金安桥水电站引水发电系统设计

赵 谨，鲁 宏，蔡 雄

（中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院，云南 昆明 650051）

金安桥水电站位于云南省丽江市境内的金沙江中游河段上，是金沙江中游河段规划的第5级电站。电站距昆明市公路里程589.5 km，距攀枝花市公路里程225.5 km。

金安桥水电站属一等大 （1）型工程，坝顶高程1 424.000 m，最大坝高160 m，水库正常蓄水位1 418.000 m（具有周调节性能），装机容量2 400 MW （4×600 MW），单独运行的保证出力为 473.7 MW，年发电量110.43亿kW·h。电站枢纽建筑物由碾压混凝土重力坝、右岸溢洪道、右岸泄洪冲沙底孔、左岸冲沙底孔、坝后厂房及进厂交通洞等组成。

1 引水发电建筑物总体布置

金安桥水电站引水发电建筑物包括：电站进水口、坝后背管、坝后主厂房及安装间、厂房上游电气副厂房、下游水机副厂房及尾水闸室、尾水渠等。

1.1 电站进水口

坝式进水口布置在河中7～10号坝段，坝段宽34 m，为单管单机引水，进水口高程1 370.000 m，4孔进水口各设断面尺寸9 m×14 m的检修门和9 m×12 m的事故门。

拦污栅平台高程1 366.000 m，悬出坝面10 m，布置20孔4.5 m×30 m拦污栅。中墩厚2.2 m，边墩厚1.35 m，高58 m，设检修拦污栅槽和拦污栅槽。栅墩下部1 396.000 m以下每6 m设一层连系梁，栅墩间形并与坝体相连；上部1 396.000 m至坝顶，栅墩间设拦污胸墙板，用连系梁与坝体相连。

1.2 压力钢管

引水钢管出坝面后，接钢衬钢筋混凝土联合受力的压力背管管径10.5 m。压力钢管设计工况最大净水头133 m，校核工况最大净水头136.07 m，最大 （水击作用下）HD=17 150 kN/m。采用1/2背管、外包混凝土厚度为1.5 m的结构设计方案。管壁厚度24～36 mm，压力背管设间距2.0 m、环高0.15 m、厚24 mm的加劲环。

1.3 主厂房

主厂房布置为坝后式厂房，建筑物属1级建筑物，设计防洪标准为200年一遇，相应下游尾水位1 316.608 m，校核洪水标准为1 000年一遇，相应下游尾水位1 319.330 m，1台机正常发电尾水位1 293.889 m，4台机发电正常尾水位1 299.409 m，设计引用流量为4×605 m3/s。

主厂房尺寸为 215 m×34 m×73.3 m （长×宽×高），安装4台600 MW水轮发电机组。其中，机组间距34 m，厂房净宽29 m，安装间长66.5 m，机组中心线上游净宽11.5 m、下游净宽17.5 m，上、下游墙厚2.5 m，主厂房右端加长8.5 m，上部作为吊车梁加长段，下部布置厂区渗漏集水井和检修集水井。主厂房吊车梁以下为钢筋混凝土墙式结构、吊车梁以上为框架结构。

1.4 上游副厂房及GIS厅

上游电气副厂房布置在坝与厂房之间，分5层，层高4.5～7.0 m，为框架结构。最低层楼面高程为1 297.000 m，以下为压力管及坝体实体结构，1 297.000 m高程以上副厂房与主厂房间设100 mm的永久缝。

GIS楼布置在上游电气副厂房顶，GIS厅高程1 327.100 m，层高14.90 m， GIS厅长156 m，宽19 m，室内净宽16 m。屋顶布置500 kV出线场。

副厂房与坝间采用混凝土回填至1 320.000 m高程，形成宽28 m的平台，布置主变压器、电抗器、柴油发电机房等。控制室布置在GIS楼左端，共3层。

1.5 下游副厂房

水机副厂房布置在下游尾水管上方，长136 m，共分6层，分别布置供水设备、电缆层、辅助设备、机组自用电及通风设备，屋顶高程1 320.000 m，与尾水平台齐平。每个机组段布置楼梯作垂直交通。

1.6 尾水闸室及尾水渠

尾水检修闸门为1机2门布置，闸门尺寸为11.64 m×10.0 m。8扇检修闸门共用1台门机启闭。闸底板高程1 362.850 m，建基高程与主厂房同高，为1 256 m，尾水闸墩高64 m、平台高程1 320 m。

尾水渠长80 m，底宽134 m，纵向坡度为1∶6。尾水渠两岸为1∶0.25的混凝土贴坡，与左右岸底孔边墙结合。

1.7 进厂交通

左岸进厂交通洞长1 479.9 m，城门洞形，断面尺寸为10 m×12 m，路面高程为1 328.000～1 303.300 m。在厂交1+005.178处分岔出断面尺寸为8 m×9 m的尾水交通洞至尾水平台及主变平台。

