西藏扎拉水電站引水發(fā)電建筑物設(shè)計(jì)

康金橋 徐果 王飛 張風(fēng) 梅潤雨 王俊

收稿日期：2023-09-12

作者簡介：

康金橋，男，高級工程師，主要從事引水發(fā)電建筑物設(shè)計(jì)工作。E-mail：1293781253@qq.com

引用格式：

康金橋，徐果，王飛，等.

西藏扎拉水電站引水發(fā)電建筑物設(shè)計(jì)

［J］.水利水電快報(bào)，2024，45（6）：54-61.

摘要：

為解決扎拉水電站引水發(fā)電建筑物設(shè)計(jì)過程中存在引水隧洞穿越活動(dòng)斷裂，引水隧洞Ⅳ類、Ⅴ類圍巖洞段占比較大，調(diào)壓室頂部層間密集剪切帶，巨型沖擊式機(jī)組配水環(huán)管充水保壓澆筑混凝土等重大技術(shù)難點(diǎn)，充分論證引水隧洞過活動(dòng)斷裂洞段增加襯砌混凝土厚度、短分節(jié)、上部設(shè)置排水洞（兼勘探洞、灌漿洞、監(jiān)測洞）等措施的有效性。通過優(yōu)化布置和計(jì)算線彈性有限元結(jié)構(gòu)，提出了引水隧洞Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類圍巖分別選取40，60，80 cm厚度襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，調(diào)壓室選取1.5，1.0 m厚度襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，配水環(huán)管選取5.5 MPa的充水保壓埋設(shè)方式，配水環(huán)管分區(qū)配置鋼筋來優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。相關(guān)設(shè)計(jì)成果可供同類工程參考。

關(guān)鍵詞：

引水隧洞; 調(diào)壓室; 配水環(huán)管; 充水保壓; 線彈性有限元

中圖法分類號：TV732

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.06.010

文章編號：1006-0081（2024）06-0054-08

0? 引? 言

扎拉水電站引水隧洞約55.3%的洞段為Ⅳ類、Ⅴ類圍巖，其中穿越活動(dòng)斷裂洞段長305 m；地面廠房安裝2臺500 MW沖擊式機(jī)組［1］，為世界最大的沖擊式機(jī)組，巨型沖擊式機(jī)組配水環(huán)管埋設(shè)難度大。馮徑軍等［2］采用SAP2000有限元計(jì)算軟件對引水隧洞襯砌配筋進(jìn)行計(jì)算，但未對不同圍巖條件下襯砌厚度進(jìn)行研究。石長征等［3］在沖擊式水輪機(jī)配水環(huán)管和廠房結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力承載性能研究中采用有限單元法，考慮混凝土的開裂非線性問題，對配水環(huán)管和相應(yīng)的廠房結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力特性展開研究，但配水環(huán)管高HD值的問題未論述。陳婧等［4］在沖擊式水輪機(jī)配水環(huán)管結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化中對配水環(huán)管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了配筋率、保壓值和溫度荷載等因素的影響研究，但采用的是1/6機(jī)組段局部模型，配水環(huán)管的HD值不高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和配筋易滿足要求，但未對機(jī)組段整體受力特性進(jìn)行分析計(jì)算。扎拉水電站配水環(huán)管HD值達(dá)3 268 m2，目前對此類巨型沖擊式廠房配水環(huán)管的充水保壓研究缺乏經(jīng)驗(yàn)，本文對該引水發(fā)電建筑物設(shè)計(jì)成果進(jìn)行論述，成果可供同類工程參考。

1? 工程概況

扎拉水電站主要開發(fā)任務(wù)為發(fā)電。扎拉水電站利用“幾”字形河谷約700 m的落差發(fā)電，采用混合式開發(fā)方式，壩址位于碧土鄉(xiāng)扎郎村附近，廠址位于察隅縣察瓦龍鄉(xiāng)珠拉村。扎拉水電站壩址控制流域面積8 546 km2，多年平均流量107 m3/s，多年平均徑流量33.9億m3，水庫正常蓄水位2 815 m，校核洪水位2 816.25 m，總庫容914萬m3，混凝土重力壩壩高70 m，總裝機(jī)容量1 015 MW（含生態(tài)電站15 MW），多年平均發(fā)電量38.41億kW·h（含生態(tài)電站電量0.86億kW·h），為Ⅱ等大（2）型工程。引水發(fā)電系統(tǒng)為引水式地面廠房，電站總裝機(jī)容量1 015 MW（含生態(tài)電站15 MW），安裝有兩臺500 MW的高水頭沖擊式水力發(fā)電機(jī)組，發(fā)電引用流量168.80 m3/s，額定水頭667.40 m。引水發(fā)電建筑物主要包括進(jìn)水口、引水隧洞、調(diào)壓室、壓力管道、地面廠房等。根據(jù)電站總體布置，電站由位于扎郎村下游的右岸岸塔式進(jìn)水口取水，經(jīng)約5.5 km的壓力引水隧洞后，引水至位于珠拉村右岸的地面廠房，尾水斜向下游接入河道。

