摘 要：水电站厂房是水电站中不可缺少了重要组成部分，是水利枢纽中主要建筑物之一，对水电站的运行具有重要的影响。本文结合某水电站厂房的设计实例，对水电站厂房的设计展开了探讨，并介绍了水电站厂房的设备及结构的设计，以望能为有关需要提供参考借鉴。
关键词：水电站；厂房；设备设计；结构设计
随着我国工业化的快速发展，我国的能源消耗快速增多，能源日趋紧张，环境也日益恶劣，而水电作为重要的可再生清洁能源，已成为当前的重要能源资源之一。水电站厂房是将水能转化为电能的重要产所之一，其设计直接关系到水电站的正常运行。因此，研究水电站厂房的设计，保证水电站厂房设计的合理性，保障水电站的正常运行是当前的一个重要课题。对此，笔者进行了相关介绍。
1 工程概况
某水电站厂房内布置2台水轮发电机组，水轮机型号HLA883-LJ-400，装机容量2×140MW，布置1台跨度18.00m，起吊重量250t+250t/50t/5t的桥式吊车，屋面采用球型钢网架及彩色复合板结构。厂区地面高程486.50m，GIS开关站布置在主厂房上游侧，进厂永久交通由厂房下游侧的公路进入厂区。
2 厂房设备设计
2.1 厂房平面尺寸确定
1号机组段长19.00m，2号机组段为边机组段，长22.50m，主机间段总长41.50m。根据机组安装及扩大性检修要求，布置发电机转子、水轮机转轮、水轮机顶盖、发电机上机架等部件，同时满足检修通道以及安装间下部空压机室、透平油罐室、油处理室等要求，确定安装间段长31.50m，发电厂房总长73.50m。机组纵轴线上游侧宽10.50m，下游侧宽11.50m，确定厂房宽22.00m。根据设备设计要求确定上游副厂房宽10.00m。根据尾水管长度、尾水平台交通、门机运行要求以及各层房间需求和设备的布置确定下游副厂房宽6.70m。
2.2 厂房各层高程确定
为避免水轮机转轮轮叶气蚀破坏，按一台机运行时的尾水位477.76m，以及水轮机吸出高度Hs=-4.0m，确定机组安装高程473.80m，根据尾水管高度和尾水管底板厚度确定建基高程459.58m。考虑各层的净空要求，确定水轮机层地面高程477.50m，母线层地面高程482.00m，发电机层地面高程486.50m，结合厂区地形条件，安装间层与发电机层同层布置，安装间层高程486.50m。
2.3 主厂房设计
主机间共分5层布置，即发电机层、母线层、水轮机层、蜗壳层及尾水管层。发电机层地面高程486.50m，上、下游侧均布置一排机旁盘，靠近每台机组布置调速器及油压装置。母线层地面高程482.00m，布置发电机主引出线及中性点引出线。水轮机层布置有机墩进人孔，尺寸1.5m×2.0m（宽×高）。机墩为圆筒形混凝土结构，内径5.60m，外径12.60m，机墩厚3.45m。蜗壳层布置蜗壳进人廊道及尾水管进人廊道，尺寸1.6m×2.0m（宽×高）及1.8m×2.5m（宽×高）。尾水管层扩散段出口总宽10.40m，每台机组布置一道两孔尾水检修闸门及机组检修排水系统，闸门孔口尺寸5.20m×4.47m（宽×高），扩散段底板下布置排水廊道，尺寸1.6m×2.0m（宽×高）。
安装间段紧邻主机间段布置，共分3层布置，主要布置渗漏排水泵室、油处理室、透平油罐室、空压机室、高压试验室等。厂房渗漏集水井紧邻主机间段布置，全厂的渗漏水均排入到此井，经排水泵排至下游尾水渠。机组安装及扩大性检修时，布置发电机转子、水轮机转轮、水轮机顶盖、发电机上机架及检修通道，并满足运输吊装配件要求。安装间端部山墙侧布置进厂大门，进厂大门尺寸6.00m×5.25m（宽×高）。
