水力發電樞紐

水力發電樞紐（hydro-junction）是指由不同類型水工建築物構成的綜合體。一個水力發電樞紐往往具有綜合效益，以水裡發電為主的水利樞紐亦稱為水利水電工程。水力發電樞紐開關站作為整個水電站的重要組成部分，開關站在電能輸出過程中承擔著重要任務，其設計的合理性和安全性關係著整個樞紐工程的成敗與否。

基本介紹

• 中文名：水力發電樞紐
• 外文名：Hydroelectric hub
• 學科：水電工程
• 領域：工程技術
• 範圍：能源
• 釋義：由不同類型水工建築物構成的綜合體

簡介

水力發電樞紐（hydro-junction）是指由不同類型水工建築物構成的綜合體。一個水力發電樞紐往往具有綜合效益，以水裡發電為主的水利樞紐亦稱為水利水電工程。開關站的設計是一個系統工程，涉及到建築、結構、電氣、水力機械、消防、通風等多專業。結構專業應該在充分了解開關站整體功能布置和結構形式的基礎上，積極與其他專業，特別是與電氣和水力機械專業溝通，避免結構上的不合理布置和設計返工。水力發電樞紐開關站作為整個水電站的重要組成部分，開關站在電能輸出過程中承擔著重要任務，其設計的合理性和安全性關係著整個樞紐工程的成敗與否。

水力發電樞紐開關站類型

在水電工業中，開關站主要承擔著輸出電能的任務，具體類型一般與水電站整體廠房、廠區布置方案、電氣主接線方式有密切關係，其布置位置一般選在廠房下游側附近較為空曠處。當空間比較緊張、電站建築物布置較為緊湊，同時考慮到出線高度問題時，可以將出線架構布置在開關站的屋面；當按照電站建築物整體布置的要求，將主變壓器和開關站同時布置在廠房附近時，一般按照主變壓器、電纜夾層、GIS設備布置、屋面出線構架的順序由下至上分層布置，整體形成多層變電站。開關站的結構設計應該依據具體類型的不同，選擇合理的結構形式，充分考慮到電氣出線方式、電力設備布置等因素，最大限度地滿足工藝的要求。

水力發電樞紐開關站結構設計

開關站的設計工作在充分考慮到電氣出線方式、電力設備布置等因素，儘量滿足工藝的要求時，結構專業最應該注重同電氣、水力機械等專業的銜接問題，比如是否在屋頂布置出線、根據吊車形式選擇結構布置、吊車與結構構件的尺度關係等等。另外，結構設計同時也需注意結構體系布置和抗震設防分類的合理性。

屋面出線構架設計

水力發電樞紐的出線構架可分為地面式和屋面式，採用屋面出線方式可以節省土地空間、增加出線高度、節省土地和基礎費用，是水利水電工程設計的方向和趨勢。對於屋面出線構架一般採用結構輕盈、韌性較好的鋼結構，這樣可以減少整個建、構築物的地震作用，有利於結構抗震設計和工程造價。

屋面出線構架一般有2種形式：一種是獨立懸臂式；一種是門式剛架式。2種形式各有利弊。一般水利樞紐電力出線需要跨越河流或峽谷，因此需要出線高度比較高、出線拉力比較大。這樣對獨立懸臂出線柱底部會產生很大彎矩，鋼柱斷面會變得很大，同時增加傳給屋面基礎的內力，使得對屋面結構梁的內力模擬變得異常複雜。而對於門式剛架形式的構架，柱腳一般設計為鉸接，傳給屋面結構的力只有集中力而沒有彎矩，可以簡化主體結構的模擬計算。同時，2個門式剛架之間的橫樑上可以設計多回出線，出線方式靈活。門式剛架式構架占用屋面面積大，而獨立懸臂鋼柱式占用的面積較小，而且在平面布置上更為靈活。

吊車形式與結構布置

開關站的吊車最大起重量一般不超過10t，起重量不大，因此吊車形式可以選擇2種形式，即橋式吊車和電動單梁懸掛吊車。開關站的結構布置需要按照吊車的形式有針對性地進行設計。當採用橋式吊車時，需要進行吊車梁和牛腿的設計，相應要考慮吊車縱向水平荷載傳遞路徑以及框架柱上柱與下柱之間的截面和剛度變化問題。當採用電動單梁懸掛吊車，需要將電動單梁懸掛吊車軌道固定在屋面鋼筋混凝土梁（或鋼樑）的底部，並根據吊車的跨度和不同型號軌道跨度的要求預留埋件和連線件，相應要考慮屋面框架梁的結構平面布置。