2? 引水隧洞設(shè)計(jì)

2.1? 引水隧洞布置設(shè)計(jì)

引水隧洞橫穿“U”形河灣地塊，隧洞最大埋深563 m，圍巖主要由P1nc1砂質(zhì)板巖、變質(zhì)砂巖、鈣質(zhì)板巖、T2m4變質(zhì)流紋斑巖和T3wp結(jié)晶灰?guī)r、大理巖、鈣質(zhì)板巖組成。引水隧洞約55.3%的洞段為Ⅳ類、Ⅴ類圍巖。引水隧洞上平段穿過活動(dòng)斷裂的洞段長305 m。該工程活動(dòng)斷裂屬第四紀(jì)晚更新世活動(dòng)斷裂［5］，主要由巖性極軟弱的碎裂片狀巖和結(jié)構(gòu)極破碎的碎裂巖組成。復(fù)雜的地質(zhì)條件造成引水隧洞布置難度較大。

引水隧洞主洞采用兩機(jī)一洞布置，在調(diào)壓室后分為兩條支洞，經(jīng)蝶閥室、兩級豎井、下斜段及下平段后引水至廠內(nèi)兩臺機(jī)組發(fā)電。引水隧洞兩條線路長度分別為5 475.66 m與5 526.60 m。

為降低安全風(fēng)險(xiǎn)，減小引水隧洞主洞穿越活動(dòng)斷裂地層的長度，引水隧洞接近垂直穿過活動(dòng)斷裂。過活動(dòng)斷裂上方地下水位線比隧洞高約65 m，為降低引水隧洞施工難度，在過活動(dòng)斷裂引水隧洞上方15 m處布置排水洞，在主洞施工前疏干主洞上方的地下水，同時(shí)也作為地質(zhì)勘探洞，對主洞頂部圍巖的灌漿通道及隧洞監(jiān)測發(fā)揮重要作用。

兩級深豎井內(nèi)徑4.9 m，高度分別為290.8 m、270.9 m，第一級豎井位于Ⅲ1類的大理巖與結(jié)晶灰?guī)r中，圍巖條件較好，引水隧洞第一級豎井后往下游是少量的結(jié)晶灰?guī)r，后以Ⅳ2類的鈣質(zhì)板巖為主，為降低豎井的施工難度，在保證豎井施工空間的前提下，第二級豎井盡量靠近第一級豎井布置，第二級豎井與第一級豎井之間中心線間距80.0 m，第二級豎井上部有76.1 m位于較好的結(jié)晶灰?guī)r中，為進(jìn)一步降低第二級豎井高度，第二級豎井后接下斜段，縱坡坡度8%，相對平段減小豎井高度62.8 m，第二級豎井位于Ⅳ2類的鈣質(zhì)板巖的長度為194.8 m。

2.2? 引水隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引水隧洞各段圍巖條件分為Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類，各段的內(nèi)水壓力與外水壓力變化，襯砌結(jié)構(gòu)厚度的選擇難度較大。引水隧洞設(shè)計(jì)通常同時(shí)考慮圍巖類別、內(nèi)外水壓力大小等選擇襯砌厚度，本工程僅從圍巖類別選擇襯砌厚度，通過不同的荷載大小確定不同的配筋，大大簡化了設(shè)計(jì)與施工步驟。

引水隧洞主洞內(nèi)徑7.5 m，局部6.0 m，支洞內(nèi)徑4.9，4.5，4.2，3.2 m，調(diào)壓室前的主洞采用鋼筋混凝土襯砌，Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類圍巖洞段襯砌厚度依次為40，60，80 cm。調(diào)壓室下方主洞及其后的支洞均采用壓力鋼管，鋼管外包混凝土厚度70 cm。

