金安橋水電站引水發電系統設計

趙 謹，魯 宏，蔡 雄

（中國水電顧問集團昆明勘測設計研究院，云南 昆明 650051）

金安橋水電站位于云南省麗江市境內的金沙江中游河段上，是金沙江中游河段規劃的第5級電站。電站距昆明市公路里程589.5 km，距攀枝花市公路里程225.5 km。

金安橋水電站屬一等大 （1）型工程，壩頂高程1 424.000 m，最大壩高160 m，水庫正常蓄水位1 418.000 m（具有周調節性能），裝機容量2 400 MW （4×600 MW），單獨運行的保證出力為 473.7 MW，年發電量110.43億kW·h。電站樞紐建筑物由碾壓混凝土重力壩、右岸溢洪道、右岸泄洪沖沙底孔、左岸沖沙底孔、壩后廠房及進廠交通洞等組成。

1 引水發電建筑物總體布置

金安橋水電站引水發電建筑物包括：電站進水口、壩后背管、壩后主廠房及安裝間、廠房上游電氣副廠房、下游水機副廠房及尾水閘室、尾水渠等。

1.1 電站進水口

壩式進水口布置在河中7～10號壩段，壩段寬34 m，為單管單機引水，進水口高程1 370.000 m，4孔進水口各設斷面尺寸9 m×14 m的檢修門和9 m×12 m的事故門。

攔污柵平臺高程1 366.000 m，懸出壩面10 m，布置20孔4.5 m×30 m攔污柵。中墩厚2.2 m，邊墩厚1.35 m，高58 m，設檢修攔污柵槽和攔污柵槽。柵墩下部1 396.000 m以下每6 m設一層連系梁，柵墩間形并與壩體相連；上部1 396.000 m至壩頂，柵墩間設攔污胸墻板，用連系梁與壩體相連。

1.2 壓力鋼管

引水鋼管出壩面后，接鋼襯鋼筋混凝土聯合受力的壓力背管管徑10.5 m。壓力鋼管設計工況最大凈水頭133 m，校核工況最大凈水頭136.07 m，最大 （水擊作用下）HD=17 150 kN/m。采用1/2背管、外包混凝土厚度為1.5 m的結構設計方案。管壁厚度24～36 mm，壓力背管設間距2.0 m、環高0.15 m、厚24 mm的加勁環。

1.3 主廠房

主廠房布置為壩后式廠房，建筑物屬1級建筑物，設計防洪標準為200年一遇，相應下游尾水位1 316.608 m，校核洪水標準為1 000年一遇，相應下游尾水位1 319.330 m，1臺機正常發電尾水位1 293.889 m，4臺機發電正常尾水位1 299.409 m，設計引用流量為4×605 m3/s。

主廠房尺寸為 215 m×34 m×73.3 m （長×寬×高），安裝4臺600 MW水輪發電機組。其中，機組間距34 m，廠房凈寬29 m，安裝間長66.5 m，機組中心線上游凈寬11.5 m、下游凈寬17.5 m，上、下游墻厚2.5 m，主廠房右端加長8.5 m，上部作為吊車梁加長段，下部布置廠區滲漏集水井和檢修集水井。主廠房吊車梁以下為鋼筋混凝土墻式結構、吊車梁以上為框架結構。

1.4 上游副廠房及GIS廳

上游電氣副廠房布置在壩與廠房之間，分5層，層高4.5～7.0 m，為框架結構。最低層樓面高程為1 297.000 m，以下為壓力管及壩體實體結構，1 297.000 m高程以上副廠房與主廠房間設100 mm的永久縫。

GIS樓布置在上游電氣副廠房頂，GIS廳高程1 327.100 m，層高14.90 m， GIS廳長156 m，寬19 m，室內凈寬16 m。屋頂布置500 kV出線場。

