英布魯水電站廠房設計

蔣志勇 王小青 時鐵城

英布魯水電樞紐工程系一單純發電工程,按庫容指標確定工程等別為一等,大 (Ⅰ)型規模,電站廠房按1級建筑物設計。工程區域地震烈度小于6度,屬無地震或輕微地震區。

廠房基礎為弱鈣質膠結的白堊系 (K2)軟弱砂巖,巖體力學強度低,呈中等—強透水性,透水性較強,易產生滲透變形。

1 電站廠房布置

河床電站布置在右岸河灘,由4個河床電站壩段和1個安裝場壩段組成。電站前部建基面高程為277.00m,坐落在K2i-3層,中部齒槽開挖高程為267.00 m,坐落在巖體相對較密實完整、透水性相對較弱的K2i-2巖層上,為樞紐建筑物的最低開挖高程,故廠房為樞紐工程中高度最大的擋水建筑物,最大擋水高度達44.5 m(不含集水井及壩頂以上高度)。機組中心線與壩軸線平行,偏壩軸線下游側14.5 m。

主廠房內安裝4臺軸流轉槳式水輪發電機組,單機容量30MW,單機引用最大流量215 m3/s,最大水頭20.41m,電站總裝機容量120MW,水輪機轉輪直徑5.5 m。電站共分4個機組段和1個安裝間壩段,自右至左依次為安裝間壩段、1#、2#、3#、4#機組段。主廠房總長度為128.4 m,其中機組段長90.9 m,安裝間長37.5 m。從電站進水口上游前沿至尾水管下游末端,順水流向全長為62.61 m(不含牛腿部分)。

1.1 主廠房布置

主廠房分發電機層、水輪機層、蝸殼層、尾水管層等。發電機層高程為298.00 m,機組段中部風罩內徑為11 m,Ⅰ象限布置有調速器、油壓裝置。機旁動力盤、控制盤布置在廠房下游側的排架柱間。在1#和3#機組段的第Ⅳ象限布置有交通樓梯,供發電機層和水輪機層上、下交通之用,在2#、4#機組段的第Ⅳ象限布置有吊物孔。水輪機層高程為291.00 m,布置有技術供水閥、中性點柜等設備。

電站下游最低尾水位287.62 m,按選定水輪機允許吸出高度 Hs=-4.0～-5.0 m,確定水輪機安裝高程為286.50 m。根據水輪發電機部件尺寸及設備布置,確定發電機層高程為298.00 m。考慮起吊發電機轉子、水輪機轉輪等大型部件的吊運要求及起吊方式的空間限制,確定吊車軌頂高程為312.00 m。考慮吊車與屋架的空間要求,再加上廠房屋架自身高度、屋蓋結構厚度和女兒墻高度,計算確定屋頂高程為319.10 m,主廠房高21.10 m(自發電機層高程298.00 m計算)。

考慮蝸殼上、下游方向平面尺寸的限制和機電設備布置、廠房排架結構尺寸和大型部件的吊裝空間需要,確定主廠房上部排架柱距,機組中心上游側為9m,下游側為10 m,機組段上部凈跨度為19 m。根據蝸殼平面尺寸,確定機組段寬為21.5 m,4#機組段受橋式起重機吊鉤范圍線控制,機組段寬度為26.4 m。廠房按機組分段,在每個機組段之間設置永久縫,分縫從建基面高程起一直到廠房屋頂。廠內設置1臺雙小車電動橋式起重機,主鉤起吊質量為2×125 t,副鉤的起吊質量為25 t。

在樁號壩0+006.45處,設有貫穿全廠的進口流道放水閥操作廊道,底部高程為273.00 m。在樁號壩0+010.20處,設有貫穿全廠的排水廊道,底部高程269.15 m。排水廊道與安裝場底部檢修集水井相連,滲漏水排向機組滲漏集水井,檢修集水井和滲漏集水井的集水排向下游河道。

安裝場位于主廠房右側,跨度及廠房高度與主廠房相同,按1臺機組擴大檢修時可擺放發電機轉子、定子、上機架、下機架、水輪機轉輪、頂蓋、支持蓋、推力軸承支架等部件的要求,安裝場凈空長35 m。安裝場下游側設有9 m×9 m(寬×高)的進場大門,用于機組運輸及廠房的進出口交通,同時,場內還布置有主變運輸軌道,通過下游側進場大門與尾水平臺主變場地相連。安裝場下層高程291.00 m,布置有檢修排水集水井和滲漏排水集水井、排水水泵室、油罐室、油處理室、空壓機室等。安裝場壩段與主廠房間設結構縫分開。

