浩口水電站廠房布置與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉健 熊建寧

摘要：指出了浩口水電站廠房位于峽谷地區(qū)，地勢陡峻，廠區(qū)地質(zhì)條件差.尾水渠后段處于堆積體前緣，機(jī)組安裝高程較低、尾水位高，同時(shí)需避開大壩消力池霧化影響。為此，設(shè)計(jì)了攻克上述難點(diǎn)的方法：①因地制宜緊湊布置廠區(qū)建筑物，增加廠房底部寬度等方法保障廠房整體穩(wěn)定I②加大廠房邊墻結(jié)構(gòu)尺寸以及分縫法解決防洪墻及閘墩結(jié)構(gòu)影響;③采用室內(nèi)開關(guān)站解決空間布置受限制問題;④參數(shù)系統(tǒng)整理、對比分析，有針對性選擇邊坡強(qiáng)、弱支護(hù)措施。工程建成以后運(yùn)行正常，表明了廠房布置、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、可行，充分發(fā)揮了電站效益?？蔀轭愃乒こ烫峁┮欢▍⒖肌⒔梃b。

關(guān)鍵詞：廠房布置;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);有限元;高尾水;堆積體

中圖分類號：TU7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674.9944（2019）16-0225-04

1引言

浩口水電站工程廠址位于重慶市武隆縣芙蓉江左岸，重慶市彭水縣和貴州省道真縣界處，廠址與上游大壩相距約140m，裝機(jī)三臺共計(jì)135MW（即2×62.5MW+1×10MW生態(tài)機(jī)組），工程等別為Ⅲ等中型。廠區(qū)位于峽谷地區(qū)，地勢較陡峻，廠區(qū)平面布置受限，同時(shí)存在廠區(qū)地質(zhì)條件差、高邊坡開挖、高尾水、尾水渠后段處于堆積體前緣及大壩消力池霧化影響等因素制約，使得廠房布置、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度較大，廠區(qū)設(shè)計(jì)充分考慮上述制約因素。主廠房軸線N40°E，垂直于軸線方向由山體側(cè)至河床側(cè)依次布置電氣副廠房、主廠房、水機(jī)副廠房、尾水渠。開關(guān)站布置電氣副廠房內(nèi)，變壓器布置于電氣副廠房齊地坪高程，220kVGIG開關(guān)室布置于變壓器層上部，同時(shí)設(shè)吊物平臺，220kVGIG出線層布置于220kVGIG開關(guān)室上部;水機(jī)副廠房位于尾水管上部;尾水渠布置在水機(jī)副廠房下游，出水與芙蓉江順接。結(jié)合廠區(qū)地形地質(zhì)條件制約及廠內(nèi)運(yùn)輸?shù)缆穼挾纫螅惭b間設(shè)置為主、副安裝場，分別布置在大機(jī)組發(fā)電機(jī)層和廠區(qū)地坪高程，安裝間下游側(cè)道路布置于主安裝場內(nèi)，既增大安裝間，又兼變壓器運(yùn)輸軌道，安裝間、變壓器運(yùn)輸軌道與廠區(qū)內(nèi)交通緊湊布置，解決變壓器運(yùn)輸問題且使廠區(qū)內(nèi)外交通順暢銜接，采取了廠區(qū)公路進(jìn)廠的方式。

2廠區(qū)布置

浩口水電站廠區(qū)基巖為頁巖，地形陡峻，廠區(qū)、廠房開挖將引起高邊坡問題。廠區(qū)下游尾水渠后段為堆積體邊坡，穩(wěn)定性較差。開挖、邊坡支護(hù)工程量在廠區(qū)工程量中占比高。邊坡問題是浩口水電站廠房設(shè)計(jì)重要難點(diǎn)。

