某水電站地下廠房布置與設(shè)計

摘" 要：某水電站位于中國西南某河流上，發(fā)電廠房為引水式地下廠房，主要開發(fā)任務(wù)為發(fā)電，總裝機容量1 200 MW。結(jié)合引水式電站工程特點、機電設(shè)備布置需要及地質(zhì)條件等對地下廠房進行合理布置及優(yōu)化設(shè)計。主要介紹主廠房、副廠房和安裝間的尺寸、結(jié)構(gòu)、布置設(shè)計，其布置滿足結(jié)構(gòu)安全和功能需求，廠區(qū)結(jié)構(gòu)布置緊湊、合理，可為類似工程設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：水電站；地下廠房；布置設(shè)計；引水式電站；水利工程建設(shè)

中圖分類號：TV731.6" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）08-0133-04

Abstract： The hydropower station is located on a river in southwest China. The power plant is an underground plant with diversion. Its main development task is power generation， with a total installed capacity of 1 200 MW. The rational layout and optimal design of the underground powerhouse were carried out according to the engineering characteristics of the diversion power station， the needs of mechanical and electrical equipment layout and geological conditions. The dimensions， structure and layout design of main workshop， auxiliary workshop and installation room were introduced. The layout meets the structural safety and functional requirements， and the plant structure is compact and reasonable， which can provide reference for similar engineering design.

Keywords： hydropower station; underground powerhouse; layout design; diversion type power station; water conservancy project construction

某水電站位于中國西南某河流上，樞紐任務(wù)以發(fā)電為主，采用引水式開發(fā)。電站過水系統(tǒng)采用一機一管布置型式，引水管長350 m。水庫正常蓄水位2 350.0 m，死水位2 340.0 m。下游尾水情況：設(shè)計尾水位2 132 m，設(shè)計洪水尾水位2 145 m，校核洪水尾水位2 146 m?？傃b機容量1 200 MW，多年平均發(fā)電量63.36億kW·h。設(shè)計洪水位2 355.0 m，校核洪水位2 056.0 m。廠房型式為地下廠房，廠內(nèi)裝4臺單機容量300 MW立軸混流式水輪發(fā)電機組，水輪機型號為HL120，發(fā)電機型號為SF300-18/1125.7，主變壓器型號為SF-360000/500，主閥為直徑4.2 m的球閥。

工程區(qū)屬大陸性高原季風氣候，晴朗天氣多，晝夜溫差大。年均最高氣溫21.3 ℃，年均最低氣溫6.5 ℃，夏季最熱月平均氣溫28.5 ℃，歷史最高氣溫34.8 ℃，歷史最高氣溫-12.5 ℃。年均日照2 250 h，無霜期182 d。年均降水量580 mm，蒸發(fā)量1 485 mm，常有冬干、春旱和伏旱，河谷地帶氣候干燥。水庫地形為峽谷地貌，庫區(qū)巖性以前震旦系的片麻巖與混合巖為主，峽谷區(qū)地下水以基巖裂隙水為主，基巖為不透水巖石，水庫無永久性滲漏問題。入庫水流較清，含沙量不大，水質(zhì)較好。地震基本烈度為Ⅷ度。本文結(jié)合該水電站工程特點，對其廠房布置與設(shè)計進行介紹，主要包括主廠房的尺寸設(shè)計、發(fā)電機層、水輪機層、蝸殼尾水管層布置設(shè)計，副廠房，安裝間，以及采光和通風的布置設(shè)計。

1" 主廠房布置設(shè)計

水電站廠房是水工建筑物、機械及電氣設(shè)備的綜合體，負責將水能轉(zhuǎn)化為電能。其形式往往根據(jù)地形、地質(zhì)、水文等自然條件，水利樞紐的總體布置和水電站的開發(fā)方式等來確定[1]。對于采用引水式開發(fā)的電站，特別是地下廠房類型，廠房遠離擋水建筑物且建設(shè)在地下山體，廠房四周不開窗，房頂呈拱形設(shè)計，廠房布置比較緊湊，發(fā)電用水通常需要較長的引水道[2]。

水電站主廠房布置設(shè)計的主要任務(wù)是確定主廠房的結(jié)構(gòu)和空間尺寸，并對設(shè)備進行布置[3-5]。在設(shè)計過程中，需要遵循以下原則：首先，必須滿足設(shè)備布置、安裝、維護、運行和管理安全、可靠、方便，噪音小的各項要求，保證水電站的正常安全運行；其次，應(yīng)盡量使廠房內(nèi)的機電設(shè)備布置合理緊湊，盡可能控制廠房尺寸減少開挖量，以降低工程造價；最后，在滿足上述要求的前提下，保障通風采光取暖等條件，為運行人員提供良好的工作和生活環(huán)境。

