立式机组水电站增容扩效厂房改造设计分析

虢 强

（中国能源建设集团新疆电力设计院有限公司 新疆 乌鲁木齐 830002）

1 工程概况

和田喀拉格尔水电站渠首位于新疆和田喀拉喀什河乌鲁瓦提水利枢纽的下游30km、距波波娜水电站尾水下游约1km处，现状装机容量为11.4MW。改造后主厂房内布置3台5MW的混流式水轮发电机，厂房总长39.09m，其中安装间长13.92m，机组间距7.5m。上游侧宽7.33m，下游侧宽5.1m，总宽12.43m，主厂房设1台30t/5t桥式起重机，跨度10.5m。

2 厂房结构分析

正常尾水位按三台机组运行设计，设计流量Q=35m3/s，相应尾水位为1531.093m；最低尾水位按一台机组运行设计，设计流量Q=11.7m3/s，相应尾水位为1530.263m。

发电厂房改造主要是水下混凝土改造和复核现有上部结构及排架、框架柱和梁、板。水轮机拆除后，设备外包混凝土将同时拆除，需配合新机电设备新建。

2.1 主厂房尺寸复核

根据一台机组发电时相应电站最低尾水位1530.263m，尾水管底板高程1528.115m，蜗壳进口断面直径1.8m及原发电机层高程1537.408m，确定水轮机安装最高高程为1530.828m，考虑蜗壳顶板厚及上部设备布置的需要，确定水轮机层高程为1486.42m。发电机层以上空间尺寸受吊车起吊高度控制，本电站设有1台30t/5t桥式吊车，考虑起吊检修需要，轨顶高程为1544.270m，满足改造要求。顶梁高1546.928m，主厂房总高度26.46m。都满足现阶段改造要求，均不做变动。

图1 厂房发电机层拆除平面布置图

表1 排架柱横向刚度计算表

图2 厂房拆除横剖面图

表2 风罩作用效应组合表

2.2 主厂房结构复核

2.2.1 主机段排架、楼板

发电机层高程为1537.408m，板厚为20cm，主梁沿厂房横向布置，两端简支在排架柱牛腿上，中间布设两根支撑柱，风罩处梁的一端与风罩固结，满足改造要求。

机组段排架柱间距4.0m，柱断面下柱为0.4m×0.8m，上柱为0.4m×0.6m，在伸缩缝处设双柱。排架柱采用C25钢筋混凝土，楼板及联系梁采用C25钢筋混凝土。排架柱基础部位，上游侧计算考虑固结在1534.342m，下游侧固结在水下墙1534.342m，满足改造要求。

选择柱距4.0m进行刚度验算，经计算其横向刚度可满足《水电站厂房设计规范》要求，计算见表1。

经计算，在改造后，各种工况下上部结构刚度满足规范规定值，说明结构尺寸满足改造要求。

2.2.2 机墩、风罩

原机墩将被拆除，新机墩是发电机定子基础，布置在蜗壳外围砼结构顶板上，顶板与风罩结构整体连接，而风罩顶部又与发电机层楼板相连，增加机墩的抗扭、抗振能力。机墩厚1.0m。上部与风罩相接，底部固结在蜗壳顶板上。风罩为圆筒薄壁结构，风罩承受发电机层板梁传来的荷载并考虑发电机运转时内外温差引起的温度应力，风罩厚度为0.35m。机墩及风罩均采用C25钢筋混凝土。

表3 机墩作用效应组合表

表4 蜗壳作用效应组合表

按《水电站厂房设计规范》的荷载作用效应组合表，进行承载能力极限状态及正常使用极限状态设计，风罩及机墩荷载组合表，见表2、3。风罩计算模型为：固定端顶部为铰接的薄壁圆筒进行结构计算；机墩计算模型为：机墩底部固定在蜗壳顶板上，上部与风罩及水轮机夹层板连接，对机墩进行动力和静力计算，包括垂直、水平横向和水平扭转、自振频率计算，校核是否发生共振和最大振幅是否在允许范围内以及验算机墩的正应力、剪应力和主应力。

