石龍水電站引水發(fā)電系統(tǒng)布置設(shè)計

王 超，陳立秋，陳俊杰

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021）

石龍水電站位于吉林省東南部山區(qū)撫松縣境內(nèi)，為松江河梯級第三級電站，樞紐工程由混凝土重力壩、壩身泄洪孔口、引水系統(tǒng)及發(fā)電廠房等主要建筑物組成。水庫正常蓄水位479.00 m，總庫容0.412×108m3，電站總裝機(jī) 2×35 MW，工程等別為Ⅲ等，引水系統(tǒng)及發(fā)電廠房為3級建筑物，相應(yīng)正常運(yùn)用洪水重現(xiàn)期為100年，非常運(yùn)用洪水重現(xiàn)期為200年。

1 引水系統(tǒng)布置

引水系統(tǒng)布置在壩址左岸，其建筑物由進(jìn)水口、引水隧洞兩部分組成。

1.1 進(jìn)水口布置

進(jìn)水口位于大壩上游約2.7 km處，洞臉及兩側(cè)邊坡巖石為灰～灰黑色薄層～互層狀灰?guī)r及肉紅色正長斑巖，巖質(zhì)堅硬，以中等風(fēng)化巖為主，層理和節(jié)理發(fā)育，巖石完整性差。

進(jìn)水口布置采用岸塔式結(jié)構(gòu)，根據(jù)發(fā)電運(yùn)行最低水位，同時結(jié)合泥沙淤積及最小淹沒深度的要求，進(jìn)水口底板高程460.00 m。攔污柵孔口尺寸5.4×12.0 m（寬×高），檢修閘門及快速閘門孔口尺寸5.0×6.2 m（寬×高），攔污柵和閘門檢修平臺高程485.00 m，攔污柵及檢修閘門利用門機(jī)進(jìn)行啟閉，事故閘門采用液壓式啟閉機(jī)啟閉。為方便交通，攔污柵平臺與閘門檢修平臺使用交通橋連接，交通橋為預(yù)制鋼筋混凝土橋，對外公路可直接與進(jìn)水口閘門井相接。進(jìn)水口充分結(jié)合地形、地質(zhì)條件，緊鄰山體邊坡布置，大大減少了開挖量，節(jié)約了工程投資。

1.2 引水隧洞布置

引水隧洞位于一狹窄陡峻山體段，上覆巖體厚度35～85 m，圍巖主要為震旦系下統(tǒng)萬隆組灰?guī)r，呈黑～灰黑色，以薄層～互層為主，局部穿插輝綠玢巖、正長斑巖巖脈，巖體完整性差。引水隧洞通過地段，為Ⅲ類及Ⅳ類圍巖，巖體多較新鮮，未見較大的斷層破碎帶，大部分洞段洞軸線與巖層走向具有一定交角，成洞條件較好。

引水系統(tǒng)采用單機(jī)單洞引水方式，由上平漸變段、上平段、空間轉(zhuǎn)彎段、斜管段、立面轉(zhuǎn)彎段、下平段、下平漸變段組成。引水隧洞布置一平面轉(zhuǎn)彎段，軸線方向由 NW297°31′55″轉(zhuǎn)為 NW313°15′35″，垂直接發(fā)電廠房，兩條引水隧洞長206.66 m和202.08 m。引水隧洞開挖時，Ⅳ類圍巖洞段采取了噴混凝土支護(hù)，噴混凝土厚10 cm。引水隧洞結(jié)構(gòu)為圓形斷面，采用鋼筋混凝土襯砌，直徑為6.2 m，襯砌厚度0.5 m，兩側(cè)各布置一漸變段，襯砌厚度1.5 m，雙層配筋，并對整個引水隧洞進(jìn)行固結(jié)灌漿，固結(jié)灌漿孔排距為3.0 m，深入巖石3.0 m，頂拱固結(jié)灌漿孔兼做回填灌漿孔，固結(jié)灌漿壓力為0.5 MPa，回填灌漿壓力為0.3 MPa。

