西龍池抽水蓄能電站地下廠房設(shè)計(jì)

周長(zhǎng)興 張 捷 趙朝霞 張萬祝

(1.北京交通大學(xué) 北京 100044;2.北京水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 北京 100024)

1 概述

西龍池抽水蓄能電站位于山西省五臺(tái)縣境內(nèi),裝機(jī)容量4×300MW,額定發(fā)電水頭640m,為一等、大 (1)型工程。廠房位于下水庫(kù)庫(kù)尾左岸呈“鼻梁”狀的山體中,廠區(qū)地層為寒武系張夏組、崮山組下段的灰?guī)r巖層,依巖性不同劃分為泥質(zhì)鮞狀灰?guī)r、泥質(zhì)條帶狀灰?guī)r、泥質(zhì)柱狀灰?guī)r、鈣質(zhì)石英粉砂巖,巖體結(jié)構(gòu)以互層狀和薄層狀為主、紋理發(fā)育,巖層產(chǎn)狀 NW290°～ 340°NE∠4°～ 10°。廠房洞室群位于F112和F118斷層之間相對(duì)較完整的巖體內(nèi),其上覆巖體厚度170～330m,圍巖以Ⅲb～Ⅲa類為主,頂拱圍巖的穩(wěn)定是工程的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

2 廠房位置與軸線確定

(1)廠房位置確定。

在滿足樞紐總體布置的條件下,地下廠房位置確定主要圍繞洞室圍巖穩(wěn)定展開工作,主要考慮避開地質(zhì)斷裂等不利構(gòu)造的影響。前期勘探查清了廠區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及發(fā)育規(guī)律,工程區(qū)規(guī)模較大的主干斷層為F118、F112,其對(duì)地下廠房部位的斷裂發(fā)育起著控制作用,廠區(qū)次一級(jí)的斷層、張性斷裂帶較為發(fā)育,大部分表現(xiàn)為張扭性,張性斷層帶P5及裂隙密集帶J7、J8規(guī)模相對(duì)較大。廠房位置確定的原則是:避開F118、F112、P5破碎帶等地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育區(qū)域;使廠房頂拱盡可能多地位于厚層巖層中。主體工程開工前結(jié)合地下廠房模型試驗(yàn),探洞貫通廠房軸線且穿過F118、F112斷層,進(jìn)一步驗(yàn)證了廠房洞室位于F118、F112之間相對(duì)完整的巖塊內(nèi)。施工開挖揭露的地質(zhì)情況基本與設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)的一致,F112位于廠房左端墻外8.0～25.0m,其在崮山組巖層底部尖滅或在鉛直面上呈雁行斜列展布,在廠房頂拱及距左端墻50m的范圍內(nèi)沒有出露;F118斷層位于廠房西側(cè)外,距廠房右端墻42.0～55.0m;廠房部位圍巖相對(duì)完整。

(2)廠房縱軸線方向確定。

廠房縱軸線應(yīng)盡可能與廠區(qū)主要斷層、裂隙等地質(zhì)構(gòu)造的走向成較大的夾角;縱軸線應(yīng)盡可能地平行于初始地應(yīng)力的最大主應(yīng)力方向或與其成較小夾角。

根據(jù)廠區(qū)裂隙玫瑰圖及實(shí)測(cè)的三維地應(yīng)力成果,在滿足洞室穩(wěn)定和樞紐總布置要求的前提下,廠房軸線方向確定為NW280°。理由如下:

①F118、F112、P5等主要斷層及破碎帶與廠房縱軸線夾角均大于45°。

②主要裂隙組方向?yàn)镹E30°～50°,次要裂隙組方向?yàn)?NE50°～ 30°、 NE50°～ 60°、 NW330°～ 360°。廠房縱軸線與主裂隙組方向夾角為50°～70°,與次裂隙組方向夾角均大于40°。

③軸線選擇以地質(zhì)構(gòu)造為主,兼顧地應(yīng)力等因素。工程區(qū)屬中等應(yīng)力場(chǎng),最大水平主應(yīng)力方向?yàn)榻麼E50°,與廠房縱軸線夾角約為50°。

推薦的廠房軸線 (NW280°),在廠房施工開挖過程中未出現(xiàn)在前期地質(zhì)探洞中出現(xiàn)的 “片幫”及大的超挖等現(xiàn)象,廠房監(jiān)測(cè)資料均在合理范圍內(nèi),廠房軸線選擇是合適的。

