厄瓜多爾米納斯·圣弗朗西斯科梯級(jí)電站地下廠房洞室設(shè)計(jì)

[] N.I.

在厄瓜多爾胡沃內(nèi)斯河上，計(jì)劃修建米納斯·圣弗朗西斯科(M·SF)和拉尤尼(LU)2座梯級(jí)水電站，目前招標(biāo)工作已經(jīng)完成，建設(shè)合同已經(jīng)簽屬。

M·SF水電站位于右岸，尾水通過3個(gè)大直徑鋼管輸送到左岸的LU水電站，跨過胡沃內(nèi)斯河時(shí)采用混凝土高架橋。M·SF水電站為上游梯級(jí)，包括一座高78 m的碾壓混凝土壩，右岸長(zhǎng)13.9 km的低壓引水隧洞，直徑16 m的調(diào)壓井，長(zhǎng)456 m、直徑3.77 m垂直壓力管井，安裝3臺(tái)沖擊式水輪機(jī)的地下廠房以及長(zhǎng)1.6 km的尾水隧洞。電站總裝機(jī)275 MW，利用水頭約510 m。

LU是第2座梯級(jí)水電站，利用M·SF尾水發(fā)電。建筑物包括進(jìn)水口、位于河流左岸長(zhǎng)12.2 km的低壓引水隧洞、直徑15 m的調(diào)壓井、長(zhǎng)850 m的壓力管道、安裝2臺(tái)混流式水輪機(jī)的地面廠房，電站總裝機(jī)94 MW，利用水頭約184 m。

M·SF地下廠房由長(zhǎng)約28 km的隧洞和大型地下洞室組成，是該項(xiàng)目中難度最大、地質(zhì)條件最復(fù)雜的建筑物。在地下洞室設(shè)計(jì)中，從各個(gè)方面進(jìn)行了多種布置方案的比較，為最終方案的確定打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 工程布置

1.1 M·SF工程

大壩位于圣弗朗西斯科河與胡沃內(nèi)斯河交匯處下游，總庫容1 440萬m3。根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化評(píng)估確定的壩頂高程為795 m，為典型的重力壩，上游壩坡0.15∶1，下游壩坡0.8∶1。

中央溢流壩段為3個(gè)帶閘門的斜槽式溢洪道，其余為沖沙壩段。溢洪道斷面呈典型的S形，設(shè)計(jì)泄洪標(biāo)準(zhǔn)為5 000 a一遇，10 000 a一遇洪水不會(huì)造成大壩漫頂。溢洪道泄量由3個(gè)弧形閘門控制，通過斜槽排泄至水墊塘。

M·SF水電站進(jìn)水口位于右岸，安裝攔污柵、滑動(dòng)式閘門與疊梁，進(jìn)水口高程720 m。進(jìn)水建筑物后過水?dāng)嗝嬗删匦蜗驁A形過渡并與引水隧洞相接，引水隧洞長(zhǎng)13.9 m，內(nèi)徑4.8 m，設(shè)計(jì)過流量65 m3/s。該隧洞主要采用TMB開挖(大約占總長(zhǎng)的75%)，部分采用鉆爆法開挖。

引水隧洞通向垂直高456 m、內(nèi)徑3.77 m的垂直壓力管井，長(zhǎng)110 m的水平壓力鋼管將水從井底引向水輪機(jī)組。壓力管井上為高68 m的圓形調(diào)壓井，來控制水力沖擊，其下部直徑16 m、上部32 m，為改善阻尼振蕩，在入口處安裝節(jié)流裝置，孔徑4 m。

地下電站廠房包括廠房洞室、變壓器洞室、進(jìn)口隧道、2座灌漿與排水廊道、電纜豎井(連接變壓器洞室到開關(guān)站)、通風(fēng)井、尾水渠。另外，為順利進(jìn)行地下電站廠房施工，還開挖了2條輔助隧洞。

1.2 LU工程

LU電站進(jìn)水口位于左岸，通過3條直徑為2.6 m的鋼管跨過胡沃內(nèi)斯河將水輸送到右岸。引水隧洞長(zhǎng)12.2 km，內(nèi)徑4.8 m，總長(zhǎng)的95%由TBM掘進(jìn)，余下5%采用鉆爆法施工。帶節(jié)流裝置的調(diào)壓井高99 m，內(nèi)徑15 m。地下壓力管垂直段長(zhǎng)112.5 m，水平段長(zhǎng)734.5 m。廠房為地面式，安裝2臺(tái)混流式水輪機(jī)，總裝機(jī)容量為94 MW。2條長(zhǎng)80 m的尾水渠將水排回胡沃內(nèi)斯河。

