白蓮河抽水蓄能電站地下廠房設(shè)計(jì)

楊 利，楊 軍

（中國(guó)水電顧問集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410014）

1 廠區(qū)和廠房布置

1.1 主廠房洞室位置和洞軸線方向選擇

廠區(qū)地層巖性為花崗巖。主廠房洞室位置和洞軸線方向是按可研階段的勘探資料選定的，廠房開挖所揭露的地質(zhì)情況基本上與前期勘探成果一致。可研階段布置了1條橫穿廠區(qū)的勘探主洞，并在初擬的主廠房洞室頂部布置了1條近東西向的勘探支洞。根據(jù)廠區(qū)勘探主洞揭露的斷層發(fā)育情況和巖體完整程度，設(shè)計(jì)將主廠房布置在勘探主洞深370～470 m范圍內(nèi)。選定廠房地段的圍巖除F8斷層帶為Ⅳ類圍巖外，大部分圍巖屬Ⅱ類巖體，是巖體完整性相對(duì)最好的地段。地下廠房垂直埋深約200 m，距下水庫(kù)庫(kù)岸水平距離約450 m。

廠區(qū)地應(yīng)力屬中偏低應(yīng)力量級(jí)：σ1=10.69 MPa,方位角 176.82°， 傾角 17.61°； σ2=5.9 MPa， 方位角343.63°， 傾角 71.94°； σ3=3.42 MPa， 方位角 85.59°,傾角3.87°。廠區(qū)最大主地應(yīng)力方向雖然為近SN向，但地應(yīng)力量值相對(duì)較小，對(duì)主廠房洞室軸線方向的選擇不起控制作用。選定的地下廠房位置主要有近SN走向的F8斷層，節(jié)理主要以NW向及NE走向的兩組為主。因此，主廠房洞室軸線方向在盡量與NE、NW兩組結(jié)構(gòu)面走向和F8斷層有較大交角的同時(shí)，結(jié)合輸水發(fā)電系統(tǒng)布置，最終確定為東西向。

1.2 廠區(qū)和廠內(nèi)布置

從發(fā)電工況水流方向看，依次平行布置球閥室、主廠房、主變洞和尾閘室4大洞室，洞室間距依次為30.00、32.00 m和15.60 m。在主廠房與主變洞之間平行布置4條母線洞和1條廠用配電洞（見圖 1）。

主廠房洞室由安裝間、主機(jī)間和左副廠房組成，主廠房開挖尺寸為146.40 m×21.85 m×50.88 m （長(zhǎng)×寬×高，巖壁梁以上開挖跨度23.25 m），頂拱體形采用三心圓弧拱。安裝間布置在主機(jī)間右端，開挖長(zhǎng)度42.70 m，將安裝場(chǎng)近1號(hào)機(jī)組段20.00 m長(zhǎng)度范圍的下部巖石開挖到水泵水輪機(jī)層，按2層分別布置高壓空壓機(jī)系統(tǒng)和供水系統(tǒng)設(shè)備。主機(jī)間長(zhǎng)度92.00 m，機(jī)組段長(zhǎng)度23.00 m,機(jī)組段之間設(shè)伸縮縫。左副廠房位于主機(jī)間左端，開挖長(zhǎng)度11.70 m，其開挖寬度、頂拱體形及拱頂開挖高程與主機(jī)間相同；左副廠房頂層高程與電動(dòng)發(fā)電機(jī)層地面相同，其下部按2層分別布置低壓空壓機(jī)系統(tǒng)和透平油系統(tǒng)。主廠房?jī)?nèi)布置1臺(tái)2×3 000 kN的雙小車橋式吊車，采用巖壁梁作為吊車的支撐結(jié)構(gòu)。在主廠房四周設(shè)置防潮隔墻，上游側(cè)巖壁梁下部隔墻兼作通風(fēng)隔墻。

主變洞開挖尺寸 134.40 m×19.70 m×19.93 m，主變洞頂拱體形采用三心圓弧拱。主變洞第1層布置主變壓器和SFC等設(shè)備，主變室內(nèi)部?jī)舫叽鐬?6.00 m×8.80 m×13.40 m，主變洞地面與主廠房安裝場(chǎng)地面同高程，主變壓器可進(jìn)安裝場(chǎng)拼裝和檢修；主變洞第2層為500 kV高壓電纜層，其下游側(cè)布置高壓電纜平洞，接電纜電梯豎井至地面中控樓。