3 安裝場(chǎng)位于廠房中部方案的確定

廠區(qū)圍巖以Ⅲb～Ⅲa類巖石為主,一般最大水平主應(yīng)力為12MPa,其與圍巖飽和抗壓強(qiáng)度之比為1︰3.33～5,洞室圍巖穩(wěn)定是該工程的關(guān)鍵技術(shù)問題。為此,對(duì)廠房安裝場(chǎng)位置進(jìn)行論證。

(1)圍巖穩(wěn)定。

據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),在類似工程地質(zhì)條件下,安裝場(chǎng)一般位于廠房中間,主要是有利于洞室圍巖穩(wěn)定。

理論分析也證明安裝場(chǎng)位于廠房中部可有效改善廠房圍巖的應(yīng)力、變位、松弛區(qū)范圍等條件。根據(jù)計(jì)算分析,該工程安裝場(chǎng)位于廠房中部有效地改善了洞室圍巖的應(yīng)力和變位,減少了洞周塑性區(qū)的范圍。

(2)施工條件。

中、端部安裝場(chǎng)方案的主要區(qū)別是主廠房Ⅴ～Ⅵ層開挖支護(hù)施工通道,中部方案對(duì)Ⅴ～Ⅵ層的施工通道和施工方法有一定影響,但采用豎井溜渣、結(jié)合機(jī)電設(shè)備布置安裝場(chǎng)下可設(shè)通道同樣可以滿足,對(duì)開挖分層、步序、工期均無影響。兩方案廠房輪廓尺寸相當(dāng),安裝場(chǎng)位于中部方便機(jī)組安裝和檢修吊運(yùn),據(jù)此確定該方案。

開挖揭示廠區(qū)地質(zhì)條件同前期勘測(cè)預(yù)測(cè),圍巖條件較復(fù)雜。采用中部安裝場(chǎng)方案后,實(shí)測(cè)廠房上、下游邊墻最大位移相對(duì)較小,錨桿等支護(hù)設(shè)施應(yīng)力均在合理范圍內(nèi),實(shí)踐證明安裝場(chǎng)位于中部符合西龍池工程的實(shí)際情況。

4 地下廠房頂拱開挖、支護(hù)方案的確定

在水平薄層圍巖中建造地下廠房,由于薄層巖石紋理極發(fā)育,飽和抗拉強(qiáng)度介于0.1～0.4MPa之間,頂拱圍巖穩(wěn)定問題較為突出。施工開挖引起洞周應(yīng)力重分布,且?guī)r層間結(jié)合力差,易沿層間結(jié)合面脫開,產(chǎn)生彎曲、折斷,進(jìn)而向深層發(fā)展,形成塌落體、塌方,曾經(jīng)在2m×2m地質(zhì)勘探洞開挖時(shí)就出現(xiàn)過頂拱塌落現(xiàn)象。

(1)開挖支護(hù)方案。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)理論分析,水平薄層圍巖中頂拱支護(hù)方案應(yīng)防止圍巖層間脫開,以充分利用圍巖本身的作用。頂拱支護(hù)方案是:20cm厚的噴鋼纖維混凝土,局部設(shè)噴混凝土肋拱;系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨桿,錨桿規(guī)格Ф32,間排距1.5m×1.5m,長(zhǎng)度4.8m和7.2m;系統(tǒng)錨索,頂拱布置7排,4排為1600k N內(nèi)錨錨索,3排2000k N為對(duì)穿錨索,行、排距為4.5m。

廠房共設(shè)四個(gè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)斷面,根據(jù)地質(zhì)條件的變化增設(shè)5個(gè)頂拱隨機(jī)監(jiān)測(cè)斷面,主要監(jiān)測(cè)儀器借助周邊排水廊道、錨洞采用預(yù)埋方式,即在主洞室開挖前埋設(shè)完成。獲得比較真實(shí)的監(jiān)測(cè)資料,根據(jù)監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行跟蹤分析,嘗試數(shù)字化設(shè)計(jì)施工的管理模式。根據(jù)揭示的地質(zhì)情況、監(jiān)測(cè)資料及根據(jù)監(jiān)測(cè)資料的反分析結(jié)果,過程中適時(shí)、動(dòng)態(tài)調(diào)整支護(hù)參數(shù),局部范圍設(shè)置了噴混凝土肋拱、隨機(jī)錨索、隨機(jī)錨桿等措施。

