吉沙水电站发电系统布置与设计

韩小鸣，张大成，曹广勋，梁健龙，张慧敏，杜贤军

（中国水电顾问集团北京勘测设计研究院，北京 100024）

吉沙水电站总装机容量120 MW （2×60 MW），发电额定水头485.0 m，是一座以发电为主的水电站。电站采用引水式开发，厂房设于全长15.58 km的引水系统末端，采用岸边式地面厂房形式，内设立轴水斗式冲击水轮机组。发电系统主要由厂区建筑物、主副厂房、尾水渠、开敞式开关站等部分组成，布置设计主要包括：厂区建筑物布置、主副厂房布置及其结构设计、开关站布置、厂房后边坡开挖支护设计等。

本工程为Ⅲ等工程，其主要建筑物厂房和开关站等为3级建筑物，次要建筑物为4级建筑物。设计洪水标准为50 a一遇，相应洪峰流量为370 m3/s，校核洪水标准为200 a一遇，相应洪峰流量为501 m3/s。工程所在区域地震动峰值加速度为0.2 g，动反应特征周期为0.4 s，工程所在的大中甸地区地震基本烈度为Ⅷ度，厂房设防烈度8度。

1 厂区布置

厂房设计和校核洪水尾水位分别为2 584.15 m和2 584.67 m，厂区布置在花椒坡村河床左岸较为平坦的滩地上，平台高程2 599.20 m。

厂区内主要布置有：主机间、安装间、上下游副厂房、尾水渠、开关站、机修间等建筑物。主厂房内布置2台机组，左端布置安装间，上、下游侧分别布置电气副厂房和尾水副厂房。上游副厂房的上游侧设6 m宽的消防通道，主厂房下游侧的尾水平台上布置两台主变压器，安装间下游侧布置机组检修间。进水管以埋管形式垂直进入厂房。发电尾水自下游尾水箱涵以无压流方式，通过0.2%的纵坡流向硕多岗河主河道。开关站布置于厂房尾水平台下游侧，地坪高程2 596.50 m。进厂公路从厂区左侧进场，在距厂房约200 m处分叉，分别通往厂前区和开关站。

为减少工程量，节省工程投资，厂区采用半挖半填台阶式布置形式，形成厂区平台和开关站平台。厂前区地坪采用200 mm厚C30 F150二级配混凝土铺设。

2 厂房布置

2.1 厂房总体布置

2.1.1 厂房控制高程

冲击式水轮机组安装高程须高于下游最高尾水位3.5 m。下游最高尾水位为2 584.67 m，结合地形、地质条件及开挖、回填工程量，水轮机的安装高程取2 588.50 m。

厂房基础高程由机组安装高程、尾水管高度和尾水管底板厚度等因素决定。吉沙水电站尾水为无压明流，考虑到单机引用流量14.37 m3/s、厂房尾水下游河道河床底高程2 576.00 m、尾水流道宽5 m、控制流道中最高校核洪水位2 584.67 m，低于顶板，并留有不少于0.7 m的通气高度等因素，确定电站尾水底板高程为2 582.50 m，相应厂房建基高程为2 579.00 m。

球阀层地面高程由水轮机检修通道和球阀安装、运输布置要求，确定为2 585.70 m。

水轮机层地面高程，即进水管上部外包混凝土顶部高程。为使上部荷载能均匀下传，按外包混凝土厚度不小于1.5 m控制，并满足上游球阀安装和廊道交通要求，确定水轮机层地面高程为2 590.50 m。

在发电机层和水轮机层之间布置母线层以满足母线布置要求。由于母线层布置了发电机断路器等设备，层高要求较高，其地面高程取为2 594.00 m。

发电机层地面高程以发电机和大轴的高度以及下部母线夹层设备布置要求决定，确定为2 599.20 m。

厂房吊车轨顶高程由吊运最大设备及发电机转子带轴的高度控制，吊车采用单钩起吊，考虑其下缘和发电机层地面留有一定的安全距离以及吊车本身的设计参数，确定厂房吊车轨顶高程为2 610.20 m。