為減少廠房邊坡開挖高度，節(jié)約工程投資，降低工程風(fēng)險(xiǎn)，在廠房布置上主要采?。孩俑鹘ㄖM可能緊湊布置，垂直于主廠房軸線方向由山體側(cè)至河床側(cè)依次為電氣副廠房、主廠房、水機(jī)副廠房、尾水渠。為了減少占地面積及工程投資，將開關(guān)站布置電氣副廠房內(nèi)，將出線系統(tǒng)布置于主變室屋頂，安裝間分為主、副安裝場兩部分。安裝間、變壓器運(yùn)輸軌道與廠區(qū)內(nèi)交通緊湊布置，解決變壓器運(yùn)輸問題且使廠區(qū)內(nèi)外交通順暢銜接;②在滿足廠房地基承載力，盡量避開大壩消力池霧化影響區(qū)及盡量少束窄河床布置廠區(qū);③盡量調(diào)陡尾水渠坡比縮短平面尺寸，同時(shí)對尾水下游河道采取疏浚措施，保證電站出率（圖1）。

3高尾水情況F廠房穩(wěn)定與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

浩口水電站廠房按50年一遇洪水設(shè)計(jì)，200年一遇洪水校核。廠房最低建基面高程為282.40m。下游設(shè)計(jì)洪水位為324.28m，校核洪水位為327.56m，即在校核洪水情況，廠房尾水水頭達(dá)45.16m，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)加大防洪墻及閘墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度。經(jīng)反復(fù)計(jì)算分析及敏感性比較，歸納采取措施：①適當(dāng)加大廠房橫向底部基礎(chǔ)寬度，將尾水出口處廠房底板混凝土外延6.5m。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將廠房后側(cè)三角體與防洪墻形成類似于衡重式擋墻的整體結(jié)構(gòu)，增加廠房自重，從而增大廠房整體穩(wěn)定性;③為了使基礎(chǔ)具有足夠的整體性和均勻性，對廠房基礎(chǔ)進(jìn)行全面固結(jié)灌漿并適當(dāng)向尾水渠外延伸，并在固結(jié)灌漿孔內(nèi)增設(shè)錨桿束;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，防洪墻及閘墩結(jié)構(gòu)受分縫影響，同時(shí)還承受較大的外部水壓力，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且獨(dú)立分散，設(shè)計(jì)難度突出。根據(jù)前期論證成果，廠房的整體布置已確定，結(jié)構(gòu)型式也基本確定。經(jīng)反復(fù)的對比計(jì)算分析，較經(jīng)濟(jì)、適宜措施：①在施工圖設(shè)計(jì)階段，以結(jié)構(gòu)安全為核心，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際施工情況，比如將廠房后邊墻厚度增加;②防洪墻及閘墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，將各部位以分縫處斷開，形成獨(dú)立結(jié)構(gòu)采用abaqus程序+20節(jié)點(diǎn)六面體單元（高階單元），進(jìn)行三維有限元計(jì)算，最終采用布置詳見圖1。

4開關(guān)站布置

受地形、地質(zhì)條件的限制，開關(guān)站無室外獨(dú)立布置設(shè)條件。從土建經(jīng)濟(jì)性考慮，盡量避免對尾水渠后段堆積體干擾，以造成高昂堆積體邊坡治理費(fèi)用;同時(shí)高邊坡開挖支護(hù)難度大、投資高等方面因素，開關(guān)站布置采用室內(nèi)方式，即220kV開關(guān)設(shè)備采用GIS組合電器。開關(guān)站布置電氣副廠房內(nèi)，其中變壓器布置于電氣副廠房齊地坪高程，220kVGIG開關(guān)室布置于變壓器層上部，并設(shè)吊物平臺，220kVGIG出線層布置于220kV-GIG開關(guān)室上部，具體布置詳見圖2。

5邊坡開挖支護(hù)

5.1廠房邊坡開挖支護(hù)

廠房施工期邊坡開挖最大高度約146m，永久邊坡開挖最大高度約73m。

依據(jù)浩口水電站廠房邊坡現(xiàn)場開挖揭示地質(zhì)條件，采用設(shè)計(jì)思路：①通過復(fù)核原始邊坡的穩(wěn)定性，對地質(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);②擬定初步支護(hù)方案，對開挖邊坡進(jìn)行穩(wěn)定分析計(jì)算，并對邊坡結(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)的最終設(shè)計(jì)方案;③針對邊坡具體地質(zhì)狀況展開了支護(hù)形式選擇、錨索及錨桿束的深度、最優(yōu)傾角的細(xì)部設(shè)計(jì)。