1.2 電站進水口布置

電站上游河床的天然地面高程在295.00～300.00 m,結合施工導流及建筑物布置進行開挖,開挖后電站取水口上游鋪蓋頂高程為284.00 m。電站進水口流道采用上翹布置,底板上翹23.87°,進口底高程286.00 m,比上游鋪蓋高2 m,可防止施工導流期以及水庫運用初期被水流挾帶的推移質進入電站進水口。進水口流道頂板采用27.87°上翹,進水口設計為喇叭口型式,在正常運行時庫水位高于進口弧線上緣13.506 m,滿足進水口最小淹沒深度要求,機組滿負荷運行時,事故快速門槽處流速為1.28 m/s。

進水口中部設2 m厚的中墩,將每臺機組的進口流道一分為二,單孔凈寬7.0 m。進水口順水流方向分別布置2道攔污柵槽,由壩頂2×630 kN雙向門機啟閉,上游第2道柵槽為攔污柵工作柵槽,第1道柵槽為備用槽,同時兼作清污抓斗工作槽。攔污柵后設機組事故快速門槽,事故快速門由壩頂固定油壓啟閉機啟閉。

壩頂公路位于壩頂門機與廠房上游側墻之間,為下部空腔、上部板梁結構路面形式,既減少了混凝土用量,下部空腔又可作為通風機房、通風管道等的布置空間。

1.3 尾水管及尾水渠布置

機組尾水管采用彎肘形,根據水輪機流道布置,彎管末端距機組中心線水平段長6.793 m,底板高程為271.00 m,擴散段長19.387 m,以8.92%反坡上翹,尾水管出口底高程為272.72 m。

電站尾水管中部設1.8 m厚的中墩,將尾水管形成2孔出流,尾水管出口設1道檢修門,由尾水平臺上2×320 kN單向門機啟閉。

考慮機組運行、超高等要求,確定尾水平臺高程為298.00 m,布置有主變壓器,尾水門機,同時該平臺也作為電站下游交通通道和消防通道。尾水平臺下部為空腔結構,分3層布置。高程291.00 m層布置10 kV開關柜、勵磁盤、勵磁變壓器、主變壓器事故油池、通風機等設備；高程285.30 m層為電纜層；高程281.00 m層為通道,通過該層可進入蝸殼和尾水管。

2 電站廠房設計優化

2.1 基礎防滲措施優化

電站基礎為軟弱砂巖,透水性強,可灌性差,基礎在有限的深度范圍內沒有相對隔水層,如采用防滲帷幕,則帷幕為懸掛式,按電站的結構布置,建基面呈前部高后部低的臺階式,灌漿廊道處建基面高出機組中部10 m,帷幕為懸掛式,經計算,帷幕的作用沿深度變化防滲效果不明顯。

根據工程地質條件及建基面開挖情況,經綜合比較分析,取消了防滲帷幕方案,進而采用電站上游長約42 m的混凝土防滲鋪蓋,電站下游護底底部排水的防滲措施。計算及監測結果表明,電站基礎各部位滲透比降均小于基礎允許滲透比降,防滲措施是合理的,既解決了基礎滲流穩定問題,保證了建筑物的安全,又節省了投資,保證了工期。

2.2 蝸殼、尾水肘管設置鋼襯

電站為低水頭河床徑流式,采用梯形斷面鋼筋混凝土蝸殼,彎形尾水管。由于蝸殼及尾水肘管形狀復雜,需制作異型模板進行混凝土澆筑,而當地能制作異型模板的高級工極少,模板制作周期長,且當地木材含水量大,制作的木模板變形大,易開裂,控制精度低,異型模板制作難度很大。綜合考慮后,對蝸殼內壁側立面及頂板、尾水肘管等部位設置鋼襯,消除了異型模板對施工的影響,縮短了工期,同時也避免了溫度裂縫對結構正常使用及耐久性的影響。

