冉文政

(道真自治縣水利局，貴州道真563500)

仁懷市小院水電站廠房設(shè)計(jì)

冉文政

(道真自治縣水利局，貴州道真563500)

小水電站廠房設(shè)計(jì)的一系列優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效地減少了工程投資，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，增加了建筑物的美觀性。水電站廠房是水能轉(zhuǎn)為電能的生產(chǎn)場(chǎng)所，也是運(yùn)行人員進(jìn)行生產(chǎn)和活動(dòng)的場(chǎng)所。其任務(wù)是通過(guò)一系列工程措施，將水流平順地引入水輪機(jī)，使水能轉(zhuǎn)換成為可供用戶(hù)使用的電能，并將各種必需的機(jī)電設(shè)備安置在恰當(dāng)?shù)奈恢?，?chuàng)造良好的安裝、檢修及運(yùn)行條件，為運(yùn)行人員提供良好的工作環(huán)境。

小水電站;廠房工程;工程設(shè)計(jì);穩(wěn)定計(jì)算;節(jié)約投資

小院水電站位于仁懷市喜頭鎮(zhèn)境內(nèi)的魚(yú)塘河上，屬仁懷縣桐梓河水系牛渡河的一級(jí)梯級(jí)電站，魚(yú)塘河屬桐梓河的二級(jí)支流，屬赤水河水系。取水壩控制流域面積38.90 km2，多年平均流量為0.609 m3/s，P=90%的日平均保證流量為0.130 m3/s。電站裝機(jī)規(guī)模為 2×500 kW，年平均發(fā)電量431萬(wàn)kW·h，年利用小時(shí)4 310 h。

廠房所在地層為志留系和二疊系地層，覆蓋層為黏土夾礫石和黏土層，厚2～10 m，地質(zhì)條件穩(wěn)定。

1 廠房和廠區(qū)布置

1.1 廠房的平面布置

小院電站廠房，根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式和取水特點(diǎn)，廠房為地面廠房，廠房位于前池下游壓力管道末端的魚(yú)塘河岸邊，為了減少?gòu)S房基礎(chǔ)的開(kāi)挖工程量，廠房縱軸線(xiàn)沿河岸順流方向大致與等高線(xiàn)平行布置，廠房平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 廠房平面圖

1.1.1 主廠房布置

電站主廠房是安裝水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)組及其附屬設(shè)備的主機(jī)房，廠房?jī)?nèi)安裝2臺(tái)CJ22—W—90/1×10型水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組。廠房上部為框架式磚混結(jié)構(gòu)的平頂房，下部結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，高度相對(duì)較小。

1.1.2 廠房?jī)?nèi)設(shè)備布置

電站機(jī)組臺(tái)數(shù)為2臺(tái)，采用一列式布置，廠房橫軸線(xiàn)與機(jī)組縱軸線(xiàn)平行，水輪機(jī)進(jìn)水管及尾水管與廠房縱軸線(xiàn)垂直。電站選用臥軸沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組，水輪機(jī)進(jìn)水管軸線(xiàn)高于主機(jī)房地坪0.85 m，金屬蝸殼前的蝶閥設(shè)在廠房上游側(cè)的蝶閥坑內(nèi)，上面用蓋板復(fù)蓋，平時(shí)作為機(jī)組上游側(cè)的人行通道。壓力水管和水輪機(jī)蝸殼進(jìn)口的方向朝下，在壓力水管末端用一個(gè)90°的彎管與之聯(lián)接。

調(diào)速器、機(jī)旁盤(pán)布置在廠房下游尾水渠一側(cè)，便于操作，高壓開(kāi)關(guān)柜布置在廠房上游面，低區(qū)配電柜及操作控制臺(tái)布置在廠房下游面，便于觀察管理。

機(jī)房的起重設(shè)備，根據(jù)電站使用特點(diǎn)和設(shè)備單件重量不大，在安裝和檢修機(jī)器設(shè)備時(shí)，停電也能操作，采用重慶第二起重機(jī)廠生產(chǎn)的SDQ—5型手動(dòng)單梁起重機(jī)。

