旭龍水電站引水發(fā)電建筑物布置設(shè)計

陳銳 陳舞 孫海清

摘要：旭龍水電站工程地處高地震烈度區(qū)，為解決引水發(fā)電建筑物布置設(shè)計面臨的洞室群數(shù)量多、規(guī)模大、主洞室間距小、壩址區(qū)局部高地應(yīng)力及存在斷層等難點(diǎn)問題，結(jié)合地形地質(zhì)條件和樞紐建筑物總體布置，依據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)范，采用工程類比、三維精細(xì)數(shù)值仿真等技術(shù)手段，有效處理了進(jìn)水口、引水隧洞、主洞室及附屬洞室、尾水隧洞、尾水出口等重點(diǎn)部位布置及支護(hù)參數(shù)設(shè)計、圍巖穩(wěn)定分析等技術(shù)問題，確定了技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的引水發(fā)電建筑物布置格局。研究成果可為同類引水發(fā)電建筑物布置設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：引水發(fā)電建筑物布置； 工程類比； 數(shù)值仿真； 旭龍水電站

中圖法分類號：TV732

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.05.009

文章編號：1006-0081（2024）05-0049-07

0 引言

旭龍水電站位于云南省德欽縣與四川省得榮縣交界的金沙江干流上游河段，是金沙江上游河段“一庫十三級”梯級開發(fā)方案中的第十二級，為西電東送骨干電源點(diǎn)之一［1］。

在電站引水發(fā)電建筑物設(shè)計中，主要面臨洞室群數(shù)量多、規(guī)模大、主洞室間距小、壩址區(qū)局部高地應(yīng)力及存在斷層等難點(diǎn)問題。如何確定技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的引水發(fā)電建筑物布置格局具有重要意義。目前國內(nèi)外對大型水利水電工程引水發(fā)電建筑物總體布置設(shè)計論述見烏東德［2］、卡洛特［3］、長河壩［4］、南歐江五級［5］、烏江構(gòu)皮灘［6］、清江水布埡［7-8］、三峽工程［9］等水電站相關(guān)報道。本文以旭龍水電站為例，論述引水發(fā)電建筑物總體布置及典型部位設(shè)計成果，以便為同類工程提供參考。

1 工程概況

旭龍水電站工程開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，并促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會發(fā)展。樞紐工程主要由擋水建筑物、泄洪消能建筑物、引水發(fā)電建筑物和過魚設(shè)施等組成，見圖1。電站采用布置在主河床右岸的引水式地下廠房，共安裝4臺單機(jī)容量600 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量2 400 MW。引水發(fā)電建筑物總體布局為引水隧洞單機(jī)單洞，尾水隧洞二機(jī)一洞，主廠房、主變洞、調(diào)壓室三大洞室相互平行。主要建筑物有進(jìn)水口、引水隧洞、地下廠房、母線洞、主變洞、交通出線豎井、通風(fēng)洞、尾水隧洞、尾水平臺、出線場、交通洞及廠外排水系統(tǒng)等，如圖1所示。

2 地形地質(zhì)條件

旭龍水電站壩址區(qū)地處滇西北橫斷山山地，位于金沙江褶皺束（Ⅲ21）內(nèi)，區(qū)域斷裂構(gòu)造發(fā)育。壩址區(qū)右岸出露基巖為三疊系印支期侵入花崗巖（γ15）、中元古界雄松群三段（Pt2x3）混合巖和斜長角閃（片）巖。引水洞上平段巖性以混合巖為主，斜井段為混合巖及花崗巖，下平段巖性均為花崗巖。主廠房圍巖以花崗巖為主，少部分混合巖、斜長角閃巖；主變洞圍巖以灰白色中細(xì)?；◢弾r為主，近岸側(cè)為灰黑色斜長角閃巖脈體；尾水調(diào)壓室圍巖以灰白色中細(xì)?；◢弾r為主，近岸側(cè)為灰黑色斜長角閃巖脈體；尾水洞地層為印支期灰白色花崗巖，巖質(zhì)堅硬、強(qiáng)度高。巖體較完整，局部破碎；花崗巖中局部夾有深灰色混合巖捕虜體，呈條帶狀展布等。

