[科普中国]-水力发电枢纽

水力发电枢纽（hydro-junction）是指由不同类型水工建筑物构成的综合体。一个水力发电枢纽往往具有综合效益，以水里发电为主的水利枢纽亦称为水利水电工程。水力发电枢纽开关站作为整个水电站的重要组成部分，开关站在电能输出过程中承担着重要任务，其设计的合理性和安全性关系着整个枢纽工程的成败与否。

简介水力发电枢纽（hydro-junction）是指由不同类型水工建筑物构成的综合体。一个水力发电枢纽往往具有综合效益，以水里发电为主的水利枢纽亦称为水利水电工程。开关站的设计是一个系统工程，涉及到建筑、结构、电气、水力机械、消防、通风等多专业。结构专业应该在充分了解开关站整体功能布置和结构形式的基础上，积极与其他专业，特别是与电气和水力机械专业沟通，避免结构上的不合理布置和设计返工。水力发电枢纽开关站作为整个水电站的重要组成部分，开关站在电能输出过程中承担着重要任务，其设计的合理性和安全性关系着整个枢纽工程的成败与否。

水力发电枢纽开关站类型在水电工业中，开关站主要承担着输出电能的任务，具体类型一般与水电站整体厂房、厂区布置方案、电气主接线方式有密切关系，其布置位置一般选在厂房下游侧附近较为空旷处。当空间比较紧张、电站建筑物布置较为紧凑，同时考虑到出线高度问题时，可以将出线架构布置在开关站的屋面；当按照电站建筑物整体布置的要求，将主变压器和开关站同时布置在厂房附近时，一般按照主变压器、电缆夹层、GIS设备布置、屋面出线构架的顺序由下至上分层布置，整体形成多层变电站。开关站的结构设计应该依据具体类型的不同，选择合理的结构形式，充分考虑到电气出线方式、电力设备布置等因素，最大限度地满足工艺的要求。

水力发电枢纽开关站结构设计开关站的设计工作在充分考虑到电气出线方式、电力设备布置等因素，尽量满足工艺的要求时，结构专业最应该注重同电气、水力机械等专业的衔接问题，比如是否在屋顶布置出线、根据吊车形式选择结构布置、吊车与结构构件的尺度关系等等。另外，结构设计同时也需注意结构体系布置和抗震设防分类的合理性。

屋面出线构架设计水力发电枢纽的出线构架可分为地面式和屋面式，采用屋面出线方式可以节省土地空间、增加出线高度、节省土地和基础费用，是水利水电工程设计的方向和趋势。对于屋面出线构架一般采用结构轻盈、韧性较好的钢结构，这样可以减少整个建、构筑物的地震作用，有利于结构抗震设计和工程造价。

屋面出线构架一般有2种形式：一种是独立悬臂式；一种是门式刚架式。2种形式各有利弊。一般水利枢纽电力出线需要跨越河流或峡谷，因此需要出线高度比较高、出线拉力比较大。这样对独立悬臂出线柱底部会产生很大弯矩，钢柱断面会变得很大，同时增加传给屋面基础的内力，使得对屋面结构梁的内力模拟变得异常复杂。而对于门式刚架形式的构架，柱脚一般设计为铰接，传给屋面结构的力只有集中力而没有弯矩，可以简化主体结构的模拟计算。同时，2个门式刚架之间的横梁上可以设计多回出线，出线方式灵活。门式刚架式构架占用屋面面积大，而独立悬臂钢柱式占用的面积较小，而且在平面布置上更为灵活。

吊车形式与结构布置开关站的吊车最大起重量一般不超过10t，起重量不大，因此吊车形式可以选择2种形式，即桥式吊车和电动单梁悬挂吊车。开关站的结构布置需要按照吊车的形式有针对性地进行设计。当采用桥式吊车时，需要进行吊车梁和牛腿的设计，相应要考虑吊车纵向水平荷载传递路径以及框架柱上柱与下柱之间的截面和刚度变化问题。当采用电动单梁悬挂吊车，需要将电动单梁悬挂吊车轨道固定在屋面钢筋混凝土梁（或钢梁）的底部，并根据吊车的跨度和不同型号轨道跨度的要求预留埋件和连接件，相应要考虑屋面框架梁的结构平面布置。