主机间上游副厂房共分5层，主要布置高压开关柜室、发电机电压配电装置室、GIS开关站设备等。安装间上游副厂房共分3层，主要布置生活水泵室、高压试验室、通讯机房、保护试验室、中央控制室等。
下游尾水副厂房共分3层，主要布置检修排水泵室、消防水泵室、尾水管盘型阀等。
2.4 尾水建筑物设计
尾水建筑物由尾水平台、尾水渠及两侧的混凝土挡土墙组成。厂房每台机组布置一道两孔尾水检修闸门，闸门孔口尺寸5.20m×4.47m（宽×高），厂房尾水平台高程486.50m，布置1台门机。
尾水出口底板顶高程463.22m，以1∶4反坡与天然河道平顺连接。尾水渠反坡段长33m，渠底采用30cm厚的钢筋混凝土护底，并布置直径50mm排水孔，间排距3m。
2.5 GIS开关站布置
2台主变压器及220kV出线场布置在主厂房上游侧，GIS采用户内式布置，主要由2台主变压器、事故油池、母线构架及出线构架组成。两台主变压器共用一个事故油池。开关站基础为回填砂砾石基础。
2.6 厂房分缝及厂内止水排水布置
为适应温度变化和基础变形，主机间段与安装间段之间、1号机组段和2号机组段之间均设置永久横向结构缝，形成独立的机组段和安装间段，永久结构缝宽20mm，缝间设止水，缝内充填柔性材料。
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为防止外水进入厂内各部位，在厂区地面高程以下，布置有上、下游垂直止水和联系上、下游垂直止水的水平止水，形成半封闭的止水系统，止水材料选用橡胶止水带。主厂房和下游副厂房水轮机层以下房间均设置排水沟，排水沟断面尺寸0.15m×0.15m，汇集导引渗漏水至厂内渗漏集水井，再由抽排设备排出厂外。
2.7 厂房基础处理
厂房地基岩石为灰绿～灰褐色安山岩，为中等风化岩，呈中等风化状态，虽发育多条断层，但规模不大，对地基影响较小，基础强度满足承载力要求，厂房基础未进行特殊的基础处理。
3 厂房主要结构设计
3.1 钢吊车梁结构
电站吊车梁采用焊接工字形钢吊车梁结构，梁高1.90m，钢吊车梁按简支梁结构进行设计，最大跨度按8.82m进行结构计算。吊车梁顶部与外墙间有走道板相连，走道板为钢桁架结构，与厂房圈梁相连接。
吊车梁主要承受厂内桥式吊车的使用荷载，是直接承受吊车荷载的承重结构，除吊车梁自重、轨道及附件等均布恒载外，主要承受移动的竖向集中荷载和横向水平刹车力，因此需用影响线求出各计算截面的最大（或最小）内力，画出内力包络图，并据此进行截面强度设计及变形等验算。
3.2 尾水管结构
尾水管位于厂房的最下部，由锥管段、肘管段和扩散段组成。尾水管锥管段四周均为大体积混凝土，扩散段出口宽5.2m，高4.47m。尾水管是水电站厂房主要承重结构之一，除承受本身自重外，还承受顶板以上的设备和结构自重，此外还有管规划设计内静水压力、扬压力、地基反力和外水压力，整个厂房上部荷载大部分经由尾水管传至基础。厂房基岩局部较破碎，尾水管扩散段底板采用整体式结构，由底板、边墩和顶板组成封闭式框架，肘管段和扩散段底板厚均为2.0m，边墙最小厚度2.92m。按结构力学和弹性力学方法进行结构计算。尾水管的几何形状比较复杂，为简化计算，不考虑空间结构的整体作用，而是顺水流方向取典型截面近似计算尾水管结构的内力，垂直水流方向简化为平面问题考虑，即沿水流方向分区切剖面，按平面框架进行结构内力计算。
3.3 蜗壳结构