1.2 廠區(qū)布置

電站樞紐中，廠房、變壓器場(chǎng)和升壓站所在的地區(qū)稱(chēng)為廠區(qū)，廠區(qū)是完成發(fā)電、變電和輸配電任務(wù)的中心，是水電站的核心組成部分，廠區(qū)布置見(jiàn)圖2。

圖2 廠區(qū)布置圖

1.2.1 主廠房的位置選擇

主廠房是廠區(qū)的主體，發(fā)電的中心，小院水電站廠房所在位置水流條件和交通條件都好，緊靠魚(yú)塘河左岸主河道邊緣，此處地面坡度較緩，開(kāi)挖小，水頭能得到充分利用。在泄水方面，尾水渠的棄水通過(guò)暗溝流入河道，廠房地坪高程根據(jù)水文計(jì)算確定為▽H坪=674.90 m。

1.2.2 變壓器場(chǎng)和升壓站的布置

為便于主變壓器的運(yùn)輸、安裝和檢修，變壓器場(chǎng)和升壓站的位置統(tǒng)一布置在主廠房的左上方，主變壓器緊靠廠房，高于廠房地坪5 m左右，變壓器露天布置，以節(jié)省母線(xiàn)和土建工程。

1.2.3 廠區(qū)的內(nèi)外交通聯(lián)系

廠區(qū)的內(nèi)外交通路線(xiàn)，不僅在施工建設(shè)期間十分重要，在運(yùn)行管理時(shí)，也極為重要。為了運(yùn)輸設(shè)備和施工器材，喜山(仁懷市喜頭鎮(zhèn)至遵義縣山盆鎮(zhèn))公路通過(guò)小院電站廠區(qū)附近，且鐵礦廠至喜山公路的支路通過(guò)廠房，只需對(duì)240 m支路改造即可解決進(jìn)廠公路。

1.2.4 行政管理和生活住宅區(qū)

電站管理人員的生活住宅區(qū)布置在主廠房的右側(cè)，生活住宅區(qū)和廠房之間設(shè)人行便道連接，便于電站管理人員上、下班。行政管理及生活區(qū)建筑面積200 m2。

2 廠房主要尺寸的確定

臥式機(jī)組地面廠房的主機(jī)房和安裝間為同一高程，機(jī)組及輔助設(shè)備都布置在這里，廠房地坪的下部分，只布置設(shè)備的基礎(chǔ)，機(jī)坑尾水渠和電纜溝等，結(jié)構(gòu)都較簡(jiǎn)單。影響廠房長(zhǎng)度、寬度及高度和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)尺寸的主要因素是地質(zhì)及水文條件、機(jī)組臺(tái)數(shù)及機(jī)組型式、機(jī)組尺寸和布置方式，其次廠房?jī)?nèi)附屬設(shè)備的布置和機(jī)房起重機(jī)械的型式和尺寸，也是決定廠房尺寸的主要因素。

2.1 廠房高度和主要高程的確定

確定主機(jī)房地坪以上高度，按單件設(shè)備最大尺寸和起吊高度確定，臥式機(jī)組的部件不要求直立起吊，故主機(jī)房的高度一般較低。參照廠房設(shè)計(jì)規(guī)范，結(jié)合工程實(shí)際，按構(gòu)造要求確定尺寸。

2.1.1 主廠房高度

主機(jī)房地坪到吊車(chē)梁牛腿下緣高4.9 m牛腿高度0.55 m，牛腿平面到房蓋主梁下緣凈空2.7 m，主梁到房頂女兒墻高1.95 m，因此主廠房地面以上高度為10 m。

