簡析水利水電中水電站設(shè)計方法

廣東省英德市水利水電勘測設(shè)計室 513000

摘要：長期以來，隨著工業(yè)生產(chǎn)和人民生活用電量的逐步攀升，不僅對水資源的開發(fā)的要求提高了，對質(zhì)量的要求也越來越高，這就為水電建設(shè)提出的新的難題。本文從水電站的設(shè)計情況基本情況入手，分析正確的設(shè)計方法，對設(shè)計工作進(jìn)行不斷的完善，以提高水電站設(shè)計工作的質(zhì)量，為水電站整體工作效率提供基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：水電站；主廠房

1 引言

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對能源的需求量越來越大，然而有限的能源無法滿足越來越大的能源需求，近年來，這一矛盾更加激化。國家需要為水資源的利用與開發(fā)探索新的道路，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能源節(jié)約的同時實(shí)現(xiàn)。就我國現(xiàn)狀而言，能源結(jié)構(gòu)方面主要是以火電為主，但是火力發(fā)電本身存在很多的缺陷，如污染較大，能耗較大等。隨著煤炭價格的不斷上漲，火電的運(yùn)行成本也不斷提高，相比之下水利發(fā)電的優(yōu)勢就更加明顯。因此，關(guān)于水利行業(yè)）水電站設(shè)計方面的研究就顯得格外重要。因此，在現(xiàn)階段水電站設(shè)計工作上，我們必須抓住機(jī)遇，克服困難，使設(shè)計質(zhì)量得到提高，促進(jìn)水電站整體水平的發(fā)展，以滿足國內(nèi)能源的需求，為創(chuàng)建資源節(jié)約型，環(huán)境友好型社會貢獻(xiàn)自己的力量。

2、水電站廠房設(shè)計原則

同其他工業(yè)建筑設(shè)計一樣，水電站廠房的設(shè)計也應(yīng)該走可持續(xù)發(fā)展的建筑設(shè)計道路，2l世紀(jì)是信息時代，更應(yīng)該是生態(tài)文明時代。人類運(yùn)用高新科技，探索生存生產(chǎn)和生活環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展的模式，按照國際社會所承認(rèn)的原則進(jìn)行設(shè)計。扎對涉及的地方性、地域性理解，重視地方場所的文化脈絡(luò)。

（1）運(yùn)用技術(shù)的公眾意識，結(jié)合建筑功能要求，采用簡單合適的技術(shù)。

（2）樹立建筑材料蘊(yùn)含能量和循環(huán)使用的意識，在最大范圍內(nèi)使用可再生的地方性建筑材料，避免使用高溫能量、破壞環(huán)境、產(chǎn)生廢物以及帶有放射性的建筑材料，征求重新利用舊的建筑材料和構(gòu)件。

（3）針對當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，采用別動式能源策略，盡量應(yīng)用可再生能源。

（4）完善建筑空間使用的靈活性，以便減少建筑體量。將建設(shè)所需的資源降至最少。減少建筑過程中對環(huán)境的損害，避免環(huán)境的破壞、資源的浪費(fèi)以及建材的浪費(fèi)。水電站廠房一般位于山谷、峽谷中，與大壩結(jié)構(gòu)連在一起，通常采用混凝土結(jié)構(gòu)，或發(fā)電機(jī)層以上采用鋼筋混凝土柱加網(wǎng)架等結(jié)構(gòu)，建筑的外觀設(shè)計往往是依據(jù)結(jié)構(gòu)的輪廓給結(jié)構(gòu)穿一層外衣，所以在造型這一立體構(gòu)成方面往往受結(jié)構(gòu)限制，是一種建筑設(shè)計中比較忌諱的火柴盒狀，從經(jīng)濟(jì)方面考慮，很少再投入跟多的資金去做復(fù)雜的造型設(shè)計，這就要求建筑設(shè)計師在立面的門窗洞口布置這一平面構(gòu)成和色彩變化這一色彩構(gòu)成上去下功夫去做廠房的外觀設(shè)計。從廠房的外裝飾材料來講，宜采用節(jié)能環(huán)保的、較自然樸質(zhì)的、具當(dāng)?shù)靥厣?、具有時代特征的裝飾材料，以與周圍的山川、河谷及文化保持—個統(tǒng)一的格調(diào)。避免盲目追求超現(xiàn)代化而使用追求通透感的、大面積的玻璃幕等與環(huán)境不協(xié)調(diào)又不節(jié)能環(huán)保的建筑材料，當(dāng)前許多廠房的建筑也開始做建筑的外保溫這一相對節(jié)能措施，外墻飾面材料一般以外墻涂料為主，也可做石材或外墻飾面磚，另一種外墻外保溫材料是節(jié)能復(fù)合裝飾板有金屬等面層，不用單獨(dú)做飾面層，但相對造價較高，不經(jīng)濟(jì)；外窗較多采用單框雙玻璃中空塑鋼窗保溫，密封效果較理想。還有一種斷熱橋鋁合金型材窗，造型美觀，但造價也相對較高；安裝間進(jìn)廠大門面積相對較大且不常開啟，應(yīng)采用保溫且密封性較好的材質(zhì)，其他主、副廠房相對面積較小且相對開啟較頻繁的門，宜采用輕巧保溫且密封性較好的材質(zhì)。