球閥室開挖尺寸 106.40 m×10.70 m×28.68 m，尾閘室開挖尺寸94.00 m×10.80 m×20.91 m，二者頂拱體形采用單心圓弧拱。進(jìn)廠交通洞從主變洞右端墻外通過，與安裝間下游邊墻正交進(jìn)入安裝場(chǎng)內(nèi)。將主變洞與安裝場(chǎng)之間的進(jìn)廠交通洞洞段加寬并設(shè)置主變運(yùn)輸軌道，以滿足主變壓器就位時(shí)運(yùn)輸寬度的要求。分別設(shè)置了尾閘室和主變洞的聯(lián)系洞，與進(jìn)廠交通洞正交相接。高壓支管下平段的施工支洞兼作球閥室的交通洞，與進(jìn)廠交通洞相接。主變洞和主廠房洞室的頂拱施工支洞兼作地下廠房排風(fēng)洞。在安裝間右端布置空調(diào)機(jī)室，并設(shè)置聯(lián)系廊道及豎井與球閥室的交通洞相接，球閥室的交通洞兼作空調(diào)機(jī)室的進(jìn)風(fēng)洞。在廠區(qū)周圍布置2層排水廊道，在主廠房與主變洞之間的拱腳附近布置1條排水廊道，廠區(qū)下游側(cè)排水廊道兼作帷幕灌漿廊道。沿進(jìn)廠交通洞右側(cè)布置高程72 m排水廊道與廠區(qū)上層排水廊道相接，機(jī)組檢修排水和廠區(qū)部分滲漏水匯集到集水井后，通過深井泵提升到高程72 m排水廊道自流排出廠房外。利用廠區(qū)勘探主洞布置引水岔管排水廊道。

圖1 廠區(qū)平面布置示意

主廠房、主變洞、進(jìn)廠交通洞、高壓電纜平洞和排風(fēng)洞采用錨噴支護(hù)作為洞室圍巖的永久支護(hù)結(jié)構(gòu)。尾閘室、球閥室、母線洞、廠用配電洞和空調(diào)機(jī)室采用錨噴支護(hù)+鋼筋混凝土襯砌的復(fù)合式支護(hù)形式。

1.2 治療方法 常規(guī)組患者應(yīng)用阿司匹林(負(fù)荷劑量300 mg/d，維持劑量100 mg/d)和氯吡格雷(負(fù)荷劑量600 mg/d，維持劑量75 mg/d)。埃索美拉唑組患者在常規(guī)組治療基礎(chǔ)上應(yīng)用埃索美拉唑(40 mg/d)。

地面建筑物集中布置于下周灣平緩地段，所處位置基巖出露，通過開挖和局部回填形成場(chǎng)地。中控樓為4層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，平面尺寸23.00 m×16.00 m。500 kV GIS開關(guān)站為2層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，緊鄰中控樓呈 “一”字形布置，平面尺寸為48.00 m×15.00 m。出線平臺(tái)緊鄰開關(guān)站平行布置，平面尺寸為83.10 m×20.50 m，設(shè)2回500 kV出線。其中1回預(yù)留位置用于機(jī)組黑起動(dòng)的柴油發(fā)電機(jī)房，布置于地面GIS開關(guān)站左端部。本工程不設(shè)置專門的絕緣油系統(tǒng)，必要時(shí)由社會(huì)服務(wù)機(jī)構(gòu)提供絕緣油料。

2 地下廠房設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注的幾個(gè)問題

2.1 球閥布置

與同規(guī)模的蓄能機(jī)組相比，本工程的機(jī)組額定水頭相對(duì)較小，僅195.00 m，導(dǎo)致機(jī)組轉(zhuǎn)速低、機(jī)組尺寸和球閥直徑較大 （機(jī)組額定轉(zhuǎn)速250 r/min，轉(zhuǎn)輪直徑5.259 m，球閥標(biāo)稱直徑3.50 m）?？尚行匝芯吭O(shè)計(jì)階段對(duì)球閥布置在主廠房?jī)?nèi)、外兩個(gè)方案進(jìn)行了比較。將球閥布置在主廠房外方案，主廠房開挖跨度可減小3～4 m，對(duì)主廠房洞室圍巖穩(wěn)定有利，主廠房洞室圍巖支護(hù)相對(duì)容易，可縮短2個(gè)多月的直線工期。雖增加了球閥室部分土建和機(jī)電設(shè)備工程量，但抵去主廠房節(jié)省的工程量后，增加的工程量較少，同時(shí)球閥室施工不占直線工期。對(duì)球閥布置在主廠房外方案的地下廠房洞室群圍巖整體穩(wěn)定分析表明，洞室群圍巖整體是穩(wěn)定的。最終按將球閥室布置在主廠房外的方案實(shí)施。

