響較大，因此重點(diǎn)研究2/3外背及1/2外背。

經(jīng)研究分析后認(rèn)為，金安橋水電站壩下游面管道采用2/3背布置形式和管壁厚度1.5 m，雖可以滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，但在綜合考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等方面的因素后，推薦采用1/2背管、外包混凝土厚度1.5 m的布置形式。經(jīng)計(jì)算分析，金安橋水電站壩下游面管道采用1/2外背管、外包混凝土厚度1.5 m，管壩接縫面應(yīng)力、管道軸向應(yīng)力均可以滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，管道環(huán)向拉應(yīng)力可通過配筋來解決。

2.3 鋼管過縫措施研究

壩后式水電站中，由于大壩和電站主廠房高度各不相同，兩部分地基的沉陷也不同，在廠壩分縫處，因壩體施工期與運(yùn)行期位移方向相反，鋼管軸向變位較大；另外在溫度等荷載作用下，很容易在廠壩連接處出現(xiàn)應(yīng)力集中，一般在主、副廠房之間設(shè)永久縱向縫，并設(shè)置伸縮節(jié)。但金安橋電站運(yùn)輸條件較差，超大尺寸件 （直徑10.5 m）的伸縮節(jié)難以運(yùn)到工地，為此，采用一段墊層管代替伸縮節(jié)，以適應(yīng)基礎(chǔ)不均勻沉陷和溫度變化。

通過對(duì)幾種過縫措施的研究，最終確定金安橋水電站壓力鋼管過縫方案為：廠壩間壓力鋼管不設(shè)伸縮節(jié)，在縫上游10 m、下游3 m范圍內(nèi)設(shè)彈性墊層，設(shè)彈性墊層的管段按明管設(shè)計(jì)，廠壩間分縫灌漿至1 278.000 m高程。在壓力管與外包鋼筋混凝土聯(lián)合受力時(shí)，管下方120°范圍進(jìn)行接觸灌漿，灌漿壓力為0.2 MPa，管道上方不再進(jìn)行灌漿處理。在廠壩分縫處的壓力管環(huán)焊縫預(yù)留在大壩蓄水后焊接。

金安橋電站廠壩分縫處不設(shè)伸縮節(jié)，廠壩間分縫灌漿至1 278.000 m高程，在溫升組合工況下，分縫兩側(cè)順河向 （管軸向）相對(duì)位移最大，為6.8 mm；正常運(yùn)行工況次之，為5.9 mm。在同一斷面，90°（管頂）， 0°和 180°（管側(cè)）， 270°（管底） 的位移依次逐漸減??；由于本結(jié)構(gòu)方案分縫處已灌漿至1 278.000 m高程，接近鋼管底部高程，因此鋼管底部的相對(duì)位移最小。分縫兩側(cè)混凝土順河向的相對(duì)位移都是相互靠攏的趨勢(shì)，相應(yīng)的順河向 （管軸向）應(yīng)力都為壓應(yīng)力，分縫處的混凝土灌漿不會(huì)沿縫面開裂，可以很好地傳遞分縫兩側(cè)的相互作用力，達(dá)到減小墊層管軸向變形和壓應(yīng)力的目的。相應(yīng)工況下的鋼襯應(yīng)力，在1 278.000 m高程以下的分縫灌漿以后，墊層管段的鋼襯應(yīng)力大大減小。

2.4 蝸殼外圍混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

金安橋水電站水輪機(jī)蝸殼進(jìn)口斷面直徑10.0 m，設(shè)計(jì)內(nèi)靜水壓力水頭125.9 m，設(shè)計(jì)動(dòng)水壓力水頭160 m，最大設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力達(dá)1.6 MPa，為國(guó)內(nèi)較大的鋼蝸殼之一，材料采用16 MnR。鑒于金安橋水電站蝸殼設(shè)計(jì)水頭高、高地震烈度區(qū)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、厚度較小，最小混凝土厚度僅為2.0 m等特點(diǎn)，特設(shè)專項(xiàng)課題進(jìn)行蝸殼結(jié)構(gòu)布置、應(yīng)力和應(yīng)變?nèi)娣治鲅芯?，?jīng)墊層蝸殼、完全聯(lián)合承載蝸殼等方案研究后，結(jié)合工程的實(shí)際情況和施工特點(diǎn)，確定采用墊層鋼蝸殼方案，外包鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。蝸殼彈性墊層材料采用 “EPS”發(fā)泡板 （高壓聚乙烯發(fā)泡板），厚度分別為10、20、30 mm，根據(jù)不同部位的變形情況設(shè)置。對(duì)鋼蝸殼外圍混凝土進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋，然后采用非線性有限元方法，對(duì)蝸殼墊層方案進(jìn)行計(jì)算，研究外圍鋼筋混凝土的開裂荷載、裂縫發(fā)展、鋼蝸殼和鋼筋的應(yīng)力分布，以及蝸殼與機(jī)墩的變形，驗(yàn)證蝸殼外圍混凝土鋼筋配置的合理性。

2.5 高地震烈度區(qū)廠房結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

金安橋水電站廠房抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度,抗震概率水準(zhǔn)采用基準(zhǔn)期50年超越概率5%，基巖水平峰值加速度0.246 g。廠房主體結(jié)構(gòu)按 DL5073—2000《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB500011—2001《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。為保證在地震作用下，主廠房上下游側(cè)墻在吊車軌道和柱頂位移控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)，保證吊車運(yùn)行安全和屋頂網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的安全，對(duì)主廠房及下游副廠房結(jié)構(gòu)采用三維有限元?jiǎng)恿Ψ治?分析計(jì)算中考慮豎向地震作用，豎向地震作用的設(shè)計(jì)地震加速度代表值取水平設(shè)計(jì)地震加速度代表值的2/3。計(jì)算分析表明，金安橋水電站主廠房上下游墻頂和柱頂位移滿足規(guī)范要求，應(yīng)力均滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

