吉沙水電站發電系統布置與設計

韓小鳴，張大成，曹廣勛，梁健龍，張慧敏，杜賢軍

（中國水電顧問集團北京勘測設計研究院，北京 100024）

吉沙水電站總裝機容量120 MW （2×60 MW），發電額定水頭485.0 m，是一座以發電為主的水電站。電站采用引水式開發，廠房設于全長15.58 km的引水系統末端，采用岸邊式地面廠房形式，內設立軸水斗式沖擊水輪機組。發電系統主要由廠區建筑物、主副廠房、尾水渠、開敞式開關站等部分組成，布置設計主要包括：廠區建筑物布置、主副廠房布置及其結構設計、開關站布置、廠房后邊坡開挖支護設計等。

本工程為Ⅲ等工程，其主要建筑物廠房和開關站等為3級建筑物，次要建筑物為4級建筑物。設計洪水標準為50 a一遇，相應洪峰流量為370 m3/s，校核洪水標準為200 a一遇，相應洪峰流量為501 m3/s。工程所在區域地震動峰值加速度為0.2 g，動反應特征周期為0.4 s，工程所在的大中甸地區地震基本烈度為Ⅷ度，廠房設防烈度8度。

1 廠區布置

廠房設計和校核洪水尾水位分別為2 584.15 m和2 584.67 m，廠區布置在花椒坡村河床左岸較為平坦的灘地上，平臺高程2 599.20 m。

廠區內主要布置有：主機間、安裝間、上下游副廠房、尾水渠、開關站、機修間等建筑物。主廠房內布置2臺機組，左端布置安裝間，上、下游側分別布置電氣副廠房和尾水副廠房。上游副廠房的上游側設6 m寬的消防通道，主廠房下游側的尾水平臺上布置兩臺主變壓器，安裝間下游側布置機組檢修間。進水管以埋管形式垂直進入廠房。發電尾水自下游尾水箱涵以無壓流方式，通過0.2%的縱坡流向碩多崗河主河道。開關站布置于廠房尾水平臺下游側，地坪高程2 596.50 m。進廠公路從廠區左側進場，在距廠房約200 m處分叉，分別通往廠前區和開關站。

為減少工程量，節省工程投資，廠區采用半挖半填臺階式布置形式，形成廠區平臺和開關站平臺。廠前區地坪采用200 mm厚C30 F150二級配混凝土鋪設。

2 廠房布置

2.1 廠房總體布置

2.1.1 廠房控制高程

沖擊式水輪機組安裝高程須高于下游最高尾水位3.5 m。下游最高尾水位為2 584.67 m，結合地形、地質條件及開挖、回填工程量，水輪機的安裝高程取2 588.50 m。

廠房基礎高程由機組安裝高程、尾水管高度和尾水管底板厚度等因素決定。吉沙水電站尾水為無壓明流，考慮到單機引用流量14.37 m3/s、廠房尾水下游河道河床底高程2 576.00 m、尾水流道寬5 m、控制流道中最高校核洪水位2 584.67 m，低于頂板，并留有不少于0.7 m的通氣高度等因素，確定電站尾水底板高程為2 582.50 m，相應廠房建基高程為2 579.00 m。

球閥層地面高程由水輪機檢修通道和球閥安裝、運輸布置要求，確定為2 585.70 m。

水輪機層地面高程，即進水管上部外包混凝土頂部高程。為使上部荷載能均勻下傳，按外包混凝土厚度不小于1.5 m控制，并滿足上游球閥安裝和廊道交通要求，確定水輪機層地面高程為2 590.50 m。

在發電機層和水輪機層之間布置母線層以滿足母線布置要求。由于母線層布置了發電機斷路器等設備，層高要求較高，其地面高程取為2 594.00 m。

發電機層地面高程以發電機和大軸的高度以及下部母線夾層設備布置要求決定，確定為2 599.20 m。

廠房吊車軌頂高程由吊運最大設備及發電機轉子帶軸的高度控制，吊車采用單鉤起吊，考慮其下緣和發電機層地面留有一定的安全距離以及吊車本身的設計參數，確定廠房吊車軌頂高程為2 610.20 m。