厂房屋架底高程考虑厂房吊车高度、吊车距屋面梁安全距离等因素，确定为2 614.50 m。

2.1.2 厂房平面控制尺寸

1号机组段为右侧边机组段，－X向长度由发电机尺寸和吊钩限制线控制，+X方向由进水管和球阀布置尺寸控制，并考虑垂直交通的布置要求。根据风罩内径8 m，风罩壁厚0.8 m，吊钩限制线距厂房山墙距离5.5 m，确定1号机组段长度为20 m。

2号机组段位于1号机组段和安装间之间，虽不受吊钩限制线的影响，但考虑厂房整体设备布置要求，确定2号机组段长度为19 m。

厂房机组纵轴线上游侧宽度根据进水管进口球阀的设置确定为11.50 m。机组纵轴线下游侧宽度除考虑发电机尺寸及机旁盘等设备布置外，还应考虑厂内交通要求，最终确定为9.5 m。主厂房宽21 m。

安装间长度按满足1台机安装检修时布置转子、转轮和定子、上机架等部件和所需的检修通道以及厂内吊车运用要求控制，确定按19.00 m设置。

最终厂房平面尺寸确定为：厂房机组段长度为39 m，安装场长度为19 m，主厂房总长度为58 m，主厂房宽度为21 m。

2.2 主机间布置

主机间共分5层，自上而下分别为发电机层、母线层、水轮机层、球阀层和尾水层。

2.2.1 发电机层

发电机层中央为两台发电机组，各机组段上游边墙处布置有1排机旁动力盘以及为满足球阀垂直运输而设置的4 m×3.5 m球阀吊物孔，下游侧靠边墙布置1排励磁盘和现地控制保护盘。在第IV象限布置水轮机转轮起吊孔，孔口尺寸为3.2 m×3.2 m。

主厂房内起吊最重件为发电机转子，其质量约140 t，选择1台1 600 kN/3200 kN的单小车桥式起重机。主钩限制线上游侧为1.5 m，下游侧为1.95 m，山墙端头侧均为5.5 m。

2.2.2 母线层

母线层发电机周围风罩为圆形混凝土结构，内径8 m，外径9.6 m，风罩结构厚0.8 m，在风罩＋Y方向为机组主引出线位置。母线层除布置与上层对应的楼梯和吊物孔外，还布置有主引出线、发电机中性点设备和动力、控制电缆、油压装置、调速器等。

2.2.3 水轮机层

水轮机层中间圆形机墩内径5.14 m，壁厚2.225 m，机坑进人孔布置在第三象限内偏向第四象限。

2.2.4 球阀层

球阀层主要布置有进水管和球阀，其中上游球阀检修廊道宽3.25 m，球阀下部布置球阀支墩，球阀中心高程同机组安装高程，为2 588.50 m。在机组第II象限内布置转轮检修廊道，廊道宽3.2 m，通至吊物孔位置，以便转轮垂直起吊。

2.2.5 尾水层

尾水层主要是机组尾水流道，对应水轮机转轮下部为直径6.52 m的圆形结构，再通过一矩形流道，将水流引至尾水渠。尾水层底板坐落在板岩基础上。

2.3 安装间布置

安装间布置在2号机组段左侧，从地面往下共分3层布置。

第1层地面高程为2 599.20 m，与主机间发电机层同高。机组纵轴线上游侧布置定子检修支墩孔，设有转子及定子检修基础。下游墙靠2号机组段处布置2号楼梯通至下层。进厂大门设置于本层左侧，主变检修轨道由进厂大门铺设到安装间内。

第2层地面高程为2 594.00 m，与母线层同高，层内各室隔墙厚0.4 m。在靠左端墙处布置压气罐室，平面尺寸5.34 m×19.4 m。靠2号机组段侧布置高、低压空压机室和工具间等。下游墙处布置楼梯通至下层。

第3层地面高程为2 589.00 m，层内各室隔墙厚0.4 m。靠左端墙处布置透平油罐室，平面尺寸4.84 m×18.0 m。油罐室外布置透平油处理室和烘箱室，在油处理室下部布置8 m×4 m的事故油池，油池地面高程为2 584.40 m。靠机组段侧设置了全厂通风机室。