副廠房與壩間采用混凝土回填至1 320.000 m高程，形成寬28 m的平臺，布置主變壓器、電抗器、柴油發電機房等。控制室布置在GIS樓左端，共3層。

1.5 下游副廠房

水機副廠房布置在下游尾水管上方，長136 m，共分6層，分別布置供水設備、電纜層、輔助設備、機組自用電及通風設備，屋頂高程1 320.000 m，與尾水平臺齊平。每個機組段布置樓梯作垂直交通。

1.6 尾水閘室及尾水渠

尾水檢修閘門為1機2門布置，閘門尺寸為11.64 m×10.0 m。8扇檢修閘門共用1臺門機啟閉。閘底板高程1 362.850 m，建基高程與主廠房同高，為1 256 m，尾水閘墩高64 m、平臺高程1 320 m。

尾水渠長80 m，底寬134 m，縱向坡度為1∶6。尾水渠兩岸為1∶0.25的混凝土貼坡，與左右岸底孔邊墻結合。

1.7 進廠交通

左岸進廠交通洞長1 479.9 m，城門洞形，斷面尺寸為10 m×12 m，路面高程為1 328.000～1 303.300 m。在廠交1+005.178處分岔出斷面尺寸為8 m×9 m的尾水交通洞至尾水平臺及主變平臺。

2 工程主要技術問題

2.1 電站進水口結構設計

金安橋電站進水口攔污柵柵墩布置在懸出上游壩面10 m的平臺上，平臺高程1 366.000 m，平臺底面的傾斜角為45°。為與大壩間設置橫縫相適應，攔污柵柵墩及其平臺設有 （沉降縫）永久縫，每個進水口攔污柵結構簡化為9層5跨的框架，相鄰進水口攔污柵結構間由寬10.0 m、厚1.35 m的隔墻分開。每個攔污柵由4根立柱和兩側隔墻形成5個柵孔，每孔凈寬4.5 m，立柱為2.2 m×5 m的方圓形截面。

計算分析表明，電站進水口喇叭段、閘門段及漸變段等各部位應力都可以通過配筋滿足強度要求。

2.2 壓力背管形式研究

金安橋電站壓力鋼管設計選型時，研究比較了壓力管全外背、2/3外背及1/2外背3種情況。考慮到金安橋水電站大壩100年超越概率2%的地震水平加速度峰值高達0.399 g，地震對外背的壓力管影響較大，因此重點研究2/3外背及1/2外背。

經研究分析后認為，金安橋水電站壩下游面管道采用2/3背布置形式和管壁厚度1.5 m，雖可以滿足結構設計要求，但在綜合考慮技術和經濟等方面的因素后，推薦采用1/2背管、外包混凝土厚度1.5 m的布置形式。經計算分析，金安橋水電站壩下游面管道采用1/2外背管、外包混凝土厚度1.5 m，管壩接縫面應力、管道軸向應力均可以滿足結構設計要求，管道環向拉應力可通過配筋來解決。

2.3 鋼管過縫措施研究

壩后式水電站中，由于大壩和電站主廠房高度各不相同，兩部分地基的沉陷也不同，在廠壩分縫處，因壩體施工期與運行期位移方向相反，鋼管軸向變位較大；另外在溫度等荷載作用下，很容易在廠壩連接處出現應力集中，一般在主、副廠房之間設永久縱向縫，并設置伸縮節。但金安橋電站運輸條件較差，超大尺寸件 （直徑10.5 m）的伸縮節難以運到工地，為此，采用一段墊層管代替伸縮節，以適應基礎不均勻沉陷和溫度變化。

通過對幾種過縫措施的研究，最終確定金安橋水電站壓力鋼管過縫方案為：廠壩間壓力鋼管不設伸縮節，在縫上游10 m、下游3 m范圍內設彈性墊層，設彈性墊層的管段按明管設計，廠壩間分縫灌漿至1 278.000 m高程。在壓力管與外包鋼筋混凝土聯合受力時，管下方120°范圍進行接觸灌漿，灌漿壓力為0.2 MPa，管道上方不再進行灌漿處理。在廠壩分縫處的壓力管環焊縫預留在大壩蓄水后焊接。

