三間房水電站燈泡貫流式機組廠房設計

劉金巖 蘇道峰

（吉林省水利水電勘測設計研究院 吉林長春 130021）

1 工程概況

牡丹江市三間房水電站坐落于牡丹江干流上，位于牡丹江市西安區溫春鎮老黑山村下游1.4km處，上游距鏡泊湖發電廠100km，距石頭發電廠約50km，距石頭水文站46.7km，距溫春鎮 12km，下游距牡丹江市區 14km。流域面積16664km2，占全流域面積的44.3%。牡丹江為松花江第二大支流，發源于長白山牡丹嶺，由吉林省敦化市境內流入鏡泊湖，河流大致近南北向，全長725km，平均坡降1.39‰，總落差為1007m，流域面積37600km2。

在牡丹江干流上自鏡泊湖發電廠下游依次開發了保溫電站、紅衛（1）電站、紅衛（2）電站、紅農電站、阿堡電站、青年電站、渤海電站、石頭電站、蓮花電站、晨光電站等水電站，還有紅巖電站、蘭崗電站、橡膠壩1# 電站、橡膠壩2# 電站、二道溝電站、白虎哨電站等待建電站。本工程是牡丹江干流水電開發規劃（鏡泊湖電站—晨光電站之間）的梯級水電站中的一級擬建電站，是一座以水力發電為主的工程。同時為充分利用當地水能資源，發揮水資源綜合效益，促進地方經濟發展，緩解水、火電源失衡現象，從而在牡丹江干流上開發建設本工程。

三間房水電站為河床徑流式水電站。電站主體建筑物包括七孔泄洪閘、廠房、升壓站等，樞紐布置采用“左泄洪閘、右廠房”的布置型式。電站采用燈泡貫流式機組，單機容量 3000KW，機組臺數為4臺，總裝機容量12MW，電站設計保證率為90%，水庫總庫容為2143萬m3。多年平均發電量為4497×104kWh，年利用小時3748h。電站最大水頭為7.38m，最小水頭為2.5m。

2 地質概況

本區地震動峰值加速度為 0.05g，屬相對穩定區，地震基本烈度為Ⅵ度，動反應譜特征周期為0.35s，抗震設防烈度為Ⅵ度。

電站廠房工程地質條件：設計基礎座于粉砂質泥巖和中～粗砂巖中，巖體透水率 13.9Lu～26.1Lu，屬中等透水層，粉砂質泥巖和中～粗砂巖均半成巖，弱膠結，強度低，屬軟巖，抗滑及抗變形能力差，工程地質條件一般。地基承載力建議值[R]：粉砂質泥巖和中～粗砂巖280kPa～300kPa。地下水對混凝土具有分解類弱腐蝕。

3 工程等級及設計標準

依據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL252-2000）和《小型水力發電站設計規范》（GB50071-2002）的規定，綜合確定工程等別為Ⅲ等，工程規模為中型，主要建筑物為3級，次要建筑物為4級，臨時性建筑物為5級。工程等級及設計標準參見表1。

表1 工程等級及設計標準表

4 廠區布置及廠房型式的選擇

4.1 廠區布置

電站廠房屬于新建工程，布置于河床的右岸階地，左側與七孔泄洪閘相接，廠區內主要建筑物有進水前池、主廠房、副廠房、升壓站、尾水渠等。為滿足交通要求，在泄洪閘閘室及廠房上游設檢修橋兼做貫穿樞紐左、右岸的交通橋。廠房與泄洪閘之間上、下游設置隔墻，廠房與右岸岸坡用圓弧翼墻相連，翼墻上、下游設現澆混凝土板塊護坡。為了防止繞壩滲漏，在右岸圓弧翼墻側設帷幕灌漿。根據校核洪水標準和廠區建筑物布置要求，確定廠區地面高程為245.00m。廠房和升壓站均設置排水溝，且排水溝相通，通過廠房側排水溝排入廠房下游尾水渠。廠區交通采用公路進場的方式，在右岸布置由溫春老道經干溝子泵站至站址的進場公路，與電站交通橋連通，交通橋頂高程與廠區地面高程相同。廠房進口攔污柵及檢修閘門與泄洪閘檢修閘門及工作閘門共用一臺門機啟閉。此廠區布置具有布局緊湊，合理利用空間，環保節能，工程造價合理等優點。