3、水電站設(shè)計方法分析

3.1主廠房的結(jié)構(gòu)布置設(shè)計

3.1.1主廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）屋頂，屋頂包括屋面板：隔熱、遮陽、避風(fēng)雨等。以及預(yù)制鋼筋混凝土大型屋面板、隔熱層、防水層以及保護(hù)層等基礎(chǔ)部分。

（2）排架柱，承受屋架或屋面大梁、吊車梁、外墻傳來的荷載和排架柱自重，并將它們傳給廠房下部結(jié)構(gòu)的大體積混凝土。

（3）發(fā)電機(jī)層和安裝間樓板，發(fā)電機(jī)層樓板承受著自重、機(jī)電設(shè)備靜荷載和人的活荷載，傳給梁并部分傳發(fā)電機(jī)機(jī)座和水輪機(jī)層的排架柱。安裝間樓板承受自重、檢修或安裝時機(jī)組荷載和活荷載，傳到基礎(chǔ)。

（4）圍護(hù)結(jié)構(gòu)，包括外墻，用以承受風(fēng)荷載，并將它傳給排架柱或壁柱?？癸L(fēng)柱，用以承受廠房兩端山墻傳來的風(fēng)荷載，并將它傳給屋面大梁和基礎(chǔ)或廠房下部大體積混凝土塊體。圈梁和連系梁，用以承受梁上磚墻傳下的荷載和自重，并傳給排架柱或壁柱。

（5）蝸殼和水輪機(jī)座環(huán)（固定導(dǎo)葉）將機(jī)墩傳下來的荷載通過座環(huán)傳到尾水管上，另外水輪機(jī)層的設(shè)備重量和活荷載通過蝸殼頂板也傳到尾水管。

（6）尾水管，承受水輪機(jī)座環(huán)和蝸殼頂板傳來的荷載，經(jīng)尾水管框架（尾水管頂板、閘墩、邊墩和底板構(gòu)成的）結(jié)構(gòu)再傳到基礎(chǔ)上。

3.1.2廠房混凝土澆筑的分期和分層分塊

對廠房混凝土）澆注進(jìn)行分期，主要是由于機(jī)組到貨一般均遲于土建的施工期，且為機(jī)組安裝創(chuàng)造工作面，為了適應(yīng)水輪發(fā)電機(jī)組的安裝要求，廠房中的混凝土需要分期澆筑，稱為一期和二期混凝土。

一期混凝土一般指的是底板、尾水管、尾水閘墩、尾水平臺、混凝土蝸殼外的混凝土、上下游邊墻、廠房構(gòu)架、吊車梁、部分樓板等，在施工時先期澆筑，以便利用吊車進(jìn)行機(jī)組安裝。

二期混凝土則是為了機(jī)組安裝和埋件需要而預(yù)留的，要等到機(jī)組和有關(guān)設(shè)備到貨后、尾水管圓錐鋼板內(nèi)襯和金屬蝸殼安裝完畢后，再進(jìn)行澆筑。二期混凝土包括金屬蝸殼外的部分混凝土、尾水管直錐段外包混凝土、機(jī)座、發(fā)電機(jī)風(fēng)罩外壁、部分樓層的樓板。

水電站廠房水下部分的混凝土屬于大體積塊體混凝土。其特點(diǎn)是現(xiàn)場澆筑量大，結(jié)構(gòu)幾何形狀復(fù)雜，基礎(chǔ)高差大，對裂縫要求嚴(yán)格。由于受混凝土澆筑能力的限制和為了適應(yīng)廠房形狀的變化，因此每期混凝土要分層分塊澆筑，便于施工和保證工程質(zhì)量。