金安橋電站廠壩分縫處不設伸縮節，廠壩間分縫灌漿至1 278.000 m高程，在溫升組合工況下，分縫兩側順河向 （管軸向）相對位移最大，為6.8 mm；正常運行工況次之，為5.9 mm。在同一斷面，90°（管頂）， 0°和 180°（管側）， 270°（管底） 的位移依次逐漸減小；由于本結構方案分縫處已灌漿至1 278.000 m高程，接近鋼管底部高程，因此鋼管底部的相對位移最小。分縫兩側混凝土順河向的相對位移都是相互靠攏的趨勢，相應的順河向 （管軸向）應力都為壓應力，分縫處的混凝土灌漿不會沿縫面開裂，可以很好地傳遞分縫兩側的相互作用力，達到減小墊層管軸向變形和壓應力的目的。相應工況下的鋼襯應力，在1 278.000 m高程以下的分縫灌漿以后，墊層管段的鋼襯應力大大減小。

2.4 蝸殼外圍混凝土結構設計

金安橋水電站水輪機蝸殼進口斷面直徑10.0 m，設計內靜水壓力水頭125.9 m，設計動水壓力水頭160 m，最大設計內水壓力達1.6 MPa，為國內較大的鋼蝸殼之一，材料采用16 MnR。鑒于金安橋水電站蝸殼設計水頭高、高地震烈度區、結構復雜、厚度較小，最小混凝土厚度僅為2.0 m等特點，特設專項課題進行蝸殼結構布置、應力和應變全面分析研究，經墊層蝸殼、完全聯合承載蝸殼等方案研究后，結合工程的實際情況和施工特點，確定采用墊層鋼蝸殼方案，外包鋼筋混凝土結構。蝸殼彈性墊層材料采用 “EPS”發泡板 （高壓聚乙烯發泡板），厚度分別為10、20、30 mm，根據不同部位的變形情況設置。對鋼蝸殼外圍混凝土進行結構配筋，然后采用非線性有限元方法，對蝸殼墊層方案進行計算，研究外圍鋼筋混凝土的開裂荷載、裂縫發展、鋼蝸殼和鋼筋的應力分布，以及蝸殼與機墩的變形，驗證蝸殼外圍混凝土鋼筋配置的合理性。

2.5 高地震烈度區廠房結構抗震設計

金安橋水電站廠房抗震設防烈度為Ⅷ度,抗震概率水準采用基準期50年超越概率5%，基巖水平峰值加速度0.246 g。廠房主體結構按 DL5073—2000《水工建筑物抗震設計規范》和GB500011—2001《建筑抗震設計規范》進行抗震設計。為保證在地震作用下，主廠房上下游側墻在吊車軌道和柱頂位移控制在規范允許范圍內，保證吊車運行安全和屋頂網架結構的安全，對主廠房及下游副廠房結構采用三維有限元動力分析,分析計算中考慮豎向地震作用，豎向地震作用的設計地震加速度代表值取水平設計地震加速度代表值的2/3。計算分析表明，金安橋水電站主廠房上下游墻頂和柱頂位移滿足規范要求，應力均滿足結構設計要求。

上游副廠房及GIS樓為框架和框架剪力墻結構，結構抗震計算采用結構設計軟件PKPM系列中的SATWE進行抗震設計分析，并按規范要求采用抗震構造措施。廠房內、外部磚墻按照現行國家標準GB50011—2001《建筑抗震設計規范》中Ⅷ度地震區磚墻抗震構造要求進行抗震構造措施設計。

2.6 主廠房下部結構設計

廠房下部結構主要包括廠房底板、尾水管、蝸殼、擋水墻、尾水閘墩，結構設計中視混凝土為線彈性材料，采用結構力學或彈性力學方法分析。

金安橋水電站廠房下部結構用平面簡化計算和三維有限元方法進行分析，得出廠房底板、尾水管、擋水墻和尾水閘墩等結構的應力和變形，根據DL/T 5057—1996《水工混凝土結構設計規范》進行配筋計算，滿足規范限裂和構造要求。