2.2.3 蜗壳

蜗壳采用金属蜗壳，其四周设有外包混凝土，在蜗壳上半部用弹性垫层和蜗壳分开，整个水轮发电机组的转动部分垂直轴向水推力和所有外部荷载均通过下机架传至蜗壳外围大体积砼上。蜗壳采用金属蜗壳，按《水电站厂房设计规范》的荷载作用效应组合表，进行承载能力极限状态及正常使用极限状态设计，荷载组合表，见表4。改造后金属蜗壳外围采用C25钢筋混凝土，满足改造要求。

3 厂房整体稳定及地基应力计算

选取1#和2#机组段为代表计算单元，进行厂房稳定分析和地基应力计算。作用在机组段的荷载可分基本荷载和特殊荷载两类。

基本荷载考虑厂房结构自重、机电设备重、正常蓄水位或设计洪水位情况下静水压力及扬压力；特殊荷载考虑校核洪水位或检修水位情况下的静水压力及扬压力、地震力。

3.1 抗滑稳定计算

抗剪断强度的计算公式：

式中，K′——抗滑稳定安全系数；

f′——滑动面的抗剪断摩擦系数；

C′——滑动面的抗剪断凝聚力；

A——基础面受压部分的计算截面积；

∑W——全部荷载对滑动面的法向分值（包括扬压力）；

∑P——全部荷载对滑动面的切向分值（包括扬压力）。

经计算，荷载基本组合和特殊组合下的抗滑稳定最小安全系数K分别为4.15和3.7，满足规范要求。

3.2 抗浮稳定计算

抗浮稳定计算公式：

式中，Kf——抗浮稳定安全系数，任何情况下不得小于1.1；

∑W——机组段全部竖向荷载，kN；

U——作用于机组段的扬压力总和。

抗浮稳定性计算选择：①机组检修；②机组未安装；③非常运行三种情况中最不利情况，进行核算。其中机组未安装且下游校核洪水位为最不利工况，经计算，满足规范要求。

3.3 地基应力计算

地基应力计算采用材料力学偏心受压构件公式，即：

式中，δ——厂房地基面上法向应力，kPa；

∑W——作用于机组段上全部竖向荷载（包括或不包括扬压力）在计算截面上法向分力的总和，kN；

∑Mx、∑My——作用于机组段上全部荷载(包括或不包括扬压力)对计算截面形心轴X、Y的力矩总和，kN·m；

x、y——计算截面上计算点至形心轴Y、X的距离，m；

Jx、Jy——计算截面对形心轴Y、X的惯性矩，m；

A——厂房地基计算截面受压部分的面积，m2。

经计算，δmax=183kPa，δmin=136kPa。从计算结果可以看出：厂房地基面上所承受的最大垂直正应力小于基础的允许压应力300kPa。厂房地基应力满足设计要求，结构断面尺寸的选取是合理的。

经以上计算分析得出以下结论：

（1）厂房地基面地基允许承载力，满足改造要求。

（2）厂房地基面平均地基应力小于地基允许承载力，满足改造要求。

（3）地基面法向应力不均匀系数的允许值不超过规范规定值，满足改造要求。

（4）各种运行工况下，厂房抗浮、抗滑均满足规范要求，满足改造要求。

4 结束语

通过计算分析，本电站厂房满足增容扩效改造要求。通过合理安排厂房拆除区域，预留新老混凝土接缝位置，保留原厂房钢筋搭接的足够长度，施工过程中合理使用施工方法及施工机械，使得本电站增容扩效改造得以顺利进行。电站的改造投产为改善边疆地区的缺电少电情况做出了巨大贡献，也为老、旧立式机组水电站改造提供了新的思路。陕西水利

［1］GB/T50700-2011,小型水电站技术改造规程[S].

［2］SL266-2001,水电站厂房设计规范[S].

［3］GB50011－2010,建筑抗震设计规范[S].