支護(hù)的關(guān)鍵措施是先行開挖位于廠房頂拱上方28.5m處由地質(zhì)勘探洞改擴(kuò)建的錨洞,并提前完成錨索孔,在中導(dǎo)洞開挖時(shí)及時(shí)完成對(duì)穿錨索的施工。輔以噴鋼纖維混凝土及錨桿及時(shí)跟進(jìn),避免了薄層巖體的松脫,保留其承載能力;中導(dǎo)洞完成錨桿、錨索等系統(tǒng)支護(hù)措施后,有利于兩側(cè)頂拱施工期的穩(wěn)定,及整個(gè)廠房頂拱的穩(wěn)定。此外,為避免洞室頂拱開挖后,平緩層狀巖體在頂拱形成疊合梁結(jié)構(gòu),出現(xiàn)脫頂、板裂、彎曲或折斷,在施工開挖過程中根據(jù)開挖揭示情況,采用鎖邊預(yù)應(yīng)力錨桿等措施。頂拱開挖的順利完成證明采取的措施是適宜的。

(2)開挖、支護(hù)施工步序。

頂拱開挖對(duì)圍巖穩(wěn)定、變形、應(yīng)力及塑性區(qū)都有較大的影響。根據(jù)工程類比、理論分析,結(jié)合該工程的支護(hù)方案,確定頂拱采用中導(dǎo)洞開挖方案,即中導(dǎo)洞領(lǐng)先約30m,兩邊導(dǎo)洞擴(kuò)挖依此跟進(jìn)。該方案的目的是與支護(hù)方案相匹配,在中導(dǎo)洞中完成對(duì)穿錨索、預(yù)應(yīng)力錨桿、首層噴混凝土施工,再擴(kuò)挖邊導(dǎo)洞,已有支護(hù)措施防止巖層層間脫開失穩(wěn);廠房位于工程的關(guān)鍵線路,在錨洞中施工錨索有利于縮短工期。由于現(xiàn)場(chǎng)施工能力限制,開挖支護(hù)方案調(diào)整為中導(dǎo)洞開挖支護(hù)領(lǐng)先,上游側(cè)邊導(dǎo)洞跟進(jìn),最后擴(kuò)挖下游側(cè)。錨噴支護(hù)滯后開挖面不大于10m,錨索距離掌子面不大于30m。

(3)監(jiān)測(cè)資料分析。

監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)考慮地質(zhì)因素,主要儀器采用預(yù)埋方式。監(jiān)測(cè)資料比較真實(shí)地反映了施工過程對(duì)圍巖的影響,頂拱變位規(guī)律與地質(zhì)條件相適應(yīng),儀器反映了開挖接近、開挖到、經(jīng)過掌子面的變位情況。2005年12月24日頂拱累計(jì)最大變位16.27mm,其中中導(dǎo)洞開挖完后的變位占其39%;中導(dǎo)洞首次擴(kuò)挖變位占其11%;中導(dǎo)洞二次擴(kuò)挖完到頂拱層施工結(jié)束的變位占其37%;頂拱層施工累計(jì)變位占其87%;后期變位占其13%。

廠房自2004年1月開工,2005年12月完成整個(gè)洞室的開挖支護(hù)。

目前頂拱變位、錨桿應(yīng)力、錨索應(yīng)力等已穩(wěn)定,且在合理范圍內(nèi),洞室圍巖穩(wěn)定。

5 巖壁吊車梁方案確定

可研階段因廠房圍巖條件較差,吊車梁推薦采用常規(guī)的梁柱方案。招標(biāo)階段根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)原位模型試驗(yàn)、國(guó)內(nèi)外工程經(jīng)驗(yàn)、理論分析等論證,確定該工程采用巖壁吊車梁方案。該工程確定巖壁吊車梁方案時(shí)應(yīng)滿足的幾個(gè)條件為:

(1)地下洞室圍巖整體穩(wěn)定是修建巖壁吊車梁的基本條件。

(2)圍巖飽和抗壓強(qiáng)度應(yīng)大于30MPa。

(3)接觸面及主要結(jié)構(gòu)面的抗滑穩(wěn)定滿足要求,即μ＜1(同時(shí)小于巖石與梁體混凝土的允許摩擦系數(shù)),且μ＜tgφ,(φ為巖石內(nèi)摩擦角);或通過工程處理措施可以滿足上述要求。