尾水管為彎肘形，出口擴散段上翹約10°，其出口處斷面尺寸為25.78 m×10.0 m （寬×高），內設2.5 m厚中墩將擴散段分隔為2孔，單孔寬度11.64 m，底板設間距6 m×6 m的錨筋。擴散段長28.95 m，進口處高5.2 m，出口處高10.0 m。為便于施工，頂板底層采用預制鋼筋混凝土倒T形梁結構，它既是尾水管結構的一部分，又可作為支承模板，節省大量支承結構。預制倒T梁由施工門機吊裝就位，即可在其上澆筑尾水管頂板混凝土，大大加快施工進度。金安橋水電站因施工場地限制，3、4號機尾水頂板采用預制鋼筋混凝土倒T形梁結構施工，1、2號機尾水頂板采用現澆鋼筋混凝結構。

2.7 主廠房上部結構設計

主廠房上部結構主要包括主廠房上下游承重結構、屋蓋結構等。因廠內布置2臺8 000/1 500 kN/160 kN橋機，橋機單個最大輪壓850 kN，橋機荷載很大，上下游承重結構采用2.5 m厚的鋼筋混凝土墻式結構，壁式連續牛腿支承橋機軌道。牛腿以上結構剛度較下部結構小很多，為減小牛腿以上結構地震作用下位移，上柱柱間采用400 mm混凝土墻連接，加強了牛腿以上結構剛度。廠房屋頂跨度34 m，在比較了現澆鋼筋混凝土屋面和網架結構屋面結構形式后，選擇自重輕、抗震性能好的正放四角錐空間螺栓球網架結構。

2.8 上、下游副廠房結構設計

上游副廠房及GIS樓高程1 320.300 m以下為半地下結構，高程1 320.300 m以上為框架—剪力墻結構。下游側框架從高程1 297.000 m至1 342.000 m，高45 m，根據GB500011—2001《建筑抗震設計規范》，框架抗震等級為1級；上游側剪力墻從高程1 320.000 m至1 342.000 m，高22 m，剪力墻抗震等級為2級。結構抗震計算采用結構設計軟件PKPM系列中的SATWE進行抗震設計分析。在GIS樓縱向，根據結構抗震計算結果，每隔34 m設1道40 mm的抗震縫，GIS樓與主廠房之間設1道100 mm的結構縫，結構縫縫寬滿足抗震要求。

下游副廠房樓板采用厚板結構，板厚0.6～0.8 m，具有樓頂美觀、施工方便、結構剛度大、工藝設備布置靈活等優點。經簡化結構力學法和有限元法計算分析，承載力、撓度和裂縫均滿足規范要求，厚板在樓梯孔部位因開孔較大，孔口部位應力集中明顯，設計中采用孔口邊設暗梁，加強孔口周邊配筋等措施，保證厚板結構安全。

3 結語

金安橋水電站引水發電系統具有抗震設防烈度高、結構復雜、荷載分布不規則、局部荷載較集中等特點，設計中充分考慮上述特點，在初步設計成果的基礎上，對引水發電系統結構進行多次優化設計。電站進水口、壓力背管、廠房蝸殼、廠房上下部結構等重要部位分別進行了專題研究，以三維有限元整體分析為基礎，滿足了施工圖設計階段的內力、位移計算等要求。

［1］ SL266—2001 水電站廠房設計規范［S］.北京：中國水利水電出版社，2001.

［2］ DL5073—2000 水工建筑物抗震設計規范［S］.北京： 中國電力出版社，2001.

［3］ DL/T 5057—1996 水工混凝土結構設計規范［S］.北京：中國電力出版社，1996.

［4］ DL 5077—1997 水工建筑物荷載設計規范［S］.北京：中國電力出版社，1997.

［5］ GB50011—2001 建筑抗震設計規范［S］.北京： 中國建筑工業出版社，2001.