淺談中小型水電站廠房布置設計

黃敬森

龍門縣水利水電勘測設計室 廣東龍門 516800

摘 要：水電站廠房是水電站中不可缺少了重要組成部分，是水利樞紐中主要建筑物之一，對水電站的運行具有重要的影響。本文結合某水電站廠房的設計實例，對水電站廠房的設計展開了探討，并介紹了水電站廠房的設備及結構的設計，以望能為有關需要提供參考借鑒。

關鍵詞：水電站；廠房；設備設計；結構設計

隨著我國工業化的快速發展，我國的能源消耗快速增多，能源日趨緊張，環境也日益惡劣，而水電作為重要的可再生清潔能源，已成為當前的重要能源資源之一。水電站廠房是將水能轉化為電能的重要產所之一，其設計直接關系到水電站的正常運行。因此，研究水電站廠房的設計，保證水電站廠房設計的合理性，保障水電站的正常運行是當前的一個重要課題。對此，筆者進行了相關介紹。

1 工程概況

某水電站廠房內布置2臺水輪發電機組，水輪機型號HLA883-LJ-400，裝機容量2×140MW，布置1臺跨度18.00m，起吊重量250t+250t/50t/5t的橋式吊車，屋面采用球型鋼網架及彩色復合板結構。廠區地面高程486.50m，GIS開關站布置在主廠房上游側，進廠永久交通由廠房下游側的公路進入廠區。

2 廠房設備設計

2.1 廠房平面尺寸確定

1號機組段長19.00m，2號機組段為邊機組段，長22.50m，主機間段總長41.50m。根據機組安裝及擴大性檢修要求，布置發電機轉子、水輪機轉輪、水輪機頂蓋、發電機上機架等部件，同時滿足檢修通道以及安裝間下部空壓機室、透平油罐室、油處理室等要求，確定安裝間段長31.50m，發電廠房總長73.50m。機組縱軸線上游側寬10.50m，下游側寬11.50m，確定廠房寬22.00m。根據設備設計要求確定上游副廠房寬10.00m。根據尾水管長度、尾水平臺交通、門機運行要求以及各層房間需求和設備的布置確定下游副廠房寬6.70m。

2.2 廠房各層高程確定

為避免水輪機轉輪輪葉氣蝕破壞，按一臺機運行時的尾水位477.76m，以及水輪機吸出高度Hs=-4.0m，確定機組安裝高程473.80m，根據尾水管高度和尾水管底板厚度確定建基高程459.58m。考慮各層的凈空要求，確定水輪機層地面高程477.50m，母線層地面高程482.00m，發電機層地面高程486.50m，結合廠區地形條件，安裝間層與發電機層同層布置，安裝間層高程486.50m。

2.3 主廠房設計

主機間共分5層布置，即發電機層、母線層、水輪機層、蝸殼層及尾水管層。發電機層地面高程486.50m，上、下游側均布置一排機旁盤，靠近每臺機組布置調速器及油壓裝置。母線層地面高程482.00m，布置發電機主引出線及中性點引出線。水輪機層布置有機墩進人孔，尺寸1.5m×2.0m（寬×高）。機墩為圓筒形混凝土結構，內徑5.60m，外徑12.60m，機墩厚3.45m。蝸殼層布置蝸殼進人廊道及尾水管進人廊道，尺寸1.6m×2.0m（寬×高）及1.8m×2.5m（寬×高）。尾水管層擴散段出口總寬10.40m，每臺機組布置一道兩孔尾水檢修閘門及機組檢修排水系統，閘門孔口尺寸5.20m×4.47m（寬×高），擴散段底板下布置排水廊道，尺寸1.6m×2.0m（寬×高）。

安裝間段緊鄰主機間段布置，共分3層布置，主要布置滲漏排水泵室、油處理室、透平油罐室、空壓機室、高壓試驗室等。廠房滲漏集水井緊鄰主機間段布置，全廠的滲漏水均排入到此井，經排水泵排至下游尾水渠。機組安裝及擴大性檢修時，布置發電機轉子、水輪機轉輪、水輪機頂蓋、發電機上機架及檢修通道，并滿足運輸吊裝配件要求。安裝間端部山墻側布置進廠大門，進廠大門尺寸6.00m×5.25m（寬×高）。

主機間上游副廠房共分5層，主要布置高壓開關柜室、發電機電壓配電裝置室、GIS開關站設備等。安裝間上游副廠房共分3層，主要布置生活水泵室、高壓試驗室、通訊機房、保護試驗室、中央控制室等。

