摘要：隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對能源的需求量越來越大，然而有限的能源無法滿足越來越大的能源需求，近年來，這一矛盾更加激化。國家需要為水資源的利用與開發(fā)探索新的道路，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能源節(jié)約的同時(shí)實(shí)現(xiàn)。就我國現(xiàn)狀而言，能源結(jié)構(gòu)方面主要是以火電為主，但是火力發(fā)電本身存在很多的缺陷，如污染較大，能耗較大等。隨著煤炭價(jià)格的不斷上漲，火電的運(yùn)行成本也不斷提高，相比之下水利發(fā)電的優(yōu)勢就更加明顯。因此，關(guān)于水利行業(yè)）水電站設(shè)計(jì)方面的研究就顯得格外重要。本文從水電站的設(shè)計(jì)情況基本情況入手，分析正確的設(shè)計(jì)方法，對設(shè)計(jì)工作進(jìn)行不斷的完善，以提高水電站設(shè)計(jì)工作的質(zhì)量，為水電站整體工作效率提供基礎(chǔ)。
1 引言
長期以來，隨著工業(yè)生產(chǎn)和人民生活用電量的逐步攀升，不僅對水資源的開發(fā)的要求提高了，對質(zhì)量的要求也越來越高，這就為水電建設(shè)提出的新的難題。在面對難題的同時(shí)，還要看到其中所提供的機(jī)遇，新的要求無疑是對水力發(fā)電發(fā)展的一個(gè)巨大的推動(dòng)力。因此，在現(xiàn)階段水電站設(shè)計(jì)工作上，我們必須抓住機(jī)遇，克服困難，使設(shè)計(jì)質(zhì)量得到提高，促進(jìn)水電站整體水平的發(fā)展，以滿足國內(nèi)能源的需求，為創(chuàng)建資源節(jié)約型，環(huán)境友好型社會(huì)貢獻(xiàn)自己的力量。
2 水電站設(shè)計(jì)方法分析
2.1主廠房的結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)
2.1.1主廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
�。�1）屋頂，屋頂包括屋面板：隔熱、遮陽、避風(fēng)雨等。以及預(yù)制鋼筋混凝土大型屋面板、隔熱層、防水層以及保護(hù)層等基礎(chǔ)部分。
（2）排架柱，承受屋架或屋面大梁、吊車梁、外墻傳來的荷載和排架柱自重，并將它們傳給廠房下部結(jié)構(gòu)的大體積混凝土。
（3）發(fā)電機(jī)層和安裝間樓板，發(fā)電機(jī)層樓板承受著自重、機(jī)電設(shè)備靜荷載和人的活荷載，傳給梁并部分傳發(fā)電機(jī)機(jī)座和水輪機(jī)層的排架柱。安裝間樓板承受自重、檢修或安裝時(shí)機(jī)組荷載和活荷載，傳到基礎(chǔ)。
（4）圍護(hù)結(jié)構(gòu)，包括外墻，用以承受風(fēng)荷載，并將它傳給排架柱或壁柱�？癸L(fēng)柱，用以承受廠房兩端山墻傳來的風(fēng)荷載，并將它傳給屋面大梁和基礎(chǔ)或廠房下部大體積混凝土塊體。圈梁和連系梁，用以承受梁上磚墻傳下的荷載和自重，并傳給排架柱或壁柱。
�。�5）蝸殼和水輪機(jī)座環(huán)（固定導(dǎo)葉）將機(jī)墩傳下來的荷載通過座環(huán)傳到尾水管上，另外水輪機(jī)層的設(shè)備重量和活荷載通過蝸殼頂板也傳到尾水管。
�。�6）尾水管，承受水輪機(jī)座環(huán)和蝸殼頂板傳來的荷載，經(jīng)尾水管框架（尾水管頂板、閘墩、邊墩和底板構(gòu)成的）結(jié)構(gòu)再傳到基礎(chǔ)上。
2.1.2廠房混凝土澆筑的分期和分層分塊
對廠房混凝土）澆注進(jìn)行分期，主要是由于機(jī)組到貨一般均遲于土建的施工期，且為機(jī)組安裝創(chuàng)造工作面，為了適應(yīng)水輪發(fā)電機(jī)組的安裝要求，廠房中的混凝土需要分期澆筑，稱為一期和二期混凝土。