2.3 事故快速門設置及油泵、控制設備優化布置

電站進口流道較短,按國內規范,電站進水口設置檢修門即可滿足要求,但考慮電站為剛果國家電網中的骨干電站,在承擔基荷發電的同時,還要承擔電網的調峰、調頻等多項任務,且該國水電站運行人員的運行經驗較少,按業主及德方咨詢工程師的要求,電站進口設置事故快速門,由布置在壩頂的固定油壓啟閉機啟閉。

結合事故快速門的設置,在2#機組段壩頂下部空腔內設置305.80 m高程平臺,形成7.0 m×17.5 m的房間,作為事故快速門油缸及控制設備的布置場地,解決了壩頂空間有限,無法布置油泵房的問題,將此處布置為油泵房,能充分利用壩頂公路下的空間,方便液壓管線的布置,同時管線也較短。

將現地控制盤布置在廠房上游實體墻頂部,即廠內橋機上游軌道與上游填充墻之間,盤柜操作面板朝向上游,操作面板處上游墻壁開孔,操作人員站在壩頂即可進行閘門的現地操作,方便、可視。

2.4 廠房上游管道廊道、通風廊道的布置

電站流道進口上部設置斷面尺寸為1.5m×3.8 m(寬×高)的管道廊道和斷面尺寸為1.6 m×2.6 m(寬×高)的通風廊道,底部高程分別為292.45 m和293.65 m,廊道右端延伸至安裝場下的通風機房,左端至4#機組段,貫通全廠的油、氣、水主管及廠房水輪機層送風管均集中布置在此廊道內,廊道通過下游側門與主廠房水輪機層連通,檢修維護方便。

管線的集中布置,避免了對水輪機層其它設備布置及交通的干擾,使得主廠房水輪機層簡潔寬敞,極大地優化了內部空間,同時,在電站進口流道上部混凝土厚度較大的部位開設廊道,既沒有造成該部位的應力集中,又節省了混凝土用量。

2.5 V形屋面板的采用

本工程主廠房屋面原設計為鋼網架和輕型板材結構,考慮到當地材料缺乏,鋼網架及輕型板材均需從中國采購,周期長、成本高,將屋面結構改為V形預應力混凝土板結構,既解決了材料供應問題,降低了工程造價,同時相比鋼網架屋面,V形板還具有以下優點:

(1)屋面承重結構與屋面防護結構合為一體,一次預制成型,減小了屋頂施工對電站混凝土施工及機組安裝的影響。

(2)屋面結構吊裝簡單快捷,可縮短屋面施工工期,這在現場施工過程中得到了很好的驗證。

(3)采用V形屋面結構可降低廠房高度1.0～1.5 m。

(4)相比鋼結構輕型板材屋面,V形混凝土板抗火災能力更強,提高了建筑物整體的防火等級。

2.6 尾水平臺布置優化

電站尾水管擴散段長19.387 m,在尾水平臺下游側設置牛腿,使得電站下游形成了寬21.5 m的尾水平臺。通過優化布置,在現有平面尺寸內,集中布置了尾水門機、主變壓器及檢修運輸軌道、消防通道和出線。

通過下游側懸挑牛腿,尾水門機布置在電站最下游側,為主變壓器及運輸通道的布置讓出了空間,尾水門機軌距5.5 m。主變壓器緊靠主廠房下游墻布置,在變壓器下游側布置運輸軌道,供變壓器檢修時返回安裝間用,運輸軌道借用1條門機上游側軌道,充分利用了尾水平臺的現有寬度。同時變壓器運輸通道也作為主廠房消防通道,并在4#機組段尾水平臺設置消防車回車場。

將出線架布置在主廠房下游側排架柱頂部,既不占尾水平臺空間,又充分利用了排架柱的高度,出線從門機上跨過,直接引至電站下游開關站。

3 結構設計

3.1 電站壩段穩定控制

電站基礎白堊系砂巖具有結構均勻、高孔隙率、強透水、弱膠結的特征,易滲流破壞。根據地質條件及建基面呈臺階狀開挖情況,采取了一系列控制滲流穩定的優化措施,具體為電站上游設置長約42 m的混凝土防滲鋪蓋延長滲徑,電站下游護底處設置排水減壓措施。為防止滲透破壞,電站上游廊道處不設排水孔,下游護底排水減壓處設置嚴密的反濾措施進行保護。

