巴基斯坦汗華水電站工程豎井半地下式廠房設(shè)計(jì)

劉春鋒 朱偉君 吳先德 李 婭

汗華(Khan Khwar)水電站工程位于巴基斯坦西北邊境省,大壩位于印度河支流Khan Khwar河上,發(fā)電廠房位于印度河右岸Besham鎮(zhèn)附近。該工程是一項(xiàng)高水頭、長(zhǎng)隧洞的引水式水電站工程,由水庫、擋水重力壩、引水系統(tǒng)、調(diào)壓井、電站廠房、尾水建筑物、開關(guān)站和輸變電線路等組成,其主要任務(wù)是調(diào)峰發(fā)電。大壩為混凝土實(shí)體重力壩,最大壩高49.0m,壩頂長(zhǎng)約106.1m,壩頂高程 829.0m。最高蓄水位825.0m,總庫容為105萬m3,有效庫容為40萬m3。引水系統(tǒng)長(zhǎng)5144m,內(nèi)徑為3.85～3.00m,包括引水隧洞、壓力豎井、壓力隧洞。設(shè)計(jì)引水流量35m3/s,設(shè)計(jì)發(fā)電凈水頭242m,總水頭為254m。廠房?jī)?nèi)安裝2臺(tái)34.25mW的立軸混流式發(fā)電機(jī)組和1臺(tái)3.65mW的沖擊式輔助發(fā)電機(jī)組,總裝機(jī)容量72.15MW。

1 廠區(qū)工程地質(zhì)

電站廠房位于KKH公路陡坡下、印度河右岸坡腳地帶,為斜坡地形,坡度15°～20°,地面高程580～605m,場(chǎng)地由原來的小山包削平而成。

地表基巖裸露,地層巖性為Besham組淡色花崗巖和花崗片麻巖,局部見有赤鐵礦蝕變帶。據(jù)鉆孔巖芯資料,花崗巖、花崗片麻巖RQD平均值分別為55.3%～75.1%、54.4%～81.6%。

巖體較完整—較破碎,底部因節(jié)理裂隙發(fā)育完整性稍差。大部屬中等風(fēng)化,只在局部沿著剪切帶風(fēng)化強(qiáng)烈。主要裂隙產(chǎn)狀為NW345°～NE5°/NE或SE∠62°～74°, 次為 NE45°～ 60°/SE ∠30°～50°。一條剪切性斷層F18穿過豎井壁和底板,產(chǎn)狀為NW345°～ 355°/NE ∠58°～ 70°, 破碎帶寬 0.6～ 4.0m,帶內(nèi)裂隙密集發(fā)育,斷層面有20～30cm厚的斷層泥。

2 廠房型式及廠房豎井位置的確定

汗華電站為引水式電站,通常有半地下式豎井廠房、地下廠房、岸邊式地面廠房3種型式可供選擇。鑒于本工程特定的地形、地質(zhì)條件,半地下式豎井廠房是最優(yōu)的選擇。廠房上部結(jié)構(gòu)布置在地面以上,保證廠內(nèi)有良好的通風(fēng)、防潮和采光等條件,交通問題也較易解決,運(yùn)行、管理較方便;豎井平面尺寸滿足2臺(tái)主機(jī)組布置即可,與地下和地面廠房相比,其平面尺寸可明顯縮小,因此,本工程選擇半地下式豎井廠房的方案。

可研設(shè)計(jì)階段選擇的廠房位置,豎井外圍巖石最薄處(臨印度河)僅2～3 m,并且主廠房上部結(jié)構(gòu)部分坐落于基巖上,部分坐落于砂礫石上。由于主廠房豎井開挖尺寸較大,豎井底部節(jié)理裂隙發(fā)育、完整性較差,原設(shè)計(jì)豎井巖壁太薄,對(duì)廠房施工及永久運(yùn)行的防滲極為不利。坐落在砂礫石上的結(jié)構(gòu)物必須采用樁基礎(chǔ),以解決不均勻沉降問題,沒有充分利用較好的地質(zhì)、地形條件,人為地使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜化。另外,原設(shè)計(jì)廠房區(qū)域離PTDC旅館太近,廠房施工給其帶來一定的干擾;因此,詳設(shè)階段將主廠房位置調(diào)整至南端不遠(yuǎn)處的小山包上,開關(guān)站位于小山包下游側(cè)印度河河邊岸坡上,從而避免了上述問題。調(diào)整方案已經(jīng)實(shí)施。

3 廠房總體布置

廠房位于KKH公路旁印度河右岸的階地上,主要由主廠房、副廠房、尾水建筑物、開關(guān)站、住宅樓等主要建筑物組成。整個(gè)廠區(qū)地面高程定為585.80m。

主廠房地面高程略高于廠區(qū)地面高程,為586.00m。主廠房長(zhǎng)48.5m,寬19.6m,總高度43.20m,其中地面以上高度為15.50m,地面以下高度為27.70m。主機(jī)間為豎井式,豎井長(zhǎng)28.25m,寬22.00m,深27.70m。主廠房?jī)?nèi)布置2臺(tái)混流式主機(jī)組,機(jī)組間距8.00m,每臺(tái)機(jī)組的設(shè)計(jì)流量為16.5m3/s,發(fā)電機(jī)單機(jī)容量為34.25mW。1臺(tái)沖擊式輔助機(jī)組的設(shè)計(jì)流量為2m3/s,發(fā)電機(jī)容量為3.65MW,布置在安裝間內(nèi)。

