上石盘电航枢纽工程灯泡贯流式机组厂房设计

巩绪威,王其利,成 益, 曾祥华

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434)

1 工程概况

上石盘电航综合枢纽工程位于四川省广元市境内嘉陵江干流上，属河床式开发，水库总库容6 860万m3，正常蓄水位472.50 m以下库容5 825万m3，调节库容412万m3，具有日调节性能。电站装机容量30 MW，年均发电量1.27亿kWh，为Ⅲ等中型工程，主要建筑物为3级，厂房按50年一遇洪水设计，200年一遇洪水校核。坝址区50年基准期超越概率10%的基岩水平地震动峰值加速度为0.108g，相应地震基本烈度为Ⅶ度。坝址以上集水面积26 542 km2，多年平均径流量为202 m3/s。泥沙以悬移质为主，多年平均含沙量4.48 kg/m3，多年平均输沙量2 783万t，入库推移质输沙量为18万t。坝址区地层主要由第四系堆积物和下伏侏罗系中统沙溪庙组上段的粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及砂岩组成。

枢纽布置格局以不影响泄水闸通畅泄水和有利于通航为原则，泄水建筑物占据河床主河槽，通航建筑物占据凹岸即左岸一侧，自左至右为左岸连接段+船闸+泄洪闸+厂房+右岸连接段。电站为低水头日调节水电站，河床式厂房，安装2台中国产灯泡贯流式机组，单机容量15 MW，在中国同类机组中属中型，水轮机转轮直径3.95 m，最大水头16 m，最小水头10.3 m，额定水头13.4 m，单机额定流量126.7 m3/s。厂区主要建筑物包括进口建筑物、主厂房、副厂房、尾水渠、开关站等。

枢纽工程于2013年10月正式开工建设，电站于2016年2月全部机组并网成功，目前运行情况良好。

2 水电站运行方式

为充分利用水能资源，汛期水库维持正常蓄水位按来水流量发电，当入库流量大于电站发电引用流量253.4 m3/s时通过控制闸门下泄弃水；非汛期进行日调节，在正常蓄水位472.50 m与死水位472.00 m间运行。为减少库区淤积，当入库流量大于1 800 m3/s时，电站停机冲沙，并根据库区淤积情况进行不定期的排沙调度。

3 厂区布置

进口建筑物包括进水渠、拦沙坎、上游厂闸导墙等。因厂房流道进口底板低于河床，进水渠设拦排沙坎，以防推移质进入流道，为减少水头损失，电站运行时坎上流速不超过0.5～0.6 m/s，并通过水工模型试验确定坎顶高程为462.00 m，高出坎前河床5 m，平面呈折线型布置，与上游厂闸导墙相连，导墙为半重力式混凝土结构，长34 m，墙顶高程473.00 m。进水渠最低高程446.44 m，向上游以1∶3坡比至457.00 m，岸坡采用贴坡式钢筋混凝土挡墙或护坡结合锚杆支护。

主副厂房与进水口、尾水平台形成整体，建基面高程436.50～444.44 m，顺水流向长58.24 m，河床式布置，正向进水，分2孔，每孔净宽7.9 m，进水口底板高程设为448.44 m， 2台灯泡贯流式机组水轮机安装高程448.61 m，主机间段长28.95 m，副厂房布置在主机间下游侧。尾水管采用平直管，出口设2扇平面钢闸门，出口处底高程为445.055 m。检修平台高程463.00 m。安装间段长28.3 m，与主机间并排布置在右岸基岩上。厂区平面布置见图1。

图1 厂区布置平面图

出口建筑物主要是尾水渠的布置。为避免泄洪时的回流淤积影响，防止有效发电水头降低，在各种运行工况下的尾水渠出口流速，均不大于2.0 m/s。尾水渠扩散段两侧扩散角均为12°，渠底宽度由25.3 m渐变为45.87 m，顺水流方向采用1∶5反坡由445.055 m高程过渡至454.50 m高程，与平坡段长50 m相连，其后以缓坡过渡到455.50 m与下游河床相接，护坦及海漫总长134.26 m，大于电站下游水深的9～10倍。为减少泄洪闸下泄洪水对尾水渠及右岸岸坡的影响，尾水渠与冲砂闸消力池之间布置钢筋混凝土厂闸导墙，结合水工模型试验，导墙长97 m，尾水渠末端在停机泄洪时回淤较少，墙顶高程463.00 m，高于电站停机冲沙起始流量1 800 m3/s时对应下游水位461.50 m；右岸岸坡采用衡重式混凝土岸墙、钢筋混凝土护坡进行防护。经实际运行观察，尾水渠水面衔接良好，无壅水现象。

开关站就近布置在安装间下游侧岸上，主变室、GIS室、楼梯间及柴油发电机房等并列布置，其中左侧布置主变室和GIS室，平面尺寸为15.74 m×11.24 m；右侧为楼梯间及柴油发电机房，平面尺寸为13.55 m×11.24 m。室外地面高程473.70 m。