3 進(jìn)水口布置設(shè)計

從大壩布置、邊坡規(guī)模及邊坡結(jié)構(gòu)、引水線路布置、引水隧洞布置等方面綜合考慮，電站進(jìn)水口采用岸塔式，布置在右壩肩上游，縱軸線方向NW38°，距壩頂軸線最小距離約65 m。旭龍水電站工程地處高地震烈度區(qū)，進(jìn)水塔擬采用墩墻式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)保證其整體穩(wěn)定。單塔寬為30.0 m，順?biāo)飨蜷L26.0 m，塔頂高程2 308.0 m（與壩頂同高），建基面高程2 265.0 m，塔高43.0 m。進(jìn)水塔順?biāo)飨蚍譃閿r污柵段、進(jìn)水倉段和喇叭口段，依次布置攔污柵槽、檢修閘門槽、快速事故閘門槽。單個進(jìn)水塔布置5孔攔污柵，攔污柵單孔寬度為4.32 m；攔污柵邊墩厚1.20 m，中墩厚1.50 m，墩長4.50 m；攔污柵墩尾距進(jìn)水口擋水胸墻4.0 m，柵墩與胸墻間由支撐梁連接。

進(jìn)水口邊坡支護(hù)設(shè)計過程中，充分考慮了邊坡可能破壞模式，采用掛網(wǎng)噴混凝土、普通砂漿錨桿、預(yù)應(yīng)力錨桿、預(yù)應(yīng)力錨索等綜合加固措施。

4 引水隧洞布置設(shè)計

引水隧洞采用單機(jī)單洞，4條隧洞平行布置。隧洞采用水力特性和受力條件較好的圓形斷面，平面上采用直線-弧線-直線布置，平面上入口軸線垂直于進(jìn)水塔，出口軸線垂直于主廠房，1～4號引水隧洞平面弧段半徑分別為60.0，90.0，120.0，150.0 m，為圓心角86.64°的同心圓；立面上由上平段（含漸變段）、上彎段、斜井段、下彎段和下平高壓段（含漸變段）組成，不設(shè)調(diào)壓室，上下彎段半徑30 m。

上平段中心高程2 274.40 m，下平高壓段出口中心高程同裝機(jī)高程，為2 132.00 m。引水隧洞單洞長度為407.90～549.65 m，其中上平段長146.58～288.33 m、斜井段（含上、下彎段）長度均為192.62 m，下平段均長68.70 m。

引水隧洞進(jìn)口設(shè)方變圓漸變段，長20.0 m，上平段至斜井段洞身段直徑為10.8 m，開挖洞徑12.6～13.1 m，相鄰隧洞軸線間距30.0～32.0 m，洞間巖柱厚17.4～18.9 m，為開挖洞徑的1.38～1.44倍；下平段穿過帷幕線，在4.0 m處（距離廠房上游邊墻64.7 m）起設(shè)鋼襯段，在20.2 m處設(shè)15.0 m漸變段，隧洞直徑由10.8 m變?yōu)?.4 m，后與蝸殼相接。

引水洞上平段巖性以混合巖為主，斜井段為混合巖及花崗巖，下平段巖性均為花崗巖。Ⅱ類圍巖約占隧洞總長的87%左右，少部分Ⅲ類與Ⅳ類圍巖分別占隧洞總長的8%、5%左右。Ⅲ類圍巖主要分布于混合巖與花崗巖交界一帶以及斷層帶附近；Ⅳ類圍巖主要分布于f10斷層帶附近及局部云母富集帶。

