水電站廠房的設(shè)計探究

林偉青

（新疆兵團勘測設(shè)計院（集團）有限責任公司，新疆 石河子 832000）

水電站廠房的設(shè)計探究

林偉青

（新疆兵團勘測設(shè)計院（集團）有限責任公司，新疆 石河子 832000）

水利水電工程是當前我國區(qū)域工業(yè)與農(nóng)業(yè)發(fā)展中重要的基礎(chǔ)設(shè)施，能夠為轄屬區(qū)域提供清潔、穩(wěn)定的電力供應(yīng)。在水電站工程施工建設(shè)過程中，水電站廠房設(shè)計是重要的一環(huán)，廠房設(shè)計的合理性與科學(xué)性直接影響著水電站整體穩(wěn)定性與設(shè)備運行的安全性，同時對于發(fā)電效率與周邊區(qū)域環(huán)境保護有著關(guān)聯(lián)性的作用。文章就當前水電站廠房設(shè)計中的主要內(nèi)容進行了闡述，同時結(jié)合具體設(shè)計實例進行的分析研究，旨在提供一定的參考與借鑒。

水電站；廠房；設(shè)計

1　水電站廠房設(shè)計中的主要內(nèi)容分析

1.1主廠房的尺寸確定

水電站主廠房是水電站廠區(qū)的主要構(gòu)筑物設(shè)施，確定主廠房相關(guān)尺寸是設(shè)計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。就當前常見的水電站主廠房設(shè)計要求而言，其尺寸參數(shù)的選擇主要受上部、下部結(jié)構(gòu)的影響較為明顯，其中上部結(jié)構(gòu)的尺寸影響因素主要包括發(fā)電機層、排架柱、屋面、屋頂?shù)?，而下部結(jié)構(gòu)的尺寸影響因素主要包括發(fā)電機機墩、水輪機座、尾水管等。在水電站主廠房尺寸確定過程中，應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的發(fā)電與防洪設(shè)計需求，充分考慮廠區(qū)設(shè)備安裝、運行、維護等系列工作要求的基礎(chǔ)上，通過合理的規(guī)?？刂婆c廠房布置提升資源利用效率，降低水電站廠房成本投入。

1.2地下結(jié)構(gòu)設(shè)計

水電站廠房地下結(jié)構(gòu)部分是整個廠房的基礎(chǔ)部分，該結(jié)構(gòu)承受來自上部結(jié)構(gòu)與設(shè)備運行過程中形成的各項載荷，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對于廠區(qū)安全有著至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)階段，水電站廠房地下結(jié)構(gòu)通常指的是位于水面以下的廠房結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計與參數(shù)選擇具有一定的環(huán)境影響特征。

水電站廠房體量較大，其水下部分通常使用大體積混凝土作為結(jié)構(gòu)形式，而這部分大體積混凝土在現(xiàn)場澆筑過程中，由于基礎(chǔ)高差較大，其裂縫控制難度較高。因此，大部分水電站廠房地下結(jié)構(gòu)部分均采用分層分塊澆筑的形式。

機墩能夠為水電站發(fā)電機組提供支撐作用，立墩端面與設(shè)備蝸殼頂板一體化連接，承受著機組運行過程中形成的動、靜荷載，因此要求機墩結(jié)構(gòu)具有良好的剛度、強度、穩(wěn)定性水平。在機墩結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)，設(shè)計人員主要考慮的影響因素是頂端位置的設(shè)備自重形成的垂直靜載荷、機組推力形成的垂直動載荷與水平動載荷以及扭矩載荷等。

1.3地上結(jié)構(gòu)設(shè)計

水電站廠房地上結(jié)構(gòu)部分是防護設(shè)施與搭設(shè)各類發(fā)電輔助設(shè)備重要結(jié)構(gòu)，地上結(jié)構(gòu)部分常見的屋頂屋面材料能夠有效隔絕外部環(huán)境對于水電站設(shè)備的干擾，當前常用地上結(jié)構(gòu)形式為預(yù)制鋼筋混凝土面板+隔熱層+防水層+保護層的結(jié)構(gòu)。

其中，地上結(jié)構(gòu)排架柱作為重要的承重結(jié)構(gòu)，其體系穩(wěn)定性與屋架或屋面、吊車梁等多項載荷相關(guān)，在設(shè)計環(huán)節(jié)需要對這些載荷條件進行充分考慮，同時結(jié)合下部結(jié)構(gòu)的承載能力選擇排架柱形式與參數(shù)。當前水電站廠房通常選擇鋼筋砼材料作為排架結(jié)構(gòu)，跨度為10～25m。地上結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中需要考慮的另一重要因素是水電生產(chǎn)過程中，設(shè)備運行管理的效率，地上結(jié)構(gòu)應(yīng)為各設(shè)備提供足夠的檢修維護空間，同時避免臨近設(shè)備間的干擾作用。

1.4整體穩(wěn)定分析

整體穩(wěn)定性分析是對水電站廠房設(shè)計方案的審核檢驗，其分析標準為各項載荷條件下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與各工況水平下的應(yīng)力表現(xiàn)。主要分析內(nèi)容包括：廠房地下結(jié)構(gòu)地抗滑穩(wěn)定性、抗浮穩(wěn)定性、垂直正應(yīng)力水平、不均勻沉降、動靜載荷結(jié)構(gòu)振動特征等。在具體的穩(wěn)定性分析過程中，結(jié)合設(shè)計結(jié)構(gòu)的抗剪切強度進行分析，同時對于結(jié)構(gòu)體系中應(yīng)力較為集中的脆弱部位進行重點核算。尤其需要考慮的是水力發(fā)電機組高負荷運行條件下，機組工況條件下的振動等情況形成的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響問題。