3.1.3廠房結(jié)構(gòu)的分縫和止水

分縫工作中主要可以運(yùn)用沉降伸縮縫，這是為了防止廠房地基不均勻沉陷，減小下部結(jié)構(gòu)受基礎(chǔ)約束產(chǎn)生的溫度和干縮應(yīng)力，沿廠房長度方向設(shè)置的伸縮縫和沉降縫（永久縫）。其特點(diǎn)主要有一般都是貫通至地基，只在地基相當(dāng)好時，伸縮縫才僅設(shè)在水上部分，但也需每隔數(shù)道伸縮縫設(shè)一道貫通地基的沉降伸縮縫。

止水是對廠房水上部分的永久縫中常填充一定彈性的防滲、防水材料，以防止在施工或運(yùn)行中被泥沙或雜物填死和風(fēng)雨對廠房內(nèi)部的侵襲。與此同時，廠房水下部的永久縫應(yīng)設(shè)置止水，以防止沿縫隙的滲漏，重要部位設(shè)兩道止水，中間設(shè)瀝青井。止水布置主要取決于廠房類型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、地基特性等，應(yīng)采用可靠、耐久而經(jīng)濟(jì)的止水型式。

3.2廠房整體穩(wěn)定及地基應(yīng)力設(shè)計

廠房整體穩(wěn)定及地基應(yīng)力應(yīng)該對沿地基面的抗滑穩(wěn)定、抗浮穩(wěn)定、廠基面垂直正應(yīng)力注等進(jìn)行計算。而河床式廠房本身是擋水建筑物，廠房地基內(nèi)部存在軟弱層面時，還應(yīng)進(jìn)行深層抗滑穩(wěn)定計算。

在進(jìn)行計算時，必須要保證廠房在運(yùn)行、施工和檢修期間，在抗滑、抗傾與抗浮方面有足夠的安全系數(shù)，以保證廠房的整體穩(wěn)定。并且廠房地基應(yīng)力必須滿足承載能力的要求，不允許發(fā)生有害的不均勻沉陷。

由于河床式廠房直接承受上游水壓力，在確定地下輪廓線、校核整體穩(wěn)定性和地基應(yīng)力時，以兩個永久縫之間或一個機(jī)組段長度為計算單元，進(jìn)行穩(wěn)定分析和地基應(yīng)力計算時，不能取單寬進(jìn)行計算。另外廠房有大量的二期混凝土，并可能有分期安裝問題，故在機(jī)組安裝前后荷載變化較大，確定荷載與荷載組合時也有其特點(diǎn)。

荷載主要包括基本何在和特殊荷載，基本何在主要包括了廠房結(jié)構(gòu)及永久設(shè)備自重；回填土石重；正常蓄水位或設(shè)計洪水位情況下的靜水壓力等數(shù)據(jù)。特殊荷載則主要指的是校核洪水位或檢修水位情況下的靜水壓力；相應(yīng)于校核洪水位或檢修水位情況下的揚(yáng)壓力以及地震力等。

廠房整體穩(wěn)定和地基應(yīng)力計算應(yīng)以中間機(jī)組段、邊機(jī)組段和安裝間段作為一個獨(dú)立的整體，按荷載組合分別進(jìn)行。邊機(jī)組段和安裝間段，除上下游水壓力作用外，還可能受側(cè)向水壓力的作用，所以必須核算雙向水壓力作用下的整體穩(wěn)定性和地基應(yīng)力。

4、結(jié)語

水電站設(shè)計相比攔河壩、水閘、堤防等其他水工建筑物設(shè)計更不容易，設(shè)計周期較長，首先要做流域規(guī)劃，然后隨之就要進(jìn)行水資源論證、林地規(guī)劃、地質(zhì)災(zāi)害評估、環(huán)評、水保、地勘、生物多樣性評估、可行性論證等等多方面的評估，最后還需要水行政主管部門的批復(fù)及發(fā)改、財政等有關(guān)行政機(jī)關(guān)的核準(zhǔn)文件后才能正式啟動。開工后，安全評估和相應(yīng)階段的安全鑒定也是必不可少的一項(xiàng)工作。

由此可見，水電站設(shè)計是一項(xiàng)相當(dāng)復(fù)雜的工作，因此在日常的生活，我們應(yīng)當(dāng)積極探索，認(rèn)真學(xué)習(xí)，努力將水電站的設(shè)計工作做到最優(yōu)。

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