摘 要：图尔古松水电站采用河床式布置， 对工程总体和发电厂房布置进行详细介绍， 结合工程所处严寒环境和冬季来水少的特点， 进行了防冰冻设计和采用大小机组组合设计， 给类似工程提供借鉴。
关键词：河床式厂房； 厂房布置； 防冰冻设计； 大小机组合；
Abstract: The river bed arrangement is adopted in Tulgusong Hydropower Station. The overall project and the house layout of the power plant are introduced in detail. Combined with the cold environment of the project and the characteristics of less water coming from winter, the anti-freezing design and the combination design of large and small units are carried out. To provide reference for similar projects.
Keyword: riverbed factory building; plant layout; anti-freezing design; size machine combination;
1、 工程概况
图尔古松水电站工程位于哈萨克斯坦图尔古松河上， 多年平均径流量13.53亿m3, 水库总库容880万m3, 有效库容640万m3, 设计引用流量为121m3/s, 具有日调节性能。电站装机容量24.9MW, 多年平均发电量0.798亿k W·h.电站厂房为河床式布置， 洪水设计标准按50年一遇洪水设计， 1000年一遇洪水校核。工程区气候属于极端大陆性气候， 冬季寒冷漫长， 夏季短暂炎热， 季节和昼夜温差大。根据该国的“技经报告”, 项目所在地多年平均气温-1.5℃， 最低月平均气温-17.7℃， 绝对最低气温-51℃。
2、 工程总体布置设计
电站坝址处河床开阔， 坝线范围内有足够的空间布置发电厂房及其附属建筑物， 同时结合电站的装机规模及工作水头， 选用河床式布置较为适宜。结合泄洪及施工导流的布置方案， 泄洪建筑物布置于主河槽内， 厂房布置在泄洪建筑物左侧的阶地上， 左、右岸挡水建筑物均为混凝土重力坝。发电厂房作为独立的挡水建筑物， 与枢纽大坝一字排列， 此种布局的优点是枢纽建筑物布置紧凑， 交通便利。电站建筑物由主厂房 （包括进水口、主机间、副厂房及安装间） 、主变室、进水渠、尾水渠及其他建筑物组成。主机间布置在安装间右侧， 沿坝轴线呈“一”字形布置， 其中主机间与进水口段按独立的挡水建筑物设计， 安装间布置在挡水坝段下游。副厂房在主机间上、下游侧均有布置， 主变室布置在左岸阶地上。安装间下游场地地坪高程为548.70m, 通过进厂道路与外界相通。
主厂房总长55m, 宽46.8m, 其中主机间长34m, 安装间长21m, 主机间与安装间之间设0.1m抗震缝。主机间装有2台11.5MW的大机组和1台1.9MW的小机组， 小机组布置在左侧与1台大机组做为一个机组段， 另1台大机组单独作为一个机组段， 两机组段之间设0.01m伸缩缝。进水渠长35m, 宽53.8m, 上游以小角度与主河槽相接， 尾水渠长83.4m, 宽30.5m, 下游斜向汇入主河槽。
3、 厂房布置设计
3.1、 机组型式和装机容量
河床式水电站可以选择混流式或轴流式机型， 根据分析， 两种机型的混凝土工程量相当， 对于混流式机组土方开挖量要少一些， 但混流式机组的造价要高一些， 且不能满足在二期导流期间发电的要求， 故选择轴流式机组。分析工程河段装机容量开发潜力的基础上， 对工程装机容量方案进行装机比选， 采用最大经济效益法进行分析， 最后推荐采用电站总装机24.9MW, 平均装机利用小时数为3190h, 计算水能利用率为82.5%.由于工程所处地区冬季严寒， 来水流量较小， 根据业主要求， 电站需要在冬季持续发电， 经过综合比较， 选用1台1.9MW的小机组加2台11.5MW的大机组组合方案， 可以满足要求。
