立式機組水電站增容擴效廠房改造設計分析

虢 強

（中國能源建設集團新疆電力設計院有限公司 新疆 烏魯木齊 830002）

1 工程概況

和田喀拉格爾水電站渠首位于新疆和田喀拉喀什河烏魯瓦提水利樞紐的下游30km、距波波娜水電站尾水下游約1km處，現(xiàn)狀裝機容量為11.4MW。改造后主廠房內(nèi)布置3臺5MW的混流式水輪發(fā)電機，廠房總長39.09m，其中安裝間長13.92m，機組間距7.5m。上游側(cè)寬7.33m，下游側(cè)寬5.1m，總寬12.43m，主廠房設1臺30t/5t橋式起重機，跨度10.5m。

2 廠房結(jié)構(gòu)分析

正常尾水位按三臺機組運行設計，設計流量Q=35m3/s，相應尾水位為1531.093m；最低尾水位按一臺機組運行設計，設計流量Q=11.7m3/s，相應尾水位為1530.263m。

發(fā)電廠房改造主要是水下混凝土改造和復核現(xiàn)有上部結(jié)構(gòu)及排架、框架柱和梁、板。水輪機拆除后，設備外包混凝土將同時拆除，需配合新機電設備新建。

2.1 主廠房尺寸復核

根據(jù)一臺機組發(fā)電時相應電站最低尾水位1530.263m，尾水管底板高程1528.115m，蝸殼進口斷面直徑1.8m及原發(fā)電機層高程1537.408m，確定水輪機安裝最高高程為1530.828m，考慮蝸殼頂板厚及上部設備布置的需要，確定水輪機層高程為1486.42m。發(fā)電機層以上空間尺寸受吊車起吊高度控制，本電站設有1臺30t/5t橋式吊車，考慮起吊檢修需要，軌頂高程為1544.270m，滿足改造要求。頂梁高1546.928m，主廠房總高度26.46m。都滿足現(xiàn)階段改造要求，均不做變動。

圖1 廠房發(fā)電機層拆除平面布置圖

表1 排架柱橫向剛度計算表

圖2 廠房拆除橫剖面圖

表2 風罩作用效應組合表

2.2 主廠房結(jié)構(gòu)復核

2.2.1 主機段排架、樓板

發(fā)電機層高程為1537.408m，板厚為20cm，主梁沿廠房橫向布置，兩端簡支在排架柱牛腿上，中間布設兩根支撐柱，風罩處梁的一端與風罩固結(jié)，滿足改造要求。

機組段排架柱間距4.0m，柱斷面下柱為0.4m×0.8m，上柱為0.4m×0.6m，在伸縮縫處設雙柱。排架柱采用C25鋼筋混凝土，樓板及聯(lián)系梁采用C25鋼筋混凝土。排架柱基礎部位，上游側(cè)計算考慮固結(jié)在1534.342m，下游側(cè)固結(jié)在水下墻1534.342m，滿足改造要求。

選擇柱距4.0m進行剛度驗算，經(jīng)計算其橫向剛度可滿足《水電站廠房設計規(guī)范》要求，計算見表1。

經(jīng)計算，在改造后，各種工況下上部結(jié)構(gòu)剛度滿足規(guī)范規(guī)定值，說明結(jié)構(gòu)尺寸滿足改造要求。

2.2.2 機墩、風罩

原機墩將被拆除，新機墩是發(fā)電機定子基礎，布置在蝸殼外圍砼結(jié)構(gòu)頂板上，頂板與風罩結(jié)構(gòu)整體連接，而風罩頂部又與發(fā)電機層樓板相連，增加機墩的抗扭、抗振能力。機墩厚1.0m。上部與風罩相接，底部固結(jié)在蝸殼頂板上。風罩為圓筒薄壁結(jié)構(gòu)，風罩承受發(fā)電機層板梁傳來的荷載并考慮發(fā)電機運轉(zhuǎn)時內(nèi)外溫差引起的溫度應力，風罩厚度為0.35m。機墩及風罩均采用C25鋼筋混凝土。

表3 機墩作用效應組合表

表4 蝸殼作用效應組合表

按《水電站廠房設計規(guī)范》的荷載作用效應組合表，進行承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)設計，風罩及機墩荷載組合表，見表2、3。風罩計算模型為：固定端頂部為鉸接的薄壁圓筒進行結(jié)構(gòu)計算；機墩計算模型為：機墩底部固定在蝸殼頂板上，上部與風罩及水輪機夾層板連接，對機墩進行動力和靜力計算，包括垂直、水平橫向和水平扭轉(zhuǎn)、自振頻率計算，校核是否發(fā)生共振和最大振幅是否在允許范圍內(nèi)以及驗算機墩的正應力、剪應力和主應力。