4.2 廠房型式的選擇

三間房水電站廠房的設計型式在可研、初設兩個設計階段重點對有代表性的軸流立式機組和燈泡貫流式機組廠房兩個設計方案進行了詳盡的綜合比較。

軸流立式機組廠房設計方案因采用肘式尾水管設計，導致廠房主體的混凝土工程量增加約30%，開挖基礎高程加深約 4m，工程造價顯著增加；而燈泡貫流式機組廠房與之相比具有工程量較少、廠房結構簡單明了、開挖基礎較淺，施工工期明顯縮短，并且機組適應工作水頭變化的范圍較大，利用效率較高，年收益多等優點。另外結合電站機組水頭、直徑和轉速等主要參數，對燈泡貫流式和軸伸貫流式水輪機、機組臺數亦進行了經濟分析比較。經綜合分析比較，三間房水電站選用了燈泡貫流式水輪機組廠房設計方案，選擇4臺機組，單機容量3000kW。主廠房橫剖面圖如圖1所示：

圖1 三間房水電站主廠房橫剖面圖

5 廠房總體布局

5.1 進口流道

進水流道檢修平臺高程245.00m，流道內設攔污柵（4孔4扇）、檢修閘門（4孔1扇），攔污柵與檢修閘門共用一臺 2×250KN雙向門式起重機操作。進水流道順水流方向長13.8m，寬43.8m。為使進水口水流平順，三個中墩采用半圓弧型式，中墩厚4.4m，邊墩厚4.1m，底板厚2.0m。

5.2 主廠房

機組安裝高程：根據電站的特點和運行方式，結合水輪機空蝕性能，并考慮尾水管出口淹沒深度（0.5m～1.0m）的要求，機組安裝高程按一臺機發電時的尾水位233.91m確定安裝高程（主軸中心線）為227.90m。根據機組高度和基礎厚度確定廠房底板建基高程為221.10m，基礎座落在粉砂質泥巖上。根據機組高度、設備高度、操作空間、結構厚度確定機組頂板高程為233.50 m；操作設備層樓面高程為239.30m；安裝間地面高程確定為245.00m；根據安裝、檢修機組起吊要求確定吊車梁頂高程為254.10m；屋面圈梁頂高程為258.00m。廠房自建基高程到屋頂總高度為36.90m。

機組進入孔中心距轉輪中心線6.20m，廠房上游側吊車柱內邊線距轉輪中心線為9.70m；根據機旁盤布置要求確定廠房下游側吊車柱內邊線距轉輪中心線為 3.30m。主廠房凈寬度為13.0m，總寬度為 15.2m。主廠房 245.00m高程以上為磚混結構，以下全部為混凝土結構，屋頂采用鋼桁架支撐的波紋彩鋼板結構。

根據水輪機進水流道寬度5.60m，結構厚度4.40m，確定機組間距為 10.0m。考慮整體結構設計要求，采用兩機一縫的結構形式。安裝間與主機間之間設永久變形縫。分縫均從建基面高程一直到廠房屋頂。機組縱向排列順序自右向左依次為 1#、2#、3#、4#。4#機組段中心距端墻外邊線7.50m，1#機組段中心距安裝間6.3m，故確定主機間總長43.8m。根據燈泡貫流機組過水流道部分尺寸，并主廠房下部順水流方向總長度，需要滿足進口攔污柵、進口檢修閘門、流道長度、機組布置及出口尾水事故閘門布置的要求確定為42.8m。

