三间房水电站灯泡贯流式机组厂房设计

刘金岩 苏道峰

（吉林省水利水电勘测设计研究院 吉林长春 130021）

1 工程概况

牡丹江市三间房水电站坐落于牡丹江干流上，位于牡丹江市西安区温春镇老黑山村下游1.4km处，上游距镜泊湖发电厂100km，距石头发电厂约50km，距石头水文站46.7km，距温春镇 12km，下游距牡丹江市区 14km。流域面积16664km2，占全流域面积的44.3%。牡丹江为松花江第二大支流，发源于长白山牡丹岭，由吉林省敦化市境内流入镜泊湖，河流大致近南北向，全长725km，平均坡降1.39‰，总落差为1007m，流域面积37600km2。

在牡丹江干流上自镜泊湖发电厂下游依次开发了保温电站、红卫（1）电站、红卫（2）电站、红农电站、阿堡电站、青年电站、渤海电站、石头电站、莲花电站、晨光电站等水电站，还有红岩电站、兰岗电站、橡胶坝1# 电站、橡胶坝2# 电站、二道沟电站、白虎哨电站等待建电站。本工程是牡丹江干流水电开发规划（镜泊湖电站—晨光电站之间）的梯级水电站中的一级拟建电站，是一座以水力发电为主的工程。同时为充分利用当地水能资源，发挥水资源综合效益，促进地方经济发展，缓解水、火电源失衡现象，从而在牡丹江干流上开发建设本工程。

三间房水电站为河床径流式水电站。电站主体建筑物包括七孔泄洪闸、厂房、升压站等，枢纽布置采用“左泄洪闸、右厂房”的布置型式。电站采用灯泡贯流式机组，单机容量 3000KW，机组台数为4台，总装机容量12MW，电站设计保证率为90%，水库总库容为2143万m3。多年平均发电量为4497×104kWh，年利用小时3748h。电站最大水头为7.38m，最小水头为2.5m。

2 地质概况

本区地震动峰值加速度为 0.05g，属相对稳定区，地震基本烈度为Ⅵ度，动反应谱特征周期为0.35s，抗震设防烈度为Ⅵ度。

电站厂房工程地质条件：设计基础座于粉砂质泥岩和中～粗砂岩中，岩体透水率 13.9Lu～26.1Lu，属中等透水层，粉砂质泥岩和中～粗砂岩均半成岩，弱胶结，强度低，属软岩，抗滑及抗变形能力差，工程地质条件一般。地基承载力建议值[R]：粉砂质泥岩和中～粗砂岩280kPa～300kPa。地下水对混凝土具有分解类弱腐蚀。

3 工程等级及设计标准

依据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）和《小型水力发电站设计规范》（GB50071-2002）的规定，综合确定工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型，主要建筑物为3级，次要建筑物为4级，临时性建筑物为5级。工程等级及设计标准参见表1。

表1 工程等级及设计标准表

4 厂区布置及厂房型式的选择

4.1 厂区布置

电站厂房属于新建工程，布置于河床的右岸阶地，左侧与七孔泄洪闸相接，厂区内主要建筑物有进水前池、主厂房、副厂房、升压站、尾水渠等。为满足交通要求，在泄洪闸闸室及厂房上游设检修桥兼做贯穿枢纽左、右岸的交通桥。厂房与泄洪闸之间上、下游设置隔墙，厂房与右岸岸坡用圆弧翼墙相连，翼墙上、下游设现浇混凝土板块护坡。为了防止绕坝渗漏，在右岸圆弧翼墙侧设帷幕灌浆。根据校核洪水标准和厂区建筑物布置要求，确定厂区地面高程为245.00m。厂房和升压站均设置排水沟，且排水沟相通，通过厂房侧排水沟排入厂房下游尾水渠。厂区交通采用公路进场的方式，在右岸布置由温春老道经干沟子泵站至站址的进场公路，与电站交通桥连通，交通桥顶高程与厂区地面高程相同。厂房进口拦污栅及检修闸门与泄洪闸检修闸门及工作闸门共用一台门机启闭。此厂区布置具有布局紧凑，合理利用空间，环保节能，工程造价合理等优点。

4.2 厂房型式的选择

三间房水电站厂房的设计型式在可研、初设两个设计阶段重点对有代表性的轴流立式机组和灯泡贯流式机组厂房两个设计方案进行了详尽的综合比较。

轴流立式机组厂房设计方案因采用肘式尾水管设计，导致厂房主体的混凝土工程量增加约30%，开挖基础高程加深约 4m，工程造价显著增加；而灯泡贯流式机组厂房与之相比具有工程量较少、厂房结构简单明了、开挖基础较浅，施工工期明显缩短，并且机组适应工作水头变化的范围较大，利用效率较高，年收益多等优点。另外结合电站机组水头、直径和转速等主要参数，对灯泡贯流式和轴伸贯流式水轮机、机组台数亦进行了经济分析比较。经综合分析比较，三间房水电站选用了灯泡贯流式水轮机组厂房设计方案，选择4台机组，单机容量3000kW。主厂房横剖面图如图1所示：

图1 三间房水电站主厂房横剖面图

5 厂房总体布局

5.1 进口流道

进水流道检修平台高程245.00m，流道内设拦污栅（4孔4扇）、检修闸门（4孔1扇），拦污栅与检修闸门共用一台 2×250KN双向门式起重机操作。进水流道顺水流方向长13.8m，宽43.8m。为使进水口水流平顺，三个中墩采用半圆弧型式，中墩厚4.4m，边墩厚4.1m，底板厚2.0m。