2.1.2 機(jī)房地坪以下基礎(chǔ)各主要高程

機(jī)房地坪高程的確定，根據(jù)實(shí)地現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，廠房位置處魚(yú)塘河左岸，只有汛期才受洪水影響，最大洪水位673.90 m，綜合地質(zhì)、水文和地形、地貌分析，最終選定主廠房地坪高程為674.90 m(工程系統(tǒng)高程)，地坪至水輪機(jī)尾水渠底板深度為1.9 m，相應(yīng)高程673.00 m，尾水位正常水深 0.2 m，結(jié)合廠家提供的資料數(shù)據(jù)，水輪機(jī)軸線(xiàn)安裝高程為675.75 m。

2.2 廠房的長(zhǎng)度和寬度

2.2.1 主廠房長(zhǎng)度

根據(jù)廠房平面布置，主機(jī)房安裝2臺(tái)臥軸式水輪機(jī)組，一列式布置。

一個(gè)機(jī)組段的間距為:

Lc=a1+a2+d，此處取d=1.0 m，根據(jù)重慶發(fā)電設(shè)備制造有限公司提供的機(jī)組參數(shù)(a1+a2)為4.268 m，所以一個(gè)機(jī)組段的間距為:Lc=(a1+a2)+d=5.268 m

安裝間的長(zhǎng)度按一個(gè)機(jī)組段的長(zhǎng)度，考慮到電站規(guī)模小，取安裝間長(zhǎng)度為4 m。發(fā)電機(jī)外緣到右側(cè)磚墻通道a3取1.2 m，因電站裝機(jī)規(guī)模小，不設(shè)副廠房，高低壓控制設(shè)備及水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)都布置在主廠房中，因此，廠房的長(zhǎng)度為:L=(n-1)Lc+(a1+a2)+La+a3=15.736 m。

根據(jù)廠房立柱排架布置的要求，廠房的長(zhǎng)度為15 m。

2.2.2 廠房的寬度

電站安裝和檢修機(jī)器設(shè)備時(shí)，選用重慶第二起重機(jī)廠生產(chǎn)的SDQ—5型手動(dòng)單梁起重機(jī)，桁車(chē)跨距Lk=8.0 m，起吊高度3～12 m，發(fā)電機(jī)軸線(xiàn)至廠房上游側(cè)立柱B1取4.3 m，至下游立柱B2=4.45 m，廠房的寬度為:B=B1+B2=8.75 m。

3 廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 廠房的結(jié)構(gòu)

由上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)組成，對(duì)于安裝臥式機(jī)組廠房，廠房結(jié)構(gòu)有廠房屋頂，發(fā)電機(jī)層和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)3層，上部結(jié)構(gòu)中，主要由屋頂、吊車(chē)梁、主廠房排架、門(mén)窗及四周磚墻結(jié)構(gòu)等組成，下部結(jié)構(gòu)中，主要有蝶閥坑，尾水渠和電纜溝等，廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 廠房橫剖面圖

圖4 廠房縱剖面圖

3.2 廠房屋頂結(jié)構(gòu)

屋頂結(jié)構(gòu)是封閉式地面廠房的一個(gè)重要組成部分，屋頂結(jié)構(gòu)采用內(nèi)排水的平屋頂，屋面坡度為1∶20，屋面結(jié)構(gòu)從上而下，依次為女兒墻、瀝青細(xì)石保護(hù)層、二氈三油防水層、水平找平層及保溫隔熱層，屋面板、縱梁和橫梁。

3.2.1 屋面板

平屋頂?shù)某兄亟Y(jié)構(gòu)為屋面板和屋頂縱橫梁，上面承受人群活荷載，屋頂結(jié)構(gòu)自重，各種荷載傳給次梁，再由次梁集中傳給排架主梁。

屋面板用C30鋼筋混凝土整體澆筑，板厚10 cm，屋面板的內(nèi)力計(jì)算按承受均布荷載的簡(jiǎn)支鋼筋混凝土板梁設(shè)計(jì)配筋，1 m板配Φ6×Φ8@150×150。

3.2.2 次梁(縱梁)

