水利行业水电站设计方法分析

 　摘要：随着我国社会经济的发展，对能源的需求量越来越大，然而有限的能源无法满足越来越大的能源需求，近年来，这一矛盾更加激化。国家需要为水资源的利用与开发探索新的道路，实现经济发展和能源节约的同时实现。就我国现状而言，能源结构方面主要是以火电为主，但是火力发电本身存在很多的缺陷，如污染较大，能耗较大等。随着煤炭价格的不断上涨，火电的运行成本也不断提高，相比之下水利发电的优势就更加明显。因此，关于水利行业）水电站设计方面的研究就显得格外重要。本文从水电站的设计情况基本情况入手，分析正确的设计方法，对设计工作进行不断的完善，以提高水电站设计工作的质量，为水电站整体工作效率提供基础。 

　　1 引言 

　　长期以来，随着工业生产和人民生活用电量的逐步攀升，不仅对水资源的开发的要求提高了，对质量的要求也越来越高，这就为水电建设提出的新的难题。在面对难题的同时，还要看到其中所提供的机遇，新的要求无疑是对水力发电发展的一个巨大的推动力。因此，在现阶段水电站设计工作上，我们必须抓住机遇，克服困难，使设计质量得到提高，促进水电站整体水平的发展，以满足国内能源的需求，为创建资源节约型，环境友好型社会贡献自己的力量。 

　　2 水电站设计方法分析 

　　2.1主厂房的结构布置设计 

　　2.1.1主厂房的结构设计 

　　（1）屋顶，屋顶包括屋面板：隔热、遮阳、避风雨等。以及预制钢筋混凝土大型屋面板、隔热层、防水层以及保护层等基础部分。 

　　（2）排架柱，承受屋架或屋面大梁、吊车梁、外墙传来的荷载和排架柱自重，并将它们传给厂房下部结构的大体积混凝土。 

　　（3）发电机层和安装间楼板，发电机层楼板承受着自重、机电设备静荷载和人的活荷载，传给梁并部分传发电机机座和水轮机层的排架柱。安装间楼板承受自重、检修或安装时机组荷载和活荷载，传到基础。 

　　（4）围护结构，包括外墙，用以承受风荷载，并将它传给排架柱或壁柱。抗风柱，用以承受厂房两端山墙传来的风荷载，并将它传给屋面大梁和基础或厂房下部大体积混凝土块体。圈梁和连系梁，用以承受梁上砖墙传下的荷载和自重，并传给排架柱或壁柱。 

　　（5）蜗壳和水轮机座环（固定导叶）将机墩传下来的荷载通过座环传到尾水管上，另外水轮机层的设备重量和活荷载通过蜗壳顶板也传到尾水管。 

　　（6）尾水管，承受水轮机座环和蜗壳顶板传来的荷载，经尾水管框架（尾水管顶板、闸墩、边墩和底板构成的）结构再传到基础上。 

　　2.1.2厂房混凝土浇筑的分期和分层分块 

　　对厂房混凝土）浇注进行分期，主要是由于机组到货一般均迟于土建的施工期，且为机组安装创造工作面，为了适应水轮发电机组的安装要求，厂房中的混凝土需要分期浇筑，称为一期和二期混凝土。 

　　一期混凝土一般指的是底板、尾水管、尾水闸墩、尾水平台、混凝土蜗壳外的混凝土、上下游边墙、厂房构架、吊车梁、部分楼板等，在施工时先期浇筑，以便利用吊车进行机组安装。 

　　二期混凝土则是为了机组安装和埋件需要而预留的，要等到机组和有关设备到货后、尾水管圆锥钢板内衬和金属蜗壳安装完毕后，再进行浇筑。二期混凝土包括金属蜗壳外的部分混凝土、尾水管直锥段外包混凝土、机座、发电机风罩外壁、部分楼层的楼板。 

　　水电站厂房水下部分的混凝土属于大体积块体混凝土。其特点是现场浇筑量大，结构几何形状复杂，基础高差大，对裂缝要求严格。由于受混凝土浇筑能力的限制和为了适应厂房形状的变化，因此每期混凝土要分层分块浇筑，便于施工和保证工程质量。 

　　2.1.3厂房结构的分缝和止水 

　　分缝工作中主要可以运用沉降伸缩缝，这是为了防止厂房地基不均匀沉陷，减小下部结构受基础约束产生的温度和干缩应力，沿厂房长度方向设置的伸缩缝和沉降缝（永久缝）。其特点主要有一般都是贯通至地基，只在地基相当好时，伸缩缝才仅设在水上部分，但也需每隔数道伸缩缝设一道贯通地基的沉降伸缩缝。 

