廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計原理

1、廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計原理第一節(jié) 地面廠房整體穩(wěn)定和地基應(yīng)力計算 水電站廠房結(jié)構(gòu)一般可分為三個組成部分。    1.上部結(jié)構(gòu)    主廠房的上部結(jié)構(gòu)包括各層樓板及其梁柱系統(tǒng)、吊車梁和構(gòu)架、以及屋頂及圍護墻等。其作用主要為承受設(shè)備重量、活荷重和風雪荷載等，并傳遞給卞部結(jié)構(gòu)。    2.下部結(jié)構(gòu)    廠房的下部結(jié)構(gòu)包括蝸殼、尾水管和尾水墩墻等結(jié)構(gòu)。對于河床式廠房，下部結(jié)構(gòu)中還包括進水口結(jié)構(gòu)。其作用主要為承受水荷載的作用、構(gòu)成廠房的基礎(chǔ)，承受上部結(jié)構(gòu)、發(fā)電支承結(jié)構(gòu)，將荷載分布傳給地基和防滲等。    3.發(fā)電

2、機支承結(jié)構(gòu)、    發(fā)電機支承結(jié)構(gòu)的作用是承受機組設(shè)備重以及動力荷載，傳給下部結(jié)構(gòu)。    根據(jù)教學大綱的要求，本章主要內(nèi)容為廠房整體穩(wěn)定和地基應(yīng)力計算，發(fā)電機支承結(jié)構(gòu)、蝸殼和尾水管結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計原理。   地面廠房在水平荷載如水壓力和土壓力等以及揚壓力的作用下應(yīng)保持整體穩(wěn)定，廠基面上垂直正應(yīng)力應(yīng)滿足規(guī)范要求。穩(wěn)定不能保證、地基應(yīng)力不滿足要求時，應(yīng)采取措施，如設(shè)置灌漿帷幕和排水孔降低揚壓力，對壩后式廠房可以考慮是否采用廠壩整體連接方式，利用壩體幫助穩(wěn)定。    廠房整體穩(wěn)定和地基應(yīng)力計算的內(nèi)容一般包括沿地基面的抗滑穩(wěn)定、抗浮

3、穩(wěn)定和廠基面垂直正應(yīng)力計算。河床式廠房本身是童水建筑物，廠房地基內(nèi)部存在軟弱層面時，還應(yīng)進行深層抗滑穩(wěn)定計算。    一、計算情況和荷載組合    廠房穩(wěn)定和地基應(yīng)力計算要考慮廠房施工、運行和擴大檢修期的各種不利情況，主要計算情況如下：    1.正常運行    對河床式廠房來說爭正常運行情況中應(yīng)考慮兩種水位組合：    (1)上游正常蓄水位和下游最低水位。這種組合情況廠房承受的水頭最大，但揚壓力不大。    (2)上游設(shè)計洪水位和下游相應(yīng)水位。這種情況揚壓力較大，對穩(wěn)定不利

4、。    對壩后式廠房和引水式廠房來說，引起穩(wěn)定問題的水平荷載為下游水壓力，正聲運行情況中取下游設(shè)計洪水位進行組合。廠房上游面作用的荷載有壓力管道和下部結(jié)構(gòu)縱縫面上的水壓力，后者作用的面積與止水的布置方式有關(guān)，水壓力的壓強則與廠基面揚壓力分布圖有關(guān)，根據(jù)具體情況確定。    正常運行情況中廠房內(nèi)有結(jié)構(gòu)和設(shè)備重以及水重。    2.機組檢修    河床式廠房機組檢修情況計算中，上、下游水位分別一取上游正常蓄水位和下游檢修水位，機組設(shè)備重及流道內(nèi)的水重均不考慮。在這種情況下，廠房承受的水頭大，而廠房的重量輕，只有結(jié)構(gòu)自