1.1" 主廠房尺寸設(shè)計

主廠房的輪廓尺寸是指廠房的長度、寬度和高度。主廠房的尺寸確定應(yīng)選擇發(fā)電機擋風板、蝸殼及主閥（如設(shè)置在廠房內(nèi)）、尾水管沿廠房方向的最大尺寸作為控制尺寸。安裝間的長度取1.5倍機組段加長，設(shè)為31.34 m，主廠房總長度確定為118.20 m。以機組中心線為界，廠房寬度被分為上游側(cè)和下游側(cè)兩部分。主廠房上游側(cè)寬度設(shè)計為19 m，下游側(cè)寬度設(shè)計為12.24 m，所以總寬度確定為31.24 m。主廠房尺寸統(tǒng)計表見表1，主廠房各特征高程見表2，主廠房橫剖圖如圖1所示。

1.2" 發(fā)電機層布置

發(fā)電機層除了水輪發(fā)電機占據(jù)一定平面位置以外，還需布置調(diào)速器的調(diào)速柜及油壓裝置、機旁盤、勵磁盤、起重設(shè)備、吊物孔、交通道及樓梯等。發(fā)電機采用上機架埋入式的布置方式，支承結(jié)構(gòu)采用圓筒式機座。調(diào)速器和油壓裝置應(yīng)盡量靠近接力器，盡可能靠近機組布置，最好不要跨機組段布置，且需要滿足操作、維護、檢修方便的要求。將調(diào)速柜和油壓裝置緊挨著布置在上游側(cè)。機旁盤一般布置在發(fā)電機層主起吊通道的對側(cè)，靠墻布置，與墻間距離保持在0.5 m左右以保證檢修人員能通過，其前面留有一個人行通道1 m左右，將機旁盤布置在下游側(cè)。因高壓電氣設(shè)備占地面積大，一般布置在室外。低壓電氣設(shè)備利于維修操作，一般布置在廠房內(nèi)。為了節(jié)省開支，要求機組至升壓變壓器之間的引出線越短越好，所以把主變壓器室設(shè)置在廠房的下游側(cè)。為滿足上下層之間的運輸要求，主機室和安裝間吊車范圍內(nèi)應(yīng)設(shè)吊物孔，選擇布置在上游側(cè)，不影響運輸和設(shè)備布置。發(fā)電機層吊物主通道一般比較寬，是起吊機組主設(shè)備的通道，而發(fā)電機層人行通道一般在另一側(cè)。水輪發(fā)電機組上游側(cè)設(shè)置3 m主通道，下游側(cè)設(shè)置2 m寬的次要通道，每臺機組的發(fā)電機層到水輪機層設(shè)置1.5 m寬的樓梯。

1.3" 水輪機層布置

水輪機層是發(fā)電機層和蝸殼大塊混凝土之間的空間。該空間布置有發(fā)電機的機墩、調(diào)速器的接力器、水力機組輔助設(shè)備，發(fā)電機的附屬設(shè)備及廠用電配電設(shè)備，勵磁設(shè)備等。調(diào)速器接力器布置在調(diào)速柜的正下方，以便于其間管路連接。油氣水管道沿墻敷設(shè)，為避免與電氣設(shè)備等互相干擾，因此將其布置在上游側(cè)。發(fā)電機的機座將水輪機層分為上下游側(cè)走廊，走廊寬度設(shè)為2 m作為交通道。水輪機機座壁上需要設(shè)置進人孔，尺寸設(shè)置為寬度1.6 m，高度2 m。因需要在水輪機機坑內(nèi)檢修安裝維護導(dǎo)軸承和拆裝轉(zhuǎn)輪，水輪機機坑的布置應(yīng)該滿足機械檢修安裝的需求，并且要設(shè)置吊運裝置來輔助完成工作，機坑門的門寬設(shè)置為1.5 m。

1.4" 蝸殼尾水管層布置

蝸殼和尾水管層除了進水部分以外，其他部分都是澆筑的大塊混凝土，布置有蝸殼進人孔、尾水管進人孔、集水井等排水設(shè)施和廊道。本電站的主閥設(shè)置在廠內(nèi)，且主閥的上游側(cè)安裝有利于拆卸的伸縮節(jié)。為了防止蝸殼受力不均而變形，在蝸殼上面鋪有軟墊層。蝸殼進人孔設(shè)置在壓力鋼管末端蝸殼進口處的側(cè)面，進人孔直徑為60 cm，通道尺寸1.5 m×1.5 m。尾水管進人孔設(shè)置在尾水管直錐段靠下的位置，尺寸同上。尾水閘門設(shè)置在尾水管出口處，方便檢修。集水井設(shè)置在主廠房最低處，排水泵室布置在集水井的上層，排水到下游尾水。