　　止水是对厂房水上部分的永久缝中常填充一定弹性的防渗、防水材料，以防止在施工或运行中被泥沙或杂物填死和风雨对厂房内部的侵袭。与此同时，厂房水下部的永久缝应设置止水，以防止沿缝隙的渗漏，重要部位设两道止水，中间设沥青井。止水布置主要取决于厂房类型、结构特点、地基特性等，应采用可靠、耐久而经济的止水型式。 

　　2.2厂房整体稳定及地基应力设计 

　　厂房整体稳定及地基应力应该对沿地基面的抗滑稳定、抗浮稳定、厂基面垂直正应力注等进行计算。而河床式厂房本身是挡水建筑物，厂房地基内部存在软弱层面时，还应进行深层抗滑稳定计算。 

　　在进行计算时，必须要保证厂房在运行、施工和检修期间，在抗滑、抗倾与抗浮方面有足够的安全系数，以保证厂房的整体稳定。并且厂房地基应力必须满足承载能力的要求，不允许发生有害的不均匀沉陷。 

　　由于河床式厂房直接承受上游水压力，在确定地下轮廓线、校核整体稳定性和地基应力时，以两个永久缝之间或一个机组段长度为计算单元，进行稳定分析和地基应力计算时，不能取单宽进行计算。另外厂房有大量的二期混凝土，并可能有分期安装问题，故在机组安装前后荷载变化较大，确定荷载与荷载组合时也有其特点。 

　　荷载主要包括基本何在和特殊荷载，基本何在主要包括了厂房结构及永久设备自重；回填土石重；正常蓄水位或设计洪水位情况下的静水压力等数据。特殊荷载则主要指的是校核洪水位或检修水位情况下的静水压力；相应于校核洪水位或检修水位情况下的扬压力以及地震力等。 

　　厂房整体稳定和地基应力计算应以中间机组段、边机组段和安装间段作为一个独立的整体，按荷载组合分别进行。边机组段和安装间段，除上下游水压力作用外，还可能受侧向水压力的作用，所以必须核算双向水压力作用下的整体稳定性和地基应力。 

　　2.3发电机的支承结构与风罩设计 

　　2.3.1支撑结构计算 

　　发电机的支承结构，其底部与蜗壳顶板联成一体，承受着巨大的静、动荷载，必须具有足够的刚度、强度、稳定性和耐久性。机墩自重，发电机层楼板重及其荷载，发电机定子、励磁机定子及附属设备等重，上机架、下机架重，定子基础板重，下支架在顶起转子时的负荷。这些荷载通过定子基础板作用于机墩顶部。而发电机转子连轴及励磁机等重，水轮机转轮连轴重，轴向水推力。通过推力轴承传给机架再传至机墩。 

　　2.3.2风罩计算 

　　发电机转子连轴及励磁机等重，水轮机转轮连轴重，轴向水推力。通过推力轴承传给机架再传至机墩。当风罩墙半径与壁厚之比（R/δ）大于10，并且高度较大时，可按有限长的薄壁圆筒公式计算，底部固结，顶部自由或径向简支；而当开孔较多且尺寸较大，破坏圆筒整体性时，按圆周上为单宽的竖向梁计算，底部固结，顶部采用自由、铰支、固接或与发电机层楼板刚结，风罩墙与发电机层楼板一起按Γ型框架计算，但环向要适当布筋加强。 

　　3 结语 

　　水电站设计相比拦河坝、水闸、堤防等其他水工建筑物设计更不容易，设计周期较长，首先要做流域规划，然后随之就要进行水资源论证、林地规划、地质灾害评估、环评、水保、地勘、生物多样性评估、可行性论证等等多方面的评估，最后还需要水行政主管部门的批复及发改、财政等有关行政机关的核准文件后才能正式启动。开工后，安全评估和相应阶段的安全鉴定也是必不可少的一项工作。 

　　由此可见，水电站设计是一项相当复杂的工作，因此在日常的生活，我们应当积极探索，认真学习，努力将水电站的设计工作做到最优。 

　　参考文献： 

　　[1]林继镛. 水工建筑物[M]. 北京：中国水利水电出版社，2006第四版：32～120 

　　[2]建设项目质量控制，北京：中国水利水电出版社.1996 

　　[3]袁光裕. 水利工程施工[M]. 北京：中国水利水电出版社，1995第三版