(4)巖壁壁座承載力〔σ〕＞σ。

(5)受力錨桿設(shè)計(jì)工況K ＞2.5,其校核工況K ＞2.00。

(6)圍巖變位量值、沿廠房縱軸線方向的相對(duì)變位值不要太大,滿足吊車運(yùn)行要求。

該工程對(duì)圍巖穩(wěn)定進(jìn)行了充分的分析,根據(jù)理論計(jì)算、工程類比論證地下廠房洞室圍巖是穩(wěn)定的;巖壁吊車梁位于∈Z22巖層中,圍巖飽和抗壓強(qiáng)度Ra=40～60MPa;巖壁壁座承載力〔σ〕＞σ;受力錨桿設(shè)計(jì)工況K ＞2.5,校核工況K ＞2.00;μ值滿足上述要求或通過工程措施可以滿足上述要求;原位模型試驗(yàn)驗(yàn)證各指標(biāo)的合理性,即當(dāng)?shù)踯嚵撼d數(shù)倍于設(shè)計(jì)荷載條件下,各參數(shù)仍在合理范圍之內(nèi)。

鑒于巖壁吊車梁諸多的優(yōu)越性,在招標(biāo)階段確定采用該方案。吊車梁已通過橋機(jī)及梁體的各工況試驗(yàn),目前已經(jīng)投入使用,各指標(biāo)正常。

6 廠房自流排水方案的確定

廠區(qū)地下水主要為基巖裂隙水,地下廠房排水系統(tǒng)由廠區(qū)排水廊道等系統(tǒng)、廠內(nèi)排水系統(tǒng)等組成。因廠房底板高于河道,具備修建自流排水洞的條件,因此招標(biāo)階段對(duì)其進(jìn)行了論證,確定了自流排水洞方案。

(1)自流排水方案與常規(guī)排水方案比較:

常規(guī)排水方案廠內(nèi)設(shè)有滲漏集水井,設(shè)多臺(tái)深井水泵等機(jī)電盤柜。自流排水方案廠內(nèi)僅設(shè)檢修集水井,主要用于周轉(zhuǎn)回收機(jī)組等設(shè)備運(yùn)行時(shí)所需的水,取消滲漏集水井,縮短了主廠房尺寸,有利于廠房洞室圍巖穩(wěn)定;增加排水途徑,即便廠內(nèi)深井泵、或管路出現(xiàn)故障,減少水淹廠房的可能性,減少了電站運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),提高廠房運(yùn)行的可靠性;若提前施工開挖,方便施工期的排水等;同時(shí)減少了滲漏深井水泵及相應(yīng)的控制盤柜系統(tǒng)。兩方案投資相當(dāng),經(jīng)綜合比較設(shè)置自流排水洞。

(2)自流排水洞布置:

自流排水洞始于廠房下層排水廊道右端,經(jīng)下水庫(kù)右岸,自2#公路0+3720m樁號(hào)側(cè)岸出露,經(jīng)2#公路涵洞,最終匯入滹沱河。全長(zhǎng)1232.658m,高程696.451～711.900m,排水縱坡i=1.26%,斷面為城門洞型,凈尺寸2.5m×3m(寬×高),自流排水洞是廠區(qū)排水的重要通道。

7 結(jié)語(yǔ)

西龍池地下廠房地質(zhì)條件復(fù)雜,設(shè)計(jì)中首先詳細(xì)查清了廠區(qū)地質(zhì)構(gòu)造情況及規(guī)律,在開工前借助于模型試驗(yàn)洞,貫通廠房軸線,相對(duì)準(zhǔn)確地確定了廠房位于相對(duì)完整的地層中,為工程建設(shè)爭(zhēng)取了主動(dòng)。經(jīng)過工程類比、理論分析、施工、運(yùn)行及投資等方面的綜合比較,確定安裝場(chǎng)位于廠房中部的方案,適合該工程的圍巖條件。

結(jié)合水平薄層狀圍巖條件,確定對(duì)穿錨索、系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨桿、噴鋼纖維混凝土的支護(hù)方案,同時(shí)利用預(yù)埋監(jiān)測(cè)儀器獲得的真實(shí)監(jiān)測(cè)資料,進(jìn)行反分析跟蹤研究,動(dòng)態(tài)調(diào)整支護(hù)參數(shù)。根據(jù)原位模型試驗(yàn),確定采用巖壁吊車梁方案。根據(jù)地形條件,確定了自流排水洞的設(shè)計(jì)方案。

地下廠房于2005年12月開挖支護(hù)施工完成,到目前為止,洞室變位已穩(wěn)定,吊車梁等已經(jīng)投入運(yùn)行。