一期混凝土一般指的是底板、尾水管、尾水閘墩、尾水平臺(tái)、混凝土蝸殼外的混凝土、上下游邊墻、廠房構(gòu)架、吊車梁、部分樓板等，在施工時(shí)先期澆筑，以便利用吊車進(jìn)行機(jī)組安裝。
二期混凝土則是為了機(jī)組安裝和埋件需要而預(yù)留的，要等到機(jī)組和有關(guān)設(shè)備到貨后、尾水管圓錐鋼板內(nèi)襯和金屬蝸殼安裝完畢后，再進(jìn)行澆筑。二期混凝土包括金屬蝸殼外的部分混凝土、尾水管直錐段外包混凝土、機(jī)座、發(fā)電機(jī)風(fēng)罩外壁、部分樓層的樓板。
水電站廠房水下部分的混凝土屬于大體積塊體混凝土。其特點(diǎn)是現(xiàn)場澆筑量大，結(jié)構(gòu)幾何形狀復(fù)雜，基礎(chǔ)高差大，對裂縫要求嚴(yán)格。由于受混凝土澆筑能力的限制和為了適應(yīng)廠房形狀的變化，因此每期混凝土要分層分塊澆筑，便于施工和保證工程質(zhì)量。
2.1.3廠房結(jié)構(gòu)的分縫和止水
分縫工作中主要可以運(yùn)用沉降伸縮縫，這是為了防止廠房地基不均勻沉陷，減小下部結(jié)構(gòu)受基礎(chǔ)約束產(chǎn)生的溫度和干縮應(yīng)力，沿廠房長度方向設(shè)置的伸縮縫和沉降縫（永久縫）。其特點(diǎn)主要有一般都是貫通至地基，只在地基相當(dāng)好時(shí)，伸縮縫才僅設(shè)在水上部分，但也需每隔數(shù)道伸縮縫設(shè)一道貫通地基的沉降伸縮縫。
止水是對廠房水上部分的永久縫中常填充一定彈性的防滲、防水材料，以防止在施工或運(yùn)行中被泥沙或雜物填死和風(fēng)雨對廠房內(nèi)部的侵襲。與此同時(shí)，廠房水下部的永久縫應(yīng)設(shè)置止水，以防止沿縫隙的滲漏，重要部位設(shè)兩道止水，中間設(shè)瀝青井。止水布置主要取決于廠房類型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、地基特性等，應(yīng)采用可靠、耐久而經(jīng)濟(jì)的止水型式。
2.2廠房整體穩(wěn)定及地基應(yīng)力設(shè)計(jì)
廠房整體穩(wěn)定及地基應(yīng)力應(yīng)該對沿地基面的抗滑穩(wěn)定、抗浮穩(wěn)定、廠基面垂直正應(yīng)力注等進(jìn)行計(jì)算。而河床式廠房本身是擋水建筑物，廠房地基內(nèi)部存在軟弱層面時(shí)，還應(yīng)進(jìn)行深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算。
在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，必須要保證廠房在運(yùn)行、施工和檢修期間，在抗滑、抗傾與抗浮方面有足夠的安全系數(shù)，以保證廠房的整體穩(wěn)定。并且廠房地基應(yīng)力必須滿足承載能力的要求，不允許發(fā)生有害的不均勻沉陷。
由于河床式廠房直接承受上游水壓力，在確定地下輪廓線、校核整體穩(wěn)定性和地基應(yīng)力時(shí)，以兩個(gè)永久縫之間或一個(gè)機(jī)組段長度為計(jì)算單元，進(jìn)行穩(wěn)定分析和地基應(yīng)力計(jì)算時(shí)，不能取單寬進(jìn)行計(jì)算。另外廠房有大量的二期混凝土，并可能有分期安裝問題，故在機(jī)組安裝前后荷載變化較大，確定荷載與荷載組合時(shí)也有其特點(diǎn)。
荷載主要包括基本何在和特殊荷載，基本何在主要包括了廠房結(jié)構(gòu)及永久設(shè)備自重；回填土石重；正常蓄水位或設(shè)計(jì)洪水位情況下的靜水壓力等數(shù)據(jù)。特殊荷載則主要指的是校核洪水位或檢修水位情況下的靜水壓力；相應(yīng)于校核洪水位或檢修水位情況下的揚(yáng)壓力以及地震力等。