廠房屋架底高程考慮廠房吊車高度、吊車距屋面梁安全距離等因素，確定為2 614.50 m。

2.1.2 廠房平面控制尺寸

1號機組段為右側邊機組段，－X向長度由發電機尺寸和吊鉤限制線控制，+X方向由進水管和球閥布置尺寸控制，并考慮垂直交通的布置要求。根據風罩內徑8 m，風罩壁厚0.8 m，吊鉤限制線距廠房山墻距離5.5 m，確定1號機組段長度為20 m。

2號機組段位于1號機組段和安裝間之間，雖不受吊鉤限制線的影響，但考慮廠房整體設備布置要求，確定2號機組段長度為19 m。

廠房機組縱軸線上游側寬度根據進水管進口球閥的設置確定為11.50 m。機組縱軸線下游側寬度除考慮發電機尺寸及機旁盤等設備布置外，還應考慮廠內交通要求，最終確定為9.5 m。主廠房寬21 m。

安裝間長度按滿足1臺機安裝檢修時布置轉子、轉輪和定子、上機架等部件和所需的檢修通道以及廠內吊車運用要求控制，確定按19.00 m設置。

最終廠房平面尺寸確定為：廠房機組段長度為39 m，安裝場長度為19 m，主廠房總長度為58 m，主廠房寬度為21 m。

2.2 主機間布置

主機間共分5層，自上而下分別為發電機層、母線層、水輪機層、球閥層和尾水層。

2.2.1 發電機層

發電機層中央為兩臺發電機組，各機組段上游邊墻處布置有1排機旁動力盤以及為滿足球閥垂直運輸而設置的4 m×3.5 m球閥吊物孔，下游側靠邊墻布置1排勵磁盤和現地控制保護盤。在第IV象限布置水輪機轉輪起吊孔，孔口尺寸為3.2 m×3.2 m。

主廠房內起吊最重件為發電機轉子，其質量約140 t，選擇1臺1 600 kN/3200 kN的單小車橋式起重機。主鉤限制線上游側為1.5 m，下游側為1.95 m，山墻端頭側均為5.5 m。

2.2.2 母線層

母線層發電機周圍風罩為圓形混凝土結構，內徑8 m，外徑9.6 m，風罩結構厚0.8 m，在風罩＋Y方向為機組主引出線位置。母線層除布置與上層對應的樓梯和吊物孔外，還布置有主引出線、發電機中性點設備和動力、控制電纜、油壓裝置、調速器等。

2.2.3 水輪機層

水輪機層中間圓形機墩內徑5.14 m，壁厚2.225 m，機坑進人孔布置在第三象限內偏向第四象限。

2.2.4 球閥層

球閥層主要布置有進水管和球閥，其中上游球閥檢修廊道寬3.25 m，球閥下部布置球閥支墩，球閥中心高程同機組安裝高程，為2 588.50 m。在機組第II象限內布置轉輪檢修廊道，廊道寬3.2 m，通至吊物孔位置，以便轉輪垂直起吊。

2.2.5 尾水層

尾水層主要是機組尾水流道，對應水輪機轉輪下部為直徑6.52 m的圓形結構，再通過一矩形流道，將水流引至尾水渠。尾水層底板坐落在板巖基礎上。

2.3 安裝間布置

安裝間布置在2號機組段左側，從地面往下共分3層布置。

第1層地面高程為2 599.20 m，與主機間發電機層同高。機組縱軸線上游側布置定子檢修支墩孔，設有轉子及定子檢修基礎。下游墻靠2號機組段處布置2號樓梯通至下層。進廠大門設置于本層左側，主變檢修軌道由進廠大門鋪設到安裝間內。

第2層地面高程為2 594.00 m，與母線層同高，層內各室隔墻厚0.4 m。在靠左端墻處布置壓氣罐室，平面尺寸5.34 m×19.4 m。靠2號機組段側布置高、低壓空壓機室和工具間等。下游墻處布置樓梯通至下層。

第3層地面高程為2 589.00 m，層內各室隔墻厚0.4 m。靠左端墻處布置透平油罐室，平面尺寸4.84 m×18.0 m。油罐室外布置透平油處理室和烘箱室，在油處理室下部布置8 m×4 m的事故油池，油池地面高程為2 584.40 m。靠機組段側設置了全廠通風機室。