2 M·SF電站廠房地質(zhì)條件

M·SF電站廠房區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，需要進(jìn)行深入細(xì)致的地質(zhì)填圖與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查。選擇3個(gè)廠址進(jìn)行地表地質(zhì)構(gòu)造測(cè)繪，在廠房區(qū)域打了2個(gè)550 m的深孔以了解巖體性狀。所做的原位測(cè)試及室內(nèi)試驗(yàn)情況如下。

原位測(cè)試 室內(nèi)試驗(yàn)光學(xué)鉆孔電視 602 m衍射測(cè)量 4 組鉆孔電視487 m三軸試驗(yàn)(有側(cè)限與無側(cè)限) 63組聲波全波測(cè)試 475.6m間接式抗拉試驗(yàn) 22組鉆孔膨脹試驗(yàn) 57組直剪試驗(yàn) 19組水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試4組傾斜試驗(yàn) 9組大地電磁測(cè)量 52組巖石磨損性試驗(yàn) 12組地震測(cè)線 19.8 km可鉆性、破碎性及篩分試驗(yàn) 12組

2.1 基本地質(zhì)條件

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與勘察表明，廠房巖體由安山巖、流紋質(zhì)凝灰?guī)r和火山角礫巖組成。其中一個(gè)鉆孔表明，在廠房下15～20 m處，分布有一層近水平的低強(qiáng)度、低模量類粘土層，厚2～3 m。節(jié)理走向主要為NE-NW-SW，傾角一般較緩，主要有7組，形成潛在不穩(wěn)定楔形體和塊體。

鉆孔水壓致裂法試驗(yàn)表明，地應(yīng)力的最大主應(yīng)力σ1與最大水平應(yīng)力σh一致，其值在8.1～11.5 MPa之間，最大水平應(yīng)力作用方向?yàn)槟蠔|-北西向。中間主應(yīng)力σ2的作用方向多變，2個(gè)鉆孔中測(cè)定的與垂直應(yīng)力一致，而在另外2個(gè)鉆孔中測(cè)定的與最小水平應(yīng)力一致。同樣，在2個(gè)鉆孔中測(cè)定的最小主應(yīng)力σ3與最小水平應(yīng)力一致，而在另外2個(gè)鉆孔中則與垂直應(yīng)力一致。

呂榮試驗(yàn)結(jié)果表明，巖體的平均滲透系數(shù)為6.32E-06 m/s。每個(gè)鉆孔中安裝的滲壓計(jì)顯示，地下水位比廠房頂板高約310 m。

研究表明，地下工程的主要工程地質(zhì)問題均與巖體中存在的地下水有關(guān)。因此，在地下廠房開挖前，要先在廠房與變壓器房周圍開挖2條排水洞。

2.2 地質(zhì)力學(xué)模型

根據(jù)地質(zhì)資料，建立了巖體地質(zhì)力學(xué)模型。采用Hoek-Brown準(zhǔn)則評(píng)價(jià)巖體的強(qiáng)度，巖體的彈性模量采用Hoek-Diederichs 公式估算。

結(jié)論表明，電站廠房與變壓器房布置在質(zhì)量好的火山角礫巖中，完整巖石設(shè)計(jì)強(qiáng)度參數(shù)如下：σci為50～60 MPa(單軸抗壓強(qiáng)度)；Ei=27.3 GPa(彈性模量)；mi為8.5。

采用GSI值為65，確定巖體設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，電站廠房下臥軟弱巖層設(shè)計(jì)參數(shù)列于表2。

表1 電站廠房巖體設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 電站廠房下臥軟弱夾層設(shè)計(jì)參數(shù)

3 地下廠房布置方案

地下廠房主要為廠房洞室與變壓器房洞室。為了保證施工、運(yùn)營與電站的安全，需要建造輔助建筑物，包括灌漿與排水隧洞、永久與臨時(shí)交通洞、電纜與通風(fēng)井。在地下洞室布置方位與機(jī)電設(shè)備布局方面，進(jìn)行了多種方案的比較：①洞室走向與引水隧洞平行；②洞室走向與引水洞縱垂直。

根據(jù)地質(zhì)資料，選擇了合適的洞室方位，即洞室軸向與最大主應(yīng)力平行。

對(duì)機(jī)電設(shè)備，尤其是變壓器的布局，考慮了2種方案：①變壓器布置在主廠房洞室中，與發(fā)電機(jī)組有效隔離；②變壓器布置在單獨(dú)洞室中。從安全和電站一般功能角度考慮，決定采用方案2。2個(gè)洞室的主要尺寸見表3。