5、重，對穩(wěn)定不利。    壩后式和引水式廠房機組檢修情況計算中，下游取檢修水位，其余同上。    3.施工情況    廠房施工一般是先完成一期混凝土澆筑和上部結(jié)構(gòu)，以后順序逐臺安裝機組并澆筑二期混凝土，機組安裝周期較長，如機組是分期安裝的，廠房的施上安裝期更長，所以要進行施工情況的穩(wěn)定計算。在這種計算情況中，二期混凝土和設(shè)備重不計，廠房重量最輕，而廠房已經(jīng)承受水壓，對抗滑和抗浮不利。這種計算情況也稱為機組未安裝情況。    河床式廠房機組未安裝情況的上游水位取正常蓄水位或設(shè)計洪水位，下游取相應(yīng)最不利水位。壩后式和引水

6、式廠房下游取設(shè)計洪水位。    如廠房位于軟基上，地基承載力低，施工期還需考慮本臺機組已安裝，而吊車滿載通過的情況，如廠房尚未承受水壓，則廠基面無揚壓力作用，流道中也無水重。    4.非常運行情況    河床式廠房非常運行情況時，上游取校核洪水位，下游取相應(yīng)最不利水位。壩后式和引水式廠房下游取校核洪水位。    5.地震情況    河床式廠房地震情況時，上游取正常蓄水位，下游取最低尾水位。壩后式廠房和引水式廠房下游取滿載運行尾水位。    以上所述各種情況中，正常運行情況的

7、荷載組合為基本組合，其他為特殊組合。廠房基礎(chǔ)設(shè)有排水孔時，特殊組合中還要考慮排水失效的情況。以上所述各種情況中，其他應(yīng)考慮的荷載與混凝土重力壩穩(wěn)定計算中相同。    廠房整體穩(wěn)定和地基應(yīng)力計算應(yīng)對中間機組段。邊機組段和裝配場段分別進行。邊機組段和裝配場段，除了有上下游水壓力作用外，還可能受側(cè)向水壓力的作用，或者還有側(cè)向土壓力存在，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。    二、揚壓力的確定    作用于廠房基礎(chǔ)的揚壓力，按全部計算面積考慮。    河床式廠房的揚壓力計算圖形，按（SDJ21-78,試

8、行）混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范補充規(guī)定來用。    引水式廠房的揚壓力計算圖形，基礎(chǔ)無排水設(shè)施時廠房上下游水位相同，揚壓力圖形按浮托力確定，有排水設(shè)施時，可參照混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范補充規(guī)定確定。    壩后式廠房的揚壓力計算圖形，應(yīng)根據(jù)廠壩的連接方式和排水設(shè)施情況，與壩體共同考慮。    山區(qū)河流，洪枯水位變幅大，洪水位具有暴漲暴落的特點，在水位上升和下降的過程中，廠房地基內(nèi)產(chǎn)生非恒定滲流，廠基面上各處揚壓力最大值出現(xiàn)的時間滯后于廠房下游洪水位，峰值也減小。如前所述，壩后式和引水式水電站廠房的整體穩(wěn)定性和地基應(yīng)力在廠房下游洪水位時最為不利，

9、因而，如洪峰歷時短，廠基揚壓力計算圖形可考慮非恒定滲流的時間效應(yīng)，通過非恒定滲流計算酌予減小。    三、計算方法和要求    1.抗滑穩(wěn)定計算    廠房抗滑穩(wěn)定性可按抗剪斷強度公式或抗剪強度公式計算    (1)抗剪斷強度計算公式式中按抗剪斷強度計算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；    、滑動面的抗剪斷摩擦系數(shù)及抗剪斷粘結(jié)力；    A基礎(chǔ)面受壓部分的計算面積；    全部荷載對滑動面的法向分值（含揚壓力）；    全部荷載對滑動面的切向分值

