灯泡贯流式机组水电站厂房设计关键问题及应对措施

袁国培

(广西南宁水利电力设计院，广西 南宁 530001)

1 概述

灯泡贯流式机组适用于大流量，低水头开发的水利枢纽；电站厂房布置在岸边河床中，是枢纽挡水建筑物之一，是与机、电、金属结构设备紧密相连的综合建筑物。厂房设计必需将众多设备安置在恰当的位置，创造良好的安装、检修、运行条件以及良好的工作环境。由于枢纽上、下游水位变幅非常大，为了满足防洪需要，河床式厂房四周布置为封闭式挡水结构；给厂房设备房布置、通风排气采光、防雨排水、交通体系等设计带来一系列难题，很容易因考虑不够周全，经常存在一些关键问题，值得我们深思和总结。

2 设备进场方式与坝顶门机

设备进厂分垂直、水平进厂两种布置方式。垂直进厂为在厂房坝顶设置吊物孔，设备运输至坝顶平台后，用坝顶门机将设备吊入安装间内。水平进厂就是在大坝下游布置进厂道路，厂房山墙开设运输门洞，门前设回车场，设备直接进入安装间。由于安装间在设防洪水位以下，防洪需要在水平进厂运输门洞设防洪闸门，或者在安装间下游设置防洪挡水坝，因此工程占地多，造价高；垂直进厂结构简单可行，是常用的进厂方式。

传统的垂直进厂吊物孔布置在安装间上游侧，厂坝共用坝顶门机将设备吊运至井底的平板车上，再由平板车二次运输到达安装间。同时坝顶门机兼顾启闭厂房进水口拦污栅和检修闸门、泄水闸上游检修闸门等。在中小型水利枢纽，设备吊物孔尺寸较小，门机跨度内恰好布置下两道闸门门槽，泄流闸常用平面钢闸门，这种布置方式显得比较紧凑合理。

但是设计大型水利枢纽厂房、泄流闸时发现，吊物孔在安装间的上游侧，吊物孔尺寸较大，门机跨度增大致使厂房进水流道加长。泄流闸工作门常用弧形闸门，若布置在门机跨度范围内，受坝顶下游门机梁阻碍，无法满足开启要求。若弧形闸门布置在门机下游，厂坝共用一台门机，侧闸墩长度加长了，闸墩门槽布置极不紧凑协调。这时为了缩短闸墩，厂、坝门机需单独设置，大坝上游检修门改用小跨度门机启闭。

为了缩短厂房进水口流道长度以及泄流闸闸墩长度，利用设备运行频率不高特点，在枢纽坝顶布置一台大跨度多功能门机，即可满足厂房上游检修闸门、拦污栅的启闭，设备垂直进厂吊装，溢流闸上、下游检修门的启闭以及工作弧门的安装维修等。多功能门机布置在主厂房的顶部，跨度与主厂房上、下游墙轴线距离相匹配。上游无需专用吊物孔，在安装间屋顶布置吊物孔或者设置活动屋盖，设备垂直吊入安装间。在溢流闸段多功能门机布置在工作弧门上方坝顶，闸坝上、下游检修门紧凑布置在弧门上、下游附近。工作弧门在门机跨度范围内，满足敞开泄洪时开启要求。坝顶多功能门机厂坝共用，减少了相应的运输、启闭设备，枢纽坝顶整洁美观，建筑物布置紧凑协调、方便安全。

3 主厂房设备安装、维护起重设备

水电站主厂房通常设置桥式起重机用于机组设备安装、检修维护。当主厂房顶部布置多功能门机后，可将整个主厂房屋面设置为活动屋盖，由门机吊运机组设备进行安装维护。多功能门机行走范围超出主厂房两端，两端吊装范围与厂内桥式起重机比不受限制，可缩短安装间、主机间的长度，节省工程量。坝顶多功能门机仅适合起吊大吨位的机组大部件，灵活准确吊装小型设备，还需要厂内桥机执行。因此，当主厂房顶部布置多功能门机时，可以减少厂内桥式起重机设计容量，降低主厂房高度，节省工程造价。

主厂房屋面活动屋盖存在关键问题是在机组安装、维护过程中，常遇下雨天气，难以做到及时关闭屋盖，设备防雨很被动。同时，有些业内专家认为门机跨度大吨位大，起吊精度和灵活性比厂内桥机要差得多，影响机组安装、维护工期。为了防止出现以上问题，建议提高厂内桥式起重机的设计容量和安装高度，使桥式起重机能吊运水轮发电机组各大部件，便于机组设备安装及日后维护。