2.4 上、下游副厂房布置

2.4.1 上游副厂房

上游副厂房与主厂房同长，总长度为58 m，宽度为9 m。共分为5层 （安装间段4层），地面以上3层，地面以下主机间段两层，安装间段1层。第1层 (顶层)地面高程为2 607.20 m，从右至左分别布置有直流盘室、蓄电池室、通信室、线路保护室等；第2层为电缆夹层，地面高程为2 604.20 m；第3层与发电机层同高，布置有备品备件室、仪表试验室、机电保护试验室会议室等。中控室和计算机室布置在安装间上游侧，总长19 m，宽9 m；第4层与母线层同高，布置有通风机室、低压配电盘室和开关柜室等；第5层为电缆层，地面高程与水轮机层同高。

2.4.2 下游副厂房

下游副厂房和主机间对应，共分5层。第1层即尾水平台，总宽12.3 m，总长39 m，布置有两台主变压器，变压器下为集油坑。主变下游侧布置主变运输通道，通向安装间，满足主变进厂检修要求。；第2层地面高程为2 594.00 m，有10 kV开关柜、发电机断路器柜等设备各两套，对应两台机组布置；第3层地面高程为2 590.50 m，主要布置励磁变等，在两端布置电缆层；第4层地面高程为2 586.70 m，为水泵层；第5层地面高程为2 580.00 m，为尾水层。尾水流道自水轮机流道出口宽度为7.9 m经8.5 m长静水池后渐缩为宽3.0 m，进入尾水渠。

2.5 尾水建筑物

尾水建筑物主要为尾水明渠，布置在厂房下游侧与厂房纵轴线垂直,渠道为矩形截面钢筋混凝土结构，截面净宽3 m，顺水流方向保持渠顶高程不变，渠底以0.2%纵坡排向下游硕多岗河，渠道进口处净高3.2 m，长约80 m，最大运行水深2.42 m。

尾水渠出口段系硕多岗河大回弯处，江岸平直，落差较大，水流较快，河床裸露岩石，因此不会出现严重的淤积现象。尾渠末端采用浆砌石及铅丝石笼护根。同时在尾水渠出口左右约总长223 m的范围内设置砌石护坡及铅丝笼护根。

3 厂房主要结构布置

厂房主要混凝土结构按浇筑顺序分为一、二期混凝土，在地面以下 (2 599.20 m高程以下)的一期混凝土结构采用钢筋混凝土底板、墙体结构，二期混凝土包括风罩、机墩、配水环管外包混凝土及主机间内各层楼板结构。地面以上 (2 599.20 m高程以上)采用排架和框架结构。

整个主、副厂房在1号与2号机组段间及2号机组段与安装间段间设结构缝，缝宽2cm。缝内上、下游及底面设651型橡胶止水带。缝内填高发泡聚乙稀闭孔泡沫塑料板。

3.1 主厂房一期混凝土结构布置

发电机层2599.20m高程以下一期混凝土主要包括尾水管底板、上下游副厂房及安装间底板、上下游副厂房四周混凝土墙体、安装间四周混凝土墙体、主机间四周混凝土墙体、上下游副厂房及安装间发电机层以下楼面及楼面板梁柱结构。

发电机层2 599.20 m高程以上主厂房一期混凝土采用排架结构，1、2号及安装间上下游各布置12根排架柱，结构缝处采用双柱形式。排架柱自地面以下水轮机层向上伸至屋架底部，顶端部作为网架支点，下柱截面1.5 m×0.8 m，上柱截面0.8 m×0.8 m。在上、下柱交接面处外伸吊车梁牛腿支承C35预制混凝土吊车梁，梁高1.4 m，矩形截面。吊车梁顶部桥机轨道顶部高程2 610.20 m。

上游副厂房采用框架结构。上游侧在上游副厂房2 599.15 m以下混凝土墙体结构顶部起柱，柱截面尺寸0.5 m×0.5 m，直达屋顶，结构缝处采用双柱形式。下游侧与主机间、安装间共用排架柱，每层楼板的主梁直接搭接于主厂房排架柱上，排架柱间在楼面高程处的联系梁同时又是副厂房的框架梁。上游副厂房每层楼板厚度为0.15～0.12 m。采用主次梁传力结构，次梁设于走廊隔墙下部。在每层楼板上按建筑通风及机电设备安装要求留孔。