10、（含揚壓力）。    (2）抗剪強度計算公式式中K按抗剪強度計算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；    f滑動面的抗剪摩擦系數(shù)。    (3)整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。根據(jù)(SD335-89，試行）水電站廠房設(shè)計規(guī)范，廠房整體抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)不分等級按表18-1選用。    2.抗浮穩(wěn)定性計算    廠房抗浮穩(wěn)定性可按式(18-3)計算式中抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)；    計算段的全部重量；    U計算段揚壓力總和。    根據(jù)水電站廠房設(shè)計規(guī)范，抗浮穩(wěn)定

11、安全系數(shù)Kf在任何計算情況下不得小1.1。    3.地基應(yīng)力計算    (1)計算方法。廠基面上的垂直正應(yīng)力可按下式計算 式中廠基面垂直正應(yīng)力；    計算段上全部荷載在廠基面上的法向分力總和；    、計算段上全部荷載對廠基面廿算截面形心軸X、Y的力矩總和。    x、y計算截面上任意點對形心的坐標值；    、計算截面對形心軸X, Y軸的慣性矩，    A廠基面計算截面積。    式(18-4)假定廠房基礎(chǔ)為剛體，廠基面地基應(yīng)力為

12、線性分布。    水電站廠房的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中，尾水管底板的厚度不大，底板相對地基的剛度較小時，其底面上的地基應(yīng)力比周圍要小，尤其是肘管段的底板，在揚壓力的作用下，肘管段底板底面的中間部分甚至會與地基脫開，這一部分也就無地基應(yīng)為存在。因而，在進行地基應(yīng)力計算時，應(yīng)根據(jù)具體情況，在計算截面確定時扣除部分面積。尾水管擴散段底板為分離式時，其面積也不包括在計算截面內(nèi)。    用尾水管底板有限元分析，可直接求得考慮底板柔度影響的廠基面地基應(yīng)力分布圖。    （2）計算要求。廠房地基面上的垂直正應(yīng)力應(yīng)符合下列要求：    1)廠房

13、地基面上承受的最大垂直正應(yīng)力，不論是何種型式的廠房，在任何情況下均不應(yīng)超過基巖的允許壓應(yīng)力。在地震情況下基巖允許壓應(yīng)力可適當提高。    2)廠房地基面上承受的最小垂直正應(yīng)力（計入揚壓力），對于河床式廠房，不論是正常運行還是非常運行情況都應(yīng)大于零，只有在地震情況下才允許出現(xiàn)不大于lO的拉應(yīng)力。    對于壩后式和引水式廠房，正常運行情況下，一般應(yīng)大于零；非常運行情況下，允許出現(xiàn)不大于10-20的局部拉應(yīng)力。地震情況下，如出現(xiàn)大于10-20，的拉應(yīng)力，應(yīng)進行專門論證。    廠房整體穩(wěn)定和地基應(yīng)力計算不滿足要求時，應(yīng)在廠房地基中采取防滲

14、和排水措施，如圖18-2中的廠房。壩后式廠房可以考慮廠壩整體連接，利用壩體幫助穩(wěn)定。 第一節(jié) 水電站廠房的功用和基本類型    一、水電站廠房的功用    水電站廠房是將水能轉(zhuǎn)換為機械能進而轉(zhuǎn)換為電能的場所，它通過一系列工程措施，將水流平順地引人及引出水輪機，將各種必需的機電設(shè)備安置在恰當?shù)奈恢?，為這些設(shè)備的安裝、檢修和運行提供方便有效的條件，也為運行人員創(chuàng)造良好的工作環(huán)境。    水電站廠房是建筑物及機械、電氣設(shè)備的綜合體，在廠房的設(shè)計、施工、安裝和運行中需要各專業(yè)人員通力協(xié)作。水工建筑專業(yè)人員主要從事建筑物的設(shè)計、施工與