蜗壳的进口与压力钢管相连接，它是一个空间的整体结构，几何形状复杂，内部应力情况也较复杂。蜗壳采用钢蜗壳，并设置了弹性垫层，计算时按照钢蜗壳只承受内水压力，不承受外压进行计算。
在计算外围结构时，“Γ”形刚架下部固结于弹性垫层底部的边墙上，内端视为绞支于水轮座环上。外围结构的荷载为正常运行情况，荷载组合包括机墩传来的荷载及结构自重。
在工程设计中，用弹性垫层将钢蜗壳顶部半圆周与外包钢筋混凝土结构分隔开来，外包钢筋混凝土结构承受结构自重及上部传来的荷载，而钢蜗壳承担全部内水压力，不考虑外包钢筋混凝土和钢蜗壳联合作用。因此，结构设计的方法是沿蜗壳中心径向取若干单位宽度的截面，按平面“Γ”形框架进行计算。根据实际计算结果，并结合有关工程实例，进行断面的设计。其断面控制尺寸为顶板最小厚1.73m，侧向厚2.06m，在250°方向布置有进入蜗壳人孔的通道，通道宽1.6m。
3.4 机墩、风罩结构
机墩是立轴式水轮发电机组的支承结构，承受巨大的静荷载及动荷载，底部与蜗壳顶板连接，顶部与风罩连接，机墩不直接承受水压力的作用，机组设备及发电机层楼板的部分荷载通过机墩传至基础。在机组正常运行、机组事故、飞逸及机组制动时，机墩要承受扭矩、水平推力、轴向力及振动荷载的作用，受力情况比较复杂，应从强度、刚度及抗振等方面选择机墩型式。工程采用园筒形机墩，机墩外径12.6m，内径5.7m，机墩高4.18m。风罩为一薄壁结构，外径为13.8m，内径12.6m，风罩厚0.6m，风罩下部与机墩连接，顶部与发电机层楼板整体浇筑。
机墩结构进行静力计算和动力计算，静力计算进行机墩截面的内力计算，作为配筋的依据，保证结构的强度条件。动力计算则根据正常运行、短路时和飞逸时的3种荷载组合情况，验算机墩的共振、振幅和动力系数，保证结构的刚度和抗振条件。
3.5 屋面结构
初设阶段厂房屋面结构采用钢屋架及预制混凝土板结构，按常规布置柱间需布置一榀钢屋架以支撑屋面板结构。传统的屋面结构由屋面板、保温层、防水层等组成，其屋面荷载达4～6kN/m2，由于荷载较大，屋架均需较大的断面和含钢量才能承担上部荷载，若采用彩色复合板结构，保温层采用钢板间夹轻质玻璃岩绵，自重仅为0.2～0.3kN/m2，即使考虑检修，亦不超过2kN/m2。经过对其他工业及民用建筑的研究发现，利用球型钢网架及彩色复合板等轻型结构可以很好地解决大跨度屋面问题。根据相关资料，彩板挂檩条的单向跨度可达10m左右，其自身刚度可通过檩距的调整来实现，经对屋面板体系两种结构形式的估价测算，造价可下降20%左右。由于球型钢网架及彩色复合板结构适用于大跨度结构，节省钢屋架部分达总量的40%以上，因此取消了柱间钢屋架，采用了球型钢网架及彩色复合板结构。
4 结语
综上所述，水电站厂房的设计是水电站施工中的重要环节，关系到水电站工程的整体质量及水电站厂房的质量和使用性能。因此，必须严格按照相关的设计规范，选择科学合理的设计方案对水电站厂房进行设计，从而保证厂房后续施工的顺利进行，保障水电站的正常运行。本设计在工程中成效显著，取得了良好的经济效益，可供其他类似设计参考借鉴。
参考文献：
[1]何俊明，刘鹏.探究水电站厂房设计存在的问题与处理策略[J].低碳世界.2014（13）
论文作者:黄敬森
论文发表刊物:《基层建设》2015年29期
论文发表时间:2016/9/19
标签：厂房论文; 结构论文; 水电站论文; 荷载论文; 机组论文; 高程论文; 水轮机论文; 《基层建设》2015年29期论文;