表3 廠房與變壓器洞室主要尺寸 m

在發(fā)電洞室中，沖擊式水輪機(jī)的總裝機(jī)容量約為275 MW，發(fā)電機(jī)與所有附屬機(jī)電設(shè)備也在這一洞室中。變壓器洞室中的垂直電纜豎井長(zhǎng)約500 m，將變壓器洞室與洞外開關(guān)站相連。

高地下水外水壓力存在潛在風(fēng)險(xiǎn)，通過2個(gè)洞室周圍不同高程的2個(gè)灌漿與排水廊道對(duì)其進(jìn)行了處理。灌漿在廊道內(nèi)進(jìn)行，可降低洞室圍巖的透水性，從而減少地下水的內(nèi)流，排水孔也可減輕高水壓帶來的風(fēng)險(xiǎn)。將2條廊道的集水一起排放到尾水渠中。對(duì)電站廠房的排水系統(tǒng)將增設(shè)一個(gè)泵站，并配備2臺(tái)潛水泵。

通往廠房洞室的交通洞長(zhǎng)約1 500 m，為圓形拱頂，垂直基座寬為7 m。預(yù)先開挖的施工支洞與主洞相連，其中一個(gè)通向洞室頂拱。

廠房洞室的通風(fēng)系統(tǒng)有一個(gè)室外通風(fēng)站，通過通風(fēng)井將新鮮空氣輸送到發(fā)電廠房(緊急情況下可以抽取空氣)內(nèi)，垂直通風(fēng)井長(zhǎng)約500 m。在正常條件下，將由該系統(tǒng)來控制廠房?jī)?nèi)的濕度與溫度。如果發(fā)生火災(zāi)，通風(fēng)系統(tǒng)將通過交通洞來排出煙霧，以此確保發(fā)電廠房與緊急出口區(qū)域處于無煙環(huán)境。

4 設(shè)計(jì)與特殊處理措施

由于格拉馬洛特地區(qū)特殊的地質(zhì)條件，且?guī)r體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，致使在電站廠房設(shè)計(jì)過程中遇到了一些特殊的問題。針對(duì)這些問題，諸如洞室走向、地下建筑物布置以及確保施工安全與運(yùn)營期間的效率等關(guān)鍵問題，給予了充分的重視。

(1) 通過專題研究預(yù)測(cè)地應(yīng)力與地應(yīng)力場(chǎng)方向，包括沿預(yù)先確定的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行水壓致裂法試驗(yàn)。這在確定地下洞室方位時(shí)非常重要，根據(jù)這些參數(shù)可以優(yōu)化洞室支護(hù)方案并改善其變形特性。

(2) 深入研究了發(fā)電廠房下15～20 m處軟弱巖層可能造成的風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)水力梯度對(duì)其特性進(jìn)行模擬分析，采取特殊處理措施防止管涌或不均勻沉降的產(chǎn)生。

(3) 使用3D FEM程序?qū)Φ叵露词业淖冃翁匦赃M(jìn)行模擬研究，確定施工期的變形收斂與塑性區(qū)的擴(kuò)展。

(4) 施工期涌水是該項(xiàng)目所面臨的問題之一。建筑物布置方案根據(jù)這一重要因素確定，充分利用施工洞作為運(yùn)營期間的排水廊道。

4.1 發(fā)電廠房布置

發(fā)電廠房的布置很大程度上取決于鉆孔水壓致裂法試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明，水平地應(yīng)力的高值變化在8～11 MPa之間，作用方向在N85-N180之間；中間主應(yīng)力σ2的方向不同，要么與垂直應(yīng)力一致，要么與最小水平應(yīng)力一致。與之前考慮情況相一致的是，最小主應(yīng)力σ3的作用方向在2個(gè)孔中與垂直應(yīng)力一致，而在其他情況下與小水平應(yīng)力一致。因此，中間主應(yīng)力與小主應(yīng)力的作用方向是變化的，地質(zhì)地形分析結(jié)果與直接檢測(cè)結(jié)果相吻合。地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)在該區(qū)域存在一條斷裂帶，斷裂帶兩側(cè)有一組剪應(yīng)力作用在水平面上，而垂直應(yīng)力則較小，與靜應(yīng)力條件相反。

