水電站廠房的設計探究

林偉青

（新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司，新疆 石河子 832000）

水電站廠房的設計探究

林偉青

（新疆兵團勘測設計院（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域工業與農業發展中重要的基礎設施，能夠為轄屬區域提供清潔、穩定的電力供應。在水電站工程施工建設過程中，水電站廠房設計是重要的一環，廠房設計的合理性與科學性直接影響著水電站整體穩定性與設備運行的安全性，同時對于發電效率與周邊區域環境保護有著關聯性的作用。文章就當前水電站廠房設計中的主要內容進行了闡述，同時結合具體設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；設計

1　水電站廠房設計中的主要內容分析

1.1主廠房的尺寸確定

水電站主廠房是水電站廠區的主要構筑物設施，確定主廠房相關尺寸是設計中的關鍵環節。就當前常見的水電站主廠房設計要求而言，其尺寸參數的選擇主要受上部、下部結構的影響較為明顯，其中上部結構的尺寸影響因素主要包括發電機層、排架柱、屋面、屋頂等，而下部結構的尺寸影響因素主要包括發電機機墩、水輪機座、尾水管等。在水電站主廠房尺寸確定過程中，應根據相應的發電與防洪設計需求，充分考慮廠區設備安裝、運行、維護等系列工作要求的基礎上，通過合理的規模控制與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地下結構設計

水電站廠房地下結構部分是整個廠房的基礎部分，該結構承受來自上部結構與設備運行過程中形成的各項載荷，其結構穩定性對于廠區安全有著至關重要的作用。現階段，水電站廠房地下結構通常指的是位于水面以下的廠房結構，其結構設計與參數選擇具有一定的環境影響特征。

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構形式，而這部分大體積混凝土在現場澆筑過程中，由于基礎高差較大，其裂縫控制難度較高。因此，大部分水電站廠房地下結構部分均采用分層分塊澆筑的形式。

機墩能夠為水電站發電機組提供支撐作用，立墩端面與設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，因此要求機墩結構具有良好的剛度、強度、穩定性水平。在機墩結構設計環節，設計人員主要考慮的影響因素是頂端位置的設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地上結構設計

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

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

1.4整體穩定分析

整體穩定性分析是對水電站廠房設計方案的審核檢驗，其分析標準為各項載荷條件下的結構穩定性與各工況水平下的應力表現。主要分析內容包括：廠房地下結構地抗滑穩定性、抗浮穩定性、垂直正應力水平、不均勻沉降、動靜載荷結構振動特征等。在具體的穩定性分析過程中，結合設計結構的抗剪切強度進行分析，同時對于結構體系中應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構穩定性影響問題。

2　設計實例分析

2.1工程概況

某水電站廠區，發電廠房為4級，發電機層廠房主跨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構為混凝土帷幕灌漿體系，上部結構為空間鋼網架結構形式。現針對該水電站廠房設計進行分析，同時對方案的穩定性進行分析。

2.2廠房建筑物布置

（1）廠房布置。發電廠房電站總裝機2.4 MW，主廠房由主機間和安裝間組成。根據水輪發電機組蝸殼及尾水管尺寸、調速器、油壓裝置等布置要求以及機組檢修的需要，廠房上游側寬度5m，下游側寬度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有結構縫。

發電機層高程1358.6m，主廠房以發電機層為界，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，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，布置有油處理設備等。安裝間大門設在下游側。主廠房內設有一臺型號為16 t的電動單梁橋式起重機，橋機跨度9 m 。

（2）基礎結構。為提高廠房基礎的強度與穩定性，在廠房底板澆筑后進行基礎固結灌漿處理，固結深度5 m為減小基礎滲漏，廠房基礎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，在廠房上游一側設有排水孔，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）上部結構。本水電站廠房上部結構選擇空間鋼網架結構形式，該結構剛度穩定性較高，自重較輕，同時具有良好的應力傳遞能力，在發電機組設備垂直輪壓和橫向水平制動力作用下，廠房結構處于空間受力狀態。桁架結構則處于單個桁架平面內局部受力狀態久因而可使軌頂變位減小，橫向剛度增加；改善了廠房結構的抗震性能。網格不大，自重輕，支承結構費用相應降低；建筑造型輕巧美觀，可免去吊頂，便于廠房通風。

2.3廠房穩定計算

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、抗傾整體穩定和地基應力。根據表1內的計算結果可知：

表1　水電站廠房設計穩定性分析結果

（1）本水電站廠房設計條件下，基礎結構承受的載荷水平小于允許值（400kPa），能夠有效維持設備運行中的整體結構穩定性。

（2）廠房結構設計方案中的不均勻系數處于允許范圍內，能夠應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范要求，設備運行過程中的穩定性較高。

3　結束語

綜上所述，水電站廠房設計是一項科學而系統的工作，在實際過程中需要考慮的要素較多，設計人員需要從水電站的實際水文環境與發電需求出發，根據設備運行要求進行相關廠房設計參數的選取與設定。就當前的水電站廠房設計的實際經驗而言，設計的重點在于基礎結構與上部結構兩個部分，相關結構體系的選擇應保證設備運行過程中各類載荷均能獲得足夠的支撐作用，同時能夠保證設備的安全與高效運行。

［1］張存慧.大型水電站廠房及蝸殼結構靜動力分析［D］.大連理工大學，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］.水力發電學報，2014，（5）：165-168.

［3］于倩倩.河床式水電站廠房結構的地震響應分析方法研究［D］.天津大學，2012.

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