5.2 主厂房

机组安装高程：根据电站的特点和运行方式，结合水轮机空蚀性能，并考虑尾水管出口淹没深度（0.5m～1.0m）的要求，机组安装高程按一台机发电时的尾水位233.91m确定安装高程（主轴中心线）为227.90m。根据机组高度和基础厚度确定厂房底板建基高程为221.10m，基础座落在粉砂质泥岩上。根据机组高度、设备高度、操作空间、结构厚度确定机组顶板高程为233.50 m；操作设备层楼面高程为239.30m；安装间地面高程确定为245.00m；根据安装、检修机组起吊要求确定吊车梁顶高程为254.10m；屋面圈梁顶高程为258.00m。厂房自建基高程到屋顶总高度为36.90m。

机组进入孔中心距转轮中心线6.20m，厂房上游侧吊车柱内边线距转轮中心线为9.70m；根据机旁盘布置要求确定厂房下游侧吊车柱内边线距转轮中心线为 3.30m。主厂房净宽度为13.0m，总宽度为 15.2m。主厂房 245.00m高程以上为砖混结构，以下全部为混凝土结构，屋顶采用钢桁架支撑的波纹彩钢板结构。

根据水轮机进水流道宽度5.60m，结构厚度4.40m，确定机组间距为 10.0m。考虑整体结构设计要求，采用两机一缝的结构形式。安装间与主机间之间设永久变形缝。分缝均从建基面高程一直到厂房屋顶。机组纵向排列顺序自右向左依次为 1#、2#、3#、4#。4#机组段中心距端墙外边线7.50m，1#机组段中心距安装间6.3m，故确定主机间总长43.8m。根据灯泡贯流机组过水流道部分尺寸，并主厂房下部顺水流方向总长度，需要满足进口拦污栅、进口检修闸门、流道长度、机组布置及出口尾水事故闸门布置的要求确定为42.8m。

主机间内共设置4台灯泡贯流机组，单机容量为 3000kW。水轮发电机组置于过水流道内，顺水流向依次为进口段、座环段、转轮室和尾水管段。厂房尾水出口设一道事故检修闸门（4孔4扇）及4台2×100KN卷扬式快速闸门启闭机。主厂房设置巡视层、运行层和交通廊道层共三层布置方式，主机间发电运行层高程为 233.50m，布置有油压装置和调速器等。检修廊道层底高程为 223.50m，此层布置有轴承油箱、测量管路、排水泵等辅助设备。高位油箱布置于尾水平台上部副厂房二层，高程249.80m。

安装间布置在主厂房主机间右侧，安装间长度为21m，宽度15.2m。安装间高程与厂区地面同高，为245.00m。其下设2层，各层高程分别233.50m、239.30m。高程233.50m布置油罐室、油处理室、渗漏排水泵室、检修排水泵室及楼梯间。高程239.30m布置机修设备室、空压机室及楼梯间。

5.3 副厂房

副厂房布置在主厂房下游侧尾水平台上部，长50.8m，宽9.5m，共设5层。从下至上各层高程分别为 232.30m、237.60m、240.60m、245.0m、249.80m。高程232.30m层为技术供水泵室；高程237.60m层为电缆廊道；高程240.60m层布置机组励磁变室及高低压开关柜室；高程245.00m层为中控室、继电保护及通讯室、办公区；高程249.80m层为高位油箱室、办公生活区。副厂房屋顶采用波纹彩钢板结构。

升压站为开敞式户外式，布置于安装间东北侧，占地面积 38.0m×28.0m，站址高程为245.00m，与厂址高程一致。

6 厂房设计计算

依据《水电站厂房设计规范》（SL266-2001）中的规定，厂房抗滑稳定计算公式如下：

式中：K—按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数；f—滑动面的抗剪摩擦系数，取 0.4；∑W—全部荷载对滑动面的法向分值，包括扬压力，kN；∑G—全部荷载对滑动面的切向分值，包括扬压力，kN。

厂房抗浮稳定计算公式如下：

式中：Kf—抗浮稳定安全系数；∑W—作用于机组段（或安装间段）基础底面上的全部重量，kN；U—作用于机组段（或安装间段）基础底面上的扬压力总和，kN。

厂房基础应力计算公式如下：

式中：σ—厂房地基面上法向应力，kPa；∑W—机组段上全部荷载在计算截面上法向分力的总和，kN；A—基础面受压部分的计算截面积，m2；∑MX、∑My—作用于机组段上全部荷载对计算截面形心轴X、Y的力矩总和，kN·m；x、y—计算截面上计算点对形心轴 X、Y的距离，m；JX、Jy—计算截面对形心轴X、Y的惯性矩，m4。厂房抗滑、抗浮稳定及基础应力计算成果见表2：

表2 厂房抗滑、抗浮稳定及基础应力计算成果表

经计算，各种计算工况下厂房抗滑、抗浮稳定及基础应力均满足现行规范要求。

7 结语

近年来，随着对清洁能源的重视和认识的不断提高，进入了重视开发低水头电站的时期。灯泡贯流式水电站具有比轴流立式水电站建设期短、投资小、收效快、淹没移民少、电站靠近城镇、有利于发挥地区兴建水电站的积极性等原因，故灯泡贯流式水电站得到了极大的普及和应用。三间房水电站是典型的河床径流式电站，且采用了灯泡贯流式机组厂房设计型式。本工程的设计案例具有值得借鉴的意义并且进一步加大和推广了灯泡贯流式机组水电站在北方地区的广泛应用。

1 SL/T191-2008水工混凝土结构设计规范[S]. 中国水利水电出版社, 2008.

2 SL266-2001水电站厂房设计规范[S]. 中国水利水电出版社, 2001.