廠房洞室長(zhǎng)80 m，高40 m。洞室布置使長(zhǎng)軸與水平主應(yīng)力方向一致，使洞室長(zhǎng)軸方向的收斂或者不穩(wěn)定效應(yīng)最小化。根據(jù)這些重要條件，調(diào)整了廠房洞室的方位，但考慮到水平面上高地應(yīng)力的特殊條件，使用FLAC3D-3.0軟件對(duì)各工況進(jìn)行了有限元分析，主要結(jié)果列于表4。

表4 地應(yīng)力方位與廠房洞室方位有限元分析

有限元分析表明，對(duì)于不同工況，考慮地應(yīng)力的變化，依據(jù)最大位移、塑性區(qū)擴(kuò)展，建筑物的施工、運(yùn)營與實(shí)際地質(zhì)條件是相適應(yīng)的。

高水平應(yīng)力作用在洞室長(zhǎng)邊墻的不利條件并不會(huì)影響洞室的整體穩(wěn)定性，證明并支持了洞室所選擇的方位是合適的。

4.2 廠房底板下軟弱夾層

電站廠房底板以下15～20 m分布著水平粘土夾層，層厚為2～3 m，會(huì)對(duì)廠房穩(wěn)定產(chǎn)生較大影響。因此進(jìn)行了詳細(xì)研究。軟弱夾層特性參數(shù)如表5所示。軟弱夾層的膨脹潛勢(shì)采用衍射試驗(yàn)測(cè)定。

表5 電站廠房底板以下軟弱層參數(shù)

為研究地下洞室施工開挖期與電站運(yùn)營期的穩(wěn)定性與發(fā)生管涌的可能性，進(jìn)行了三維有限元分析。結(jié)果表明，洞室開挖過程中，以總應(yīng)力與垂直位移來表征的塑性區(qū)擴(kuò)展并不明顯，僅限于局部。因此可以證明，軟弱夾層不會(huì)受開挖的影響而產(chǎn)生較大變形，工程開挖也不會(huì)受軟弱夾層的影響。

對(duì)地下水滲透產(chǎn)生的高水壓以及地下水滲透經(jīng)過廠房下伏軟弱夾層所形成的高水力坡降進(jìn)行了研究。對(duì)地下洞室潛在的高外水壓力，將采用灌漿與地下洞室周圍開挖排水洞進(jìn)行控制；對(duì)廠房洞室下伏巖體中存在的高水力坡降將采用固結(jié)灌漿進(jìn)行處理，固結(jié)灌漿范圍包括洞室底板與軟弱夾層之間的巖體。經(jīng)過巖體加固處理，對(duì)軟弱夾層不需要再進(jìn)行排水處理，否則可能改變洞周有效應(yīng)力的分布，并導(dǎo)致軟弱夾層變形。

使用Phase 2軟件進(jìn)行的二維有限元分析，研究了作用在加固區(qū)下巖體(厚約5 m)中的水壓分布情況，分析步驟如下：

(1) 進(jìn)行排水處理與不進(jìn)行排水處理?xiàng)l件下的地下水滲流分析，通過分析作用在廠房洞室底板下地下水壓力的降低，對(duì)排水措施的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(2) 確定水壓相關(guān)數(shù)值后，進(jìn)行張力分析，確定高水力梯度在巖體內(nèi)所產(chǎn)生的應(yīng)力與總位移。

鉆孔中測(cè)定的地下水位埋深為200 m，也就是說地下水位高于發(fā)電廠房洞室310 m。在模擬廠房下加固巖層時(shí)使用了不同滲透系數(shù)值。

作用在廠房洞室下的水壓所引起的總位移為數(shù)厘米，所產(chǎn)生的總應(yīng)力不超過7.5 MPa，與巖體的強(qiáng)度特性相適應(yīng)，說明處理措施令人滿意。

5 結(jié) 語

大型水利水電工程的設(shè)計(jì)經(jīng)常會(huì)面臨一些難題與復(fù)雜的條件。在M-SF與LU梯級(jí)水電項(xiàng)目中遇到了很多復(fù)雜的條件，包括地下廠房的設(shè)計(jì)、高外水壓力以及廠房洞室下軟弱夾層。詳細(xì)而具有針對(duì)性的研究以及對(duì)資料的專家級(jí)解讀可以提供解決問題的有效方案。

通過廣泛的實(shí)地調(diào)查與大量的室內(nèi)試驗(yàn)，以及對(duì)地下洞室的詳細(xì)分析，才能發(fā)現(xiàn)潛在的問題。實(shí)施的建筑物布置與地質(zhì)問題的處理方案可以確保建筑物對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)性，也可以確保施工人員的安全和設(shè)備的正常運(yùn)行。