廠房整體穩(wěn)定和地基應(yīng)力計(jì)算應(yīng)以中間機(jī)組段、邊機(jī)組段和安裝間段作為一個(gè)獨(dú)立的整體，按荷載組合分別進(jìn)行。邊機(jī)組段和安裝間段，除上下游水壓力作用外，還可能受側(cè)向水壓力的作用，所以必須核算雙向水壓力作用下的整體穩(wěn)定性和地基應(yīng)力。
2.3發(fā)電機(jī)的支承結(jié)構(gòu)與風(fēng)罩設(shè)計(jì)
2.3.1支撐結(jié)構(gòu)計(jì)算
發(fā)電機(jī)的支承結(jié)構(gòu)，其底部與蝸殼頂板聯(lián)成一體，承受著巨大的靜、動(dòng)荷載，必須具有足夠的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性和耐久性。機(jī)墩自重，發(fā)電機(jī)層樓板重及其荷載，發(fā)電機(jī)定子、勵(lì)磁機(jī)定子及附屬設(shè)備等重，上機(jī)架、下機(jī)架重，定子基礎(chǔ)板重，下支架在頂起轉(zhuǎn)子時(shí)的負(fù)荷。這些荷載通過定子基礎(chǔ)板作用于機(jī)墩頂部。而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子連軸及勵(lì)磁機(jī)等重，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪連軸重，軸向水推力。通過推力軸承傳給機(jī)架再傳至機(jī)墩。
2.3.2風(fēng)罩計(jì)算
發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子連軸及勵(lì)磁機(jī)等重，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪連軸重，軸向水推力。通過推力軸承傳給機(jī)架再傳至機(jī)墩。當(dāng)風(fēng)罩墻半徑與壁厚之比（R/δ）大于10，并且高度較大時(shí)，可按有限長的薄壁圓筒公式計(jì)算，底部固結(jié)，頂部自由或徑向簡支；而當(dāng)開孔較多且尺寸較大，破壞圓筒整體性時(shí)，按圓周上為單寬的豎向梁計(jì)算，底部固結(jié)，頂部采用自由、鉸支、固接或與發(fā)電機(jī)層樓板剛結(jié)，風(fēng)罩墻與發(fā)電機(jī)層樓板一起按Γ型框架計(jì)算，但環(huán)向要適當(dāng)布筋加強(qiáng)。
3 結(jié)語
水電站設(shè)計(jì)相比攔河壩、水閘、堤防等其他水工建筑物設(shè)計(jì)更不容易，設(shè)計(jì)周期較長，首先要做流域規(guī)劃，然后隨之就要進(jìn)行水資源論證、林地規(guī)劃、地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估、環(huán)評(píng)、水保、地勘、生物多樣性評(píng)估、可行性論證等等多方面的評(píng)估，最后還需要水行政主管部門的批復(fù)及發(fā)改、財(cái)政等有關(guān)行政機(jī)關(guān)的核準(zhǔn)文件后才能正式啟動(dòng)。開工后，安全評(píng)估和相應(yīng)階段的安全鑒定也是必不可少的一項(xiàng)工作。
由此可見，水電站設(shè)計(jì)是一項(xiàng)相當(dāng)復(fù)雜的工作，因此在日常的生活，我們應(yīng)當(dāng)積極探索，認(rèn)真學(xué)習(xí)，努力將水電站的設(shè)計(jì)工作做到最優(yōu)。
參考文獻(xiàn)：
[1]林繼鏞. 水工建筑物[M]. 北京：中國水利水電出版社，2006第四版：32～120
[2]建設(shè)項(xiàng)目質(zhì)量控制，北京：中國水利水電出版社.1996
[3]袁光裕. 水利工程施工[M]. 北京：中國水利水電出版社，1995第三版
