蒋志勇 王小青 时铁城
英布鲁水电枢纽工程系一单纯发电工程,按库容指标确定工程等别为一等,大 (Ⅰ)型规模,电站厂房按1级建筑物设计。工程区域地震烈度小于6度,属无地震或轻微地震区。
厂房基础为弱钙质胶结的白垩系 (K2)软弱砂岩,岩体力学强度低,呈中等—强透水性,透水性较强,易产生渗透变形。
河床电站布置在右岸河滩,由4个河床电站坝段和1个安装场坝段组成。电站前部建基面高程为277.00m,坐落在K2i-3层,中部齿槽开挖高程为267.00 m,坐落在岩体相对较密实完整、透水性相对较弱的K2i-2岩层上,为枢纽建筑物的最低开挖高程,故厂房为枢纽工程中高度最大的挡水建筑物,最大挡水高度达44.5 m(不含集水井及坝顶以上高度)。机组中心线与坝轴线平行,偏坝轴线下游侧14.5 m。
主厂房内安装4台轴流转桨式水轮发电机组,单机容量30MW,单机引用最大流量215 m3/s,最大水头20.41m,电站总装机容量120MW,水轮机转轮直径5.5 m。电站共分4个机组段和1个安装间坝段,自右至左依次为安装间坝段、1#、2#、3#、4#机组段。主厂房总长度为128.4 m,其中机组段长90.9 m,安装间长37.5 m。从电站进水口上游前沿至尾水管下游末端,顺水流向全长为62.61 m(不含牛腿部分)。
主厂房分发电机层、水轮机层、蜗壳层、尾水管层等。发电机层高程为298.00 m,机组段中部风罩内径为11 m,Ⅰ象限布置有调速器、油压装置。机旁动力盘、控制盘布置在厂房下游侧的排架柱间。在1#和3#机组段的第Ⅳ象限布置有交通楼梯,供发电机层和水轮机层上、下交通之用,在2#、4#机组段的第Ⅳ象限布置有吊物孔。水轮机层高程为291.00 m,布置有技术供水阀、中性点柜等设备。
电站下游最低尾水位287.62 m,按选定水轮机允许吸出高度 Hs=-4.0~-5.0 m,确定水轮机安装高程为286.50 m。根据水轮发电机部件尺寸及设备布置,确定发电机层高程为298.00 m。考虑起吊发电机转子、水轮机转轮等大型部件的吊运要求及起吊方式的空间限制,确定吊车轨顶高程为312.00 m。考虑吊车与屋架的空间要求,再加上厂房屋架自身高度、屋盖结构厚度和女儿墙高度,计算确定屋顶高程为319.10 m,主厂房高21.10 m(自发电机层高程298.00 m计算)。
考虑蜗壳上、下游方向平面尺寸的限制和机电设备布置、厂房排架结构尺寸和大型部件的吊装空间需要,确定主厂房上部排架柱距,机组中心上游侧为9m,下游侧为10 m,机组段上部净跨度为19 m。根据蜗壳平面尺寸,确定机组段宽为21.5 m,4#机组段受桥式起重机吊钩范围线控制,机组段宽度为26.4 m。厂房按机组分段,在每个机组段之间设置永久缝,分缝从建基面高程起一直到厂房屋顶。厂内设置1台双小车电动桥式起重机,主钩起吊质量为2×125 t,副钩的起吊质量为25 t。
在桩号坝0+006.45处,设有贯穿全厂的进口流道放水阀操作廊道,底部高程为273.00 m。在桩号坝0+010.20处,设有贯穿全厂的排水廊道,底部高程269.15 m。排水廊道与安装场底部检修集水井相连,渗漏水排向机组渗漏集水井,检修集水井和渗漏集水井的集水排向下游河道。
