浅析砬子沟河床式水电站厂房设计及稳定计算

顾晓琳

(丹东市水利勘测设计研究院，辽宁 丹东 118000)



浅析砬子沟河床式水电站厂房设计及稳定计算

顾晓琳

(丹东市水利勘测设计研究院，辽宁 丹东 118000)

摘要：砬子沟电站为辽宁省丹东市境内蒲石河流域阶梯开发的中间一级。砬子沟电站地处山区为闸坝径流式水电站。砬子沟水电站工程的开发任务是以发电为主，兼有养殖、旅游等综合效益的枢纽工程。通过计算，电站最大水头9.7 m，最小水头6.5 m。根据同一条河流阶梯式开发上下游引用流量匹配的原则，选择单机设计引用流量分别为14.20 m3/s(大机组)、9.39 m3/s(小机组)。单机装机容量为1000 kW的机组两台和单机装机容量为630 kW的机组两台，即装机总容量确定为3260 kW。本文根据该工程所处的地理位置、地质条件、水力条件及结合施工条件论述河床式电站厂房工程等别的确定，厂房布置及结构尺寸的确定，水轮机机组安装高程的确定。通过对厂房各个阶段的分析总结，归纳出6种对厂房稳定最不利工况，并对最不利工况下厂房稳定进行计算分析。

关键词：河床式;厂房;设计;安装高程；稳定

砬子沟电站位于辽宁省丹东市宽甸县古楼子乡砬子沟村，是以发电为主的水利枢纽工程，距上游蒲石河抽水蓄能电站下库小孤山电站约4.1 km，距下游蒲石河电站约7.28 km。电站供电区主要为电网的周边地区。坝址以上集水面积1174 km2。砬子沟电站厂房为河床式，水库总库容339.45万m3，正常库容136.82万m3，装机容量3260 kW，确定本电站工程等别为IV等。

枢纽与河道正交，成“一”字行布置，厂房选用河床式位于坝址左岸，从左岸到右岸布置依次为挡水坝段、厂房坝段、冲沙闸段、自动控制翻板闸门溢流坝段、挡水坝段。

1厂房布置需要考虑几个问题

(1) 由于河床宽阔,主要建筑物沿河床横断面呈一字形集中布置，溢流坝泄洪主流对准右岸主河道，厂房与闸坝在结构上合为一体，作为挡水前沿的一部分，布置在左河床凹岸。这种布置方式，上下游水流衔接比较平顺，水力条件较好，泥沙淤积较轻。

(2) 厂房位置选择在左岸一侧，可以利用左岸原有唯一一条乡村公路沟通厂区对外交通，便于布置开关站，方便输电线的出线。

(3) 厂房布置在河床左岸，可以分期进行施工导流。第一期施工厂房，既可以提前发电，又可以方便进行厂房机组发电前期厂区的交通设施建设，导流简单易行，有利于缩短总工期。

2厂房设计标准

电站总装机容量3260 kW。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL 252-2000)的有关规定和可行性研究审批意见，本工程属IV等工程，由于枢纽部分挡水建筑物的高度小于15 m，并且上下游水头差小于10 m，水工建筑物的防洪标准按照平原区、滨海区确定。河床式水电站厂房作为挡水建筑物时，其防洪标准应与主要挡水建筑物的防洪标准保持一致。考虑到本工程功能以发电为主，且无下游防洪要求。因此确定主要建筑物挡水坝段(包括电站厂房坝段)为4级建筑物，按10 a一遇洪水设计、50 a一遇洪水校核。

地震基本烈度为7°，地震动反应谱特征周期为0.35 s。厂房结构设计按设防要求考虑。

3厂房布置设计

电站最大水头9.7 m，最小水头6.5 m，设计水头分别为8.6 m(大机组)、8.3 m(小机组)，单台额定出力时对应下游尾水位分别为32.89 m(大机组)、32.73 m(小机组)，4台机组同时发电时对应的下游尾水位为33.67 m。为了与上游电站水头衔接，综合各方面考虑确定安装装机总容量为3260 kW，其中单机容量1000 kW的立式轴流水轮发电机组2台；单机容量630 kW的立式轴流水轮发电机组2台。单机设计引用流量分别为15.63 m3/s(大机组)、9.39 m3/s(小机组)，水轮机转轮直径分别为1.60 m(大机组)、1.30 m(小机组)。

安装高程确定：

①依据厂家提供(1000 kW)装机安装布置图尺寸要求尾水管顶淹没深度不小于0.84 m的要求，根据下游水位流量关系曲线，当引用流量为15.63 m3/s时，内插计算得一台1000 kW机组发电时，下游尾水位32.89 m。计算1000 kW机组水轮机安装高程E=33.85 m。

