上石盤電航樞紐工程燈泡貫流式機組廠房設計

鞏緒威,王其利,成 益, 曾祥華

(上海勘測設計研究院有限公司，上海 200434)

1 工程概況

上石盤電航綜合樞紐工程位于四川省廣元市境內嘉陵江干流上，屬河床式開發，水庫總庫容6 860萬m3，正常蓄水位472.50 m以下庫容5 825萬m3，調節庫容412萬m3，具有日調節性能。電站裝機容量30 MW，年均發電量1.27億kWh，為Ⅲ等中型工程，主要建筑物為3級，廠房按50年一遇洪水設計，200年一遇洪水校核。壩址區50年基準期超越概率10%的基巖水平地震動峰值加速度為0.108g，相應地震基本烈度為Ⅶ度。壩址以上集水面積26 542 km2，多年平均徑流量為202 m3/s。泥沙以懸移質為主，多年平均含沙量4.48 kg/m3，多年平均輸沙量2 783萬t，入庫推移質輸沙量為18萬t。壩址區地層主要由第四系堆積物和下伏侏羅系中統沙溪廟組上段的粉砂質泥巖、泥質粉砂巖及砂巖組成。

樞紐布置格局以不影響泄水閘通暢泄水和有利于通航為原則，泄水建筑物占據河床主河槽，通航建筑物占據凹岸即左岸一側，自左至右為左岸連接段+船閘+泄洪閘+廠房+右岸連接段。電站為低水頭日調節水電站，河床式廠房，安裝2臺中國產燈泡貫流式機組，單機容量15 MW，在中國同類機組中屬中型，水輪機轉輪直徑3.95 m，最大水頭16 m，最小水頭10.3 m，額定水頭13.4 m，單機額定流量126.7 m3/s。廠區主要建筑物包括進口建筑物、主廠房、副廠房、尾水渠、開關站等。

樞紐工程于2013年10月正式開工建設，電站于2016年2月全部機組并網成功，目前運行情況良好。

2 水電站運行方式

為充分利用水能資源，汛期水庫維持正常蓄水位按來水流量發電，當入庫流量大于電站發電引用流量253.4 m3/s時通過控制閘門下泄棄水；非汛期進行日調節，在正常蓄水位472.50 m與死水位472.00 m間運行。為減少庫區淤積，當入庫流量大于1 800 m3/s時，電站停機沖沙，并根據庫區淤積情況進行不定期的排沙調度。

3 廠區布置

進口建筑物包括進水渠、攔沙坎、上游廠閘導墻等。因廠房流道進口底板低于河床，進水渠設攔排沙坎，以防推移質進入流道，為減少水頭損失，電站運行時坎上流速不超過0.5～0.6 m/s，并通過水工模型試驗確定坎頂高程為462.00 m，高出坎前河床5 m，平面呈折線型布置，與上游廠閘導墻相連，導墻為半重力式混凝土結構，長34 m，墻頂高程473.00 m。進水渠最低高程446.44 m，向上游以1∶3坡比至457.00 m，岸坡采用貼坡式鋼筋混凝土擋墻或護坡結合錨桿支護。

主副廠房與進水口、尾水平臺形成整體，建基面高程436.50～444.44 m，順水流向長58.24 m，河床式布置，正向進水，分2孔，每孔凈寬7.9 m，進水口底板高程設為448.44 m， 2臺燈泡貫流式機組水輪機安裝高程448.61 m，主機間段長28.95 m，副廠房布置在主機間下游側。尾水管采用平直管，出口設2扇平面鋼閘門，出口處底高程為445.055 m。檢修平臺高程463.00 m。安裝間段長28.3 m，與主機間并排布置在右岸基巖上。廠區平面布置見圖1。