2.2 巖壁吊車梁結(jié)構(gòu)形式

主廠房?jī)?nèi)設(shè)置1臺(tái)2×3 000 kN的雙小車橋式吊車，吊車跨度20.50 m，最大輪壓850 kN。開挖揭露的地質(zhì)情況顯示，大部分洞段的圍巖為Ⅱ類，F(xiàn)8斷層破碎帶為Ⅳ類夾Ⅴ類圍巖?？紤]吊車輪壓較大，施工詳圖設(shè)計(jì)階段對(duì)目前常用的巖壁吊車梁和設(shè)置混凝土附壁柱的巖壁吊車梁兩個(gè)方案進(jìn)行了三維有限元計(jì)算分析，最終采用了設(shè)置混凝土附壁柱的巖壁吊車梁。巖壁吊車梁斷面尺寸1.90 m×2.80 m（寬×高）。附壁柱上端與巖壁梁底部現(xiàn)澆，其下端延伸到水泵水輪機(jī)層或安裝場(chǎng)底板。附壁柱間距為6 m～8 m，附壁柱與圍巖之間設(shè)置錨桿?？紤]到上游側(cè)巖壁梁下部設(shè)置通風(fēng)防潮隔墻和下游側(cè)設(shè)置防潮隔墻的情況，上游側(cè)附壁柱斷面尺寸0.65 m×1.05 m，下游側(cè)附壁柱斷面尺寸0.65 m×0.50 m。受F8斷層影響的部位，在附壁柱間增設(shè)了0.5 m厚的附壁鋼筋混凝土板，板頂與巖壁吊車梁現(xiàn)澆，板底延伸到巖壁吊車梁根部以下5.60 m處，主廠房邊墻洞壁錨桿與鋼筋混凝土板連接。

2.3 鋼蝸殼保壓值的確定

機(jī)組鋼蝸殼采用保壓澆筑混凝土方式。機(jī)組安裝高程41.00 m，上水庫(kù)正常蓄水位308.00 m，死水位291.00 m。設(shè)計(jì)過程中對(duì)鋼蝸殼充水保壓水頭進(jìn)行了150.00、165.00 m和200.00 m方案的分析研究。計(jì)算成果表明：鋼蝸殼充水保壓水頭較高時(shí)，外包混凝土分擔(dān)的荷載較小。但是，鋼蝸殼與外包混凝土之間的初始縫隙大小不僅與施工期保壓值有關(guān)，還與施工期和運(yùn)行期鋼蝸殼內(nèi)的水溫有關(guān)，而施工中難以保證鋼蝸殼內(nèi)水溫與運(yùn)行期一致。鋼蝸殼保壓值越高，形成的初始縫隙值就越大，當(dāng)運(yùn)行期蝸殼內(nèi)水頭較低時(shí)，可能造成鋼蝸殼脫空，對(duì)機(jī)組穩(wěn)定不利。綜合考慮后，最終確定的蝸殼保壓值為165.00 m水頭。該保壓值是蝸殼最大水頭的0.53倍，蝸殼外包混凝土分擔(dān)的荷載比例為35%～40%。

2.4 風(fēng)罩和機(jī)墩剛度分析

機(jī)墩和風(fēng)罩外形為正八邊形，其邊長(zhǎng)6.05 m，風(fēng)罩內(nèi)壁直徑11.30 m，風(fēng)罩高5.81 m，風(fēng)罩最小壁厚0.80 m。機(jī)墩高度5.69 m，機(jī)墩最小厚度3.30 m。風(fēng)罩頂部與電動(dòng)發(fā)電機(jī)層樓板連為整體，母線層樓板與風(fēng)罩底部相連。電動(dòng)發(fā)電機(jī)上機(jī)架8個(gè)支撐基礎(chǔ)徑向均勻分布于風(fēng)罩內(nèi)壁頂部，下機(jī)架8個(gè)基礎(chǔ)徑向均勻分布于機(jī)墩內(nèi)壁的環(huán)狀牛腿頂面。