2.2.3 蝸殼

蝸殼采用金屬蝸殼，其四周設有外包混凝土，在蝸殼上半部用彈性墊層和蝸殼分開，整個水輪發(fā)電機組的轉(zhuǎn)動部分垂直軸向水推力和所有外部荷載均通過下機架傳至蝸殼外圍大體積砼上。蝸殼采用金屬蝸殼，按《水電站廠房設計規(guī)范》的荷載作用效應組合表，進行承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)設計，荷載組合表，見表4。改造后金屬蝸殼外圍采用C25鋼筋混凝土，滿足改造要求。

3 廠房整體穩(wěn)定及地基應力計算

選取1#和2#機組段為代表計算單元，進行廠房穩(wěn)定分析和地基應力計算。作用在機組段的荷載可分基本荷載和特殊荷載兩類。

基本荷載考慮廠房結(jié)構(gòu)自重、機電設備重、正常蓄水位或設計洪水位情況下靜水壓力及揚壓力；特殊荷載考慮校核洪水位或檢修水位情況下的靜水壓力及揚壓力、地震力。

3.1 抗滑穩(wěn)定計算

抗剪斷強度的計算公式：

式中，K′——抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

f′——滑動面的抗剪斷摩擦系數(shù)；

C′——滑動面的抗剪斷凝聚力；

A——基礎面受壓部分的計算截面積；

∑W——全部荷載對滑動面的法向分值（包括揚壓力）；

∑P——全部荷載對滑動面的切向分值（包括揚壓力）。

經(jīng)計算，荷載基本組合和特殊組合下的抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)K分別為4.15和3.7，滿足規(guī)范要求。

3.2 抗浮穩(wěn)定計算

抗浮穩(wěn)定計算公式：

式中，Kf——抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，任何情況下不得小于1.1；

∑W——機組段全部豎向荷載，kN；

U——作用于機組段的揚壓力總和。

抗浮穩(wěn)定性計算選擇：①機組檢修；②機組未安裝；③非常運行三種情況中最不利情況，進行核算。其中機組未安裝且下游校核洪水位為最不利工況，經(jīng)計算，滿足規(guī)范要求。

3.3 地基應力計算

地基應力計算采用材料力學偏心受壓構(gòu)件公式，即：

式中，δ——廠房地基面上法向應力，kPa；

∑W——作用于機組段上全部豎向荷載（包括或不包括揚壓力）在計算截面上法向分力的總和，kN；

∑Mx、∑My——作用于機組段上全部荷載(包括或不包括揚壓力)對計算截面形心軸X、Y的力矩總和，kN·m；

x、y——計算截面上計算點至形心軸Y、X的距離，m；

Jx、Jy——計算截面對形心軸Y、X的慣性矩，m；

A——廠房地基計算截面受壓部分的面積，m2。

經(jīng)計算，δmax=183kPa，δmin=136kPa。從計算結(jié)果可以看出：廠房地基面上所承受的最大垂直正應力小于基礎的允許壓應力300kPa。廠房地基應力滿足設計要求，結(jié)構(gòu)斷面尺寸的選取是合理的。

經(jīng)以上計算分析得出以下結(jié)論：

（1）廠房地基面地基允許承載力，滿足改造要求。

（2）廠房地基面平均地基應力小于地基允許承載力，滿足改造要求。

（3）地基面法向應力不均勻系數(shù)的允許值不超過規(guī)范規(guī)定值，滿足改造要求。

（4）各種運行工況下，廠房抗浮、抗滑均滿足規(guī)范要求，滿足改造要求。

4 結(jié)束語

通過計算分析，本電站廠房滿足增容擴效改造要求。通過合理安排廠房拆除區(qū)域，預留新老混凝土接縫位置，保留原廠房鋼筋搭接的足夠長度，施工過程中合理使用施工方法及施工機械，使得本電站增容擴效改造得以順利進行。電站的改造投產(chǎn)為改善邊疆地區(qū)的缺電少電情況做出了巨大貢獻，也為老、舊立式機組水電站改造提供了新的思路。陜西水利

［1］GB/T50700-2011,小型水電站技術改造規(guī)程[S].

［2］SL266-2001,水電站廠房設計規(guī)范[S].

［3］GB50011－2010,建筑抗震設計規(guī)范[S].