同理依据厂家提供(630 kW)装机安装布置图尺寸要求吸出高度不小于0 m的要求，根据下游水位流量关系曲线，当引用流量为9.39 m3/s时，内插计算得一台630 kW机组发电时，下游尾水位32.73 m。因此计算630 kW机组水轮机安装高程E=32.73 m。

②依据允许吸出高度Hs常用公式

(1)

式中：Hs为水轮机的允许吸出高度，m；为水轮安装位置的海拔高程，本次设计取42.15 m；σm为模型气蚀系数，根据厂家提供参数数据，取0.92(大机组)、0.96(小机组)；Δσ为气蚀系数的修正值，可根据设计水头查取0.1；H为水轮机水头，一般取设计水头，m；

计算得出大小机组的允许吸出高度Hs分别为：

考虑到原型水轮机与模型水轮机在制造上的差异，根据实际运转情况，总结经验，在确定吸出高度时，可再降1m左右，作为实际的吸出高度Hs′。则1000 kW：Hs′=Hs-1=0.18 m;630 kW：Hs′=Hs-1=0.16 m。

确定水轮机安装高程分别为:

比较以上两种方法计算成果，分析采用计算最小值作为设计的安装高程可以减少气蚀作用对机组的损坏，对发电更有利。确定取计算的最小值作为该电站各水轮机的安装高程，即ZDJ6-LH-130(630 kW)水轮机安装高程为32.73 m,ZDJ6-LH-160(1000 kW)水轮机安装高程为33.07 m。

根据机电布置及水工结构要求，机组间距在2.0~3.1 m之间，主厂房总长33.90 m，宽9.0 m，地面上部高9.6 m。分引水室层、水轮机层和发电机层三层布置应根据实际情况结合机组安装布置图确定各层层高。厂内设一台LDT10-S型电动单梁起重机，根据厂家提供机组起吊设备最大轴长部件为转轮，轴长4.03 m。安装间地面高程为42.15 m，起吊件底部垂直安全距离取0.50 m，进入安装间装设备车高度取1.5 m，电动葫芦到主梁的距离1.245 m。依据《常用设备》吊车梁的净跨度LK=7.5 m，LDT10-S型电动单梁起重机技术数据及安装尺寸计算得,轨顶高程49.83 m。各机组段均设有楼梯，沟通上下层交通。

电站进口流道大小、机组尺寸不同，其中大机组进口流道宽5.18 m，高4.04 m，底板高程36.50 m；小机组进口流道宽4.24 m，高3.56 m，底板高程36.50 m。进水口设4扇检修门，孔口尺寸分别为6.18 m×3.26 m、5.24 m×2.46 m，并设4扇拦污栅，孔口分别为5.98 m×4.04 m、5.04 m×3.56 m，过栅流速分别为0.970 m/s、0.89 m/s。进水口河床高程35.50 m，大小机组分别以1∶1.25和1∶1.20的坡与进水口底板衔接。电站尾水管尺寸根据厂家安装布置图确定。尾水出口与河床以1∶4.0反坡相衔接。安装厂设在主厂房左端，长6.60 m，宽9.0 m，分3层布置。分别布置油库、油处理室、仓库等。主厂房下游布置副厂房，总长为33.90 m，共分3层布置。副厂房共设1个楼梯，方便上下交通。为适应温度变化和基础变形，主厂房大小机组之间设置永久缝，缝间设止水。蜗壳、尾水管、反坡段底板、尾水渠挡土墙部分混凝土抗冻等级F200，其余部分无抗冻要求，水下部分混凝土抗渗等级W6，其余无抗渗要求。

4厂房整体稳定及地基应力计算

由于河床式厂房同时起着挡水建筑物的作用，因此必须进行厂房总体稳定分析和应力计算。砬子沟电站主副厂房、安装厂等主要建筑物均置于中等风化层的基岩以下，其基岩与混凝土抗剪断摩擦系数f=0.8，抗剪摩擦系数f′=0.6。

(1)允许安全系数

因为闸基为中等风化花岗岩，其组织结构较好。抗滑稳定按照岩石地基计算，同时应满足岩基上的应力最大值不得大于地基的许可承载力，

最小应力则不得出现负值。

抗滑稳定安全系数允许值基本组合取1.05，特殊组合Ⅰ取1.00。按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数允许值基本组合取3.00，特殊组合Ⅰ取2.50.