主機間內共設置4臺燈泡貫流機組，單機容量為 3000kW。水輪發電機組置于過水流道內，順水流向依次為進口段、座環段、轉輪室和尾水管段。廠房尾水出口設一道事故檢修閘門（4孔4扇）及4臺2×100KN卷揚式快速閘門啟閉機。主廠房設置巡視層、運行層和交通廊道層共三層布置方式，主機間發電運行層高程為 233.50m，布置有油壓裝置和調速器等。檢修廊道層底高程為 223.50m，此層布置有軸承油箱、測量管路、排水泵等輔助設備。高位油箱布置于尾水平臺上部副廠房二層，高程249.80m。

安裝間布置在主廠房主機間右側，安裝間長度為21m，寬度15.2m。安裝間高程與廠區地面同高，為245.00m。其下設2層，各層高程分別233.50m、239.30m。高程233.50m布置油罐室、油處理室、滲漏排水泵室、檢修排水泵室及樓梯間。高程239.30m布置機修設備室、空壓機室及樓梯間。

5.3 副廠房

副廠房布置在主廠房下游側尾水平臺上部，長50.8m，寬9.5m，共設5層。從下至上各層高程分別為 232.30m、237.60m、240.60m、245.0m、249.80m。高程232.30m層為技術供水泵室；高程237.60m層為電纜廊道；高程240.60m層布置機組勵磁變室及高低壓開關柜室；高程245.00m層為中控室、繼電保護及通訊室、辦公區；高程249.80m層為高位油箱室、辦公生活區。副廠房屋頂采用波紋彩鋼板結構。

升壓站為開敞式戶外式，布置于安裝間東北側，占地面積 38.0m×28.0m，站址高程為245.00m，與廠址高程一致。

6 廠房設計計算

依據《水電站廠房設計規范》（SL266-2001）中的規定，廠房抗滑穩定計算公式如下：

式中：K—按抗剪強度計算的抗滑穩定安全系數；f—滑動面的抗剪摩擦系數，取 0.4；∑W—全部荷載對滑動面的法向分值，包括揚壓力，kN；∑G—全部荷載對滑動面的切向分值，包括揚壓力，kN。

廠房抗浮穩定計算公式如下：

式中：Kf—抗浮穩定安全系數；∑W—作用于機組段（或安裝間段）基礎底面上的全部重量，kN；U—作用于機組段（或安裝間段）基礎底面上的揚壓力總和，kN。

廠房基礎應力計算公式如下：

式中：σ—廠房地基面上法向應力，kPa；∑W—機組段上全部荷載在計算截面上法向分力的總和，kN；A—基礎面受壓部分的計算截面積，m2；∑MX、∑My—作用于機組段上全部荷載對計算截面形心軸X、Y的力矩總和，kN·m；x、y—計算截面上計算點對形心軸 X、Y的距離，m；JX、Jy—計算截面對形心軸X、Y的慣性矩，m4。廠房抗滑、抗浮穩定及基礎應力計算成果見表2：

表2 廠房抗滑、抗浮穩定及基礎應力計算成果表

經計算，各種計算工況下廠房抗滑、抗浮穩定及基礎應力均滿足現行規范要求。

7 結語

近年來，隨著對清潔能源的重視和認識的不斷提高，進入了重視開發低水頭電站的時期。燈泡貫流式水電站具有比軸流立式水電站建設期短、投資小、收效快、淹沒移民少、電站靠近城鎮、有利于發揮地區興建水電站的積極性等原因，故燈泡貫流式水電站得到了極大的普及和應用。三間房水電站是典型的河床徑流式電站，且采用了燈泡貫流式機組廠房設計型式。本工程的設計案例具有值得借鑒的意義并且進一步加大和推廣了燈泡貫流式機組水電站在北方地區的廣泛應用。

1 SL/T191-2008水工混凝土結構設計規范[S]. 中國水利水電出版社, 2008.

2 SL266-2001水電站廠房設計規范[S]. 中國水利水電出版社, 2001.