屋頂縱梁承受由屋面板傳來(lái)的均布荷載和自重。縱梁斷面尺寸為25 cm×40 cm，跨度5 m，兩端支承在排架橫梁上，用C30鋼筋混凝土現(xiàn)澆，經(jīng)計(jì)算縱梁受力鋼筋布置7Φ16，鋼箍選Φ6@200。

3.2.3 主梁(橫梁)

橫梁承受縱梁傳來(lái)的集中荷載，再集中傳給排架立柱，橫梁用C30鋼筋混凝土和排架立柱整體澆筑，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和排架一起進(jìn)行，主梁斷面尺寸為400 mm×800 mm，跨度8.95 m，兩端支承在排架立柱上，經(jīng)計(jì)算(計(jì)算過(guò)程略)主梁受力鋼筋布置受力筋10Φ25，架立筋4Φ16，箍筋配Φ8@200。

3.3 吊車(chē)梁設(shè)計(jì)

吊車(chē)梁用C30鋼筋混凝土預(yù)制，支承在排架立柱的牛腿上，考慮到吊裝要求，其重量又不超過(guò)施工機(jī)械的起重能力，吊車(chē)梁采用單跨簡(jiǎn)支梁，跨度Lc=5 m，吊車(chē)梁的斷面形狀為T(mén)型，T型斷面便于固定軌道，并具有強(qiáng)大的抵抗橫向水平力的剛度。

3.3.1 吊車(chē)梁的內(nèi)力計(jì)算及配筋

T型吊車(chē)梁，梁肋寬B=25 mm，高度H=60 mm，翼板寬b'=45 mm，厚度 h'=10 mm，凈跨 L0=4.6 m，計(jì)算跨度 L=4.83 m。(計(jì)算過(guò)程略)吊車(chē)梁受力鋼筋實(shí)際選用6Φ16。

3.3.2 吊車(chē)梁的構(gòu)造

吊車(chē)梁的受力鋼筋及附加筋的接頭錨固，吊車(chē)梁與軌道的連接選擇輕軌，吊車(chē)梁與排架柱的連接，吊車(chē)梁為預(yù)制簡(jiǎn)支梁，裝配式吊車(chē)梁和立柱的連接方式，用螺栓緊固，吊車(chē)梁翼板和柱的連接鋼板采用角鋼，角鋼和立柱接觸面開(kāi)長(zhǎng)圓孔，可以上下滑動(dòng)，便于安裝。

3.4 牛腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

牛腿是支承吊車(chē)梁的主要結(jié)構(gòu)和廠房排架立柱一起，用C30鋼筋混凝土整體澆筑，牛服用截面的高度H=55 cm，寬度40 cm。輪壓中心線(xiàn)至牛腿的強(qiáng)度計(jì)算及配筋，根據(jù)計(jì)算(計(jì)算過(guò)程略)，按構(gòu)造布置，水平受力鋼筋布置4Φ16，斜向彎起鋼筋4Φ16，箍筋 Φ6@100。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，廠房的穩(wěn)定和應(yīng)力情況核算，達(dá)到規(guī)范要求。節(jié)約了工程量和節(jié)省了工程投資，使工程更加經(jīng)濟(jì)、實(shí)用，工程投入運(yùn)行至今，廠房及機(jī)組設(shè)備運(yùn)行正常。

［1］水利電力部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院、華東水利學(xué)院.水工設(shè)計(jì)手冊(cè):第七卷水電站建筑物［K］.北京:水利電力出版社，1982.

［2］湖南水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院、天津大學(xué)水利系.小型水電站:中冊(cè)［M］.北京:電力工業(yè)出版社，1979:19-20.

［3］水利部天津水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院.SL 266—2001水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:水利電力出版社，2001:3-5.

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1007-7596(2012)09-0068-02

2012-09-11

冉文政(1968-)，男，貴州道真人，工程師，從事農(nóng)田水利和小水電站的設(shè)計(jì)和施工工作。