2 工程主要技术问题

2.1 电站进水口结构设计

金安桥电站进水口拦污栅栅墩布置在悬出上游坝面10 m的平台上，平台高程1 366.000 m，平台底面的倾斜角为45°。为与大坝间设置横缝相适应，拦污栅栅墩及其平台设有 （沉降缝）永久缝，每个进水口拦污栅结构简化为9层5跨的框架，相邻进水口拦污栅结构间由宽10.0 m、厚1.35 m的隔墙分开。每个拦污栅由4根立柱和两侧隔墙形成5个栅孔，每孔净宽4.5 m，立柱为2.2 m×5 m的方圆形截面。

计算分析表明，电站进水口喇叭段、闸门段及渐变段等各部位应力都可以通过配筋满足强度要求。

2.2 压力背管形式研究

金安桥电站压力钢管设计选型时，研究比较了压力管全外背、2/3外背及1/2外背3种情况。考虑到金安桥水电站大坝100年超越概率2%的地震水平加速度峰值高达0.399 g，地震对外背的压力管影响较大，因此重点研究2/3外背及1/2外背。

经研究分析后认为，金安桥水电站坝下游面管道采用2/3背布置形式和管壁厚度1.5 m，虽可以满足结构设计要求，但在综合考虑技术和经济等方面的因素后，推荐采用1/2背管、外包混凝土厚度1.5 m的布置形式。经计算分析，金安桥水电站坝下游面管道采用1/2外背管、外包混凝土厚度1.5 m，管坝接缝面应力、管道轴向应力均可以满足结构设计要求，管道环向拉应力可通过配筋来解决。

2.3 钢管过缝措施研究

坝后式水电站中，由于大坝和电站主厂房高度各不相同，两部分地基的沉陷也不同，在厂坝分缝处，因坝体施工期与运行期位移方向相反，钢管轴向变位较大；另外在温度等荷载作用下，很容易在厂坝连接处出现应力集中，一般在主、副厂房之间设永久纵向缝，并设置伸缩节。但金安桥电站运输条件较差，超大尺寸件 （直径10.5 m）的伸缩节难以运到工地，为此，采用一段垫层管代替伸缩节，以适应基础不均匀沉陷和温度变化。

通过对几种过缝措施的研究，最终确定金安桥水电站压力钢管过缝方案为：厂坝间压力钢管不设伸缩节，在缝上游10 m、下游3 m范围内设弹性垫层，设弹性垫层的管段按明管设计，厂坝间分缝灌浆至1 278.000 m高程。在压力管与外包钢筋混凝土联合受力时，管下方120°范围进行接触灌浆，灌浆压力为0.2 MPa，管道上方不再进行灌浆处理。在厂坝分缝处的压力管环焊缝预留在大坝蓄水后焊接。

金安桥电站厂坝分缝处不设伸缩节，厂坝间分缝灌浆至1 278.000 m高程，在温升组合工况下，分缝两侧顺河向 （管轴向）相对位移最大，为6.8 mm；正常运行工况次之，为5.9 mm。在同一断面，90°（管顶）， 0°和 180°（管侧）， 270°（管底） 的位移依次逐渐减小；由于本结构方案分缝处已灌浆至1 278.000 m高程，接近钢管底部高程，因此钢管底部的相对位移最小。分缝两侧混凝土顺河向的相对位移都是相互靠拢的趋势，相应的顺河向 （管轴向）应力都为压应力，分缝处的混凝土灌浆不会沿缝面开裂，可以很好地传递分缝两侧的相互作用力，达到减小垫层管轴向变形和压应力的目的。相应工况下的钢衬应力，在1 278.000 m高程以下的分缝灌浆以后，垫层管段的钢衬应力大大减小。

2.4 蜗壳外围混凝土结构设计

金安桥水电站水轮机蜗壳进口断面直径10.0 m，设计内静水压力水头125.9 m，设计动水压力水头160 m，最大设计内水压力达1.6 MPa，为国内较大的钢蜗壳之一，材料采用16 MnR。鉴于金安桥水电站蜗壳设计水头高、高地震烈度区、结构复杂、厚度较小，最小混凝土厚度仅为2.0 m等特点，特设专项课题进行蜗壳结构布置、应力和应变全面分析研究，经垫层蜗壳、完全联合承载蜗壳等方案研究后，结合工程的实际情况和施工特点，确定采用垫层钢蜗壳方案，外包钢筋混凝土结构。蜗壳弹性垫层材料采用 “EPS”发泡板 （高压聚乙烯发泡板），厚度分别为10、20、30 mm，根据不同部位的变形情况设置。对钢蜗壳外围混凝土进行结构配筋，然后采用非线性有限元方法，对蜗壳垫层方案进行计算，研究外围钢筋混凝土的开裂荷载、裂缝发展、钢蜗壳和钢筋的应力分布，以及蜗壳与机墩的变形，验证蜗壳外围混凝土钢筋配置的合理性。