2.4 上、下游副廠房布置

2.4.1 上游副廠房

上游副廠房與主廠房同長，總長度為58 m，寬度為9 m。共分為5層 （安裝間段4層），地面以上3層，地面以下主機間段兩層，安裝間段1層。第1層 (頂層)地面高程為2 607.20 m，從右至左分別布置有直流盤室、蓄電池室、通信室、線路保護室等；第2層為電纜夾層，地面高程為2 604.20 m；第3層與發電機層同高，布置有備品備件室、儀表試驗室、機電保護試驗室會議室等。中控室和計算機室布置在安裝間上游側，總長19 m，寬9 m；第4層與母線層同高，布置有通風機室、低壓配電盤室和開關柜室等；第5層為電纜層，地面高程與水輪機層同高。

2.4.2 下游副廠房

下游副廠房和主機間對應，共分5層。第1層即尾水平臺，總寬12.3 m，總長39 m，布置有兩臺主變壓器，變壓器下為集油坑。主變下游側布置主變運輸通道，通向安裝間，滿足主變進廠檢修要求。；第2層地面高程為2 594.00 m，有10 kV開關柜、發電機斷路器柜等設備各兩套，對應兩臺機組布置；第3層地面高程為2 590.50 m，主要布置勵磁變等，在兩端布置電纜層；第4層地面高程為2 586.70 m，為水泵層；第5層地面高程為2 580.00 m，為尾水層。尾水流道自水輪機流道出口寬度為7.9 m經8.5 m長靜水池后漸縮為寬3.0 m，進入尾水渠。

2.5 尾水建筑物

尾水建筑物主要為尾水明渠，布置在廠房下游側與廠房縱軸線垂直,渠道為矩形截面鋼筋混凝土結構，截面凈寬3 m，順水流方向保持渠頂高程不變，渠底以0.2%縱坡排向下游碩多崗河，渠道進口處凈高3.2 m，長約80 m，最大運行水深2.42 m。

尾水渠出口段系碩多崗河大回彎處，江岸平直，落差較大，水流較快，河床裸露巖石，因此不會出現嚴重的淤積現象。尾渠末端采用漿砌石及鉛絲石籠護根。同時在尾水渠出口左右約總長223 m的范圍內設置砌石護坡及鉛絲籠護根。

3 廠房主要結構布置

廠房主要混凝土結構按澆筑順序分為一、二期混凝土，在地面以下 (2 599.20 m高程以下)的一期混凝土結構采用鋼筋混凝土底板、墻體結構，二期混凝土包括風罩、機墩、配水環管外包混凝土及主機間內各層樓板結構。地面以上 (2 599.20 m高程以上)采用排架和框架結構。

整個主、副廠房在1號與2號機組段間及2號機組段與安裝間段間設結構縫，縫寬2cm。縫內上、下游及底面設651型橡膠止水帶。縫內填高發泡聚乙稀閉孔泡沫塑料板。

3.1 主廠房一期混凝土結構布置

發電機層2599.20m高程以下一期混凝土主要包括尾水管底板、上下游副廠房及安裝間底板、上下游副廠房四周混凝土墻體、安裝間四周混凝土墻體、主機間四周混凝土墻體、上下游副廠房及安裝間發電機層以下樓面及樓面板梁柱結構。

發電機層2 599.20 m高程以上主廠房一期混凝土采用排架結構，1、2號及安裝間上下游各布置12根排架柱，結構縫處采用雙柱形式。排架柱自地面以下水輪機層向上伸至屋架底部，頂端部作為網架支點，下柱截面1.5 m×0.8 m，上柱截面0.8 m×0.8 m。在上、下柱交接面處外伸吊車梁牛腿支承C35預制混凝土吊車梁，梁高1.4 m，矩形截面。吊車梁頂部橋機軌道頂部高程2 610.20 m。

上游副廠房采用框架結構。上游側在上游副廠房2 599.15 m以下混凝土墻體結構頂部起柱，柱截面尺寸0.5 m×0.5 m，直達屋頂，結構縫處采用雙柱形式。下游側與主機間、安裝間共用排架柱，每層樓板的主梁直接搭接于主廠房排架柱上，排架柱間在樓面高程處的聯系梁同時又是副廠房的框架梁。上游副廠房每層樓板厚度為0.15～0.12 m。采用主次梁傳力結構，次梁設于走廊隔墻下部。在每層樓板上按建筑通風及機電設備安裝要求留孔。

