天花板水電站廠房布置與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

儲(chǔ)小釗，董丹丹，張 燕

（中國(guó)水電顧問集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，北京 100024）

0 引言

天花板水電站地處云南省昭通市境內(nèi)牛欄江上，是牛欄江中下游規(guī)劃梯級(jí)水電站的第7級(jí)，為三等中型工程，發(fā)電廠房為3級(jí)建筑物。水電站廠房位于峽谷地區(qū)，設(shè)計(jì)過程中存在開挖高邊坡、高尾水、出線塔架導(dǎo)線拉力大等不利因素，給廠房布置與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來一定難度。電站采用地面廠房方案，廠區(qū)建筑物布置時(shí)考慮到地形地質(zhì)的不利條件，將副廠房、主機(jī)間、安裝場(chǎng)布置成 “一字型”，主變室布置在主廠房上游側(cè)，GIS及出線塔架位于主變室上部，同時(shí)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，以解決高邊坡開挖支護(hù)、高尾水岸邊廠房穩(wěn)定與尾水擋水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、出線場(chǎng)布置與出線塔架設(shè)計(jì)等問題。

1 廠區(qū)布置

天花板水電站廠房位于柴棚子溝上游的牛欄江河道轉(zhuǎn)彎處凸岸，地形坡度38°～40°。谷坡后緣為高大陡壁，近河岸有寬度不大的臺(tái)地。經(jīng)過前期比較論證，采用地面廠房方案。

地面廠房的布置將引起開挖邊坡的問題。廠區(qū)地質(zhì)條件較差，邊坡開挖支護(hù)是廠房設(shè)計(jì)時(shí)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，同時(shí)開挖支護(hù)的工程量在廠區(qū)工程量中占有較大比重。

為減少廠房邊坡開挖高度，降低工程風(fēng)險(xiǎn)，在廠房布置上主要采?。孩俑鹘ㄖM可能緊湊，副廠房、主機(jī)間、安裝間成 “一字型”布置，主變室布置在主機(jī)間上游側(cè)，將出線系統(tǒng)布置于主變室頂屋，以減少占地面積；②在滿足廠房地基承載力的前提下，廠房位置盡可能向河床方向布置，為避免廠房外移對(duì)施工期縱向圍堰布置及河床束窄的影響過大，對(duì)左岸河床區(qū)域進(jìn)行必要開挖及防護(hù)；③適當(dāng)調(diào)陡尾水渠的底坡，同時(shí)尾水管出口處設(shè)沉砂池、尾水渠末端設(shè)擋沙坎，以減少河道泥沙對(duì)尾水建筑物的不利影響。

2 高尾水情況下廠房穩(wěn)定與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天花板水電站廠房按50年一遇洪水設(shè)計(jì)，200年一遇洪水校核。廠房建基面高程為943.40 m?？紤]下游涼風(fēng)臺(tái)水電站大壩建成后影響設(shè)計(jì)洪水位為971.15 m高程，校核洪水位為973.58 m高程，即在校核洪水情況，廠房尾水水頭達(dá)30.18 m，相當(dāng)于一個(gè)中小型擋水壩承受的水頭，廠房的整體穩(wěn)定難以滿足要求，同時(shí)增大了尾水擋水結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度。經(jīng)分析比較，采取以下措施：①適當(dāng)加大廠房底部基礎(chǔ)寬度，將尾水出口處廠房底板混凝土外延1 m。一方面增大基礎(chǔ)面積，降低基礎(chǔ)應(yīng)力，另一方面可以利用擴(kuò)大的基礎(chǔ)上部水重，增大廠房整體穩(wěn)定性。②底板采用整體式的結(jié)構(gòu)形式并設(shè)置基礎(chǔ)錨筋。③廠房采取 “兩機(jī)一縫”的分縫形式，在機(jī)組段間設(shè)置永久縫。蝶閥層以上二期混凝土縫寬2 cm，設(shè)填縫材料；蝶閥層以下一期混凝土為光面縫 （零縫），不設(shè)填縫材料，既避免不均勻沉降對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，又可以在機(jī)組間傳遞側(cè)向水壓力，適當(dāng)提高了系統(tǒng)的整體性。④廠房止水設(shè)計(jì)時(shí)考慮高尾水的特點(diǎn)，在迎水面結(jié)構(gòu)縫處布置兩道止水并形成封閉。