2.5 高地震烈度区厂房结构抗震设计

金安桥水电站厂房抗震设防烈度为Ⅷ度,抗震概率水准采用基准期50年超越概率5%，基岩水平峰值加速度0.246 g。厂房主体结构按 DL5073—2000《水工建筑物抗震设计规范》和GB500011—2001《建筑抗震设计规范》进行抗震设计。为保证在地震作用下，主厂房上下游侧墙在吊车轨道和柱顶位移控制在规范允许范围内，保证吊车运行安全和屋顶网架结构的安全，对主厂房及下游副厂房结构采用三维有限元动力分析,分析计算中考虑竖向地震作用，竖向地震作用的设计地震加速度代表值取水平设计地震加速度代表值的2/3。计算分析表明，金安桥水电站主厂房上下游墙顶和柱顶位移满足规范要求，应力均满足结构设计要求。

上游副厂房及GIS楼为框架和框架剪力墙结构，结构抗震计算采用结构设计软件PKPM系列中的SATWE进行抗震设计分析，并按规范要求采用抗震构造措施。厂房内、外部砖墙按照现行国家标准GB50011—2001《建筑抗震设计规范》中Ⅷ度地震区砖墙抗震构造要求进行抗震构造措施设计。

2.6 主厂房下部结构设计

厂房下部结构主要包括厂房底板、尾水管、蜗壳、挡水墙、尾水闸墩，结构设计中视混凝土为线弹性材料，采用结构力学或弹性力学方法分析。

金安桥水电站厂房下部结构用平面简化计算和三维有限元方法进行分析，得出厂房底板、尾水管、挡水墙和尾水闸墩等结构的应力和变形，根据DL/T 5057—1996《水工混凝土结构设计规范》进行配筋计算，满足规范限裂和构造要求。

尾水管为弯肘形，出口扩散段上翘约10°，其出口处断面尺寸为25.78 m×10.0 m （宽×高），内设2.5 m厚中墩将扩散段分隔为2孔，单孔宽度11.64 m，底板设间距6 m×6 m的锚筋。扩散段长28.95 m，进口处高5.2 m，出口处高10.0 m。为便于施工，顶板底层采用预制钢筋混凝土倒T形梁结构，它既是尾水管结构的一部分，又可作为支承模板，节省大量支承结构。预制倒T梁由施工门机吊装就位，即可在其上浇筑尾水管顶板混凝土，大大加快施工进度。金安桥水电站因施工场地限制，3、4号机尾水顶板采用预制钢筋混凝土倒T形梁结构施工，1、2号机尾水顶板采用现浇钢筋混凝结构。

2.7 主厂房上部结构设计

主厂房上部结构主要包括主厂房上下游承重结构、屋盖结构等。因厂内布置2台8 000/1 500 kN/160 kN桥机，桥机单个最大轮压850 kN，桥机荷载很大，上下游承重结构采用2.5 m厚的钢筋混凝土墙式结构，壁式连续牛腿支承桥机轨道。牛腿以上结构刚度较下部结构小很多，为减小牛腿以上结构地震作用下位移，上柱柱间采用400 mm混凝土墙连接，加强了牛腿以上结构刚度。厂房屋顶跨度34 m，在比较了现浇钢筋混凝土屋面和网架结构屋面结构形式后，选择自重轻、抗震性能好的正放四角锥空间螺栓球网架结构。

2.8 上、下游副厂房结构设计

上游副厂房及GIS楼高程1 320.300 m以下为半地下结构，高程1 320.300 m以上为框架—剪力墙结构。下游侧框架从高程1 297.000 m至1 342.000 m，高45 m，根据GB500011—2001《建筑抗震设计规范》，框架抗震等级为1级；上游侧剪力墙从高程1 320.000 m至1 342.000 m，高22 m，剪力墙抗震等级为2级。结构抗震计算采用结构设计软件PKPM系列中的SATWE进行抗震设计分析。在GIS楼纵向，根据结构抗震计算结果，每隔34 m设1道40 mm的抗震缝，GIS楼与主厂房之间设1道100 mm的结构缝，结构缝缝宽满足抗震要求。

下游副厂房楼板采用厚板结构，板厚0.6～0.8 m，具有楼顶美观、施工方便、结构刚度大、工艺设备布置灵活等优点。经简化结构力学法和有限元法计算分析，承载力、挠度和裂缝均满足规范要求，厚板在楼梯孔部位因开孔较大，孔口部位应力集中明显，设计中采用孔口边设暗梁，加强孔口周边配筋等措施，保证厚板结构安全。

3 结语

金安桥水电站引水发电系统具有抗震设防烈度高、结构复杂、荷载分布不规则、局部荷载较集中等特点，设计中充分考虑上述特点，在初步设计成果的基础上，对引水发电系统结构进行多次优化设计。电站进水口、压力背管、厂房蜗壳、厂房上下部结构等重要部位分别进行了专题研究，以三维有限元整体分析为基础，满足了施工图设计阶段的内力、位移计算等要求。

［1］ SL266—2001 水电站厂房设计规范［S］.北京：中国水利水电出版社，2001.

［2］ DL5073—2000 水工建筑物抗震设计规范［S］.北京： 中国电力出版社，2001.

［3］ DL/T 5057—1996 水工混凝土结构设计规范［S］.北京：中国电力出版社，1996.

［4］ DL 5077—1997 水工建筑物荷载设计规范［S］.北京：中国电力出版社，1997.

［5］ GB50011—2001 建筑抗震设计规范［S］.北京： 中国建筑工业出版社，2001.