进厂公路直接引自广元市滨江路，从安装间下游侧水平方式进厂，路面宽度为8 m，是交通主通道，供设备安装、检修运输。

4 电站厂房型式比较及引水防沙设计

4.1 电站厂房型式比较

本工程主厂房为河床式布置，厂房作为枢纽工程挡水建筑物的组成部分，其洪水标准与壅水建筑物一致。电站水头范围为10.3～16.0 m，额定水头为13.4 m，对轴流转桨式和灯泡贯流式2种型式的机组进行比较：在相同水头和相同出力下，灯泡贯流式水轮机效率高，转速高、机组尺寸小、重量轻，可减少机电设备投资，施工和设备安装方便；流道顺直，平面尺寸相应减少，机组段间距少3 m，厂房前缘长度比轴流机组减少18%左右，无轴流机组的尾水射管，建基面高程比轴流机组高0.7 m，厂房结构简单、基础开挖较浅、混凝土工程量减少约20%、工程投资节省，同时可缩短工期，具有比较好的综合指标，所以采用灯泡贯流式机组。

4.2 引水防沙设计

为减少过机泥沙，可行性研究阶段进水口底板首部设置冲沙廊道，断面尺寸为2 m×4 m(宽×高)，经弯段转入左边墙内，渐变为1.5 m×4 m的冲沙孔，设置检修闸门和工作闸门各1扇，将淤沙通过冲沙孔排入泄洪闸消力池内。

水工整体模型试验表明，拦沙坎能有效地阻隔沿床岸运动的泥沙进入拦沙坎内，增大拦沙坎外缘的水流流速，达到控制导沙坎前的淤积高程不至于过高的目的。

廊道排沙效果试验表明，口门附近局部区域的最大拉沙率不超过45%，仅依赖于廊道单独运行来拉沙，则其淤积的泥沙仅能部分地被拉走。在排沙廊道进口上方设立悬梁板的试验表明：拉沙范围虽有所增大，但相对于电站前池的总面积来说仍然很有限。

根据新店子水文站1966—2007年(其中1968、1969和1996年缺测)实测悬移质颗粒级配资料，坝址悬移质泥沙颗粒级配计算成果如表1。施工图阶段考虑到入库泥沙较细，闸前水位较高，结合模型试验成果以及水库运行方式，取消了冲沙廊道，必要时，采用机械清淤方式清除电站前池内的淤积泥沙。

5 厂房布置

5.1 进水口段

厂房布置为河床式，采用正向进水，进水口由喇叭形进水口、拦污栅、检修闸门及其启闭设备和结构等组成。进水口段分为2孔，每孔净宽7.9 m，对应2台灯泡贯流式机组，其中冲砂闸侧边墩宽4.85 m，安装间侧边墩宽3 m，中隔墩宽5.3 m，底板厚3～ 4 m，断面呈“山”字形墩墙结构。为使拦污栅前的流速不超过1.0～1.2 m/s，进水口采用上翘式喇叭形流道进口，在垂直立面上扩大，其上部以胸墙为轮廓，以引导水流平稳进入流道中段，胸墙厚1.2 m。进水口段每孔上游布置1道直立式拦污栅，清污机布置在由排架支撑的工作平台上，排拦污栅底槛高程为448.44 m，孔口尺寸7.9 m×26.64 m，设计水头差4 m。底槛下游为1∶1.238的斜坡段及半径为5 m的反弧段，然后接高程为444.225 m的水平段，胸墙下游布置检修门槽1道，两孔共用1扇检修门，为平面钢闸门，孔口尺寸为7.9 m×11.22 m。非检修期放置于安装间前沿的门库内。进水口检修门与冲砂闸、泄洪闸检修门使用同1台门机。闸墩顶高程为476.00 m，交通桥布置在拦污栅槽与检修门槽之间，与闸顶交通相连。厂房横剖面见图2。

表1 坝址多年平均悬沙级配成果表

拦污栅的清污与栅前漂浮垃圾的清理主要由专门的液压清污抓斗进行，清污机抓斗由2×320 kN的双向台车操作。清污机将污物抓取后运输至卸污平台，通过导污装置转入运输卡车进行清理。

5.2 主机间及副厂房

主机间沿坝轴线方向长度同进水口段为28.95 m，顺水流方向宽18.6 m，净宽15 m，副厂房紧靠主机间布置在其下游侧，宽13.69 m；下部流道内装2台GZ-WP-395、SFW15-40/440灯泡贯流式机组，转轮直径3.95 m，水轮机安装高程448.61 m，机组间距13.2 m，机组段建基面高程439.16 m。主机间采用双层布置，流道顶板顶面高程455.65 m；操作运行层高程465.80 m，布置油压装置、调速器、励磁等设备及吊物孔。运行层地面以下用于连接发电机井与副厂房，布置辅机层和电缆，运行层地面噪音低、整洁、美观。

主厂房内布置75 t/20 t电动桥式起重机1台，吊车轨顶高程根据厂内吊运部件的最大吊运高度、吊运方式、吊钩极限高度、操作运行层与安装间相对位置等因素确定，为485.00 m，屋架底高程为489.00 m。机组间不设永久沉降缝，尾水管底板建基面高程 442.16 m。主厂房下游侧布置有辅机层、副厂房及工作通道，底层为辅机层，高程455.65 m，装备消防供水和检修水泵；副厂房从下至上分4层，为框架结构，其中一层为电缆夹层，二层为高低压开关室、办公室，三层为通信设备层，四层为中央控制室。