在設(shè)計中應(yīng)注意漏水排水問題，可能產(chǎn)生漏水的部件有水輪機頂蓋、主閥以及水輪機層技術(shù)供水管路下面的地溝等，應(yīng)設(shè)置管道與滲漏積水井相連。檢修時可能要排水的部件有主閥前后的壓力鋼管、蝸殼、尾水管，壓力鋼管與蝸殼的水可以在尾水管的直錐段開孔注入，管道相連，管上必須設(shè)閥門，平時關(guān)閉，只有檢修時才開啟。若設(shè)置檢修排水井，其井底高程應(yīng)比尾水管地板最低處的高程低，并在此處開孔設(shè)底閥，由管道與檢修積水井相連，一般檢修排水泵房布置在檢修積水井上面的蝸殼層，在水輪機層地面開設(shè)樓梯，在蝸殼層設(shè)置通道。此外，滲漏排水泵房應(yīng)布置在滲漏積水井的上面，盡量與檢修泵房合建或在其附近，以方便管理與維護，節(jié)省投資。因這些泵會產(chǎn)生噪音，布置在上面對工作人員影響較小，這是有利的一面，但是應(yīng)注意防潮通風。

2" 副廠房布置

2.1" 副廠房各房間布置

副廠房由多個功能間室組成，核心部分是用于布置控制設(shè)備、電氣設(shè)備的房間，還設(shè)有其他輔助設(shè)備的間室，還包含必要的工作和生活所用房間。在布置原則上，既要方便電站的運行與管理，又要最大限度地提高空間利用率降低建設(shè)的成本。副廠房應(yīng)緊靠主廠房，由于是引水式水電站，其尾水管長度很長，尾水平臺下面有足夠空間來布置副廠房，因此本電站的低壓開關(guān)室、廠用變壓器室、勵磁變壓器室可布置在尾水平臺下面。中控室是整座水電站廠房的核心工作區(qū)域，負責運行保護、調(diào)度、控制和監(jiān)視工作，通常布置在與發(fā)電機層相鄰的地方，便于工作人員及時對發(fā)電機等關(guān)鍵設(shè)備進行監(jiān)控和操作，且能提高中控室與發(fā)電機層之間的信息傳輸效率，保障水電站的高效運行。由于尾水管上方振動較大，因此不宜布置中控室和繼電保護室，中控室與繼電保護室布置在主廠房的左側(cè)，將廠用配電盤、蓄電池、工具、會議室和資料室等布置在中控室附近。

2.2" 廠內(nèi)電氣出線布置

室外低壓設(shè)備一般布置在廠房內(nèi)，因發(fā)電機出口母線造價昂貴，為節(jié)省資金，將主變布置離發(fā)電機較近的布置以減少發(fā)電機出口母線的長度。發(fā)電機定子母線出口處中性點及消弧線圈一般布置在機墩旁的水輪機層地面，與進人門、母線成一定角度布置。母線應(yīng)在水輪機層上方的發(fā)電機層樓板下面，并設(shè)置隔離網(wǎng)。

2.3" 油、氣、水系統(tǒng)布置

將絕緣油、透平油庫及油處理設(shè)備和氣系統(tǒng)均布置在安裝間下面的水輪機層內(nèi)。油、氣、水管道布置在水輪機層的下游側(cè)，沿主廠房墻壁布置或在副廠房內(nèi)設(shè)置專有通道，與母線及一些電氣設(shè)備分側(cè)布置，防止泄漏導(dǎo)致電氣事故。各管路應(yīng)設(shè)計不同顏色區(qū)分，壓力油管為紅色，回油管為橙色，氣管為白色，水管為藍色。管路上標有流向箭頭以示流動方向，在管路到機組附近布置有壓力與流量儀表（一般在機墩外圍）及其監(jiān)測系統(tǒng)。油處理室通常緊挨著各自的油庫，采用防火墻與其他房間嚴格隔離，門應(yīng)該朝外開啟，并配備高效的通風換氣系統(tǒng)及消防設(shè)備。