安装场位于主厂房右侧,跨度及厂房高度与主厂房相同,按1台机组扩大检修时可摆放发电机转子、定子、上机架、下机架、水轮机转轮、顶盖、支持盖、推力轴承支架等部件的要求,安装场净空长35 m。安装场下游侧设有9 m×9 m(宽×高)的进场大门,用于机组运输及厂房的进出口交通,同时,场内还布置有主变运输轨道,通过下游侧进场大门与尾水平台主变场地相连。安装场下层高程291.00 m,布置有检修排水集水井和渗漏排水集水井、排水水泵室、油罐室、油处理室、空压机室等。安装场坝段与主厂房间设结构缝分开。
电站上游河床的天然地面高程在295.00~300.00 m,结合施工导流及建筑物布置进行开挖,开挖后电站取水口上游铺盖顶高程为284.00 m。电站进水口流道采用上翘布置,底板上翘23.87°,进口底高程286.00 m,比上游铺盖高2 m,可防止施工导流期以及水库运用初期被水流挟带的推移质进入电站进水口。进水口流道顶板采用27.87°上翘,进水口设计为喇叭口型式,在正常运行时库水位高于进口弧线上缘13.506 m,满足进水口最小淹没深度要求,机组满负荷运行时,事故快速门槽处流速为1.28 m/s。
进水口中部设2 m厚的中墩,将每台机组的进口流道一分为二,单孔净宽7.0 m。进水口顺水流方向分别布置2道拦污栅槽,由坝顶2×630 kN双向门机启闭,上游第2道栅槽为拦污栅工作栅槽,第1道栅槽为备用槽,同时兼作清污抓斗工作槽。拦污栅后设机组事故快速门槽,事故快速门由坝顶固定油压启闭机启闭。
坝顶公路位于坝顶门机与厂房上游侧墙之间,为下部空腔、上部板梁结构路面形式,既减少了混凝土用量,下部空腔又可作为通风机房、通风管道等的布置空间。
机组尾水管采用弯肘形,根据水轮机流道布置,弯管末端距机组中心线水平段长6.793 m,底板高程为271.00 m,扩散段长19.387 m,以8.92%反坡上翘,尾水管出口底高程为272.72 m。
电站尾水管中部设1.8 m厚的中墩,将尾水管形成2孔出流,尾水管出口设1道检修门,由尾水平台上2×320 kN单向门机启闭。
考虑机组运行、超高等要求,确定尾水平台高程为298.00 m,布置有主变压器,尾水门机,同时该平台也作为电站下游交通通道和消防通道。尾水平台下部为空腔结构,分3层布置。高程291.00 m层布置10 kV开关柜、励磁盘、励磁变压器、主变压器事故油池、通风机等设备;高程285.30 m层为电缆层;高程281.00 m层为通道,通过该层可进入蜗壳和尾水管。
电站基础为软弱砂岩,透水性强,可灌性差,基础在有限的深度范围内没有相对隔水层,如采用防渗帷幕,则帷幕为悬挂式,按电站的结构布置,建基面呈前部高后部低的台阶式,灌浆廊道处建基面高出机组中部10 m,帷幕为悬挂式,经计算,帷幕的作用沿深度变化防渗效果不明显。
根据工程地质条件及建基面开挖情况,经综合比较分析,取消了防渗帷幕方案,进而采用电站上游长约42 m的混凝土防渗铺盖,电站下游护底底部排水的防渗措施。计算及监测结果表明,电站基础各部位渗透比降均小于基础允许渗透比降,防渗措施是合理的,既解决了基础渗流稳定问题,保证了建筑物的安全,又节省了投资,保证了工期。
电站为低水头河床径流式,采用梯形断面钢筋混凝土蜗壳,弯形尾水管。由于蜗壳及尾水肘管形状复杂,需制作异型模板进行混凝土浇筑,而当地能制作异型模板的高级工极少,模板制作周期长,且当地木材含水量大,制作的木模板变形大,易开裂,控制精度低,异型模板制作难度很大。综合考虑后,对蜗壳内壁侧立面及顶板、尾水肘管等部位设置钢衬,消除了异型模板对施工的影响,缩短了工期,同时也避免了温度裂缝对结构正常使用及耐久性的影响。