根據(jù)洞身段地質(zhì)條件，參考同類工程經(jīng)驗，隧洞初期支護(hù)以錨桿噴混凝土為主，全洞段噴素混凝土10 cm；Ⅱ類圍巖洞段系統(tǒng)錨桿規(guī)格為Φ28 mm，L=6 m@2.0×2.0 m系統(tǒng)錨桿；Ⅲ類圍巖系統(tǒng)錨桿規(guī)格為Φ28 mm，L=6 m@1.5×1.5 m系統(tǒng)錨桿；Ⅳ類圍巖洞段根據(jù)實際情況，先采用I20a@1.0 m及超前錨桿進(jìn)行加固后，再布置Φ28 mm，L=6 m@1.0×1.0 m系統(tǒng)錨桿。隧洞局部穿越云母富集帶、斷層軟弱等部位，依據(jù)現(xiàn)場實際情況隨機(jī)增設(shè)鋼支撐進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，局部采用混凝土置換；并根據(jù)圍巖與斷層之間的相對關(guān)系，增設(shè)隨機(jī)錨桿等措施進(jìn)行加固。

引水隧洞除下平段壓力鋼管段外，均采用鋼筋混凝土襯砌。參照國內(nèi)同類工程經(jīng)驗（表1），以及本工程內(nèi)外水水頭，襯砌厚度設(shè)計如下：進(jìn)口漸變段（加固段）厚度1.5～2.0 m；洞身段Ⅱ、Ⅲ類圍巖部位厚度0.8 m，Ⅳ類圍巖部位主要位于下平段，考慮到可能位于局部高地應(yīng)力區(qū)，襯砌厚度為1.2 m（除回填置換部分外）。

5 主洞室及附屬洞室布置設(shè)計

旭龍水電站主廠房、主變洞和尾水調(diào)壓室等三大洞室平行布置，主廠房與主變洞洞間巖體厚度為40 m，主變洞與尾水調(diào)壓室洞間巖體厚度為33.5 m。電站主廠房頂拱跨度29.9 m，巖錨梁以下跨度27.7 m，主廠房最大開挖尺寸為204.0 m×29.9 m×79.3 m（長×寬×高）；主變洞最大開挖尺寸175.2 m×18.5 m×25.0 m；尾水調(diào)壓室為阻抗式長廊型，調(diào)壓室前尾水隧洞為一機(jī)一洞、調(diào)壓室后為兩機(jī)一洞布置，調(diào)壓室最大開挖尺寸為161.5 m×20.0 m×87.6 m，調(diào)壓室間巖體厚度為16 m。

5.1 主洞室地質(zhì)條件及主要工程地質(zhì)問題

主廠房圍巖以花崗巖為主，少部分混合巖、斜長角閃巖，中部4臺機(jī)組布置區(qū)為花崗巖，近岸側(cè)副安裝場為斜長角閃巖脈體，山內(nèi)側(cè)主安裝場為混合巖。主廠房Ⅱ類圍巖占總長度的85%，Ⅲ類圍巖占總長度的15%，Ⅲ類圍巖分布地段主要為斷層或裂隙發(fā)育區(qū)、混合巖或斜長角閃巖與花崗巖分界附近。主變洞圍巖以灰白色中細(xì)粒花崗巖為主，近岸側(cè)為灰黑色斜長角閃巖脈體。Ⅱ類圍巖占總長度的21%，Ⅲ類圍巖主要分布于f3斷層、走向NE30°～50°的裂隙密集帶及斜長角閃巖。尾水調(diào)壓室圍巖以灰白色中細(xì)?；◢弾r為主，近岸側(cè)為灰黑色斜長角閃巖脈體。尾水調(diào)壓室洞室Ⅱ類圍巖占83%，Ⅲ類圍巖占17%［10］。