機(jī)組對(duì)風(fēng)罩和機(jī)墩的剛度要求：當(dāng)上、下機(jī)架基礎(chǔ)作用10 MN荷載時(shí)，結(jié)構(gòu)相應(yīng)部位的最大徑向位移不大于1.00 mm。分析結(jié)果表明，當(dāng)下機(jī)架8個(gè)基礎(chǔ)支點(diǎn)均勻承受荷載時(shí)，最大徑向位移值為0.0577 mm；即使下機(jī)架所有荷載加在下機(jī)架基礎(chǔ)的一個(gè)支承點(diǎn)上，其最大徑向位移值也只有0.469 mm，機(jī)墩具有足夠的剛度。當(dāng)上機(jī)架8個(gè)基礎(chǔ)支點(diǎn)均勻承受荷載時(shí)，最大徑向位移為0.136 mm；當(dāng)考慮機(jī)組出現(xiàn)較大偏心影響，只有4個(gè)或者3個(gè)支點(diǎn)承受荷載時(shí)，最大徑向位移分別為0.81、1.017 7 mm，風(fēng)罩已具有相當(dāng)剛度，但還是要加強(qiáng)機(jī)組安裝質(zhì)量控制，防止出現(xiàn)過大偏心。

2.5 主廠房F8斷層處理

原預(yù)測(cè)主廠房F8斷層帶寬度約15 m，為Ⅳ類圍巖。頂拱中導(dǎo)洞開挖揭露F8斷層破碎帶寬度較原推測(cè)寬度小，但下盤影響帶寬度變大，圍巖性狀變差。根據(jù)中導(dǎo)洞開挖揭露的情況，對(duì)F8斷層的處理措施進(jìn)行了重點(diǎn)研究，最終按頂拱鋼筋格構(gòu)梁、直邊墻破碎帶采用混凝土置換的方式實(shí)施，主要處理措施如下：

（1）全面開挖前對(duì)斷層破碎帶及影響帶進(jìn)行固結(jié)灌漿。

（2）垂直洞軸線方向按間距0.8 m布置一榀6×φ25鋼筋格構(gòu)梁，共33榀。沿格構(gòu)梁的拱軸線按間距1.0 m布置錨桿，錨桿外露端與格構(gòu)梁鋼筋焊接，格構(gòu)梁間布置縱向連接鋼筋。

（3）由斷層下盤影響帶向上盤布置斜向加強(qiáng)錨桿。

（4）在上下游拱腳位置各布置一排150 t級(jí)預(yù)應(yīng)力錨索，上游側(cè)共布置5束，下游側(cè)6束。

（5）頂拱噴0.25 m厚 CF25鋼纖維混凝土。

（6）對(duì)上下游直墻的F8斷層破碎帶刻槽作混凝土置換處理。

（7）在巖壁梁下部設(shè)置附壁鋼筋混凝土板，與附壁柱及巖壁梁整澆。

2.6 廠房動(dòng)力響應(yīng)分析及處理

對(duì)白蓮河抽水蓄能水電站廠房動(dòng)力特性的全面計(jì)算和研究得出的主要結(jié)論歸納如下：

（1）機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，在機(jī)組振動(dòng)荷載作用下，機(jī)墩附近動(dòng)位移相對(duì)比較大且以豎向位移為主，其他部位的動(dòng)位移均較小。位移最大幅值為0.107 mm，位于下機(jī)架基礎(chǔ)荷載作用點(diǎn)處，沒有超過規(guī)范規(guī)定的最大振幅值。機(jī)組振動(dòng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力較小，說明機(jī)墩結(jié)構(gòu)有較大的剛度和強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。

（2）在脈動(dòng)壓力作用下，當(dāng)其頻率在24 Hz左右時(shí)，電動(dòng)發(fā)電機(jī)樓板響應(yīng)出現(xiàn)峰值。

根據(jù)動(dòng)力分析結(jié)果，主廠房樓板在動(dòng)力響應(yīng)中是個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。因此在技施設(shè)計(jì)中采取了如下兩項(xiàng)措施：一，將本工程主廠房電動(dòng)發(fā)電機(jī)層和母線層樓板厚度由前階段的500、400 mm分別增加至800、500 mm；二，讓兩層樓板及主廠房框架柱與上下游巖壁接觸澆筑 (除預(yù)留的通風(fēng)道)，從而增強(qiáng)這些部分的剛度。目前，機(jī)組運(yùn)行過程中尚未出現(xiàn)相關(guān)結(jié)構(gòu)劇烈振動(dòng)的現(xiàn)象。