灯泡机组安装高程较低，厂房流道顶板顶面以上四周均采用钢筋混凝土挡水墙结构。上游侧墙厚度为2～2.5 m，支撑在进口闸墩及流道中段的顶板上并连成整体，墙顶高程476.00 m，与闸坝顶高程相同；下游侧墙厚为1～2.5 m，两侧支撑在尾水闸墩上，下部支撑在尾水管顶板上连成整体，墙顶高程474.80 m，高于下游校核洪水位加上安全超高；端部挡水墙和上、下游挡水墙及流道顶板形成整体，其中安装间侧墙厚为0.8～2.35 m，墙顶高程474.80 m，泄洪闸侧墙厚为1.3～2 m，墙顶高程476.00 m。

图2 厂房横剖面图 单位：m

5.3 流道出口段

流道从厂房进水墩处起至尾水管出口处(包括尾水闸墩)共分3段：进水口段从上游侧机组检修闸门以上至进水口闸墩，拦污栅布置于闸墩前部；中段从上游侧机组检修闸门至水轮机室，位于主机间下部；出口段(尾水管段)从转轮室至尾水管出口处(尾水闸墩)，位于副厂房下部及下游侧。发电尾水通过尾水管进入尾水渠，尾水管采用平直管，出口处设置2扇尾水闸门，为直升式平面钢闸门，孔口尺寸为7.11 m×7.11 m。尾水管出口处底高程为445.055 m，尾水管出口顶部高程452.165 m，低于设计最低尾水位456.35 m，淹没深度满足不小于0.5～1 m的要求 。尾水管出口尾水墩墩顶设检修平台，高程463.00 m，同时设有尾水工作闸门及其启闭设备，可满足电站运行时人员巡视以及闸门简易维修的功能要求。尾水平台以上启闭机排架顶端平台高程474.80 m，布置2台电动卷扬机，启闭机房房顶高程479.30 m。启闭机房与副厂房中间留有1条净宽1.8 m供人行、采光和通风的通道。

5.4 安装间

安装间布置于厂房段的右侧，沿坝轴线方向长度28.3 m，顺水流向18.6 m，与主机间之间设1道永久沉陷缝。为尽量减少岩石开挖及实现水平进厂，安装场高程为474.00 m，钢筋混凝土地面板厚0.5 m，用于机组的安装及检修，考虑机组安装期间放置发电机定子、转子、水轮机转轮、灯泡头、外配水环等。其下设置地下室一层，高程为468.50 m，布置空压机室、透平油处理室等，钢筋混凝土底板厚1.45 m，其下采用C15埋石混凝土基础，坐落于右岸岸坡上，基岩为粉砂质泥岩夹泥质粉砂岩，地基承载力满足要求。安装间上游与右岸连接坝段坝顶道路之间布置进水口检修平台，顶高程476.00 m，沿坝轴方向长18.22 m、宽6.71 m。

5.5 主厂房屋面设计

可行性研究阶段采用钢筋混凝土雁型板结构，该种结构具有自重轻、抗震能力好的优点，同时通过在板间设置透光板，可以有效解决此种类型厂房采光不足的问题。参考中国水电站厂房建设经验，施工图设计阶段厂房选定钢网架屋盖结构，屋面采用轻型网架板，由于结构自重减轻，传给下部结构的荷载减小，有利于厂房排架柱截面的进一步优化；此外，网架结构的杆件、节点、支座以及网架板均在专业工厂内加工制作成型，现场安装快捷简便，施工干扰少，可加快施工进度。

6 厂房整体稳定及地基应力计算

6.1 整体稳定、地基应力分析及抗浮验算

计算内容主要包括建基面抗滑稳定计算、抗浮稳定验算及基础面法向应力计算，抗滑稳定采用SL266-2001《水电站厂房设计规范》中的抗剪断计算强度公式。各部分结构自重按其几何尺寸及材料重度计算确定，混凝土重度下部结构取24 kN/m3，上部结构取25 kN/m3；水重按实际体积计算，水的重度取10 kN/m3，计算成果详见表2。从表2中可以看出，电站厂房在所有水位组合下的抗滑、抗浮安全系数及基底应力均满足规范要求。

表2 厂房抗滑稳定及基础应力计算成果表

6.2 基础处理设计

7 结 语

灯泡贯流式机组厂房多为河床式布置，机组横卧在流道中，厂房大部分建筑位于水下，需结合工程总体布置，使之经济合理，方便施工；电站水头较低，减少进出口及流道的水头损失非常重要，上游要做好拦污清污，中间流道要平顺连接，尾水要有利于发电后水流扩散，避免尾水抬高。本工程借鉴中国同类型水电站的设计及施工经验，厂区、厂房布置合理紧凑，结构体形简单，工程投资节省；屋盖设计采用钢网架结构和轻型网架板，具有美观、经济、轻巧、施工快捷等优点。