浅谈河床式低水头小水电站厂房优化设计措施

浅谈河床式低水头小水电站厂房优化设计措施摘要：针对河床式低水头小水电站厂房设计的一系列优化设计，有效地减少了工程投资，优化了结构设计，提高了设计质量，增加了建筑物的美观性。【关键词】河床式低水头小水电站厂房优化设计节约投资在市场经济的环境下，设计单位逐步地走向市场化，市场对设计单位提出了更高的要求。特别是投资主体的改变，从原来国家投资到现在私人投资的转变，对设计的要求进一步提高了。设计不但要满足规范要求，还要满足经济要求，达到节约投资、提高性价比的目的，取得经济效益和社会效益。在新形势下，笔者结合十几年来进行的一系列1000kw到20000kw低水头河床式小水电站厂房的设计，浅谈一下优化设计的经验。河床式低水头小水电站厂房的设计主要是根据总体布置确定基础开挖高程以及厂房各层的高度、尺寸、布置等，后进行稳定计算和应力计算。在厂房的稳定计算过程中，在满足安全可靠的情况下，还有较大的安全余度，也就是抗滑稳定系数k（k´）大于规范设计值要求的系数值（水电站厂房设计规范sl266-2001）具有一定的余度时，就可以进行优化。通过优化，达到投资经济，建筑物外观美化，取得经济效益和社会效益双赢的目的。优化设计主要可以采取以下的措施：减少厂房进水口闸墩的高度在以往的设计当中，根据规范的要求，一般厂房上部进水口的闸顶高度都定在校核洪水位以上，甚至闸顶部分工作桥的梁底都要超过校核洪水位，再加上0.3～0.5m的风浪爬高而得出闸顶高程。现在结合两个已投入运行的电站进行比较，如下表所示：电站高程比较表名称装机(kw)闸顶高程(m)正常水位(m)设计水位(m)校核水位(m)甲电站250095.6092.0092.5094.60乙电站400042.0041.0042.8546.40从表可以看出，甲电站的闸顶比校核洪水位94.60m高出1m，即为95.60m；而乙电站的坝高仅高出正常水位1m，但是它的上游防洪墙还是高出校核洪水位1m，即为47.40m。在厂房和大坝一字型布置的情况下，这样做有两个好处：第一、使得厂房部分的连接顺畅，不必造成大坝部分太高而浪费混凝土，减少了工程的投资，达到美化外观和自然和谐的效果；第二、有利于拦污设备的布置。由于拦污设备主要是在正常水位下使用，而垃圾的清除无论是使用机械清理还是人工清污，较贴近水面平台就突显出操作的便利性。二、上游进水口设置两道拦污栅，提高拦污效果无论大型电站还是小型电站，通常都是只在厂房的进水口设置一道拦污栅，大型低水头电站采用自动清污机来清污，小型的电站就采用槽钢或者角铁现场焊接而成，采用人工进行清污。这样的设置实际运用效果并不十分的理想，拦污效果不明显，甚至失效。当上游有较大较多垃圾时，容易造成清污效果的失效，拦污栅形同虚设，起不到应有的作用，而且由于垃圾的聚集，严重影响了进水口的流态和流速，对水轮机出力造成较大影响。设置两道拦污栅，第一道设置在厂房的进水流道的前面，使用角铁现场制作，栅条之间的间距可以较大，一般取10～15mm，主要作用是拦截较大的垃圾污物，顺流态方向斜向将污物导出厂房流道范围，结合冲砂闸或者排污闸的设计，把垃圾污物排到下游；再在第一道栅后的5m～8m处，厂房流道前设置第二道拦污栅，采用角铁或者槽钢焊接而成，栅条的间距应比第一道的细密，同时考虑水轮机的过流要求，一般取5～10mm，达到拦截较小垃圾的目的。通过两道拦污栅的设置，工程实例证明拦污效果比一道的设置明显，效果理想。减少下游闸墩高度，取消下游尾水闸门设置对于轴流和混流式立轴机组的厂房设计，下游的尾水闸门总是高出下游尾水。按照一般做法，闸墩顶和尾水闸门工作桥的高程一般都是在校核洪水位以上，这实际上是没有必要的，很大部分体积的混凝土没有起到什么实质性作用，造成很大浪费。在满足安全稳定的前提下，减少尾水闸墩的高度，使其仅仅高于正常尾水位，也就是减少混凝土量，直接就可以减少工程投资。同时，如果水电站机组的安装高程比较低的话，很大部分机组在正常使用的情况下，已经是淹没在水里，设置尾水闸门的意义更小。机组要检修的话，都是直接的吊放到副厂房上进行，在小容量的小型电站，检修时间很容易安排，干脆直接取消尾水闸门的设置，既节约了工程的投资，也增加了建筑物外观美感。尾水闸墩的高度一般都是按满足尾水管构造要求厚度而定，在0.8m～1.5m之间。