2 發(fā)電廠房設(shè)備布置

廠址位于壩址下游2.7 km處，廠區(qū)樞紐由主機(jī)間、安裝間、端副廠房、GIS開關(guān)站和尾水建筑物等組成，廠房機(jī)組縱軸線方位角NE43°15′35″。廠房裝機(jī)容量2×35 MW，水輪機(jī)型號ZZ550-LH-380，廠內(nèi)布置一臺跨度15.5 m、起吊重量160 t/50 t的橋式吊車，屋面采用梯形鋼屋架及彩色復(fù)合板結(jié)構(gòu)。廠區(qū)地面高程452.55 m，緊鄰主廠房端部依次布置端副廠房及GIS開關(guān)站，進(jìn)廠永久交通由廠房下游側(cè)的公路進(jìn)入廠前區(qū)。

2.1 廠房平面尺寸確定

1號機(jī)組段長21.01 m，2號機(jī)組段長17.70 m，確定主機(jī)間長度38.71 m。根據(jù)機(jī)組安裝及擴(kuò)大性檢修要求，布置發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、水輪機(jī)頂蓋、發(fā)電機(jī)上機(jī)架等部件，同時滿足布置檢修通道以及安裝間下部空壓機(jī)室、透平油罐室、油處理室等，確定安裝間長度29.50 m，發(fā)電廠房總長68.21 m。機(jī)組縱軸線上游側(cè)寬度9.50 m，下游側(cè)寬度9.20 m，確定廠房寬度18.70 m。端副廠房長度11.15 m，寬度18.70 m。66 kV開關(guān)站緊鄰端副廠房布置，長14.0 m，寬18.70 m。

2.2 廠房各層高程確定

為避免水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪輪葉受氣蝕破壞，按半臺機(jī)運(yùn)行時的尾水位444.77 m，以及水輪機(jī)吸出高度Hs=-9.5 m，確定機(jī)組安裝高程435.27 m，根據(jù)尾水管高度及底板厚度確定廠房建基高程422.82 m。考慮各層的凈空要求，確定水輪機(jī)層地面高程439.43 m，母線層地面高程443.13 m，發(fā)電機(jī)層地面高程446.83 m，根據(jù)安裝起吊發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子及水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪要求，確定吊車軌頂高程468.11 m。結(jié)合廠區(qū)地形條件及校核洪水尾水位452.21 m（P=0.5%），確定安裝間層高程452.60 m，為便于大件運(yùn)輸，并有利于內(nèi)外交通聯(lián)系，安裝間層與發(fā)電機(jī)層采取分層布置方案。

2.3 主廠房布置

主機(jī)間共分5層布置，即發(fā)電機(jī)層、母線層、水輪機(jī)層、蝸殼層及尾水管層。發(fā)電機(jī)層上、下游側(cè)布置機(jī)旁盤，靠近每臺機(jī)組布置調(diào)速器及油壓裝置。母線層布置發(fā)電機(jī)主引出線及中性點(diǎn)引出線。水輪機(jī)層布置蝸殼盤型閥、機(jī)墩進(jìn)人孔，進(jìn)人孔尺寸1.4 m×2.0 m（寬×高）。蝸殼層布置蝸殼進(jìn)人廊道及尾水管進(jìn)人廊道，廊道尺寸1.5 m×1.9 m（寬×高）及1.8 m×2.1 m（寬×高）。尾水管層擴(kuò)散段布置兩孔尾水檢修閘門及機(jī)組檢修排水系統(tǒng)，閘門孔口尺寸4.89×4.18 m（寬×高），擴(kuò)散段底板下布置排水廊道，尺寸1.6 m×2.0 m（寬×高）。

安裝間段位于主機(jī)間段端部，共分3層布置。主要布置滲漏排水泵室、油處理室、透平油罐室、空壓機(jī)室、高壓試驗室等，在安裝間底板下部布置滲漏集水井。安裝及擴(kuò)大性檢修時，布置發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、水輪機(jī)頂蓋、發(fā)電機(jī)上機(jī)架以及檢修通道，并滿足運(yùn)輸?shù)跹b配件要求。安裝間端部山墻布置進(jìn)廠大門，寬4.5 m，高5.0 m。