除廠房整體穩(wěn)定外，尾水擋水結(jié)構(gòu)承受較大的外部水壓力，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有難度。尾水擋墻與尾水中邊墩是主要的擋水結(jié)構(gòu)，并設(shè)有尾水副廠房。前期設(shè)計(jì)考慮設(shè)3層副廠房，施工期由于機(jī)組技術(shù)供水設(shè)備布置有難度，只能將尾水副廠房增至4層。將第四層作為技術(shù)供水室，房間底板高程為953.38 m，校核洪水位下水頭達(dá)20.2 m。由于廠房整體體型已確定，結(jié)構(gòu)難以做大的調(diào)整。經(jīng)反復(fù)比較分析，采?。孩傥菜睆S房第4層技術(shù)供水室頂層設(shè)80 cm的厚板作為尾水擋墻的支撐結(jié)構(gòu)之一，要求與尾水閘墩同期澆筑，可將部分尾水壓力傳遞至蝸殼外包大體積混凝土；②尾水擋水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不再簡(jiǎn)化為平面問題，而是采用有限元ANSYS軟件對(duì)尾水擋水結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維模擬計(jì)算分析；③尾水副廠房上部3層頂板的下游側(cè)支承結(jié)構(gòu)為尾水擋墻，考慮到高尾水工況下尾水擋墻上部會(huì)產(chǎn)生較大的變形，在尾水副廠房頂板下游側(cè)支撐邊梁與尾水擋墻間設(shè)2 cm的變形縫。

3 開關(guān)站布置

受廠區(qū)地形地質(zhì)條件限制，開關(guān)站難以單獨(dú)設(shè)布置場(chǎng)地。前期設(shè)計(jì)時(shí)考慮將GIS設(shè)備、出線塔架及附屬設(shè)備均布置于主機(jī)間屋頂。施工詳圖階段隨著設(shè)計(jì)深度的深入，比較分析了將開關(guān)站布置于主機(jī)間頂層、副廠房頂層和主變室頂層的可行性。最終考慮到對(duì)下部支承結(jié)構(gòu)的影響、與輸電線路的聯(lián)系、運(yùn)行管理和場(chǎng)地面積等方面的要求，確定將GIS布置于主變開關(guān)樓第3層，出線塔架布置于主變室頂層。

施工詳圖設(shè)計(jì)后期確定電站輸電線路的0號(hào)桿布置在江對(duì)岸，電站出線塔架與輸變電系統(tǒng)的0號(hào)桿間的擋距與高差均較大，導(dǎo)線荷載張力很大，輸變電線路的電壓等級(jí)為220 kV，但出線塔架的荷載水平卻相當(dāng)于500 kV級(jí)。由于主變開關(guān)樓下部結(jié)構(gòu)已施工完成過半，結(jié)構(gòu)體型調(diào)整的余地不大，因此出線塔架鋼結(jié)構(gòu)與支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度較大。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院北京金土木軟件技術(shù)有限公司與CSI聯(lián)合推出的SAP2000中文版V14進(jìn)行計(jì)算，三維空間建模。在大量計(jì)算分析的基礎(chǔ)上確定了出線塔架的結(jié)構(gòu)體型。

4 邊坡開挖支護(hù)