一般情况下，采用电动单梁悬挂吊车要比采用桥式吊车能够节省设计和施工的工作量与难度，也可以节省建筑面积、建筑物高度和工程造价。因此，当开关站额定起重量较低时，起重设备可以优先考虑采用电动单梁悬挂吊车。

桥式吊车与结构构件的尺度关系在水电站主厂房和开关站GIS室的吊车设计时，水力机械设计人员大多选用桥式吊车。此时，开关站GIS室不但需要考虑吊车梁和牛腿的设计，而且也要考虑牛腿高程处上柱与下柱之间截面和刚度变化问题。因此结构专业设计时，应充分了解吊车参数和相关设备等专业的要求。

开关站GIS室的总宽度是由吊车跨度、上柱宽度、吊车旁净空3者决定的。结构工程师在设计时，应该在保证吊车跨度的基础上充分与电气设备、水力机械等专业积极沟通，特别注意吊车、吊车梁与上柱间的净空要求，尽量减小开关站GIS室的总宽度。这样可以减小屋面框架梁的跨度和高度，进而减小屋面的整体荷载，有利于整个开关站的结构抗震计算。

在建筑物高度方面，开关站GIS室总高度=室内外高差+A+B+C+D+E，式中：A 为牛腿与室内地坪的高程差；B 为吊车梁高度与其下垫板厚度之和；C 为轨道高度和后浇层厚度之和；D 为吊车顶与轨道顶的高程差；E为吊车顶净空和屋面框架梁高之和。在这5个参数中，吊车梁下垫板是校正和固定吊车梁的必要构件，后浇层是校正轨道高度的关键施工工序。

对于这两个因素，结构工程师在进行设计时比较容易忽略它们的存在，从而将轨道标高计算错误，影响到吊钩最大净空和吊车顶净空。另外，开关站GIS室的室内净空是由吊钩最大净空、吊车高度、吊车顶净空3者决定的。前两者是由GIS设备要求和吊车型号规定的，与A～D4个参数相对应；吊车顶净空与参数E 相对应，不但应该考虑吊车本身的净空要求，而且也要考虑到暖通、照明、消防等专业的空间需求。

抗震设防分类我国一直大力发展水利工程，兴建了一批大中型水利枢纽。水利枢纽的各个建筑物会根据建筑遭遇地震破坏后，可能造成人员伤亡、直接和间接经济损失、社会影响的程度及其在抗震救灾中的作用等因素进行抗震设防分类。

在结构设计中，结构工程师一般将开关站划分为标准设防类，简称丙类。虽然开关站可以按照丙类设计，但是水利发电项目一般多为大中型项目，而且开关站承担着稳压避雷、输送电力等重要任务，是水力发电枢纽有机整体的重要一环，因此应在抗震设防分类时可以酌情考虑提高其分类等级。另外，参考《建筑工程抗震设防分类标准》第五章的电力建筑，对于220kV及以下枢纽变电所的配电装置楼抗震设防类别应划为重点设防，而开关站恰恰属于配电装置楼的一种。在进行水利发电枢纽工程的开关站设计时，可以按照重点设防类（简称乙类）进行相关设计。

结构体系合理布置一般情况下，开关站为单跨钢筋混凝土框架结构，建筑高度11m左右，横向跨度10～13m。开关站的结构形式，虽然不是《建筑抗震设计规范》中的大跨度结构（跨度不小于18m），但是其跨度较一般工业民用建筑都大，而且还是框架结构中不宜采用的单跨结构。因此，结构平面布置必须考虑受力明确，传力直接，力争均匀对称，减小扭转的影响；结构竖向布置力求自下而上刚度逐渐均匀减小，体型均匀不突变。

在此，列出几个结构工程师在进行开关站设计时需要特别注意的问题：

①尽量避免将开关站的GIS室与控制室、蓄电池室等布置于一个结构分段内，减少因刚度不对称导致的结构扭转影响；

②在牛腿高程处设置纵向框架梁，让每个框架柱都能够分担吊车产生的纵向水平荷载；

③尽量减小上柱高度和断面收进宽度，从而减小因上下柱断面改变引起的竖向刚度突变；

④当屋面按出线构架设计时，尽量按照门式刚架（人字杆）来设计出线构架，以减小构架柱脚节点对的屋面框架梁内力的影响；

⑤将通向屋面的室外楼梯与主体结构分开布置，以减小其对主体结构的扭转影响1。

本词条内容贡献者为:

徐恒山 - 讲师 - 西北农林科技大学