下游副廠房共分5層，為混凝土框架結(jié)構(gòu)，主要布置檢修排水泵室、尾水管盤型閥、消防水泵室、廠用變及低壓盤室等。

端副廠房緊鄰主廠房布置，共分7層，地面以下布置3層，以上布置4層。主要布置自動化班、電氣試驗室、中央控制室、直流盤室、通訊機(jī)房等。

2.4 尾水建筑物布置

尾水建筑物由尾水平臺、尾水渠及兩側(cè)的混凝土擋墻組成。每臺機(jī)組布置一道兩孔尾水檢修閘門，閘門孔口尺寸4.89 m×4.18 m（寬×高），尾水平臺高程452.55 m，布置一臺門機(jī)。

尾水出口底板高程425.95 m，尾水渠經(jīng)60°轉(zhuǎn)彎后以1∶4反坡與天然河道平順連接。尾水渠反坡段長67.4 m，渠底采用30 cm厚的鋼筋混凝土護(hù)底，并布置直徑50 mm排水孔，間排距3 m。

2.5 GIS開關(guān)站布置

66 kV開關(guān)站采用GIS戶內(nèi)式，緊鄰端副廠房布置，長14.0 m，寬18.70 m，共分2層布置，底層采用開敞式布置，布置2臺66 kV變壓器，第2層布置GIS室，設(shè)兩回出線。

3 廠房主要結(jié)構(gòu)布置

3.1 尾水管結(jié)構(gòu)

尾水管位于廠房的最下部，由錐管段、肘管段和擴(kuò)散段組成。尾水管錐管段四周均為大體積混凝土，擴(kuò)散段出口寬4.89 m，高4.18 m。尾水管是水電站廠房主要承重結(jié)構(gòu)之一，除承受本身自重外，還承受頂板以上的設(shè)備和結(jié)構(gòu)自重，此外還有管內(nèi)靜水壓力、揚(yáng)壓力、地基反力和外水壓力，整個廠房上部荷載大部分經(jīng)由尾水管傳至基礎(chǔ)。廠房基巖局部較破碎，尾水管擴(kuò)散段底板采用整體式結(jié)構(gòu)，由底板、邊墩和頂板組成封閉式框架，肘管段和擴(kuò)散段底板厚均為2.0 m，邊墻最小厚度為2.09 m。按結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。尾水管的幾何形狀比較復(fù)雜，為簡化計算，不考慮空間結(jié)構(gòu)的整體作用，而是順?biāo)鞣较蛉〉湫徒孛娼朴嬎阄菜芙Y(jié)構(gòu)的內(nèi)力，垂直水流方向簡化為平面問題考慮，即沿水流方向分區(qū)切剖面，按平面框架進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算。

3.2 鋼筋混凝土蝸殼結(jié)構(gòu)

鋼筋混凝土蝸殼進(jìn)口斷面尺寸6.81 m×10.46 m，最大水錘壓力0.64 MPa。蝸殼既承受自重與上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載，又承擔(dān)全部內(nèi)水壓力。蝸殼結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計算，簡化為平面框架，沿蝸殼中心徑向取若干單位寬度的截面，按平面“?！毙慰蚣苓M(jìn)行計算。頂板及邊墻的環(huán)向力簡化為環(huán)形板筒計算。頂板最小厚度2.2 m，側(cè)向最小厚度2.75 m。

蝸殼的設(shè)計重點(diǎn)在于混凝土的限裂，根據(jù)對東北地區(qū)已建的紅石、太平灣、尼爾基等大中型電站的調(diào)查研究，各電站的混凝土蝸殼均存在不同程度的滲漏現(xiàn)象，混凝土蝸殼的配筋不僅局限于滿足結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、剪切變形要求，同時應(yīng)符合規(guī)范對結(jié)構(gòu)的裂縫寬度的限制要求。該工程混凝土蝸殼結(jié)構(gòu)尺寸相對于所承受的水錘壓力來說是偏薄的，很難達(dá)到限裂要求，根據(jù)限裂開展驗算，需結(jié)合結(jié)構(gòu)鋼筋配置限裂鋼筋，增加鋼筋面積達(dá)50%以上，不僅費(fèi)用增加，而且鋼筋間距太密，對混凝土級配、澆筑都很不利。