電站施工期邊坡開挖最大高度為110 m，永久邊坡開挖高度為87 m。廠址區(qū)出露為震旦系地層，并以第四系松散堆積物為主。主要存在三組結(jié)構(gòu)面：① NE50°～60°、 SE<50°～60°， 順層裂隙， 一般沿泥巖夾層發(fā)育、張開，發(fā)育間距 （泥巖夾層）1～3 m，局部較密集，泥巖遇水軟化；② NW320°、SW<50°～70°，張開寬度2～3 cm，裂面平直略粗糙、銹色，填充碎片巖、巖屑及少量次生砂礫、泥質(zhì)，發(fā)育間距一般為 0.5～1.0 m， 局部密集； ③ NE40°～70°、NW<70°～90°，張開寬度1.0 cm左右，填充巖屑及少量次生砂礫、泥質(zhì)，發(fā)育間距一般為1.0 m左右，局部密集。

針對(duì)天花板水電站邊坡的實(shí)際情況，采用的設(shè)計(jì)思路為：①通過復(fù)核原始邊坡的穩(wěn)定性，對(duì)地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，提出合理的邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算參數(shù)區(qū)段；②擬定開挖支護(hù)方案，對(duì)開挖邊坡進(jìn)行穩(wěn)定分析計(jì)算，并對(duì)邊坡結(jié)構(gòu)面連通率、結(jié)構(gòu)面參數(shù)、地下水等不確定狀況進(jìn)行敏感性分析，提出支護(hù)的總體設(shè)計(jì)方案；③針對(duì)邊坡具體地質(zhì)狀況展開了支護(hù)形式選擇、錨索深度、最優(yōu)傾角的細(xì)部設(shè)計(jì)；④根據(jù)邊坡開挖揭露的實(shí)際地質(zhì)情況以及邊坡監(jiān)測(cè)資料，對(duì)邊坡支護(hù)參數(shù)進(jìn)行修正與調(diào)整。

經(jīng)計(jì)算分析，廠房后邊坡的滑動(dòng)失穩(wěn)可能破壞模式為覆蓋層Q4的淺層弧面型滑動(dòng)，同時(shí)存在深層滑動(dòng)以及結(jié)構(gòu)面組合形成楔型體滑動(dòng)的可能性。

根據(jù)天花板水電站廠址區(qū)的實(shí)際地質(zhì)特點(diǎn)，對(duì)可能存在的淺層滑動(dòng)，采用以混凝土網(wǎng)格梁加土體長(zhǎng)錨桿為主的支護(hù)方式。土體長(zhǎng)錨桿與混凝土網(wǎng)格梁組成的復(fù)合體，既彌補(bǔ)了土體自身強(qiáng)度不足的缺點(diǎn)，也適當(dāng)利用了土體自身潛力。對(duì)深層穩(wěn)定問題，采用1 000 kN錨索為主的支護(hù)方式，輔助以網(wǎng)格梁、錨噴混凝土等。在選用錨索時(shí)，結(jié)合邊坡巖體破碎的特點(diǎn)，采用了拉壓分散型預(yù)應(yīng)力錨索，并重點(diǎn)分析了錨索深度及最優(yōu)傾角等問題。

天花板水電站廠房永久邊坡的開挖支護(hù)于2007年未開始施工，2008年年底基本完成，2011年年初兩臺(tái)機(jī)組相繼投產(chǎn)發(fā)電，廠房邊坡觀測(cè)數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定，施工期及后期使用正常，說明邊坡開挖支護(hù)設(shè)計(jì)合理，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求與目的。

5 結(jié)語

天花板電站廠房位于峽谷地區(qū)，河谷偏窄，地質(zhì)條件較差，機(jī)組安裝高程低、設(shè)計(jì)校核尾水位高。根據(jù)具體條件，廠房設(shè)計(jì)時(shí)采取廠區(qū)建筑物緊湊布置、宜地制宜的原則，在尾水渠布置、主機(jī)間整體穩(wěn)定、尾水擋水結(jié)構(gòu)、出線塔架設(shè)計(jì)和邊坡開挖與支護(hù)設(shè)計(jì)上采取有針對(duì)性的措施，有效地解決了高邊坡開挖支護(hù)、高尾水岸邊廠房穩(wěn)定與擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、出線場(chǎng)布置與出線塔架設(shè)計(jì)等問題。可供今后類似條件的工程設(shè)計(jì)提供借鑒。