圖1 廠區布置平面圖

出口建筑物主要是尾水渠的布置。為避免泄洪時的回流淤積影響，防止有效發電水頭降低，在各種運行工況下的尾水渠出口流速，均不大于2.0 m/s。尾水渠擴散段兩側擴散角均為12°，渠底寬度由25.3 m漸變為45.87 m，順水流方向采用1∶5反坡由445.055 m高程過渡至454.50 m高程，與平坡段長50 m相連，其后以緩坡過渡到455.50 m與下游河床相接，護坦及海漫總長134.26 m，大于電站下游水深的9～10倍。為減少泄洪閘下泄洪水對尾水渠及右岸岸坡的影響，尾水渠與沖砂閘消力池之間布置鋼筋混凝土廠閘導墻，結合水工模型試驗，導墻長97 m，尾水渠末端在停機泄洪時回淤較少，墻頂高程463.00 m，高于電站停機沖沙起始流量1 800 m3/s時對應下游水位461.50 m；右岸岸坡采用衡重式混凝土岸墻、鋼筋混凝土護坡進行防護。經實際運行觀察，尾水渠水面銜接良好，無壅水現象。

開關站就近布置在安裝間下游側岸上，主變室、GIS室、樓梯間及柴油發電機房等并列布置，其中左側布置主變室和GIS室，平面尺寸為15.74 m×11.24 m；右側為樓梯間及柴油發電機房，平面尺寸為13.55 m×11.24 m。室外地面高程473.70 m。

進廠公路直接引自廣元市濱江路，從安裝間下游側水平方式進廠，路面寬度為8 m，是交通主通道，供設備安裝、檢修運輸。

4 電站廠房型式比較及引水防沙設計

4.1 電站廠房型式比較

本工程主廠房為河床式布置，廠房作為樞紐工程擋水建筑物的組成部分，其洪水標準與壅水建筑物一致。電站水頭范圍為10.3～16.0 m，額定水頭為13.4 m，對軸流轉槳式和燈泡貫流式2種型式的機組進行比較：在相同水頭和相同出力下，燈泡貫流式水輪機效率高，轉速高、機組尺寸小、重量輕，可減少機電設備投資，施工和設備安裝方便；流道順直，平面尺寸相應減少，機組段間距少3 m，廠房前緣長度比軸流機組減少18%左右，無軸流機組的尾水射管，建基面高程比軸流機組高0.7 m，廠房結構簡單、基礎開挖較淺、混凝土工程量減少約20%、工程投資節省，同時可縮短工期，具有比較好的綜合指標，所以采用燈泡貫流式機組。

4.2 引水防沙設計

為減少過機泥沙，可行性研究階段進水口底板首部設置沖沙廊道，斷面尺寸為2 m×4 m(寬×高)，經彎段轉入左邊墻內，漸變為1.5 m×4 m的沖沙孔，設置檢修閘門和工作閘門各1扇，將淤沙通過沖沙孔排入泄洪閘消力池內。

水工整體模型試驗表明，攔沙坎能有效地阻隔沿床岸運動的泥沙進入攔沙坎內，增大攔沙坎外緣的水流流速，達到控制導沙坎前的淤積高程不至于過高的目的。

廊道排沙效果試驗表明，口門附近局部區域的最大拉沙率不超過45%，僅依賴于廊道單獨運行來拉沙，則其淤積的泥沙僅能部分地被拉走。在排沙廊道進口上方設立懸梁板的試驗表明：拉沙范圍雖有所增大，但相對于電站前池的總面積來說仍然很有限。

根據新店子水文站1966—2007年(其中1968、1969和1996年缺測)實測懸移質顆粒級配資料，壩址懸移質泥沙顆粒級配計算成果如表1。施工圖階段考慮到入庫泥沙較細，閘前水位較高，結合模型試驗成果以及水庫運行方式，取消了沖沙廊道，必要時，采用機械清淤方式清除電站前池內的淤積泥沙。