4 厂房通风采光

河床式电站主厂房布置在引水流道段，副厂房紧邻主厂房下游布置在尾水管上方。由于设防洪水上、下游水位差小，厂房常为全封闭式结构，四周挡水墙和坝顶齐平，自然通风采光条件受到限制。采用机械通风排气，耗能较大，空气流动性差，运行管理工作环境极差。

灯泡贯流式机组有较长尾水管，厂房左、右两侧挡水墙往下游延伸，下游挡水墙改在尾水管出口上方，将剩余的流道上方空间改造成通风、采光天井，予以改善电站厂房通风、采光条件。以机械送风为主，自然通风为辅，主风道设置在上游挡水墙内，室外的新鲜空气从上游进风口进入风机室，经离心风机加压后，由上游墙内主送风道输送到主厂房各层，最终经主厂房高窗排出厂外或由轴流风机排至天井。电站中控室等各层副厂房利用天井通风、采光，极大改善了电厂内部工作环境。

5 运行层副厂房

副厂房主要布置在主机间下游尾水管上方，安装间下游侧及底部。厂内设备采用分块分层原则布置，水机副厂房布置在底层，电气一次回路设备副厂房布置在中间层，二次回路设备副厂房布置于上层。运行层是水电站主要电气设备数量较多的集中安置层，包括电气一次回路系统设备，部分电气二次控制系统设备，水机控制设备等。运行层主厂房上游侧布置机组调速器、油压装置等水机设备，下游侧及副厂房布置电气设备。通常布置方式为除楼梯、电梯间及其交通门厅外，电气设备用房与主厂房连通敞开式布置。电气设备按前、后两排安置，靠近主厂房的前排安置机组机旁屏、励磁盘等二次控制系统设备，后排安置机组发电机高压开关柜，厂用电低压配电屏、外来电源变压器等一次回路系统设备。

电站厂房处于河流气候特性环境中，四周封闭，空气湿气重，通风散热效果差。如果出现冷热交替的天气变化，产生的水蒸气对电气设备损害很大。电气设备在运行过程中会发热，如果通风散热不及时，室内温度升高，特别在夏天高温季节尤为恶劣，严重影响设备正常运行，缩短电气设备设计寿命。

为了改善运行层副厂房通风散热条件，给电气设备创造良好的运行环境，前排布置二次回路系统设备间，后排布置一次控制系统设备间。安装通风除湿设备以及空调系统，使设备间维持在一个适合设备正常运行的环境中。布置环形通道，主厂房侧设置1条2.5m宽的内走道，通风、采光天井侧布置1条2.5m宽的外走廊，连通各楼梯、电梯间交通门厅后形成环形通道，以便于设备的安装维修、巡视管理。

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6 中央控制室

当今水电站运行自动化控制技术迅速发展，通过计算机监控系统发出各种指令就可以实现控制电站枢纽运行。枢纽运行按照“无人值班、少人值守”的原则，利用计算机监控系统进行管理；运行人员主要在水电站中控室进行监视运行情况，并定时对机、电、金结设备进行巡视检查。中央控制室是电站枢纽运行控制中枢，由中央控制大厅、保护控制设备间和通讯设备室等组成。按照管理方便、连接畅通的布置原则，中央控制室布局围绕控制大厅为中心，控制大厅安装计算机监控系统、LED电子显示大屏幕等设备，实现对电站枢纽运行进行监控管理。

大中型灯泡贯流式水电站靠近大中城市，交通方便，到访参观考察的客户多，有些枢纽还是相关专业学校教育培训实习基地。中央控制大厅是人群容易集中的地方，其布局空间规模不局限于满足运行管理人员值守需要，还要考虑容纳参观考察、培训实习人员工作需求。创造条件布局中央控制大厅具备良好的通风、采光、隔音效果，卫生舒适的工作环境。大厅之前布置交接班厅、更衣间、劳动安全设备间等。为方便人员安全疏散，主出入口门厅、楼梯、电梯间应近邻中央控制室，并在附近布置卫生间，方便生产、生活要求。

中央控制室通常布置在坝顶以下，以节省工程造价。为了使中央控制室处于通风、散热、采光等条件良好的自然环境中，在技术经济条件允许下，应将中央控制室布局在坝顶。在坝顶布置保卫室和会议、接待室，枢纽模型沙盘观摩大厅等，与主、出入口等建筑物融合组成一个整体。融入当地人文、环境特色元素，创作出独特造型的标志性建筑，使雄伟壮观的水电站枢纽成为一道更加亮丽的风景线。