下游尾水副廠房共分3層，主要布置檢修排水泵室、消防水泵室、尾水管盤型閥等。

2.4 尾水建筑物設計

尾水建筑物由尾水平臺、尾水渠及兩側的混凝土擋土墻組成。廠房每臺機組布置一道兩孔尾水檢修閘門，閘門孔口尺寸5.20m×4.47m（寬×高），廠房尾水平臺高程486.50m，布置1臺門機。

尾水出口底板頂高程463.22m，以1∶4反坡與天然河道平順連接。尾水渠反坡段長33m，渠底采用30cm厚的鋼筋混凝土護底，并布置直徑50mm排水孔，間排距3m。

2.5 GIS開關站布置

2臺主變壓器及220kV出線場布置在主廠房上游側，GIS采用戶內式布置，主要由2臺主變壓器、事故油池、母線構架及出線構架組成。兩臺主變壓器共用一個事故油池。開關站基礎為回填砂礫石基礎。

2.6 廠房分縫及廠內止水排水布置

為適應溫度變化和基礎變形，主機間段與安裝間段之間、1號機組段和2號機組段之間均設置永久橫向結構縫，形成獨立的機組段和安裝間段，永久結構縫寬20mm，縫間設止水，縫內充填柔性材料。

為防止外水進入廠內各部位，在廠區地面高程以下，布置有上、下游垂直止水和聯系上、下游垂直止水的水平止水，形成半封閉的止水系統，止水材料選用橡膠止水帶。主廠房和下游副廠房水輪機層以下房間均設置排水溝，排水溝斷面尺寸0.15m×0.15m，匯集導引滲漏水至廠內滲漏集水井，再由抽排設備排出廠外。

2.7 廠房基礎處理

廠房地基巖石為灰綠～灰褐色安山巖，為中等風化巖，呈中等風化狀態，雖發育多條斷層，但規模不大，對地基影響較小，基礎強度滿足承載力要求，廠房基礎未進行特殊的基礎處理。

3 廠房主要結構設計

3.1 鋼吊車梁結構

電站吊車梁采用焊接工字形鋼吊車梁結構，梁高1.90m，鋼吊車梁按簡支梁結構進行設計，最大跨度按8.82m進行結構計算。吊車梁頂部與外墻間有走道板相連，走道板為鋼桁架結構，與廠房圈梁相連接。

吊車梁主要承受廠內橋式吊車的使用荷載，是直接承受吊車荷載的承重結構，除吊車梁自重、軌道及附件等均布恒載外，主要承受移動的豎向集中荷載和橫向水平剎車力，因此需用影響線求出各計算截面的最大（或最小）內力，畫出內力包絡圖，并據此進行截面強度設計及變形等驗算。

3.2 尾水管結構

尾水管位于廠房的最下部，由錐管段、肘管段和擴散段組成。尾水管錐管段四周均為大體積混凝土，擴散段出口寬5.2m，高4.47m。尾水管是水電站廠房主要承重結構之一，除承受本身自重外，還承受頂板以上的設備和結構自重，此外還有管規劃設計內靜水壓力、揚壓力、地基反力和外水壓力，整個廠房上部荷載大部分經由尾水管傳至基礎。廠房基巖局部較破碎，尾水管擴散段底板采用整體式結構，由底板、邊墩和頂板組成封閉式框架，肘管段和擴散段底板厚均為2.0m，邊墻最小厚度2.92m。按結構力學和彈性力學方法進行結構計算。尾水管的幾何形狀比較復雜，為簡化計算，不考慮空間結構的整體作用，而是順水流方向取典型截面近似計算尾水管結構的內力，垂直水流方向簡化為平面問題考慮，即沿水流方向分區切剖面，按平面框架進行結構內力計算。

3.3 蝸殼結構

蝸殼的進口與壓力鋼管相連接，它是一個空間的整體結構，幾何形狀復雜，內部應力情況也較復雜。蝸殼采用鋼蝸殼，并設置了彈性墊層，計算時按照鋼蝸殼只承受內水壓力，不承受外壓進行計算。

在計算外圍結構時，“Γ”形剛架下部固結于彈性墊層底部的邊墻上，內端視為絞支于水輪座環上。外圍結構的荷載為正常運行情況，荷載組合包括機墩傳來的荷載及結構自重。

在工程設計中，用彈性墊層將鋼蝸殼頂部半圓周與外包鋼筋混凝土結構分隔開來，外包鋼筋混凝土結構承受結構自重及上部傳來的荷載，而鋼蝸殼承擔全部內水壓力，不考慮外包鋼筋混凝土和鋼蝸殼聯合作用。因此，結構設計的方法是沿蝸殼中心徑向取若干單位寬度的截面，按平面“Γ”形框架進行計算。根據實際計算結果，并結合有關工程實例，進行斷面的設計。其斷面控制尺寸為頂板最小厚1.73m，側向厚2.06m，在250°方向