上游副廠房及GIS樓為框架和框架剪力墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件PKPM系列中的SATWE進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)分析，并按規(guī)范要求采用抗震構(gòu)造措施。廠房?jī)?nèi)、外部磚墻按照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50011—2001《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中Ⅷ度地震區(qū)磚墻抗震構(gòu)造要求進(jìn)行抗震構(gòu)造措施設(shè)計(jì)。

2.6 主廠房下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

廠房下部結(jié)構(gòu)主要包括廠房底板、尾水管、蝸殼、擋水墻、尾水閘墩，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中視混凝土為線彈性材料，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)或彈性力學(xué)方法分析。

金安橋水電站廠房下部結(jié)構(gòu)用平面簡(jiǎn)化計(jì)算和三維有限元方法進(jìn)行分析，得出廠房底板、尾水管、擋水墻和尾水閘墩等結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形，根據(jù)DL/T 5057—1996《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行配筋計(jì)算，滿足規(guī)范限裂和構(gòu)造要求。

尾水管為彎肘形，出口擴(kuò)散段上翹約10°，其出口處斷面尺寸為25.78 m×10.0 m （寬×高），內(nèi)設(shè)2.5 m厚中墩將擴(kuò)散段分隔為2孔，單孔寬度11.64 m，底板設(shè)間距6 m×6 m的錨筋。擴(kuò)散段長(zhǎng)28.95 m，進(jìn)口處高5.2 m，出口處高10.0 m。為便于施工，頂板底層采用預(yù)制鋼筋混凝土倒T形梁結(jié)構(gòu)，它既是尾水管結(jié)構(gòu)的一部分，又可作為支承模板，節(jié)省大量支承結(jié)構(gòu)。預(yù)制倒T梁由施工門機(jī)吊裝就位，即可在其上澆筑尾水管頂板混凝土，大大加快施工進(jìn)度。金安橋水電站因施工場(chǎng)地限制，3、4號(hào)機(jī)尾水頂板采用預(yù)制鋼筋混凝土倒T形梁結(jié)構(gòu)施工，1、2號(hào)機(jī)尾水頂板采用現(xiàn)澆鋼筋混凝結(jié)構(gòu)。

2.7 主廠房上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主廠房上部結(jié)構(gòu)主要包括主廠房上下游承重結(jié)構(gòu)、屋蓋結(jié)構(gòu)等。因廠內(nèi)布置2臺(tái)8 000/1 500 kN/160 kN橋機(jī)，橋機(jī)單個(gè)最大輪壓850 kN，橋機(jī)荷載很大，上下游承重結(jié)構(gòu)采用2.5 m厚的鋼筋混凝土墻式結(jié)構(gòu)，壁式連續(xù)牛腿支承橋機(jī)軌道。牛腿以上結(jié)構(gòu)剛度較下部結(jié)構(gòu)小很多，為減小牛腿以上結(jié)構(gòu)地震作用下位移，上柱柱間采用400 mm混凝土墻連接，加強(qiáng)了牛腿以上結(jié)構(gòu)剛度。廠房屋頂跨度34 m，在比較了現(xiàn)澆鋼筋混凝土屋面和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋面結(jié)構(gòu)形式后，選擇自重輕、抗震性能好的正放四角錐空間螺栓球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

2.8 上、下游副廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上游副廠房及GIS樓高程1 320.300 m以下為半地下結(jié)構(gòu)，高程1 320.300 m以上為框架—剪力墻結(jié)構(gòu)。下游側(cè)框架從高程1 297.000 m至1 342.000 m，高45 m，根據(jù)GB500011—2001《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，框架抗震等級(jí)為1級(jí)；上游側(cè)剪力墻從高程1 320.000 m至1 342.000 m，高22 m，剪力墻抗震等級(jí)為2級(jí)。結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件PKPM系列中的SATWE進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)分析。在GIS樓縱向，根據(jù)結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算結(jié)果，每隔34 m設(shè)1道40 mm的抗震縫，GIS樓與主廠房之間設(shè)1道100 mm的結(jié)構(gòu)縫，結(jié)構(gòu)縫縫寬滿足抗震要求。

下游副廠房樓板采用厚板結(jié)構(gòu)，板厚0.6～0.8 m，具有樓頂美觀、施工方便、結(jié)構(gòu)剛度大、工藝設(shè)備布置靈活等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)力學(xué)法和有限元法計(jì)算分析，承載力、撓度和裂縫均滿足規(guī)范要求，厚板在樓梯孔部位因開孔較大，孔口部位應(yīng)力集中明顯，設(shè)計(jì)中采用孔口邊設(shè)暗梁，加強(qiáng)孔口周邊配筋等措施，保證厚板結(jié)構(gòu)安全。

3 結(jié)語

金安橋水電站引水發(fā)電系統(tǒng)具有抗震設(shè)防烈度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、荷載分布不規(guī)則、局部荷載較集中等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中充分考慮上述特點(diǎn)，在初步設(shè)計(jì)成果的基礎(chǔ)上，對(duì)引水發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多次優(yōu)化設(shè)計(jì)。電站進(jìn)水口、壓力背管、廠房蝸殼、廠房上下部結(jié)構(gòu)等重要部位分別進(jìn)行了專題研究，以三維有限元整體分析為基礎(chǔ)，滿足了施工圖設(shè)計(jì)階段的內(nèi)力、位移計(jì)算等要求。

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