三大洞室主要工程地質(zhì)問題：① 存在局部高地應(yīng)力現(xiàn)象，尾水調(diào)壓室下游范圍內(nèi)最大水平主應(yīng)力范圍主要為4.1～32.5 MPa，最小水平主應(yīng)力范圍主要為2.8～18.1 MPa，為中等至高地應(yīng)力水平。部分洞壁可見片幫、剝離等應(yīng)力釋放現(xiàn)象，見圖2（a）；勘探鉆孔局部見巖芯餅化現(xiàn)象，零星隨機(jī)分布，見圖2（b）。② 斷層附近邊墻及拱座變形穩(wěn)定問題，f3斷層與尾水調(diào)壓室、主變洞均小角度相交，斷層帶寬0.2～0.3 m，構(gòu)造巖主要為碎裂巖，原巖為花崗巖或斜長角閃巖，較破碎，膠結(jié)一般；主斷面為厚0.1～2.0 cm斷層泥，局部為鈣質(zhì)及巖屑。

5.2 主洞室支護(hù)參數(shù)設(shè)計及圍巖穩(wěn)定分析

根據(jù)相關(guān)資料，統(tǒng)計了中國部分已建大型水電站主廠房規(guī)模和部分已（在）建地下廠房洞室間巖體厚度與主廠房開挖高度關(guān)系，分別見表2和表3?？梢钥闯?，旭龍水電站主廠房高度位居前列，跨度位居中間水平，屬于規(guī)模較大電站，洞室間巖體厚度小，因此，研究如何保證三大洞室整體穩(wěn)定具有重要意義。

基于此，采用工程類比法［11-12］，擬定了主洞室的支護(hù)方案，見表4。基于彈塑性圍巖理論，建立了三維有限元數(shù)值分析模型（圖3），對旭龍水電站三大洞室開挖程序、支護(hù)時機(jī)等進(jìn)行了精細(xì)模擬，對洞室群施工期、運(yùn)行期圍巖的位移場、應(yīng)力場及塑性區(qū)特征進(jìn)行了系統(tǒng)分析。

計算結(jié)果表明：擬定的支護(hù)參數(shù)可有效抑制洞周圍巖變形、主拉應(yīng)力區(qū)分布范圍、塑性區(qū)深度及體積，其中，洞室群開挖完成后，洞周圍巖最大變形僅2.5 cm，較無支護(hù)方案降低約21.9%；主拉應(yīng)力區(qū)僅集中在局部洞口交叉部位；與無支護(hù)方案相比，塑性區(qū)總體積減小21.46萬m3，施加支護(hù)后，圍巖受力條件得到明顯改善，三大洞室之間不存在塑性貫通區(qū)，支護(hù)對洞周圍巖塑性區(qū)深度影響顯著，支護(hù)的施加抑制了圍巖卸荷松弛區(qū)向深部的擴(kuò)展和轉(zhuǎn)移；主廠房錨桿應(yīng)力最大值分別為183 MPa；主變洞錨桿應(yīng)力最大值分別為158 MPa；調(diào)壓室錨桿應(yīng)力最大值分別為233 MPa、三大洞室錨索受力均不大于1 900 kN，在設(shè)計允許強(qiáng)度范圍內(nèi)。整體而言，針對三大洞室主要工程地質(zhì)問題，當(dāng)前支護(hù)方案條件下，洞室群整體穩(wěn)定性較好。此外，針對局部高地應(yīng)力區(qū)，開挖期擬采用先導(dǎo)孔洞等釋放地應(yīng)力、灑水、錨索加固等綜合治理措施；針對斷層附近邊墻及拱座變形穩(wěn)定問題，施工過程中，將結(jié)合開挖揭露的斷層情況，對局部邊墻錨索進(jìn)行加長處理。

5.3 附屬洞室布置設(shè)計

（1） 高壓電纜洞。高壓電纜洞布置在主變洞左側(cè)端部，布置方式為先平洞后豎井，平洞斷面為城門洞型，開挖尺寸為9.8 m×10.5 m，下部通過電纜平洞與豎井連接，上部豎井直接與開關(guān)站相接。豎井Fig.3Numerical calculation model for underground powerhouse段為矩形斷面，開挖斷面為10.6 m×10.0 m（長×寬），其內(nèi)布置有電梯井、樓梯、高壓電纜井、中低壓電纜井和通風(fēng)井等。

