黄河龙口水利枢纽电站厂房设计

韩 强 赵小娜 王晓辉 聂学军

龙口水利枢纽为二等工程,电站厂房为2级建筑物,洪水标准按100年一遇洪水设计,1000年一遇洪水校核。厂房最高尾水位866.02m,最低尾水位861.40m。整体采用 “混凝土重力坝+河床式电站”的布置形式。混凝土重力坝坝顶高程900m,最大坝高51m。厂房纵轴线平行于坝轴线,厂房上游墙兼作挡水建筑物。厂内安装4台单机容量100mW的轴流转桨式水轮发电机组,为满足黄河龙口—天桥区间瞬时最小流量不小于50m3/s的要求,安装1台20mW混流式水轮发电机组。电站总装机容量420mW,其中400mW参与系统调峰发电。水轮机运行最大水头36.3 m,额定水头为31m。

龙口水利枢纽位于山西省忻州市的偏关县和河曲县与内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗的交界地带,坝址区段河谷呈U形,谷宽360～600m。河床地形平坦,河底高程858～861m。两岸岸坡在85°以上,高50～70m。电站厂房建筑物区地层为奥陶系中统上马家沟组第二段第一小层O2m的中下部岩层,由中厚层、厚层灰岩、豹皮灰岩组成,层内夹少量薄层灰岩,属于致密坚硬岩石。地层呈单斜状,岩层倾向下游偏左岸,倾角3°～6°。地层中的NJ304-1、NJ304、NJ303是河床坝基中的控制滑动面,其摩擦系数 f=0.25～0.35,凝聚力 c=10～35 kPa。

1 厂区布置

坝址区左、右岸地形条件基本相当,泄流条件相似。经比较,电站厂房布置在左岸时对外交通和出线更为便利,厂房地基开挖深度和坝基软弱夹层埋藏深度相适应,总体工程量比放在右岸可减少石方开挖6.1万m3,节约混凝土5.3万m3,因此最终选择将厂房布置在左岸。

主厂房包括主安装场、主机间和副安装场。主安装场设在主机间左侧接左岸进厂公路,副安装场设在主机间右侧。20mW机组是为使黄河下游不断流情况下,利用小流量发电而设置,因而将其布置在靠近河床中部的100mW机组坝段与副安装场之间。副厂房与GIS开关站连成一字形紧靠主安装场左侧布置。GIS开关站为2层框架结构。副厂房布置在GIS开关站下游,为地下1层、地上4层(局部5层)的框架结构。副厂房地下布置二次电缆室,通过地下电缆廊道与主厂房相通。

2 主厂房布置设计

2.1 主厂房控制高程和尺寸

主厂房内安装4台单机容量100mW的轴流转桨式水轮发电机组和1台20mW混流式水轮发电机组,采用一机一缝的形式。100mW机组段宽度受尾水管尺寸控制确定为30m;20mW机组段宽度受进水管和尾水管尺寸控制定为15m;100mW机组安装高程为857.00m,水轮机层高程864.80m,发电机层、安装场、尾水平台高程相同,为872.90m,发电机层和水轮机层之间设电缆夹层。20MW机组安装高程860.60m,并将其发电机层、电缆夹层和水轮机层取与100mW机组段同高,目的是可共用安装场和起吊设备,以节约投资并方便运行。厂房最大高度69.55m,顺水流向全长81.4m。

安装场总面积按1台机组段扩大检修确定。主安装场长度40m,放置转轮、转子、上机架、支持架;副安装场长12.0m,放置顶盖和推力轴承支架等部件。副安装场坝段还设有电梯间作为厂房与坝顶之间的交通通道。

主厂房屋顶支撑结构采用螺栓球节点四角锥形空间网架结构,屋面采用弧形直立锁边铝板,局部设天窗,网架空格内设3条检修马道。网架全长186.20m,总覆盖面积为5423 m2。考虑排水及整体美观要求,屋面向下游方向呈5%倾斜。

2.2 主厂房布置

龙口电站主厂房采用典型的河床式电站厂房布局。水轮机层以下为大体积结构。尾水管采用弯肘型尾水管,整体式底板结构形式。100mW机组段蜗壳采用T形断面钢筋混凝土蜗壳,包角216°。20mW机组段采用金属蜗壳,包角345°。100mW机组段蜗壳及尾水管进人廊道均布置在下游侧,20mW机组段的尾水管进人廊道布置在上游侧。机墩均为圆筒形钢筋混凝土结构,100mW机组段机墩在-x轴与-y轴向各布置1个进人通道,靠上游侧布置滤水器、蜗壳排水阀和调速器回复机构。20mW机组段在第Ⅲ象限与-y轴成30°处布置进人通道。发电机出线均在下游侧平行于-y轴方向引出,进入主厂房下游侧尾水平台下的母线室。

发电机层第Ⅰ象限布置压力油罐、调速器及电气盘柜。第Ⅱ象限布置保护盘。各100mW机组段第Ⅲ象限厂房排架柱间均布置1个垂直向主交通楼梯通向下面各层。各机组段第Ⅳ象限内均布置1个吊物孔,可直达水轮机层,以吊运发电机层以下各层较大物件。机组段上游侧有2.0m宽、下游侧有3.0m宽通道贯通全厂。考虑到厂房进口段较短,主厂房水轮机层以上上游侧壁均设防潮隔墙,渗水通过排水管沟汇入渗漏集水井。