聚丙烯纖維作為一種新型材料，具有很好的防裂效果，根據(jù)有關(guān)試驗材料，應(yīng)用控制裂縫，其性能主要與其體積含量有關(guān)，當(dāng)體積含量為0.3%時，收縮值可降低45%，當(dāng)聚丙烯纖維體積率大于其臨界值時，便產(chǎn)生許多不多見的小于0.01 mm寬的裂紋體系。與不摻加聚丙烯纖維的情況相比，裂紋寬度由0.3～0.8 mm減小到0.04～0.05 mm，阻裂能力可提高一個數(shù)量級。同時，聚丙烯纖維具有很高的抗堿性能，在堿性水泥基中可長期保持其強(qiáng)度，長期暴露于水中時，材料強(qiáng)度并不降低。因此在設(shè)計中添加了聚丙烯纖維材料，節(jié)省了大量的非結(jié)構(gòu)鋼筋，使得蝸殼的限裂要求得到滿足，進(jìn)而提高了蝸殼本身的抗?jié)B能力。

針對蝸殼進(jìn)口跨度大，頂板混凝土厚度薄、拉應(yīng)力大等難題，采取增設(shè)暗梁、加型鋼、局部鋼筋加強(qiáng)等措施，為解決鋼筋混凝土蝸殼防滲、抗裂等難題，在蝸殼流道進(jìn)口區(qū)和蝸殼頂板范圍內(nèi)采用鋼板防滲，在蝸殼流道底板及邊墻采用通用型水泥基防水漿料涂裝保護(hù)體系進(jìn)行防護(hù)。

3.3 機(jī)墩、風(fēng)罩結(jié)構(gòu)

機(jī)墩是立軸式水輪發(fā)電機(jī)組的支承結(jié)構(gòu)，承受巨大的靜荷載及動荷載，底部與蝸殼頂板連接，頂部與風(fēng)罩連接，機(jī)墩不直接承受水的作用，機(jī)組設(shè)備及發(fā)電機(jī)層樓板的部分荷載通過機(jī)墩傳至基礎(chǔ)。在機(jī)組正常運(yùn)行、機(jī)組事故、飛逸及機(jī)組制動時，機(jī)墩要承受扭矩、水平推力、軸向力及振動荷載的作用，受力情況比較復(fù)雜，應(yīng)從強(qiáng)度、剛度及抗震等方面選擇機(jī)墩型式。該工程采用園筒形機(jī)墩，機(jī)墩外徑6.80 m，內(nèi)徑2.80 m，機(jī)墩高1.92 m。風(fēng)罩為一薄壁結(jié)構(gòu)，外徑為8.00 m，內(nèi)徑7.00 m，風(fēng)罩厚0.50 m，風(fēng)罩下部與機(jī)墩連接，頂部與發(fā)電機(jī)層樓板整體澆筑。

機(jī)墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力計算和動力計算，靜力計算機(jī)墩截面的內(nèi)力，作為配筋的依據(jù)，保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度條件。動力計算根據(jù)正常運(yùn)行、短路時和飛逸時的三種荷載組合情況，驗算機(jī)墩的共振、振幅和動力系數(shù)，保證結(jié)構(gòu)的剛度和抗振條件。

4 結(jié) 語

石龍水電站工程于2006年開工，2010年投產(chǎn)發(fā)電。引水發(fā)電系統(tǒng)布置充分結(jié)合地形、地質(zhì)和交通條件，以及建筑物的施工條件，最大限度的減小了引水隧洞長度，使工程布置緊湊合理，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，通過多種理論和方法分析，并采取了多項優(yōu)化措施，密切關(guān)注新材料、新技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，減少了工程量，加快了施工進(jìn)度，節(jié)約了工程投資，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。