但对贯流式机组下游尾水闸门的设置还有必要。取消了尾水闸门的设置，下游的防洪墙也相应做出变化。从原来的闸墩位置缩进到水轮机层的下游蜗壳外端，直接连接到发电机层或者到水轮机层，然后和中控室底下的电缆层连接，形成一个封闭的整体。如果下游的校核洪水位高出发电机层较多，特别对于小ⅱ型一类电站在200年一遇的校核洪水状况中，中控室以上部分的窗体一般布置在校核洪水位以上0.3m～0.5m。或下部封闭，上部高出水位部分可以开启。底下电缆层的布置要考虑到施工检修的高度要求，可以取2.0m到2.5m。在中控室的设计当中，还可以采用悬臂挑梁的结构，向下游飘出1～3m，以满足室内电气设备布置的要求。厂房下游的防洪问题，可以通过以下措施进行解决，在厂房下游设置防洪门，防止设计洪水和校核洪水时倒灌；并在厂房的下游岸坡也一起设置高出设计洪水位的防洪墙。甚至对于几千kw的小型电站来说，遇到校核洪水时不妨就让机组淹浸一下又如何？不少实例证明后期的恢复生产费用总比一次性的防御措施投资少许多。在河床式下游副厂房的布置中采用排架结构以往河床式电站的副厂房囿于河道宽度而采用下游布置副厂房的布置形式，使得厂房的宽度增大，很大部分体积的混凝土除了满足构造的要求以外，没有起到功能性的作用。如果从尾水管顶板开始，采用排架梁柱方式，直接延伸到发电机层，这样做就不但美化厂房的外观设计，同时达到节约投资的目的。五、启闭楼采用悬臂结构，启闭架柱和厂房牛腿合一上游启闭楼采用悬臂结构，启闭架柱和厂房牛腿合一，对枢纽有交通要求的电站可以起到科学布置的作用，方便了交通桥的布置，同时厂房的内部尺寸也可以得到扩大。采用这样的结构时，厂房上游流道上的防洪墙要根据启闭机的启闭荷载和牛腿承受的最大荷载同时考虑进行结构设计，一般可以采用深梁结构承受上面传下来的荷载，使荷载传递到闸墩，满足构造要求。六、牛腿采用钢结构对于起吊最大重量在10吨以下的起吊设备，可以直接采用工字钢结构的设计，立柱开始就直接采用工字钢，上部连接横梁也采用工字钢结构，取消钢筋混凝土牛腿，减少钢筋砼用量，缩短施工工期。对于更小启闭重量要求的还可以发电机层预埋钢轨，采用门架或者三脚架的方式解决发电设备检修、更换等起吊需要，优化设计。七、厂房天面采用轻型钢结构设计除非出于顶梁有起吊等的特定要求，否则都可以采用轻型的钢结构设计。在校核洪水位以上部分墙体以及天面采用桁架钢结构。现通过实例来说明，如下表厂房天面造价比较表方案面积(m2)单位投资(元/m2)总投资(万元)施工工期说明钢筋砼形式366120043.9220厂房高9m钢结构形式1505.4910通过比较可以看出，两个方案投资相差为38.43万元，经济性非常明显。且兼具采光好、通风散热快、缩短施工工期等特点，是一种节约投资的好手段。八、大体积部位掺块石厂房的底板、上下游闸墩的中间部位等非主要受力区都可以掺块石，块石采用新鲜、完整、较规则无尖锐棱角的花岗岩为上，直径控制在300-800mm以内，开裂或破碎的石块不得使用，掺石率控制在30%以内，减少混凝土的使用量，同时也减少了大体积部位混凝土的水化热，减少了裂缝产生。九、母线的布置方式采用明排线以往的设计母线从控制屏出来一般是从发电机层电缆沟引出至升压站，对水工的结构设计有一定的要求，且由于弯曲布线，延长了布线，造成了一定程度的浪费。现在可以直接从控制屏的顶部引出母线，沿着厂房墙面连接至升压站。前提也必须满足安全要求高度及其防护安全措施。十、采用合理、科学的装机容量搭配以前设计装机容量喜欢一步到位，比如总装机容量为2000kw的话一般采用2×1000kw的配置，这样的装机容易造成汛期或者丰水期过流造成弃水，而枯水期又因为流量不足而出力不足，发电效益低，因此，根据工程所在地的多年平均径流量的实际出发来合理选择装机容量的搭配显得十分的重要，直接就体现出经济价值来。如上述的装机容量可以采用2×800kw+400kw的搭配或者1250kw+800kw的搭配，充分结合本地区山区河流暴雨集中、汛期短的特点来充分利用水资源，提高发电效益而获得最大的经济效益。经过优化设计，厂房的稳定和应力情况应重新核算，达到规范要求。通过以上各点措施，更加符合经济、实用的要求，提高了性价比，体现出了优异的经济性。以上是本人结合十几年来工程实例的一点设计体会，提出来与大家商榷，有些观点不一定成熟正确，希望可以起到一个抛砖引玉的作用。