（2） 通風(fēng)及排風(fēng)（煙）洞。地下電站新風(fēng)由高程2 308.0 m壩肩連接平臺依次通過通風(fēng)平洞、通風(fēng)豎井、通風(fēng)機(jī)房接入副安裝場頂拱，再通過設(shè)在主廠房頂拱的通風(fēng)管道送入主廠房、主變洞等洞室；地下廠房排風(fēng)、主變洞排煙通過排風(fēng)（煙）系統(tǒng)排至廠外，主變洞排風(fēng)（煙）洞由3號施工支洞兼用；主廠房排風(fēng)（煙）洞由2號施工兼用。

地下電站通風(fēng)系統(tǒng)布置于副安裝場左端頭，由通風(fēng)豎井接至高程2 308.0 m，通過平洞與壩肩公路平臺連接。豎井為圓形，通風(fēng)平洞及空調(diào)機(jī)房為城門洞型?？照{(diào)機(jī)房斷面尺寸為16.50 m×29.90 m×8.1 m（長×寬×高），通風(fēng)豎井直徑為6.0 m，通風(fēng)平洞斷面尺寸為7.0 m×7.0 m（寬×高）。

主變洞排風(fēng)（煙）通道利用布置在主變洞下游側(cè)的3號施工支洞。通風(fēng)機(jī)房布置在主變洞副廠房2 164.4 m層，與排風(fēng)（煙）洞段連接。排風(fēng)（煙）洞為城門洞形，斷面尺寸為8.0 m×6.0 m（寬×高），中間隔40 cm厚混凝土墻，另一側(cè)兼做逃生通道，直接與地面相接。

（3） 交通洞。進(jìn)廠交通洞洞口位于尾水平臺下游約85.0 m處，與廠內(nèi)2號公路相接，洞口高程約2 169.50 m，由下游側(cè)垂直廠房縱軸線進(jìn)入靠山內(nèi)側(cè)布置的主安裝場。交通洞全長約562.38 m，最大縱坡約6.3%，斷面為城門洞型。受轉(zhuǎn)輪直徑運(yùn)輸控制，擬定交通洞凈斷面尺寸為9.5 m×8.1 m（寬×高），是地下廠房廠內(nèi)主要逃生通道。

尾水調(diào)壓室交通洞進(jìn)口位于尾水出口上游側(cè)約50.0 m處，與調(diào)壓室左側(cè)閘門操作平臺相接。交通洞全長約216.40 m，斷面為城門洞型，凈斷面尺寸為8.0 m×6.5 m（寬×高）。

6 尾水隧洞布置設(shè)計

尾水隧洞由調(diào)壓室由上游尾水支洞和下游尾水主洞兩部分組成，尾水支洞采用單機(jī)單洞，共4條；尾水主洞采用兩機(jī)一洞，共2條，支洞、主洞均平行布置。

尾水主洞斷面為城門洞型，凈尺寸為13.5 m×17.6 m（寬×高）。隧洞入口底高程2 110.4 m，出口底高程2 126.0 m，與尾水塔流道高程相同，為2 126.0 m；出口設(shè)20.0 m長城門洞漸變段，隧洞出口軸線與尾水塔呈75°斜交。1號、2號尾水主洞長分別為340.97 m、268.40 m。

尾水支洞分兩段布置，即自主廠房下游邊墻起37.50 m范圍為尾水管擴(kuò)散段，稱為尾水支洞第一段，第一段末端至調(diào)壓室上游邊墻為連接段，稱為尾水支洞第二段。尾水管擴(kuò)散段流道底板高程2 104.85 m；尾水支洞連接段長56.5 m，凈尺寸為10.7 m×17.6 m（寬×高），連接段出口軸線垂直于調(diào)壓室，高程2 110.40 m，4條尾水支洞均長94 m。