(2)计算坝段

计算坝段选取整个主厂房，如图1所示，根据分缝按照两部分计算(以其中一部分为例)。

(3)计算工况

基本组合：①上游正常蓄水位42.50 m，下游一台小机组发电尾水位32.52 m；②上游设计洪水位44.02 m(P=10%)，下游设计洪水位40.33 m(P=10%)。

特殊组合：①机组检修情况，上游正常蓄水位42.50 m，下游水位为河底高程32.66 m；机组自重去掉一台；②机组未安装情况，上游设计洪水位44.02 m(P=10%)，下游设计洪水位40.33 m(P=10%)，机组自重全去掉；③非常运行，上游校核洪水位46.11 m(P=2%)，下游校核洪水位41.40 m(P=2%)；④施工期阶段，上下游无水情况下。

图1　电站厂房荷载组合示意图

(4)计算公式

抗滑稳定计算采用抗剪强度与抗剪断强度计算公式计算：

(2)

式中：K′为按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；C′为坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力，根据地质条件取300 kPa；KC为按抗剪强度计算的沿厂房基底面的抗滑稳定安全系数；f为厂房基底面与地基之间的抗剪摩擦系数，根据地质资料取0.6；f′为混凝土与基础之间的抗剪断摩擦系数，根据地质报告取值为0.8；∑G为作用在基础上的全部竖向荷载，kN；∑P为作用在基础上的全部水平向荷载，kN；A为厂房与基础接触面截面面积，m2。

基底应力的最大、最小值计算公式：

(3)

荷载组合见表1，计算结果见表2，从计算成果得知，在各项指标均满足规范要求。

表1　各工况下荷载大小的组合一览表(第一部分)　kN

5结语

在水电站厂房设计过程中，选择合理的厂房型式，既要考虑现场施工条件的限制，也要进行技术经济综合比较。既要充分利用当地的地形、地质及水文等自然条件，也要综合考虑工程的开发要求，才能使厂区布置合理，方案经济可行。本次设计水电站为河床式厂房，厂区布置尽量做到与泄洪、排沙、水电站进水口、尾水渠等建筑物衔接协调主副厂房、主变压器场、开关站等建筑物除满足机电设备布置与运行要求外，还应结合当地地形、地质和泄洪条件，使各建筑物间距、高差尽可能缩小，做到厂内外交通便利，运行安全，维护方便，施工简单，工程量少，投资节省。砬子沟电站于2015年3月通过初步设计阶段审查。根据需要施工图阶段略有变动。

参考文献：

[1]刘依松．庙子头水电站厂房设计及特点[N]．三峡大学学报，2002-12-24 (6)．

[2]中华人民共和国建设部．防洪标准：GB 50210-94[S]．北京：中国计划出版社，1994．

[3]中华人民共和国水利部．水利水电工程等级划分及洪水标准：SL 252-2000[S]．北京：中国水利水电出版社，2000．

[4]中华人民共和国建设部．小型水力发电站设计规范：GB 50071-2002 [S]．北京：中国计划出版社，2002．

[5]中华人民共和国水利部．水电站厂房设计规范：SL 266-2001[S]．北京：中国水利水电出版社，2001．

[6]中华人民共和国电力工业部，水工建筑物荷载设计规范：DL 5077-1997[S]．北京：中国电力出版社，1997．

[7]中华人民共和国水利部．水利水电工程进水口设计规范：SL 258-2003 [S]．北京：中国水利水电出版社，2003．

[8]王树人，董毓新，谷兆祺，等．水电站建筑物[M]．北京：清华大学出版社，1984：261-299．

Analysis on design and stability calculation of Lazigou River hydropower station plant

GU Xiaolin

(DandongWaterConservancyInvestigationandDesignInstitute,Dandong118000,China)

Abstract：Lazigou River hydropower station is at the middle position of the cascade development in Pushi River Basin in Dandong of Liaoning Province. Lazigou River hydropower station is located in a mountainous area. It belongs to the gate-dam type run-of-river hydropower station. The main development task of Lazigou river hydropower station is to generate electricity, and it also brings aquaculture, tourism and other comprehensive benefits. Based on principles of upstream and downstream reference flow matching in the cascade development of the same river, the maximum head was 9.7 meters, and the minimum head was 6.5 meters by computing. select the unit design reference flow were 14.20 m3/s (large unit), 9.39 m3/s (small unit).Two sets installed capacity of 1000 kW and two sets installed capacity of 630 kW were selected. The total installed capacity was set at 3260 kW. According to the location of the project, geological conditions and hydraulic conditions combined with the construction conditions, the methods for determining classification of the run-of-river power station, power plant arrangement and structure sizes, installation elevation of the hydraulic turbine unit were discussed. Through the analysis and summary in all stages of the power plant from the construction to the completion, 6 kinds of the most unfavorable conditions for the stability of the power plant were summed up. And the stability of the power plant in the most unfavorable conditions was calculated and analyzed.

Key words：river bed type; plant; design; installation elevation; stability

中图分类号：

文献标志码：A

文章编号：2096-0506(2016)01-0047-05

作者简介：顾晓琳(1987-)，女，满族，助理工程师，主要从事水利工程设计方面的工作。E-mail：344912966@qq.com