电站进口流道较短,按国内规范,电站进水口设置检修门即可满足要求,但考虑电站为刚果国家电网中的骨干电站,在承担基荷发电的同时,还要承担电网的调峰、调频等多项任务,且该国水电站运行人员的运行经验较少,按业主及德方咨询工程师的要求,电站进口设置事故快速门,由布置在坝顶的固定油压启闭机启闭。
结合事故快速门的设置,在2#机组段坝顶下部空腔内设置305.80 m高程平台,形成7.0 m×17.5 m的房间,作为事故快速门油缸及控制设备的布置场地,解决了坝顶空间有限,无法布置油泵房的问题,将此处布置为油泵房,能充分利用坝顶公路下的空间,方便液压管线的布置,同时管线也较短。
将现地控制盘布置在厂房上游实体墙顶部,即厂内桥机上游轨道与上游填充墙之间,盘柜操作面板朝向上游,操作面板处上游墙壁开孔,操作人员站在坝顶即可进行闸门的现地操作,方便、可视。
电站流道进口上部设置断面尺寸为1.5m×3.8 m(宽×高)的管道廊道和断面尺寸为1.6 m×2.6 m(宽×高)的通风廊道,底部高程分别为292.45 m和293.65 m,廊道右端延伸至安装场下的通风机房,左端至4#机组段,贯通全厂的油、气、水主管及厂房水轮机层送风管均集中布置在此廊道内,廊道通过下游侧门与主厂房水轮机层连通,检修维护方便。
管线的集中布置,避免了对水轮机层其它设备布置及交通的干扰,使得主厂房水轮机层简洁宽敞,极大地优化了内部空间,同时,在电站进口流道上部混凝土厚度较大的部位开设廊道,既没有造成该部位的应力集中,又节省了混凝土用量。
本工程主厂房屋面原设计为钢网架和轻型板材结构,考虑到当地材料缺乏,钢网架及轻型板材均需从中国采购,周期长、成本高,将屋面结构改为V形预应力混凝土板结构,既解决了材料供应问题,降低了工程造价,同时相比钢网架屋面,V形板还具有以下优点:
(1)屋面承重结构与屋面防护结构合为一体,一次预制成型,减小了屋顶施工对电站混凝土施工及机组安装的影响。
(2)屋面结构吊装简单快捷,可缩短屋面施工工期,这在现场施工过程中得到了很好的验证。
(3)采用V形屋面结构可降低厂房高度1.0~1.5 m。
(4)相比钢结构轻型板材屋面,V形混凝土板抗火灾能力更强,提高了建筑物整体的防火等级。
电站尾水管扩散段长19.387 m,在尾水平台下游侧设置牛腿,使得电站下游形成了宽21.5 m的尾水平台。通过优化布置,在现有平面尺寸内,集中布置了尾水门机、主变压器及检修运输轨道、消防通道和出线。
通过下游侧悬挑牛腿,尾水门机布置在电站最下游侧,为主变压器及运输通道的布置让出了空间,尾水门机轨距5.5 m。主变压器紧靠主厂房下游墙布置,在变压器下游侧布置运输轨道,供变压器检修时返回安装间用,运输轨道借用1条门机上游侧轨道,充分利用了尾水平台的现有宽度。同时变压器运输通道也作为主厂房消防通道,并在4#机组段尾水平台设置消防车回车场。
将出线架布置在主厂房下游侧排架柱顶部,既不占尾水平台空间,又充分利用了排架柱的高度,出线从门机上跨过,直接引至电站下游开关站。
电站基础白垩系砂岩具有结构均匀、高孔隙率、强透水、弱胶结的特征,易渗流破坏。根据地质条件及建基面呈台阶状开挖情况,采取了一系列控制渗流稳定的优化措施,具体为电站上游设置长约42 m的混凝土防渗铺盖延长渗径,电站下游护底处设置排水减压措施。为防止渗透破坏,电站上游廊道处不设排水孔,下游护底排水减压处设置严密的反滤措施进行保护。