3" 安裝間布置

安裝間不僅是設(shè)備卸車、拆箱和組裝的場所，還是機組檢修時存放部件的重要區(qū)域。一般布置在主廠房對外道路的一端，并配備專用鐵路線以適應(yīng)大件重物的運輸需求。安裝間的高度與發(fā)電機層相同，以便充分利用場地并方便安裝檢修工作。其寬度也與發(fā)電機層一致，確保起重機能夠順利通行。為了確保水輪發(fā)電機組的正常運行和高效維護，安裝間必須足夠?qū)挸ǎ员隳軌蜉p松容納下發(fā)電機的轉(zhuǎn)子和上機架，以及水輪機的頂蓋和轉(zhuǎn)輪這四大關(guān)鍵部件。發(fā)電機轉(zhuǎn)子周圍會預(yù)留出2 m的空間，為磁極的裝配提供足夠的操作空間。而發(fā)電機上機架、水輪機轉(zhuǎn)輪和頂蓋的周圍需要預(yù)留出1.5 m的空間，為確保人員和設(shè)備的安全通行，安裝間長度設(shè)為31.34 m。安裝間設(shè)置在廠房下游側(cè)，且設(shè)置有進廠大門。因主變壓器在需要大修時可能需要被推入安裝間內(nèi)，所以在考慮火車通行標準與主變壓器尺寸的條件下，其進廠大門的尺寸設(shè)置為寬5 m，高8 m。

4" 采光和通風設(shè)計

本電站為地下廠房，由于地下廠房缺乏自然光線的直接照射，無法像地面建筑那樣依賴日光進行照明，為了確保電站內(nèi)部各個區(qū)域都能獲得足夠的照明，以滿足人員操作、設(shè)備監(jiān)控以及安全疏散等需求，必須采用人工照明系統(tǒng)。此外，人工照明系統(tǒng)還需要考慮應(yīng)急照明的設(shè)計，以應(yīng)對突發(fā)停電等緊急情況。應(yīng)急照明燈具通常被安裝在關(guān)鍵區(qū)域，如疏散通道、安全出口等，保障工作人員的生命安全。

通風在地下式電站中起著至關(guān)重要的作用，旨在確保作業(yè)區(qū)空氣保持適宜的溫度、濕度、氣流速度和新鮮度，并有效防潮去濕。由于本電站采用地下式廠房設(shè)計，廠房四周不開窗，依賴人工通風系統(tǒng)，不同區(qū)域采取特定的通風措施。對于中控室，不僅設(shè)置有通風道，還額外配備了空調(diào)設(shè)備，確保室內(nèi)環(huán)境的舒適性和穩(wěn)定性。對于水輪機層、水泵室等潮濕部位，主要采用以排濕為主的通風方式，有效減少室內(nèi)濕度，防止設(shè)備受潮和腐蝕。對于有害氣體產(chǎn)生區(qū)域，需要設(shè)置專用的排風系統(tǒng)，確保有害氣體不會滲出影響其他房間，保障人員安全和設(shè)備正常運行。在人工通風系統(tǒng)的設(shè)計中，為確保通風效果，進風口的位置應(yīng)設(shè)在高于地面2 m以上且低于排風口的上風方向。為保持通風系統(tǒng)的清潔運行，還需采取防蟲和防灰沙等措施。主通風機室的位置應(yīng)遠離中控室等需要保持安靜的場所，以減少噪聲干擾。地下廠房防潮問題較為突出，可采取防滲防漏、加強排水、加強通風和局部烘烤等措施來解決。取暖可裝設(shè)空氣調(diào)節(jié)器。

5" 結(jié)束語

通過對水電站地下廠房布置設(shè)計可知，在設(shè)計的過程中，需要全面考慮水文氣象和地形特征等自然條件、水利樞紐的總體布置和建設(shè)規(guī)模等工程條件、機組特性和設(shè)備布置特點等技術(shù)條件，以及運輸條件的可行性等相關(guān)要素，并進行合理的優(yōu)化與調(diào)整，以降低設(shè)計的復(fù)雜性和成本。滿足工程總體布置、廠房結(jié)構(gòu)布置緊湊合理，運行管理方便，工程投資節(jié)省等要求，保證水電站投運后保持正常工作，不影響電站安全運行和經(jīng)濟效益。本電站設(shè)計可為類似工程設(shè)計提供借鑒，但設(shè)計也存在一定局限性，在規(guī)范的選取、廠房建筑結(jié)構(gòu)布置和尺寸設(shè)計等方面仍需要充分研究。未來水電站廠房布置設(shè)計可結(jié)合新技術(shù)和生態(tài)環(huán)保理念，推動水利工程建設(shè)不斷發(fā)展。

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