3.2、 主厂房布置
主厂房顺水流方向依次为进水口、主机间、下游副厂房和尾水平台。其中进水口段长19.6m, 主机间段长15.5m, 尾水段长11.7m.厂房横剖面见图1.进水口为整体式， 采用正向进水， 由喇叭形进水口、拦污栅 （检修闸门与拦污栅共用门槽） 和快速门及其启闭设备组成。进水口分为5孔， 每孔净宽4m, 对应2台大机组及1台小机组。进水口采用上翘式喇叭形流道进口， 进水口底高程为541.00m, 拦污栅处孔口高度为10.4m, 末端逐渐收缩与机组混凝土流道平顺相接。进水口前缘布置有混凝土胸墙， 胸墙下端采用1:1.2斜段过渡与进口流道平顺连接。进口段每孔布置一道直立式拦污栅， 为减少拦污栅被堵塞， 采用淹没式布置， 拦污栅底槛高程为541.00m, 检修门为潜孔式平面滑动钢闸门， 与拦污栅共用门槽， 非检修期放置于深孔泄洪坝段的门库内。快速门布置在下游侧， 平时悬于孔口上方待命， 在机组发生故障时快速关闭， 截断水流， 保护机组， 以免事态扩大。快速门门型为平面定轮钢闸门， 启闭设备为固定卷扬式启闭机。交通桥顶高程为571.00m, 与坝顶交通相连， 交通桥上布置有一台门机， 供启闭检修闸门及清污之用， 并与右岸深孔泄洪坝段共用。主机间内布置3台水轮发电机， 总装机容量为24.9MW, 其中安装2台立式轴流转桨机组， 单机容量11.5MW, 安装高程535.67m, 采用梯形断面180°包角混凝土蜗壳；安装1台混流式机组， 单机容量1.9MW, 安装高程538.30m, 金属蜗壳。主机间在两台大机组设置一道伸缩缝， 缝宽0.01m.主机间从下而上依次为蜗壳层、水轮机层和发电机层。蜗壳层高程533.50m, 在两台大机组右墩墙侧布置有宽1m的连通廊道， 可进入大机尾水管和检修排水廊道层， 检修排水廊道高程526.80m, 布置有检修排水泵和渗漏排水泵， 检修排水泵在检修时直接将尾水管的水排至下游尾水渠内， 渗漏排水泵布置在集水井内。水轮机层高程538.00m, 同时作为小机的蜗壳层， 经进人孔可进入大机水轮机室和小机尾水管内， 布置有调速器、油压装置等设备。发电机层高程545.10m, 距轨顶高度为16.40m, 上游侧布置有吊物孔， 经水轮机层可直通至检修排水廊道层。主机间上下游侧各布置有副厂房， 上游侧利用主机间与进水口之间的空间布置有两层， 下面一层与发电机层等高， 布置有通风机室和电锅炉房， 作为整个厂房供热的源头；上面一层与地面层等高， 布置有油罐室、油处理室和柴油发电机房等。下游侧副厂房地面以下4层， 分别为技术供水泵室、空压机室和生活消防水泵房、电缆夹层以及10k V开关柜室；地面以上3层， 分别为35k V开关柜室和蓄电池室、中控室和继电保护室以及最顶层的办公室等房间。在下游副厂房的左右两侧各布置了一部上下连通的楼梯， 并在左侧楼梯边上布置了吊物孔， 满足副厂房的设备运输需要， 在上游副厂房右侧、主机间和安装间之间均设有楼梯， 满足日常的运行和安全消防通道要求。发电尾水通过尾水管进入尾水渠， 尾水管采用平直管， 出口处设置直升式平面钢闸门， 由设置在副厂房下游侧的电动葫芦进行起吊。尾水管出口处底高程大机组为527.82m, 小机组为534.60m, 尾水管出口548.70m高程设置尾水平台， 与地面等高， 可满足电站运行时的人员巡视以及闸门的简易维修的功能要求。
3.3、 安装间及主变室布置
安装间布置在主机间左侧， 长21m, 宽15.3m, 框架结构， 安装场高程为549.00m, 采用钢筋混凝土板梁结构。安装间平面尺寸满足一台机组检修时， 上机架、定子、转子及转轮同时放置检修的要求。进厂大门设在安装间下游， 拖车可由进厂公路直接进厂。主机间和安装间的屋架采用轻型钢结构屋架， 双面排水。主变室布置在安装间下游侧， 以利于主变的运输和检修。主变室长20.3m, 宽11m, 室内布置2台SCZ10-16000/37/10.5主变压器。