3 實(shí)施情況及體會(huì)

自2004年10月初開始主廠房開挖以來，工程進(jìn)展比較順利，4臺(tái)機(jī)組已于2010年12月全部投入運(yùn)行。從廠房開挖所揭露的地質(zhì)情況看，基本上與前期勘探成果一致，只是F8斷層破碎帶寬度較原推測(cè)寬度小、下盤影響帶寬度變大，圍巖性狀比推測(cè)差。從安全監(jiān)測(cè)成果看，各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后期變化趨于穩(wěn)定，處于收斂狀態(tài)，說明對(duì)F8斷層的處理措施是成功的。

本工程的檢修排水系統(tǒng)是按常規(guī)水電站的設(shè)計(jì)思路考慮的，即在安裝場(chǎng)下部的水泵水輪機(jī)層以下設(shè)置檢修集水井，并采用深井泵抽排的方式?？紤]到機(jī)組檢修排水盤形閥可能失效的情況，檢修集水井和進(jìn)人孔蓋板均是按承壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的。由于機(jī)組安裝高程較低，檢修集水井承受的內(nèi)水壓力很大，在集水井內(nèi)部布置了 “井”字形鋼筋混凝土隔墻，給設(shè)計(jì)和施工造成了一定難度。從本工程實(shí)施的情況看，機(jī)組檢修排水采用直排方式 （即取消機(jī)組檢修集水井，檢修排水泵吸水管直接與機(jī)組尾水管連接）可能更為有利。

本工程在考慮主廠房關(guān)鍵線路施工工期和廠房跨度對(duì)洞室圍巖穩(wěn)定影響等因素后，最終采用了球閥布置在廠外的方案。工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主廠房開挖過程中碰到類似F8斷層等軟弱破碎巖體時(shí)，這些部位需要加強(qiáng)支護(hù)處理因而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)工期加長(zhǎng)，增加了后續(xù)施工工序的壓力。隨著國(guó)內(nèi)地下廠房設(shè)計(jì)技術(shù)以及施工技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)大型水電站地下廠房跨度在向25、30 m級(jí)別發(fā)展。比如，三峽、龍灘、向家壩、錦屏一級(jí)、錦屏二級(jí)電站的完建使得球閥放在廠內(nèi)有了更大的選擇空間。球閥放在廠內(nèi)的主要優(yōu)勢(shì)為：電站運(yùn)行期間，廠房的管理巡視更加方便，通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)置也簡(jiǎn)單；廠區(qū)布置時(shí)，不需要單獨(dú)設(shè)置交通聯(lián)系洞，不需要設(shè)置開挖球閥洞的施工支洞，洞室數(shù)量少，便于施工管理?？傊?，球閥無論是布置在廠內(nèi)還是廠外，各有一定的優(yōu)勢(shì)，但筆者認(rèn)為在地質(zhì)圍巖條件較好的地區(qū)，采用廠內(nèi)布置球閥方案時(shí)在施工期投入資源解決洞室穩(wěn)定和施工強(qiáng)度問題，可給后期運(yùn)行管理帶來更大的便利，也是值得考慮的。

本工程的錨噴支護(hù)和混凝土襯砌中使用了加勁軟式透水管作為巖壁排水設(shè)施。為了避免混凝土堵管，設(shè)計(jì)時(shí)用土工布條覆蓋透水管，并沿透水管兩側(cè)設(shè)置了鋼筋壓條來壓住土工布條，再打膨脹螺栓將鋼筋壓條固定于巖壁；對(duì)于網(wǎng)狀布置的透水管十字交叉節(jié)點(diǎn)位置用土工布包裹。盡管設(shè)計(jì)中采取了這些保護(hù)措施，但實(shí)施效果不夠理想，其主要原因?yàn)槭┕すに嚥坏轿弧＝ㄗh：施工時(shí)，對(duì)透水管管口采取保護(hù)措施 （類似機(jī)電管道保護(hù)），將透水管預(yù)埋與混凝土澆筑 （噴射）施工列入相同工序管理，以保證施工質(zhì)量。