一般情況下，採用電動單梁懸掛吊車要比採用橋式吊車能夠節省設計和施工的工作量與難度，也可以節省建築面積、建築物高度和工程造價。因此，當開關站額定起重量較低時，起重設備可以優先考慮採用電動單梁懸掛吊車。

橋式吊車與結構構件的尺度關係

在水電站主廠房和開關站GIS室的吊車設計時，水力機械設計人員大多選用橋式吊車。此時，開關站GIS室不但需要考慮吊車梁和牛腿的設計，而且也要考慮牛腿高程處上柱與下柱之間截面和剛度變化問題。因此結構專業設計時，應充分了解吊車參數和相關設備等專業的要求。

開關站GIS室的總寬度是由吊車跨度、上柱寬度、吊車旁淨空3者決定的。結構工程師在設計時，應該在保證吊車跨度的基礎上充分與電氣設備、水力機械等專業積極溝通，特別注意吊車、吊車梁與上柱間的淨空要求，儘量減小開關站GIS室的總寬度。這樣可以減小屋面框架梁的跨度和高度，進而減小屋面的整體荷載，有利於整個開關站的結構抗震計算。

在建築物高度方面，開關站GIS室總高度=室內外高差+A+B+C+D+E，式中：A 為牛腿與室內地坪的高程差；B 為吊車梁高度與其下墊板厚度之和；C 為軌道高度和後澆層厚度之和；D 為吊車頂與軌道頂的高程差；E為吊車頂淨空和屋面框架梁高之和。在這5個參數中，吊車梁下墊板是校正和固定吊車梁的必要構件，後澆層是校正軌道高度的關鍵施工工序。

對於這兩個因素，結構工程師在進行設計時比較容易忽略它們的存在，從而將軌道標高計算錯誤，影響到吊鉤最大淨空和吊車頂淨空。另外，開關站GIS室的室內淨空是由吊鉤最大淨空、吊車高度、吊車頂淨空3者決定的。前兩者是由GIS設備要求和吊車型號規定的，與A～D4個參數相對應；吊車頂淨空與參數E 相對應，不但應該考慮吊車本身的淨空要求，而且也要考慮到暖通、照明、消防等專業的空間需求。

抗震設防分類

我國一直大力發展水利工程，興建了一批大中型水利樞紐。水利樞紐的各個建築物會根據建築遭遇地震破壞後，可能造成人員傷亡、直接和間接經濟損失、社會影響的程度及其在抗震救災中的作用等因素進行抗震設防分類。

在結構設計中，結構工程師一般將開關站劃分為標準設防類，簡稱丙類。雖然開關站可以按照丙類設計，但是水利發電項目一般多為大中型項目，而且開關站承擔著穩壓避雷、輸送電力等重要任務，是水力發電樞紐有機整體的重要一環，因此應在抗震設防分類時可以酌情考慮提高其分類等級。另外，參考《建築工程抗震設防分類標準》第五章的電力建築，對於220kV及以下樞紐變電所的配電裝置樓抗震設防類別應劃為重點設防，而開關站恰恰屬於配電裝置樓的一種。在進行水利發電樞紐工程的開關站設計時，可以按照重點設防類（簡稱乙類）進行相關設計。

結構體系合理布置

一般情況下，開關站為單跨鋼筋混凝土框架結構，建築高度11m左右，橫向跨度10～13m。開關站的結構形式，雖然不是《建築抗震設計規範》中的大跨度結構（跨度不小於18m），但是其跨度較一般工業民用建築都大，而且還是框架結構中不宜採用的單跨結構。因此，結構平面布置必須考慮受力明確，傳力直接，力爭均勻對稱，減小扭轉的影響；結構豎向布置力求自下而上剛度逐漸均勻減小，體型均勻不突變。

在此，列出幾個結構工程師在進行開關站設計時需要特別注意的問題：

①儘量避免將開關站的GIS室與控制室、蓄電池室等布置於一個結構分段內，減少因剛度不對稱導致的結構扭轉影響；

②在牛腿高程處設定縱向框架梁，讓每個框架柱都能夠分擔吊車產生的縱向水平荷載；

③儘量減小上柱高度和斷面收進寬度，從而減小因上下柱斷面改變引起的豎向剛度突變；

④當屋面按出線構架設計時，儘量按照門式剛架（人字桿）來設計出線構架，以減小構架柱腳節點對的屋面框架梁內力的影響；

⑤將通向屋面的室外樓梯與主體結構分開布置，以減小其對主體結構的扭轉影響。