3.4、 进水建筑物布置
进水建筑物上游设置拦沙坎， 以防河道内的推移质进入流道， 拦沙坎采用衡重式的浆砌块石结构， 轴线斜向顺着主河道边坡布置， 与河床水流方向成56°角， 与上游厂闸导墙相接， 坎顶高于河床0~5m, 能有效将推移质导向深孔泄洪闸并排向下游。为减少底孔泄洪时的水流扰动对发电机组的影响， 厂房进水口与深孔泄洪坝段之间布置了上游厂闸导墙， 导墙为半重力式混凝土结构， 向库内延伸20m, 墙顶高程554.60m, 与死水位相同。在靠近厂房进水口的底部留了三个斜向的排沙孔， 底孔泄洪时利用吸力带走一部分进水渠内淤积泥沙， 减轻机械清淤的工作量。进水渠左侧布置导流明渠上游外导墙， 在一、二期导流期间作为导流明渠的岸坡挡墙， 双向挡水， 后期作为进水渠的边坡挡墙， 做到永临结合， 节省工程量。
3.5、 尾水建筑物布置
尾水管出口与尾水渠相接， 尾水渠前段采用1:4的反坡过渡至538.00m河床高程， 并经平段与下游河床相接， 因大机尾水管出口高程与小机尾水管出口高程有6.78m的高差， 利用闸墩2m厚的宽度以1:0.3的坡比进行放坡过渡， 将两个尾水出口进行很好地衔接。尾水渠与右侧深孔泄洪坝段之间布置下游厂闸导墙， 左岸采用衡重式挡墙结构， 墙后采用透水性好的石渣回填， 减小冻胀土对挡墙稳定的影响， 挡墙顶高程为548.70m.
4、 防冰冻设计
因工程地处严寒地区， 最长冰冻期可达6个月， 多年平均冰厚0.8m, 最大结冰厚度2m, 冰冻、凌汛问题极为突出， 做好冬季防冰冻措施至关重要。施工图设计阶段对电站运行调度、水工建筑物抗冻设计、金结和机电设备防冻融冰保温措施、冬季低温季节土建施工、厂房内采暖通风等相关的问题进行研究， 精心设计并补充完善严寒地区河床式水电站防冰冻设计方案。电站运行调度方面， 冰冻初期水库尽量维持较高水位运行， 确保冰盖形成在较高水位， 合适时段加大发电放水流量， 抬高下游河道封冰位置。需注意避免产生尾水在冰上流水而抬高尾水位的问题， 以免对电站运行和下游居民生命财产安全造成影响。厂房结构抗冻设计方面， 混凝土在长期处于水下或水位变动区， 采用C30W6F300二级配混凝土， 在进水口迎水面水位变动区喷涂2mm厚的聚脲材料， 以便适应严寒地区的低温环境， 抵抗低温时混凝土开裂引起的形变而不渗漏， 通过加强混凝土防渗来改善抗冻效果。挡土墙墙后填土顶面做好防水和排水措施， 挡土墙设置排水孔， 墙后设置反滤层， 降低墙后地下水位， 减小墙后回填土冻胀的影响。金属结构方面， 进水口拦污栅孔口上方的冰盖采用人工除冰法清除， 以便清污；进水口及尾水检修闸门水封处因渗水而结成的冰采用电热法融化， 孔口上方的冰盖采用人工除冰法清除；快速闸门处利用电热法在闸门井内取暖， 井顶加盖保温， 该系统为常开状态， 保证闸门井内水体不结冰。根据需要相应设置电热融冰设备， 在临近位置布置配套的电气柜。混凝土低温季节施工从原材料准备、骨料加热、混凝土拌和、混凝土运输、混凝土浇筑与保温、拆模与养护、质量监控等施工环节进行了详细考虑， 因篇幅有限， 在此不展开叙述。建筑外墙采用500厚加气混凝土砌块， 屋面采用保温材料， 外窗采用双层窗， 主要出入口设置门斗等措施较小室内外温度传导。考虑到冬季生产设备的安全运行、值班办公人员的舒适性需求， 设置了采暖设施， 采暖系统采用散热器采暖、空调采暖、暖风机系统相结合的方式， 保证室内温度发电时不低于10℃， 维护检修时室内温度不低于5℃。
图1 厂房横剖面图
5、 结束语
本电站借鉴国内外类似水电站的工程设计经验， 工程总体布置、厂房结构布置紧凑合理， 运行管理方便， 工程投资节省， 结合工程所处严寒的环境和冬季来水少的特点， 进行了抗冰冻设计及采用大小机组组合设计， 给类似工程提供借鉴。
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