2　設(shè)計實例分析

2.1工程概況

某水電站廠區(qū)，發(fā)電廠房為4級，發(fā)電機層廠房主跨20.6m，絕對標高為1536.15m。布置1臺吊車，吊車跨度為18m，軌頂標高12m，柱距為5.6m。該水電站廠房下部結(jié)構(gòu)為混凝土帷幕灌漿體系，上部結(jié)構(gòu)為空間鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式?，F(xiàn)針對該水電站廠房設(shè)計進行分析，同時對方案的穩(wěn)定性進行分析。

2.2廠房建筑物布置

（1）廠房布置。發(fā)電廠房電站總裝機2.4 MW，主廠房由主機間和安裝間組成。根據(jù)水輪發(fā)電機組蝸殼及尾水管尺寸、調(diào)速器、油壓裝置等布置要求以及機組檢修的需要，廠房上游側(cè)寬度5m，下游側(cè)寬度4m，機組間距為10m。主機間與安裝間上部寬度均為10.6m。主機間全長為21.5 m，安裝間距8.5m。主機間尺寸：21.5m×10.6m×13.6m。主機間與安裝間之間設(shè)有結(jié)構(gòu)縫。

發(fā)電機層高程1358.6m，主廠房以發(fā)電機層為界，以上為水上部分，以下為水下部分。安裝間布置于主廠房左側(cè)，與主廠房等寬，安裝間為機組安裝檢修場地，安裝間地而高程為1361.10 m，布置有油處理設(shè)備等。安裝間大門設(shè)在下游側(cè)。主廠房內(nèi)設(shè)有一臺型號為16 t的電動單梁橋式起重機，橋機跨度9 m 。

（2）基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。為提高廠房基礎(chǔ)的強度與穩(wěn)定性，在廠房底板澆筑后進行基礎(chǔ)固結(jié)灌漿處理，固結(jié)深度5 m為減小基礎(chǔ)滲漏，廠房基礎(chǔ)周邊進行了帷幕灌漿處理，帷幕灌漿孔問距均為2.5m；孔徑60mm；帷幕深度15 m。為降低基底揚壓力與滲透壓力，在廠房上游一側(cè)設(shè)有排水孔，孔距2.5 m；孔徑150 mm；孔深15 m。排水孔向下游傾斜，與帷幕成15°角。

（3）上部結(jié)構(gòu)。本水電站廠房上部結(jié)構(gòu)選擇空間鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)剛度穩(wěn)定性較高，自重較輕，同時具有良好的應(yīng)力傳遞能力，在發(fā)電機組設(shè)備垂直輪壓和橫向水平制動力作用下，廠房結(jié)構(gòu)處于空間受力狀態(tài)。桁架結(jié)構(gòu)則處于單個桁架平面內(nèi)局部受力狀態(tài)久因而可使軌頂變位減小，橫向剛度增加；改善了廠房結(jié)構(gòu)的抗震性能。網(wǎng)格不大，自重輕，支承結(jié)構(gòu)費用相應(yīng)降低；建筑造型輕巧美觀，可免去吊頂，便于廠房通風(fēng)。

2.3廠房穩(wěn)定計算

對主機間、安裝間分別按正常運行、施工期、地震等不同情況考慮各種受力組合，計算廠房沿建基面的抗滑、抗浮、抗傾整體穩(wěn)定和地基應(yīng)力。根據(jù)表1內(nèi)的計算結(jié)果可知：

表1　水電站廠房設(shè)計穩(wěn)定性分析結(jié)果

（1）本水電站廠房設(shè)計條件下，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)承受的載荷水平小于允許值（400kPa），能夠有效維持設(shè)備運行中的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

（2）廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計方案中的不均勻系數(shù)處于允許范圍內(nèi)，能夠應(yīng)對多種運行條件下的工況載荷承載需求

（3）廠房抗滑性能符合規(guī)范要求，設(shè)備運行過程中的穩(wěn)定性較高。

3　結(jié)束語

綜上所述，水電站廠房設(shè)計是一項科學(xué)而系統(tǒng)的工作，在實際過程中需要考慮的要素較多，設(shè)計人員需要從水電站的實際水文環(huán)境與發(fā)電需求出發(fā)，根據(jù)設(shè)備運行要求進行相關(guān)廠房設(shè)計參數(shù)的選取與設(shè)定。就當前的水電站廠房設(shè)計的實際經(jīng)驗而言，設(shè)計的重點在于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)兩個部分，相關(guān)結(jié)構(gòu)體系的選擇應(yīng)保證設(shè)備運行過程中各類載荷均能獲得足夠的支撐作用，同時能夠保證設(shè)備的安全與高效運行。

［1］張存慧.大型水電站廠房及蝸殼結(jié)構(gòu)靜動力分析［D］.大連理工大學(xué)，2010.

［2］李守義，肖靜.河床式水電站廠房橫縫止水布置形式研究［J］.水力發(fā)電學(xué)報，2014，（5）：165-168.

［3］于倩倩.河床式水電站廠房結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)分析方法研究［D］.天津大學(xué)，2012.

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