电站厂房为钢筋混凝土结构,其中发电机层以下为大体积混凝土结构,发电机层以上为板梁结构和排架结构,屋架为V形预应力混凝土板。厂房设计过程中,对不同部位分别进行了结构计算,并采取相应的结构措施。此处仅对下部结构中体型及应力相对复杂的蜗壳和尾水管作简单介绍。
3.2.1 蜗壳结构计算与防渗措施
电站混凝土蜗壳结构体型较为复杂,采用简单的切取Γ形框架的计算方法很难反映蜗壳结构的实际受力情况。本工程蜗壳结构分析采用三维有限元分析法进行空间计算。混凝土蜗壳计算边界左、右侧取至坝缝,上游取至桩号坝0+005.50,下游取至桩号坝0+026.50,蜗壳底部为全约束。
从计算结果分析,蜗壳应力值主要受水击压力控制,蜗壳0°角断面的应力水平不高,主拉应力值在700 kPa左右。经计算,蜗壳0°~90°范围蜗壳侧壁外侧受力配筋率较小,按限制裂缝宽度需要配置钢筋即可,配筋率在正常范围内;蜗壳内侧受力较小,按构造要求配置钢筋。90°~215°范围由于孔口逐渐缩小,应力也随之降低,内外侧均按构造配置钢筋即可满足要求。
由于混凝土蜗壳结构杆件粗厚,按理论计算的温度应力值往往很大。本工程采取施工期分层、分块等措施释放温度应力,按限制裂缝开展宽度设计。同时在蜗壳内壁顶部及侧立面设有钢衬,可有效避免温度裂缝影响蜗壳的正常使用及耐久性。
3.2.2 尾水管结构分析
为了解尾水管部位的受力状况,在尾水管沿垂直水流方向切取断面,按杆单元进行计算。计算断面分别取尾水管出口处桩号坝0+040.675处断面和弯管段末端桩号坝0+021.386处断面,流道均为矩形断面。计算断面均简化为平面应力问题,取1 m宽度进行计算,考虑壁厚影响,计刚性节点的影响系数。
荷载包括:自重,内、外水压力,扬压力和地基反力。
采用美国SupperSAP通用结构静动力分析程序进行应力计算。从计算结果看,机组检修及机组未安装2种工况下应力较大,尤以底板应力最大,因此,尾水管结构设计受以上2种工况控制。根据控制工况进行混凝土强度计算:弯管末端断面内力较大,按内力大小配置钢筋,并在内部设置钢衬;尾水管断面由于有中墩,单孔跨度小,计算内力较弯管末端断面小得多,但由于底板和侧墙混凝土较厚,基本以限制裂缝宽度要求,构造配筋即可。
电站投入运行后尾水管长期处于水下,受温度变化的影响较小,对减小混凝土干缩有利。施工期的温度应力采取合理的分层、分块浇筑混凝土方式解决,尾水管结构按限制裂缝宽度进行设计。
本工程电站厂房混凝土结构尺寸不大,均在混凝土施工规范允许的温度控制范围之内,而工程区多年平均气温为26.3℃,绝对最高气温37.6℃,绝对最低气温14.5℃,最大湿度94%,最小湿度64%,温差小,湿度大,气温条件对混凝土浇筑较为有利。
在充分分析以上有利条件后,工程没有考虑专门的温度控制措施,对混凝土入仓温度也没有严格限制,而是通过合理分层分块、加强养护、表面覆盖避免强日光照射等措施解决温控问题。现场施工过程表明,本工程温控措施的选择是合理的,不仅降低了混凝土施工成本,加快了施工进度,整个电站混凝土浇筑期间,也没有出现大的影响结构安全的温度裂缝。
英布鲁水电站的主要任务是发电,建成后将成为刚果 (布)电力系统的骨干电站,不但要承担基荷发电任务,还要承担电力系统的调峰、调频,重要程度可见一斑。
通过选择合理的基础防渗方案,蜗壳、尾水肘管设置钢衬,进口事故快速门油泵、控制设备的布置,设置集中的管道廊道和通风廊道,采用V形屋面板等优化措施,电站得以在物质极度匮乏、施工条件差的非洲顺利建成,4台机组均一次试运行成功,目前电站运行正常,为今后在同类地区修建类似工程积累了成功经验。