3.2 廠房二期混凝土結構布置

二期混凝土結構主要包括配水環管外包混凝土、機墩、風罩和各層二期混凝土樓面板。

（1）配水環管外包混凝土。配水環管外包混凝土內徑6.52 m。外側為14.5 m×18 m的矩形平面。在大體積混凝土中設有7邊形轉輪吊物孔及矩形轉輪水平運輸通道。

（2）機墩。機墩采用圓筒式混凝土機墩,底部固結在配水環管外包混凝土頂板大體積混凝土上，上部與風罩連接。機墩的下部圓筒內側半徑2.57 m，外側半徑4.8 m，壁厚2.23 m；中部內側半徑1.95 m，外側半徑為4.8 m，壁厚2.85 m；上部內側半徑2.57 m，外側半徑4.8 m，壁厚2.23 m。機墩右側設1個寬度為1.5 m的機坑進人通道。

（3）風罩。風罩為現澆整體鋼筋混凝土結構，其上部與發電機層樓板整體連接，下部與機墩環向連接，是薄壁圓筒式結構。外徑9.6 m，內徑8 m，壁厚為0.8 m，頂高程2 599.15 m，底高程2 594.09 m，高度為5.06 m。風罩壁開有引出母線孔、中性點引出線孔及風罩進人門等孔洞。

（4）主機間二期混凝土樓板。主機間內各層二期混凝土樓板結構厚0.7～0.45 m，上下端分別與風罩、機墩、配水環管外包混凝土整體連接。主要承受樓板自重、裝修荷載、機電盤柜荷載、活荷載。

4 廠房基礎處理及后邊坡開挖支護設計

4.1 基底固結灌漿

在主、副廠房底部巖基作固結灌漿處理。固結灌漿采用普通硅酸鹽水泥，按分序加密、先外圍后中央的原則，采用全孔一次灌漿法，分兩個次序施工。固結灌漿孔孔徑59 mm，間排距2 m×2 m。孔深在主機間和上下游副廠房底部入巖5 m，在安裝間底部入巖8 m。

4.2 廠房后邊坡開挖支護

經有限元分析數值模擬計算及極限平衡分析，根據計算結果及工程類比確定支護方式、參數。并在實際施工過程中，根據邊坡實際開挖揭示出來的地質情況進行調整后最終形成如下邊坡設計：

整個邊坡共設5級馬道。高程2 599.15～2 680.00 m，邊坡根據覆蓋層 （全風化）和崩坡積體穩定永久邊坡坡比1:1.5進行開挖，設φ90 mm排水孔，孔內插φ80 mm塑料盲溝排水，孔深5 m，孔距4 m×4 m，仰角10°。打丁字形土錨釘，掛鋼筋網噴0.15 m厚混凝土。并在局部欠挖區域設打1 000 kN預應力錨索支護。

2 680.00 m高程以上按強風化體進行開挖支護設計，高程2 680.00 m～2 710.00 m按照1:0.5進行開挖，2710.00m～頂邊坡頂部按照1:0.75進行開挖。均設φ56 mm@8 m×8 m排水孔，φ22 mm@2 m×2 m系統錨桿并掛φ6 mm@0.2 m×0.2 m鋼筋網，噴0.15 m厚混凝土支護。

為避免滾石和山坡洪水沖擊廠房，在后山坡從上往下分別在高程2 680.00、2 650.00、2 620.00 m設置漿砌石截水墻，墻高1 m，頂寬0.6 m。

由于電站廠區后山坡較高，為防止較大落石對廠房造成危害，在廠區內后山坡與廠房間，距廠房6 m處設置漿砌石擋渣墻阻擋落石。墻體布置自廠區右側經廠房上游側延伸到廠區左側進廠公路終點。擋渣墻高3 m，頂寬0.5 m，上游側直立，下游側坡比1:0.4。

5 開關站布置

開關站布置在主廠房下游的臺地上，與廠房平行布置，地面高程為2 596.50 m，高于千年洪水位。其上游圍墻距機組縱軸線21.9 m，面積為104 m×45 m。整個場地為半挖半填形成。

電站共設兩回220 kV輸電線路，自下游副廠房頂部出線點接至開關站進線構架，經母線構架傳輸至左側出線構架輸出。開關站四角及上游側共設有5個30 m高避雷針。

開關站內電氣構、支架采用鋼管混凝土結構及鋼結構，鋼筋混凝土基礎。場地四周設3.5 m寬環場公路。場地采用磚砌圍墻與外界建筑物隔離，圍墻高2.5 m。