7 厂房内部交通联系

水电站厂房坝顶依据安全疏散防火距离要求设置厂房出、入口数量，其中，主入口应不少于两个，保证运行管理人员出入安全。主入口由入口大厅，候梯厅、电梯间、楼梯间等组成，管理人员从坝顶经电梯或楼梯间进入厂房内部。副厂房各层上游侧布置巡视交通道，下游侧布置交通走廊，与各层楼梯、电梯间出入口走道相互贯通，形成环形内部水平交通联系。主出、入口楼梯、电梯设置从坝顶入口可通达厂房各层，最终到达廊道层的交通廊道，进入流道底板以下的排水泵房。其余出、入口楼梯或电梯可从坝顶入口通达厂房各层，最终到达管道层。

楼梯间应布置为封闭式防火安全疏散楼梯，设置乙级防火门与各层厂房内部相隔离；楼梯内通风采用自然通风和机械通风相结合。

8 变压器场及开关站

通常变压器场及开关站选择在水电站下游附近的岸上空地上，方便架设高压线路对外输送电能。这种布置方式，水电站开关站设备投资少，但是占地面积大，变压器远离水轮发电机组，连接母线电缆较长。在工程用地充足，征地补偿费用低的条件下是经济可行的。但是大、中型河床式水电站往往建于河流中下游平原地区，工程占地都是优质土地，征地费用高，若是受国家保护控制红线范围内的基本农田，征用困难。

有些水电站开关站采用GIS型式，将主变压器场及GIS开关站布置在安装间下游副厂房内。变压器由安装间吊入，通过在安装间下游墙设置运输洞，移动安装在安装场下游侧。上部副厂房为GIS开关室，设置出线平台构架向外架设输电线路。大、中型水电站主变压器容量大，为油浸式主变压器。由于变压器距离安装场太近，基于变压器运输安装维修需要，无法有效设置防火、防爆隔离措施，存在火灾、爆炸安全隐患。变压器布置在紧靠主厂房的副厂房内，面向安装间，一旦发生火灾可能危及厂房及机电设备安全，不符合GB 50897—2014《水利工程设计防火规范》中相关规定。

上述安全缺陷等弊端，可采用户内式GIS开关楼化解。将安装间下游采光天井往下游扩大，形成满足防洪要求的井底大平台。在平台上布置GIS开关楼，主变压器安装在开关楼底层，二层为GIS设备间，出线平台布置在GIS开关楼屋顶。输电线路由出线支架经岸上终端塔向外架设，将水电站生产的电能源源不断地向外用户输送。

9 防雨水浸灌

电站厂房下游侧设置了通风采光天井，GIS开关楼平台后，天井平台集雨雨水无法自然排出厂房；需要通过埋设雨水口及管道，雨水汇入厂房底部集水井后，由水泵抽排至下游河道。如果处理措施不当，经常出现雨水浸灌厂房的事故。出现问题原因如下：

(1)集雨汇水面积考虑不够周全，常忽视了副厂房天面及其它可能汇水入天井的面积。

(2)一般设防暴雨强度重现期为3～5年一遇，由于近年来极端异常天气时常发生，致使排水管道排水能力不足。水电站防涝标准应高要求，建议排水设计规模按50年一遇暴雨强度标准进行设防。

根据水利枢纽供电和运行控制要求，需要在坝顶、露天平台布置电缆通道与厂房内部联通。经常为了节省投资和方便施工，而忽视了雨水浸灌问题，采用结构简单的盖板电缆沟敷设电缆。由于电缆沟不能有效防水，暴雨顺着电缆沟浸灌厂房，后果不堪设想。这些处于露天状态的关键电缆通道，在坝顶桥跨结构应布置为封闭式箱梁结构，在平台和地面应选用管廊式等防水结构，并重视分缝接头止水构造细部处理。

副厂房为了形成闭合巡视通道，采光井侧布置交通外走廊通常采用敞开式外走廊，虽然布置了排水系统，遇到强暴雨天气时，还是发生雨水浸灌各层副厂房的洪涝灾害。因此，为了保证防水安全，应在外走廊外侧安装连排玻璃窗，雨天关闭窗户防雨，晴天打开窗户通风透气。