5 廠房布置

5.1 進水口段

廠房布置為河床式，采用正向進水，進水口由喇叭形進水口、攔污柵、檢修閘門及其啟閉設備和結構等組成。進水口段分為2孔，每孔凈寬7.9 m，對應2臺燈泡貫流式機組，其中沖砂閘側邊墩寬4.85 m，安裝間側邊墩寬3 m，中隔墩寬5.3 m，底板厚3～ 4 m，斷面呈“山”字形墩墻結構。為使攔污柵前的流速不超過1.0～1.2 m/s，進水口采用上翹式喇叭形流道進口，在垂直立面上擴大，其上部以胸墻為輪廓，以引導水流平穩進入流道中段，胸墻厚1.2 m。進水口段每孔上游布置1道直立式攔污柵，清污機布置在由排架支撐的工作平臺上，排攔污柵底檻高程為448.44 m，孔口尺寸7.9 m×26.64 m，設計水頭差4 m。底檻下游為1∶1.238的斜坡段及半徑為5 m的反弧段，然后接高程為444.225 m的水平段，胸墻下游布置檢修門槽1道，兩孔共用1扇檢修門，為平面鋼閘門，孔口尺寸為7.9 m×11.22 m。非檢修期放置于安裝間前沿的門庫內。進水口檢修門與沖砂閘、泄洪閘檢修門使用同1臺門機。閘墩頂高程為476.00 m，交通橋布置在攔污柵槽與檢修門槽之間，與閘頂交通相連。廠房橫剖面見圖2。

表1 壩址多年平均懸沙級配成果表

攔污柵的清污與柵前漂浮垃圾的清理主要由專門的液壓清污抓斗進行，清污機抓斗由2×320 kN的雙向臺車操作。清污機將污物抓取后運輸至卸污平臺，通過導污裝置轉入運輸卡車進行清理。

5.2 主機間及副廠房

主機間沿壩軸線方向長度同進水口段為28.95 m，順水流方向寬18.6 m，凈寬15 m，副廠房緊靠主機間布置在其下游側，寬13.69 m；下部流道內裝2臺GZ-WP-395、SFW15-40/440燈泡貫流式機組，轉輪直徑3.95 m，水輪機安裝高程448.61 m，機組間距13.2 m，機組段建基面高程439.16 m。主機間采用雙層布置，流道頂板頂面高程455.65 m；操作運行層高程465.80 m，布置油壓裝置、調速器、勵磁等設備及吊物孔。運行層地面以下用于連接發電機井與副廠房，布置輔機層和電纜，運行層地面噪音低、整潔、美觀。

主廠房內布置75 t/20 t電動橋式起重機1臺，吊車軌頂高程根據廠內吊運部件的最大吊運高度、吊運方式、吊鉤極限高度、操作運行層與安裝間相對位置等因素確定，為485.00 m，屋架底高程為489.00 m。機組間不設永久沉降縫，尾水管底板建基面高程 442.16 m。主廠房下游側布置有輔機層、副廠房及工作通道，底層為輔機層，高程455.65 m，裝備消防供水和檢修水泵；副廠房從下至上分4層，為框架結構，其中一層為電纜夾層，二層為高低壓開關室、辦公室，三層為通信設備層，四層為中央控制室。

燈泡機組安裝高程較低，廠房流道頂板頂面以上四周均采用鋼筋混凝土擋水墻結構。上游側墻厚度為2～2.5 m，支撐在進口閘墩及流道中段的頂板上并連成整體，墻頂高程476.00 m，與閘壩頂高程相同；下游側墻厚為1～2.5 m，兩側支撐在尾水閘墩上，下部支撐在尾水管頂板上連成整體，墻頂高程474.80 m，高于下游校核洪水位加上安全超高；端部擋水墻和上、下游擋水墻及流道頂板形成整體，其中安裝間側墻厚為0.8～2.35 m，墻頂高程474.80 m，泄洪閘側墻厚為1.3～2 m，墻頂高程476.00 m。

