河床式低水头小水电站厂房的优化设计要点

【摘 要】本文结合实例分析，对河床式低水头厂房进行优化设计，能有效优化厂房结构设计，从而降低工程的投资。随着市场经济的不断发展，市场对设计单位的要求越来越高，要求设计不仅要满足设计的规范要求，还要适应经济要求，工程中优化设计对节约工程造价具有重要的意义。

【关键词】河床式；水电站厂房；优化设计

水电站设计中，当枢纽工程区地形平缓开阔，地形较完整时，采用河床式枢纽布置便于枢纽建筑物的横向布置与展开，对泄洪建筑物的布置较为有利，便于解决枢纽泄洪问题。

河床式低水头小水电站厂房的设计主要是根据厂房建筑的总体布置情况确定基础开挖高程及厂房各层布置、高度、尺寸等，并进行稳定、应力计算。进行厂房的稳定计算时，在保证厂房建筑安全可靠的基础上，还要求具有较高的安全余度。工程设计中，只要是在安全余度范围内，就可以对厂房设计进行优化，这对提高水电站经济效益具有重要的意义。

1、工程概述

以我国云南某小型水电站为例，该水电站是一座以发电为主，兼顾灌溉的水电站枢纽工程，工程区对称宽缓的“V”型河谷地形较适宜布置集挡水、泄洪、冲沙、引水发电于一体的河床式枢纽。该工程坝址以上的控制流域面积为15220km2，多年平均流量为126m?∕s，多年平均发电量为4500×104kW.h。

按照《水利水电工程等级划分及洪水标准》、《小型水力发电站设计规范》与《水闸设计规范》的规定，确定本工程等别为Ⅳ等小（1）工程，其相应的主要建筑物为4级，次要建筑物为5级，临时建筑物为5级。闸下消能防冲洪水标准和该水闸洪水标准一致。

可研报告审查意见中已通过该水电站为河床中间的开敞式平底泄水闸，并与泄水闸左侧布置发电厂房。初步设计阶段对电站枢纽进行了优化。其中坝轴线长度为192.00m，开敞式平底泄水闸坝的长度为93m，与泄水闸左侧相邻的布置厂房段长度为49.6m，而左右岸连接段长分别为25、27.4m。

电站引水发电系统由坝式进水口、主厂房、副厂房、尾水渠及升压站（GIS楼）等建筑物组成，整个厂房位于河床内。由于轴流式水轮机单位流量大，比转速较高，机组尺寸较小，经综合分析比较，本电站水轮机采用轴流转桨式。在该水电站的主厂房中安装2台轴流转桨式水轮机与2台单机装机容量为4900kW的发电机，并于厂房右侧安装2台调速器，在下游侧安装机旁盘。其中主厂房的长宽度高分别为49.6m、17.4m、39.5m，机组间距为17m，并配有一台25t/6.3t的桥式起重机，中心跨距为14m。其中主厂房左侧为安装间，其长度为13.85m，宽度为15.33m，能满足机组在检修期间对定子、转子、上机架等部件及汽车进入的需求。在主厂房下游侧作为副厂房，其高程与发电机相同，内部并配有中央控制室、高压柜室等工作室。副厂房下层配有部分工具房，中间夹层且安装有电缆走线。同时，在主厂房左侧的安装间下游侧可配备开关站，其长度为19.45m，宽度为14m，处于进厂公路的右侧。

2、设置两道拦污栅，提高拦污效果

在大部分的电站中，无论其规模大小，一般都只是在厂房进水处设置一道拦污栅。在大型的水电站中，通车采用自動清污机进行清污，但在小型电站中，往往只是采用角铁或槽钢焊接的拦污栅，并进行人工清污。实践证明，一道拦污栅的拦污效果比较差，未能真正实现有效的拦污、除污的功能。而设置两道拦污栅后，就能有效提高拦污效果。其中，第一道拦污栅应设置在厂房进水流道之前，可采用角铁制作，且两栅条间可留有较大的距离，通常为10mm，主要是对较大垃圾污物进行拦截，并顺着流态方向将大型污物斜向流出厂房流道，同时结合采用排污闸的设计，以便将垃圾污物排到下游。而第二道拦污栅应设在前一道拦污栅后的5m处或厂房流道前设置，可采用角铁或槽钢焊接制作，各栅条之间的间隙应控制在5mm左右，以实现对较小垃圾的有效拦截。通过设置两道拦污栅，能有效提高拦污效果。

3、降低下游闸墩及尾水平台的高程

在轴流与混流式机组厂房设计中，出于厂房防洪安全要求，河流下游的尾水闸门平台高度应比下游尾水位要高，设计中通常会取较大的安全余量，因此，在满足安全的基础上，可以根据厂房的实际布置情况在规范规定的范围内适当降低尾水闸墩及尾水平台的高程，降低尾水闸墩的高程可以在一点程度上减少混凝土的用量，从而起到降低工程造价的作用。

4、选择合适的交通进厂方式

厂区枢纽布置设计中，低水头河床式水电站的进厂方式一般有两种，一种是垂直进厂，一种是水平进厂。由于水平进厂方式有利于厂房内的通风、采光，对于整个厂区内的交通布置也方便，所以一般设计中都采用水平进厂方式。

但由于低水头河床式电站往往下游洪水位较高，下游洪水位高于进厂公路平台高程是很常见的，设计中就需要沿厂区设置防洪挡墙，这必然要增加工程量和投资，同时还要在厂区设置抽排水设施。为了解决这一问题，在设计中可以采取垂直进厂方式，将厂房尽量靠近岸边布置，将主机间靠河床布置，安装间靠河岸方向布置，高程上使安装间的高程尽量与下游洪水位接近，按防洪规范要求略高于下游洪水位，主机间与安装间通过楼梯垂直连接。这样就不用再布置厂区防洪墙和厂区抽排水设施，在这种进厂方式一定程度上节约了工程量，降低了工程造价。

5、厂区枢纽布置格局比较

河床式电站的特点是泄洪建筑物和发电厂房都建在河道上，厂房布置位置与施工导流方式和施工工期之间关系密切，为能实现尽早发电的目标，在前期设计中应根据地形地质条件、枢纽建筑物布置、工程规模、运行功能的要求，结合施工导流方式，考虑泄洪建筑物和电站厂房的不同布置方式对枢纽布置格局进行慎重研究和比较。枢纽布置格局的拟定应根据施工导流方式、结合导流建筑物的布置，初步拟定左岸厂房还是右岸厂房、明渠导流方案还是隧洞导流方案，将厂房布置与施工导流方案进行组合，进行进一步的优化、研究与比选，并在此基础上从各方案的土建工程量、施工工期、运行功能等综合比较确定具有综合优势的厂区枢纽布置格局，为工程的优质设计和施工创造条件。

6、排架结构于副厂房中的应用

在部分河床式电站的副厂房中，由于河道宽度的问题而选择了副厂房在主厂房下游设置的形式，虽然厂房宽度不断变大，但其没有起到实质性的作用。如果在副厂房设计中，从尾水管顶板起就直接应用排架梁柱结构，就能有效延伸至发电机层，这样就能有效缩小整个厂房的宽度，减小工程量，降低工程建设成本。

7、结束语

综上所述，在低水头河床式厂房的设计中，在满足规范要求的保障安全的前提下，根据河床式厂房的特点，通过对厂房从不同角度进行优化设计，能够降低厂区建筑物的单位工程造价，从而有效提高发电站的经济效益与社会效益。

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作者简介：潘少红（1970—），女，汉族，云南昆明人，云南国土资源职业学院高级工程师，研究方向：水利水电工程建筑。