3.2 電站廠房結構措施

電站廠房為鋼筋混凝土結構,其中發電機層以下為大體積混凝土結構,發電機層以上為板梁結構和排架結構,屋架為V形預應力混凝土板。廠房設計過程中,對不同部位分別進行了結構計算,并采取相應的結構措施。此處僅對下部結構中體型及應力相對復雜的蝸殼和尾水管作簡單介紹。

3.2.1 蝸殼結構計算與防滲措施

電站混凝土蝸殼結構體型較為復雜,采用簡單的切取Γ形框架的計算方法很難反映蝸殼結構的實際受力情況。本工程蝸殼結構分析采用三維有限元分析法進行空間計算。混凝土蝸殼計算邊界左、右側取至壩縫,上游取至樁號壩0+005.50,下游取至樁號壩0+026.50,蝸殼底部為全約束。

從計算結果分析,蝸殼應力值主要受水擊壓力控制,蝸殼0°角斷面的應力水平不高,主拉應力值在700 kPa左右。經計算,蝸殼0°～90°范圍蝸殼側壁外側受力配筋率較小,按限制裂縫寬度需要配置鋼筋即可,配筋率在正常范圍內；蝸殼內側受力較小,按構造要求配置鋼筋。90°～215°范圍由于孔口逐漸縮小,應力也隨之降低,內外側均按構造配置鋼筋即可滿足要求。

由于混凝土蝸殼結構桿件粗厚,按理論計算的溫度應力值往往很大。本工程采取施工期分層、分塊等措施釋放溫度應力,按限制裂縫開展寬度設計。同時在蝸殼內壁頂部及側立面設有鋼襯,可有效避免溫度裂縫影響蝸殼的正常使用及耐久性。

3.2.2 尾水管結構分析

為了解尾水管部位的受力狀況,在尾水管沿垂直水流方向切取斷面,按桿單元進行計算。計算斷面分別取尾水管出口處樁號壩0+040.675處斷面和彎管段末端樁號壩0+021.386處斷面,流道均為矩形斷面。計算斷面均簡化為平面應力問題,取1 m寬度進行計算,考慮壁厚影響,計剛性節點的影響系數。

荷載包括:自重,內、外水壓力,揚壓力和地基反力。

采用美國SupperSAP通用結構靜動力分析程序進行應力計算。從計算結果看,機組檢修及機組未安裝2種工況下應力較大,尤以底板應力最大,因此,尾水管結構設計受以上2種工況控制。根據控制工況進行混凝土強度計算:彎管末端斷面內力較大,按內力大小配置鋼筋,并在內部設置鋼襯；尾水管斷面由于有中墩,單孔跨度小,計算內力較彎管末端斷面小得多,但由于底板和側墻混凝土較厚,基本以限制裂縫寬度要求,構造配筋即可。

電站投入運行后尾水管長期處于水下,受溫度變化的影響較小,對減小混凝土干縮有利。施工期的溫度應力采取合理的分層、分塊澆筑混凝土方式解決,尾水管結構按限制裂縫寬度進行設計。

3.3 混凝土溫度控制措施

本工程電站廠房混凝土結構尺寸不大,均在混凝土施工規范允許的溫度控制范圍之內,而工程區多年平均氣溫為26.3℃,絕對最高氣溫37.6℃,絕對最低氣溫14.5℃,最大濕度94%,最小濕度64%,溫差小,濕度大,氣溫條件對混凝土澆筑較為有利。

在充分分析以上有利條件后,工程沒有考慮專門的溫度控制措施,對混凝土入倉溫度也沒有嚴格限制,而是通過合理分層分塊、加強養護、表面覆蓋避免強日光照射等措施解決溫控問題。現場施工過程表明,本工程溫控措施的選擇是合理的,不僅降低了混凝土施工成本,加快了施工進度,整個電站混凝土澆筑期間,也沒有出現大的影響結構安全的溫度裂縫。

4 結 語

英布魯水電站的主要任務是發電,建成后將成為剛果 (布)電力系統的骨干電站,不但要承擔基荷發電任務,還要承擔電力系統的調峰、調頻,重要程度可見一斑。

通過選擇合理的基礎防滲方案,蝸殼、尾水肘管設置鋼襯,進口事故快速門油泵、控制設備的布置,設置集中的管道廊道和通風廊道,采用V形屋面板等優化措施,電站得以在物質極度匱乏、施工條件差的非洲順利建成,4臺機組均一次試運行成功,目前電站運行正常,為今后在同類地區修建類似工程積累了成功經驗。