圖2 廠房橫剖面圖 單位：m

5.3 流道出口段

流道從廠房進水墩處起至尾水管出口處(包括尾水閘墩)共分3段：進水口段從上游側機組檢修閘門以上至進水口閘墩，攔污柵布置于閘墩前部；中段從上游側機組檢修閘門至水輪機室，位于主機間下部；出口段(尾水管段)從轉輪室至尾水管出口處(尾水閘墩)，位于副廠房下部及下游側。發電尾水通過尾水管進入尾水渠，尾水管采用平直管，出口處設置2扇尾水閘門，為直升式平面鋼閘門，孔口尺寸為7.11 m×7.11 m。尾水管出口處底高程為445.055 m，尾水管出口頂部高程452.165 m，低于設計最低尾水位456.35 m，淹沒深度滿足不小于0.5～1 m的要求 。尾水管出口尾水墩墩頂設檢修平臺，高程463.00 m，同時設有尾水工作閘門及其啟閉設備，可滿足電站運行時人員巡視以及閘門簡易維修的功能要求。尾水平臺以上啟閉機排架頂端平臺高程474.80 m，布置2臺電動卷揚機，啟閉機房房頂高程479.30 m。啟閉機房與副廠房中間留有1條凈寬1.8 m供人行、采光和通風的通道。

5.4 安裝間

安裝間布置于廠房段的右側，沿壩軸線方向長度28.3 m，順水流向18.6 m，與主機間之間設1道永久沉陷縫。為盡量減少巖石開挖及實現水平進廠，安裝場高程為474.00 m，鋼筋混凝土地面板厚0.5 m，用于機組的安裝及檢修，考慮機組安裝期間放置發電機定子、轉子、水輪機轉輪、燈泡頭、外配水環等。其下設置地下室一層，高程為468.50 m，布置空壓機室、透平油處理室等，鋼筋混凝土底板厚1.45 m，其下采用C15埋石混凝土基礎，坐落于右岸岸坡上，基巖為粉砂質泥巖夾泥質粉砂巖，地基承載力滿足要求。安裝間上游與右岸連接壩段壩頂道路之間布置進水口檢修平臺，頂高程476.00 m，沿壩軸方向長18.22 m、寬6.71 m。

5.5 主廠房屋面設計

可行性研究階段采用鋼筋混凝土雁型板結構，該種結構具有自重輕、抗震能力好的優點，同時通過在板間設置透光板，可以有效解決此種類型廠房采光不足的問題。參考中國水電站廠房建設經驗，施工圖設計階段廠房選定鋼網架屋蓋結構，屋面采用輕型網架板，由于結構自重減輕，傳給下部結構的荷載減小，有利于廠房排架柱截面的進一步優化；此外，網架結構的桿件、節點、支座以及網架板均在專業工廠內加工制作成型，現場安裝快捷簡便，施工干擾少，可加快施工進度。

6 廠房整體穩定及地基應力計算

6.1 整體穩定、地基應力分析及抗浮驗算

計算內容主要包括建基面抗滑穩定計算、抗浮穩定驗算及基礎面法向應力計算，抗滑穩定采用SL266-2001《水電站廠房設計規范》中的抗剪斷計算強度公式。各部分結構自重按其幾何尺寸及材料重度計算確定，混凝土重度下部結構取24 kN/m3，上部結構取25 kN/m3；水重按實際體積計算，水的重度取10 kN/m3，計算成果詳見表2。從表2中可以看出，電站廠房在所有水位組合下的抗滑、抗浮安全系數及基底應力均滿足規范要求。

表2 廠房抗滑穩定及基礎應力計算成果表

6.2 基礎處理設計

7 結 語

燈泡貫流式機組廠房多為河床式布置，機組橫臥在流道中，廠房大部分建筑位于水下，需結合工程總體布置，使之經濟合理，方便施工；電站水頭較低，減少進出口及流道的水頭損失非常重要，上游要做好攔污清污，中間流道要平順連接，尾水要有利于發電后水流擴散，避免尾水抬高。本工程借鑒中國同類型水電站的設計及施工經驗，廠區、廠房布置合理緊湊，結構體形簡單，工程投資節省；屋蓋設計采用鋼網架結構和輕型網架板，具有美觀、經濟、輕巧、施工快捷等優點。