10 进、尾水渠

水电站厂房上游进水渠由正向斜坡和水平段组成，根据工程经验斜坡坡率在3～3.5之间，斜坡起点距离进水口1～2m。水平段底板高程尽量高于河床冲淤平衡高程，斜坡段河中厂坝之间设置上游导墙。为了防止洪水时推移质进入厂房进口，通常在斜坡顶前缘平行坝线设置水平拦沙坎，坎顶一般高出平段底板2.5～3m，连接厂坝导墙及河岸。水工模型试验表明，一些工程由于水平拦沙坎过流前缘较短，发电水流经过拦沙坎出现波状起伏、带有漩涡的紊流流态，有明显的阻水现象；改为倾向上游河岸的拦沙坎，过流前缘达到一定长度后，阻水现象消失。设计中应合理布置进水渠，使水流顺畅，尽量减少流态变化造成的动能损失。导沙坎应采用倾向河岸上游的布置方式，结合工程经验，建议拦(导)沙坎轴线与垂直坝线方向之间的倾向夹角不宜大于35°，使拦沙坎具备导沙功能，将汛期泥沙导向泄水闸排向下游。

厂房下游尾水渠由逆向斜坡和水平段组成，合理的反坡坡率在3～5之间，逆向斜坡起点距离尾水管出口1～2m。为了防止泄水闸排水淤积尾水区，避免厂坝排出的水流流态相互干扰，河中厂坝之间布置下游导墙。工程实践中有些电站尾水出现壅水现象，减少了水轮机水头，对于低水头电站发电效益影响很大，究其原因是由于水平段底板设置高程不合理，尾水渠水深不足引起。电站尾水合理流态应是尾水出口断面处的水位低于下游水位，即形成所谓逆向落差水头衔接，增加水轮机水头，保障发电效益。电站尾水流态究竟是逆向落差，还是壅水取决于尾水渠平段底板高程及水深，设计应通过尾水渠水力学计算确定，杜绝出现壅水现象，力求获得尽可能大的逆向落差值。同时还要重视尾水渠下游河床疏浚设计，保证尾水口有足够淹没深度，避免尾水管产生掺气。

11 浮式拦污排

河床式水电站厂房进水口设置浮式拦污排，防止漂污堵塞进水口栏污栅。浮式拦污排体系由上、下游重力墩，河中栏污排组成。拦污排轴线与垂直坝线方向之间的夹角不宜大于15°，便于将汛期漂污导排向下游。上游墩靠岸设置，下游墩与厂房河中边闸墩结合；墩内设置垂直向移动小车导槽，墩顶设置集成式液压启闭机与小车连接。拦污排由多节钢浮筒组成，用钢丝绳作牵引，两端与小车铰接；通过小车在重力墩小车导槽内上下移动，拦污排随水位变化而升降。

河中水流接近堰顶时，流线收缩，流速加大，坝前水面逐渐下降，与厂房侧水面形成落差而产生较大横向水流；越靠近堰前，水位差越大，横向流速越大。汛期闸坝敞开泄洪时，由于下游墩邻近泄流孔口，小车导槽习惯布置在迎水面，常出现进水口附近5—6节浮筒被冲翻转的情况。建议浮式拦污排下游墩应前移，避开横向流速较大的堰前段；下游墩与厂房边闸墩之间设导墙连成整体，维持墩体稳定；导墙顶高出正常蓄水位0.5m，布置交通桥连通坝顶与下游墩。下游墩与堰体上游面的距离建议大于两倍50年一遇洪水堰顶水头，同时迎水面小车导槽改到厂房侧，使浮式拦污排避开横向高速水流跌水面区域。

12 结语

水电站枢纽设计中的问题并不是一成不变的，要根据工程地点、经济、环境条件下的需求进行分析和研究。本文结合工程实践总结了灯泡贯流式厂房一些应加以重视的关键问题，探讨在设计中因细节容易被忽视而欠缺周全产生的不足和缺陷。在总结经验教训基础上，用创新性思维方法提出改进方案，为识别和解决类似工程问题提供典型做法与经验借鉴，以期起到引玉之砖的作用。

SL 266—2014《水电站厂房设计规范》中规定厂区排水设计降雨重现期可取3～5年里，设计降雨历时为5～15min。近年来南方地区超标准暴雨天气时常发生，雨水浸灌问题愈发凸显，排水设计标准应进一步进行探讨。

如今对水电站工作环境的要求越来越高，在符合使用功能、结构经济合理的基础上，宜兼顾内外空间舒适环境、艺术效果与其所处环境相协调，创作出经济实用，美观大方的水电站建筑。