尾水隧洞段有跨江大斷層f1及其影響帶斜交穿越（圖4）。該斷層帶寬2～6 m，構(gòu)造巖以碎裂巖及碎粉巖為主，膠結(jié)差；上下主斷面均見連續(xù)發(fā)育、厚5～20 cm的斷層泥；主斷帶兩側(cè)形成寬15～25 m的影響帶，平行斷層的裂隙發(fā)育，帶內(nèi)巖體較破碎，為Ⅳ、Ⅴ類圍巖段，隧洞成洞條件差，穩(wěn)定性差。施工過程中，開挖擬采用鋼拱架、超前錨桿等綜合加固措施，鋼拱架型號為I20a，初噴鋼纖維混凝土8 cm，掛網(wǎng)φ6@20 cm×20 cm，復(fù)噴素混凝土7 cm。對下部采用混凝土鍥形或者倒梯形體置換、局部增加錨筋樁等綜合措施。

7 尾水出口布置設(shè)計

結(jié)合地形地質(zhì)條件，從運(yùn)行管理、邊坡規(guī)模、工程投資等方面綜合考慮，尾水出口采用岸塔式，布置在大壩下游約570 m處，距離二道壩最小距離215 m。尾水平臺采用鋼筋混凝土墩墻結(jié)構(gòu)以保證整體穩(wěn)定。尾水平臺與尾水洞軸線夾角為75°，緊貼邊坡呈“一”字形排列，平臺尺寸為64.0 m×20.0 m（長×寬），塔高45.0 m，為鋼筋混凝土墩墻結(jié)構(gòu)，流道底坎高程2 126.0 m，底板厚4.0 m，建基面高程2 122.0 m，塔頂高程2 167.0 m，正面邊坡設(shè)8.0 m寬馬道，作為右岸2號公路一部分，與上下游相接。

尾水渠位于尾水塔下游側(cè)。尾水出口后設(shè)10.0 m長平底段，其后以1∶3反坡接至2 140.00 m高程，與天然河床相接。

8 結(jié)語

本文結(jié)合地形地質(zhì)條件、樞紐建筑物總體布置，并依據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)范，采用工程類比、三維精細(xì)數(shù)值仿真等技術(shù)手段，解決了旭龍水電站進(jìn)水口、引水隧洞、主洞室及附屬洞室、尾水隧洞、尾水出口等重點(diǎn)部位布置及支護(hù)參數(shù)設(shè)計、圍巖穩(wěn)定分析等技術(shù)問題，確定了較優(yōu)的引水發(fā)電建筑物布置格局。相關(guān)設(shè)計成果可為同類工程設(shè)計提供參考。

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編輯：張爽

Layout and design of water diversion and power generation structures for Xulong Hydropower Station

CHEN Rui，CHEN Wu，SUN Haiqing

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

Xulong Hydropower Station project is located in a high seismic intensity area，and the design of water diversion and power generation buildings faces difficulties such as a large number of caverns，a large scale，small spacing between main caverns，local high ground stress，and faults.Combined terrain and geological conditions with the overall layout of the hub building，in accordance with relevant regulations and specifications，engineering analogy，three-dimensional fine numerical simulation and other technical means were adopted，which effectively solved the layout and support parameter design of key parts such as the intake，headrace tunnel，main and auxiliary chambers，tailrace tunnel，tailrace outlet，and surrounding rock stability analysis.An economically reasonable and technically feasible layout of water diversion and power generation buildings was determined.The relevant design achievements can provide a reference for similar engineering design.

Key words：

water diversion and power generation layout； engineering analogy； numerical simulation； Xulong Hydropower Station

收稿日期：2023-10-30

作者簡介：陳銳，男，正高級工程師，碩士，主要從事水利水電工程結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。E-mail：chenrui@cjwsjy.com.cn