經(jīng)計(jì)算、分析，廠房邊坡支護(hù)實(shí)施方案：①廠房340.4m高程以上邊坡，對不穩(wěn)定塊體錨桿加長加密，對裂隙面采用1000kN無粘結(jié)式端錨型預(yù)應(yīng)力錨索為主的支護(hù)方式，輔助以錨桿束等;②馬道313.0O～340.40m高程間邊坡，對不穩(wěn)定塊體采用錨桿束加強(qiáng)支護(hù)為主，輔助以錨桿加長加密，對裂隙密集帶采用錨桿束加強(qiáng)支護(hù)，并將排水孔加密布置;③300.95～328.30m高程邊坡，對“垮塌區(qū)”采用錨桿束加強(qiáng)支護(hù)為主的支護(hù)方式，輔助以錨桿加長加密，對破碎帶采用系統(tǒng)錨桿的加強(qiáng)支護(hù)。其他部位邊坡表面采用噴C20混凝土并設(shè)錨桿的聯(lián)合噴錨支護(hù)，噴混凝土厚0.1m。錨桿采用M30～p25砂漿錨桿，長4.5m，間排距2.5m×2.5m，梅花型布置。邊坡設(shè)（p50排水孔，長4.0m.間排距2.5m×2.5m。

5.2尾水渠后段堆積體邊坡支護(hù)

尾水渠后段堆積體呈緩坡狀，北高南低，臨河側(cè)邊坡較陡，坡度約30～40。，特別是水文站附近，局部形成陡坎，坎高達(dá)10m。中部為緩坡平臺，后緣基巖段形成一陡坎，坡度約20～30。。該崩塌堆積體經(jīng)多次崩塌堆積形成，其土層分布不均勻，性狀特征差異大。堆積體治理原則：盡量少擾動崩塌堆積體，以削坡減載與緩坡壓腳為主。結(jié)合地形地質(zhì)條件，通過計(jì)算分析比較，確定治理方案：底部設(shè)混凝土鎮(zhèn)腳，鎮(zhèn)腳頂高程303.0Om，鎮(zhèn)腳尺寸為3m×3m，在處理的范圍末端部分，由于原地形高程較低，采用碾壓塊石回填至303.00m作為基礎(chǔ)。303.00～317.00m坡比為l;2，317.0O m高程設(shè)馬道，根據(jù)滲流穩(wěn)定計(jì)算，馬道寬度不小于2.0m。317.00～328.00m坡比為l：1.5。303.00～328.00m按照設(shè)計(jì)坡比開挖或回填，回填采用砂卵石料，格賓以下回填厚度超過2m則采用C15埋石混凝土。坡面設(shè)0.5m厚格賓，格賓每立方米網(wǎng)箱網(wǎng)絲含量不小于15kg/m³。

浩口水電站廠房開挖支護(hù)于2014年12月啟動，于2015年12月完成，2017年12月三臺機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電至今，運(yùn)行正常，廠房邊坡觀測數(shù)據(jù)正常、穩(wěn)定，可見廠房邊坡開挖支護(hù)設(shè)計(jì)合理、可行。

6結(jié)語

浩口水電站廠房位于峽谷地區(qū)，地形較陡峻、地質(zhì)條件差，尾水渠位于堆積體前緣，機(jī)組安裝高程較低、設(shè)計(jì)校核尾水位高。因地制宜緊湊布置廠區(qū)建筑物，廠房整體穩(wěn)定、防洪墻及閘墩結(jié)構(gòu)、尾水渠、開關(guān)站設(shè)計(jì)、邊坡開挖與支護(hù)設(shè)計(jì)及不良地質(zhì)條件處理等方面均采取合理、可行的措施，為類似工程提供一定參考、借鑒。