15、運行，因而本教材著重從水工建筑的觀點來研究水電站廠房。    二、水電站廠房的基本類型    根據(jù)廠房在水電站樞紐中的位置及其結(jié)構(gòu)特征，水電站廠房可分為以下三種基本類型：    (1)壩后式廠房。廠房位于攔河壩下游壩趾處，廠房與壩直接相連，發(fā)電用水直接穿過壩體引人廠房，如圖11-2所示的丹江口水電站廣房。興建中的三峽水電站廠房也是壩后式的。在壩后式廠房的基礎(chǔ)上，將廠壩關(guān)系適當調(diào)整，并將廠房結(jié)構(gòu)加以局部變化后形成的廠房型式還包括：    1)挑越式廠房：廠房位于溢流壩壩趾處，溢流水舌挑越廠房頂泄人下游河道，如圖18-

16、2所示的貴州烏江渡水電站廠房。    2)溢流式廠房：廠房位于溢流壩壩趾處，廠房頂兼作溢洪道，如圖18-3 (a)所示的浙江新安江水電站廠房。    3)壩內(nèi)式廠房：廠房移人壩體空腹內(nèi)，如圖18-3 (b)所示位于溢流壩壩體內(nèi)的江西上猶江水電站廠房，或圖18-4所示設(shè)置在空腹重力拱壩內(nèi)的湖南鳳灘水電站廠房。    (2)河床式廠房。廠房位于河床中，本身也起擋水作用，如圖11-4所示廣西西津水電站廠房。若廠房機組段內(nèi)還布置有泄水道，則成為泄水式廠房（或稱混合式廠房），如圖18-7所示長江葛洲壩水利樞紐大江、二江電廠的廠房內(nèi)均設(shè)有排沙用的

17、泄水底孔。    (3)引水式廠房。廠房與壩不直接相接，發(fā)電用水由引水建筑物引人廠房。當廠房設(shè)在河岸處時稱為引水式地面廠房，如圖16-1所示浙江湖南鎮(zhèn)水電站廠房。引水式廠房也可以是半地下式的，如浙江百丈漈一級水電站廠房，或地下式的，如圖18-10所示的云南魯布革水電站廠房。    此外，水電站廠房還可按機組類型分為豎軸機組廠房及橫軸機組廠房；按廠房上部結(jié)構(gòu)的特點分為露天式、半露天式和封閉式廠房；或按水電站資源的性質(zhì)分為河川電站（常規(guī)水電站）廠房、潮汐電站廠房以及抽水蓄能電站廠房等等。圖16-1 湖南鎮(zhèn)水電站（引水式）廠房總體布置圖   

18、0; 三、水電站廠房的設(shè)計程序    我國大中型水電站設(shè)計一般分為四個階段：預(yù)可行性研究、可行性研究、招標設(shè)計及施工詳圖。    預(yù)可行性研究的任務(wù)是在河流（河段）規(guī)劃和地區(qū)電力負荷發(fā)展預(yù)測的基礎(chǔ)上，對擬建水電站的建設(shè)條件進行研究，論證該水電站在近期興建的必要性、技術(shù)上的可行性和經(jīng)濟上的合理性。在這個階段中，對廠房不進行具體設(shè)計，而只基本選定電站規(guī)模，初選樞紐布置方式及廠房的型式，繪出廠房在樞紐中的位置，估算工程量。    可行性研究的任務(wù)是通過方案比較選定樞紐的總體布置及其參數(shù)，決定建筑物的型式和控制尺寸，選擇施工方案、進度和總布置，并編制工程投資預(yù)算，闡明工程效益。在該階段中，對廠房設(shè)計的要求是根據(jù)選定機組機型、電氣主結(jié)線圖及主要機電設(shè)備，初步?jīng)Q定廠房的型式、布置及輪廓尺寸，繪出廠區(qū)及廠房布置圖，進行廠房穩(wěn)定計算及必要的結(jié)構(gòu)分析，提出廠房工程地質(zhì)處理措施。    招標設(shè)計中要對可行性研究中的遺留問題進行必要的修改與補充，落實選定方