3.2 厂房二期混凝土结构布置

二期混凝土结构主要包括配水环管外包混凝土、机墩、风罩和各层二期混凝土楼面板。

（1）配水环管外包混凝土。配水环管外包混凝土内径6.52 m。外侧为14.5 m×18 m的矩形平面。在大体积混凝土中设有7边形转轮吊物孔及矩形转轮水平运输通道。

（2）机墩。机墩采用圆筒式混凝土机墩,底部固结在配水环管外包混凝土顶板大体积混凝土上，上部与风罩连接。机墩的下部圆筒内侧半径2.57 m，外侧半径4.8 m，壁厚2.23 m；中部内侧半径1.95 m，外侧半径为4.8 m，壁厚2.85 m；上部内侧半径2.57 m，外侧半径4.8 m，壁厚2.23 m。机墩右侧设1个宽度为1.5 m的机坑进人通道。

（3）风罩。风罩为现浇整体钢筋混凝土结构，其上部与发电机层楼板整体连接，下部与机墩环向连接，是薄壁圆筒式结构。外径9.6 m，内径8 m，壁厚为0.8 m，顶高程2 599.15 m，底高程2 594.09 m，高度为5.06 m。风罩壁开有引出母线孔、中性点引出线孔及风罩进人门等孔洞。

（4）主机间二期混凝土楼板。主机间内各层二期混凝土楼板结构厚0.7～0.45 m，上下端分别与风罩、机墩、配水环管外包混凝土整体连接。主要承受楼板自重、装修荷载、机电盘柜荷载、活荷载。

4 厂房基础处理及后边坡开挖支护设计

4.1 基底固结灌浆

在主、副厂房底部岩基作固结灌浆处理。固结灌浆采用普通硅酸盐水泥，按分序加密、先外围后中央的原则，采用全孔一次灌浆法，分两个次序施工。固结灌浆孔孔径59 mm，间排距2 m×2 m。孔深在主机间和上下游副厂房底部入岩5 m，在安装间底部入岩8 m。

4.2 厂房后边坡开挖支护

经有限元分析数值模拟计算及极限平衡分析，根据计算结果及工程类比确定支护方式、参数。并在实际施工过程中，根据边坡实际开挖揭示出来的地质情况进行调整后最终形成如下边坡设计：

整个边坡共设5级马道。高程2 599.15～2 680.00 m，边坡根据覆盖层 （全风化）和崩坡积体稳定永久边坡坡比1:1.5进行开挖，设φ90 mm排水孔，孔内插φ80 mm塑料盲沟排水，孔深5 m，孔距4 m×4 m，仰角10°。打丁字形土锚钉，挂钢筋网喷0.15 m厚混凝土。并在局部欠挖区域设打1 000 kN预应力锚索支护。

2 680.00 m高程以上按强风化体进行开挖支护设计，高程2 680.00 m～2 710.00 m按照1:0.5进行开挖，2710.00m～顶边坡顶部按照1:0.75进行开挖。均设φ56 mm@8 m×8 m排水孔，φ22 mm@2 m×2 m系统锚杆并挂φ6 mm@0.2 m×0.2 m钢筋网，喷0.15 m厚混凝土支护。

为避免滚石和山坡洪水冲击厂房，在后山坡从上往下分别在高程2 680.00、2 650.00、2 620.00 m设置浆砌石截水墙，墙高1 m，顶宽0.6 m。

由于电站厂区后山坡较高，为防止较大落石对厂房造成危害，在厂区内后山坡与厂房间，距厂房6 m处设置浆砌石挡渣墙阻挡落石。墙体布置自厂区右侧经厂房上游侧延伸到厂区左侧进厂公路终点。挡渣墙高3 m，顶宽0.5 m，上游侧直立，下游侧坡比1:0.4。

5 开关站布置

开关站布置在主厂房下游的台地上，与厂房平行布置，地面高程为2 596.50 m，高于千年洪水位。其上游围墙距机组纵轴线21.9 m，面积为104 m×45 m。整个场地为半挖半填形成。

电站共设两回220 kV输电线路，自下游副厂房顶部出线点接至开关站进线构架，经母线构架传输至左侧出线构架输出。开关站四角及上游侧共设有5个30 m高避雷针。

开关站内电气构、支架采用钢管混凝土结构及钢结构，钢筋混凝土基础。场地四周设3.5 m宽环场公路。场地采用砖砌围墙与外界建筑物隔离，围墙高2.5 m。