豎井長(zhǎng)28.25m,寬22m,由2個(gè)半徑為11m的半圓形用直線段聯(lián)接而成,形狀類似橢圓,襯砌厚度為1m。豎井上游側(cè)為裝配井,豎井下游側(cè)從上到下依次布置有防火系統(tǒng)室(高程581.00m)、發(fā)電機(jī)單元室(高程577.60m)、水冷卻系統(tǒng)室(高程573.40m)、水輪機(jī)層(高程568.20m)、蝸殼層(高程566.00m)、閥室層(高程562.90m)、尾水管層(高程560.30m)。水輪機(jī)層以下為大體積混凝土,水輪機(jī)層以上各層均采用無梁厚板結(jié)構(gòu)型式,厚度為0.5m,各層有樓梯相連,并在下游側(cè)設(shè)有一部電梯,通往機(jī)械大廳層及副廠房各層。電纜井緊貼豎井井壁,布置在豎井下游側(cè)的電梯井旁。

水輪機(jī)層高程為568.20m,下游側(cè)主要布置有機(jī)組調(diào)速器、盤柜、尾水閘門啟閉機(jī)等設(shè)備。上游側(cè)放置有球閥調(diào)速器。由于機(jī)組采用中拆方案,因此在機(jī)墩上開有4.6m×3.0m(寬×高)的通道,用于拆卸水輪機(jī)轉(zhuǎn)軸,洞的頂部、地面埋設(shè)軌道,水輪機(jī)拆卸后運(yùn)到裝配井,通過橋機(jī)吊到安裝場(chǎng)檢修。

閥室層地面高程為562.90m,該層主要布置有直徑為1.6m進(jìn)水球閥的控制裝置、廠房檢修集水井、滲漏集水井等。

副廠房位于主廠房下游側(cè),為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),長(zhǎng)50.70m,寬14.00m。副廠房共3層,第1層與主廠房機(jī)械大廳層同高、第2層為中控室層、第3層為通訊層,高程分別為 586.00,590.80,597.20m。為滿足防火要求,副廠房共設(shè)2個(gè)樓梯間,并與豎井共用1部電梯。

井壁襯砌厚度為1m,采用低滲透性混凝土。原設(shè)計(jì)在井壁上布設(shè)無砂排水管,將廠房滲漏水引入滲漏集水井內(nèi),然后通過排水管排出廠房外,開挖后實(shí)際地下水位比較低,取消了無砂排水管的方案。

4 豎井開挖和支護(hù)

由于豎井開挖尺寸較大,豎井的圍巖應(yīng)力和變形是設(shè)計(jì)較為關(guān)心的問題。經(jīng)過有限元圍巖非線性穩(wěn)定分析,結(jié)果為井壁各高程環(huán)向應(yīng)力和豎向應(yīng)力均為壓應(yīng)力,無拉應(yīng)力出現(xiàn),環(huán)向應(yīng)力和豎向應(yīng)力均隨深度的增加而增大,最大值出現(xiàn)在井底高程,分別為1.01mPa和1.71mPa,小于巖石允許抗壓強(qiáng)度;因此,總體而言,豎井開挖后,圍巖是穩(wěn)定的。

廠房豎井開挖是利用尾水隧洞出渣,開挖步驟為:豎井導(dǎo)井開挖,井壁擴(kuò)挖,建基面形成。采取自上而下,分層開挖的方法,井壁形成后,根據(jù)實(shí)際的地質(zhì)情況及時(shí)進(jìn)行錨噴支護(hù)。一次支護(hù)采用系統(tǒng)錨桿,錨桿直徑28mm,長(zhǎng)5～7 m,間距2m,噴混凝土厚10cm,局部視地質(zhì)情況加掛鋼筋網(wǎng)。對(duì)于有潛在滑動(dòng)楔形體部位,根據(jù)可能的楔形體大小,加長(zhǎng)、加密錨桿。

為保證施工安全,在豎井井口,增加了1道圈梁(寬0.4m,高2.5m),由于布置母線坑,為便于拆除部分圈梁,將圈梁分成2段布置,段與段之間通過鋼筋鉸接相連。

豎井圍巖類別以C類為主。為了監(jiān)測(cè)豎井井壁變形和支護(hù)滯后對(duì)井壁穩(wěn)定的影響,設(shè)計(jì)安裝了4個(gè)多點(diǎn)位移計(jì)和6個(gè)收斂觀測(cè)點(diǎn)。觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示,本井壁中部單日最大收斂量為2mm,累計(jì)最大收斂量為4mm,之后趨于穩(wěn)定,變形速度和累計(jì)變形量均小于允許值。

5 涌水和灌漿

原設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)豎井井壁及豎井底板進(jìn)行固結(jié)灌漿,后從現(xiàn)場(chǎng)開挖情況看,豎井井壁圍巖條件較好,可以不進(jìn)行固灌,只對(duì)底板做固灌處理。灌漿壓力為0.3～0.5MPa,灌漿孔徑不小于45mm,灌漿施工按2序孔分序加密,1序孔和2序孔灌漿孔間排距均為3 m×3 m,梅花形布置,孔長(zhǎng)5m,破碎帶區(qū)域孔位加密。

豎井開挖至562m高程時(shí),因打穿剪切帶發(fā)生涌水,穩(wěn)定涌水流量約為1000m3/h,實(shí)施固灌方案阻水、止水將進(jìn)一步延誤廠房工期,因此,現(xiàn)場(chǎng)采用強(qiáng)排水方案進(jìn)行后續(xù)施工。

6 結(jié) 語

巴基斯坦汗華水電站廠房采用豎井半地下式廠房,豎井內(nèi)布置緊湊、合理,大大減少了開挖工程量,節(jié)約了工程投資?，F(xiàn)在2臺(tái)機(jī)組已安裝完成,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)位移計(jì)及孔隙壓力計(jì)等設(shè)備觀測(cè)表明,廠房建筑物安全可靠。