电站尾水平台上布置5台主变压器 (一机一变)和1台2×630kN双向尾水门机。主变可通过运输轨道进入安装间内检修。尾水门机负责电站出口尾水检修闸门、排沙洞出口工作闸门和检修闸门的启闭。尾水平台以下空间分成4层,布置部分生产副厂房,如高压电缆通道、盘柜室、厂用变压器、循环水池等。

100mW机组段进水口分3孔布置,20mW机组段进水口布置为1孔。每个进水口沿水流方向依次设拦污栅、检修闸门和事故闸门,拦污栅采用连通布置。进水口底板高程综合考虑拦沙效果和机组效率后定为866.00m,进水口与蜗壳间用1∶0.8的斜坡段连接。拦污栅和检修门均由坝顶2×1250kN双向门机启闭。

为防止电站进水口淤堵,在每个100mW机组坝段左右对称布置2个排沙洞。排沙洞进口底高程860.0m,内径3.0m。靠下游侧设置排沙洞检修廊道与尾水管进人廊道相接。

3 厂房设计特点

3.1 结构设计

龙口水电站厂房孔洞多,尺寸大,结构复杂。在下部块体结构的设计中采用结构力学法结合有限元法进行结构计算。采用结构力学法分析时,一般切取若干断面简化成平面杆系进行分析,计算中考虑刚域和剪切变形的影响;为弥补结构力学法在宽厚结构计算中的不足,又选择一定范围的结构按均质弹性体进行三维有限元计算,最终通过两种计算结果的对比分析并结合工程经验进行配筋。上部结构包括主厂房排架、发电机风罩和主副厂房及安装场各层板、梁、柱结构,一般只采用结构力学法进行分析,分析时不考虑剪切变形的影响。所有钢筋混凝土结构,均进行限裂验算。对于上部结构,还进行了变形验算。

3.2 混凝土蜗壳设计

100MW机组蜗壳采用钢筋混凝土蜗壳,进口断面尺寸为6.254m×10.5m,最大水击压力0.45mPa,接近混凝土蜗壳承受水头的最大值。设计时沿径向切取若干断面按Γ形框架进行结构计算外,还选取整个尾水管和蜗壳作三维整体有限元结构分析。针对蜗壳进口跨度大,顶板混凝土厚度薄、拉应力大等难题,设计采取设暗梁、加钢板、局部钢筋加强等措施解决。为解决钢筋混凝土蜗壳防渗、抗裂问题,在蜗壳流道进口区和蜗壳顶板范围内采用16mm厚Q235B钢板衬砌,在蜗壳流道底板及侧墙采用C35F200W6抗冲磨纤维混凝土,混凝土表面采用10mm厚环氧砂浆防护。

3.3 排沙洞设计

为解决多泥沙河流排沙及电站进水口淤堵,在每个100mW机组坝段左右对称布置2个排沙洞,在副安装间段设1个,共9个排沙洞。排沙洞布置方式紧凑,未因此增加机组段宽度。初步设计时设置1道副拦污栅和1道主拦污栅,后来考虑到龙口电站上游距离万家寨电站较近,区间来水量及污物不多等原因,最终取消了副拦污栅。排沙洞单孔设计泄量71m3/s,洞内最高流速19.67 m/s,出口范围内采用C40F200W6抗冲磨纤维混凝土。经整体模型试验验证,在电站发电或开启5个排沙洞参与泄洪的情况下,不仅电站进口没有淤积,而且整个河道中的水流更加平顺,回流现象基本消失,电站尾水渠中基本没有淤积,有效减轻了对下游河床的冲刷。

3.4 厂房分缝与宽缝设计

100mW机组坝段宽30m,基础底部顺水流向长为81.1m。根据温控计算和实际工程经验分析,按照厂房建筑物布置和结构受力特点从上游至下游分为 A、B、C三块,A块为拦河坝及电站进口段,B块为主厂房段,C块为尾水平台及尾水管段。A、B块之间基础体形差异较大,荷载在施工期和运行期集度变化较大,为防止A、B块基底应力的变化,在A、B块缝面引起较大的结合应力,设计采用流道底部以下设直缝,流道以上设宽缝的方式进行接缝连接。宽缝在施工期不填筑,其中所有结构受力钢筋在槽内先断开,从而A、B块间相对可自由变形,使接缝面应力集中现象弱化。待A、B块在自重荷载作用下基础变形基本稳定后,将宽缝内钢筋焊接连接,在冬季混凝土降低至稳定温度场时,采用微膨胀混凝土进行回填,宽缝两侧设键槽,并预留灌浆埋管,以便在必要时对缝面进行灌浆处理。计算表明,电站坝段的B、C块间荷载强度较小,基底应力分布在过缝处突变不明显,设计中采用直缝。接缝灌浆高程布置在857.50m以下,灌浆高程以下部位设置三角形键槽,键槽深40cm,间距150cm。上下游设置3个灌浆区,每个灌浆区设有灌浆管路,灌浆管路引至楼梯间下部廊道内灌浆站。

4 结 语

龙口水电站采用河床式电站布置方式,充分利用地形和交通条件,做到工程量省,施工周期短,便于工程运行管理。主厂房布置基本上做到了简洁、紧凑、明快,机电设备布置合理。通过设置排沙洞解决了多泥沙河流电站的进口淤积问题,并使下泄水流更加平顺。在结构设计上,通过多种理论和方法分析结构实际受力情况,并采取多项优化措施,在保证结构安全的前提下,加快了施工进度,节约了工程投资,取得了明显的经济效益。