為降低施工難度，過活動(dòng)斷裂引水隧洞洞段內(nèi)徑由7.5 m變?yōu)?.0 m?；顒?dòng)斷裂蠕滑速率約為 0.12～0.43 mm/a，為較好地適應(yīng)其蠕滑變形，引水隧洞過活動(dòng)斷裂段采用增加襯砌混凝土厚度、短分節(jié)等措施［6］。襯砌厚度1 m，每6 m設(shè)置結(jié)構(gòu)縫，縫寬4 cm，襯砌結(jié)構(gòu)縫設(shè)置兩層加厚的紫銅止水。采用短分節(jié)可便于局部破壞修復(fù)，且使隧洞不能運(yùn)行的時(shí)間減小到最低限度。同時(shí)，在引水隧洞襯砌中預(yù)埋應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測設(shè)施，與進(jìn)水口閘門聯(lián)動(dòng)，一旦監(jiān)測到引水隧洞襯砌有較大變形，進(jìn)水口閘門立即關(guān)閉。

2.3? 引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算

2.3.1? 作用效應(yīng)組合

選擇運(yùn)行工況、校核工況和檢修工況，計(jì)算此3種工況下襯砌的安全穩(wěn)定性。荷載分為結(jié)構(gòu)自重、內(nèi)水壓力、外水壓力、圍巖抗力、灌漿壓力等。工況及作用組合見表1所示。① 結(jié)構(gòu)自重：主要為混凝土襯砌的自重。② 圍巖壓力：計(jì)算采用襯砌及圍巖的有限元連續(xù)介質(zhì)方法進(jìn)行計(jì)算，因此圍巖抗力已客觀計(jì)入。③ 靜水壓力：為庫水位至隧洞中心高程的水頭。引水洞上平段除活動(dòng)斷裂帶洞段襯砌承受的靜水頭為15.88～55.88 m，活動(dòng)斷裂帶隧洞段內(nèi)水壓力水頭取為38.55 m。④ 地下水壓力：勘探顯示，進(jìn)、出口附近巖體雖然風(fēng)化卸荷較強(qiáng)烈、透水性較強(qiáng)，但一般無地下水分布，除斷層帶外，引水隧洞大部分圍巖呈微新狀態(tài)，裂隙不發(fā)育或裂隙發(fā)育

呈閉合狀態(tài)，巖體具弱、微透水性，外水壓力較小，同時(shí)

在活動(dòng)斷裂帶布置有排水洞連接至上平段的2號

施工支洞，降低了外水壓力，因此，在運(yùn)行水位工況及校核水位工況時(shí)，外水荷載取小值計(jì)算；在檢修工況時(shí)，外水荷載取大值計(jì)算。⑤ 回填灌漿壓力：襯砌頂部考慮0.3 MPa回填灌漿壓力，作用范圍為隧洞頂部120°范圍。

2.3.2? 計(jì)算模型與方法

采用有限元通用計(jì)算軟件，建立平面模型，見圖1，對襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行平面應(yīng)變計(jì)算，各取40 m計(jì)算模型左右及底部圍巖范圍，圍巖底部全約束，側(cè)面法向約束。

2.3.3? 計(jì)算結(jié)果分析

在檢修工況下，襯砌的壓應(yīng)力均小于混凝土的抗壓強(qiáng)度，混凝土襯砌能承擔(dān)外水壓力作用。引水隧洞最不利工況為校核工況，依次選取隧洞Ⅴ類圍巖變質(zhì)砂巖、鈣質(zhì)板巖、Ⅳ1類圍巖鈣質(zhì)板巖、Ⅲ2類圍巖砂質(zhì)板巖、變質(zhì)砂巖（夾鈣質(zhì)板巖、條紋狀薄層狀結(jié)晶灰?guī)r）、Ⅳ2類圍巖鈣質(zhì)板巖、炭質(zhì)板巖、Ⅲ1類圍巖流紋斑巖、Ⅲ2類圍巖流紋斑巖部位的襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。結(jié)果表明：引水隧洞控制工況是運(yùn)行工況，在同一圍巖類別隧洞段襯砌結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力隨內(nèi)水壓力增大而增大。拉應(yīng)力的

合力為T，按照拉應(yīng)力圖形進(jìn)行配筋，公式如下：

T≤1γd（0.6Tc+fyA1）

式中：T為由荷載設(shè)計(jì)值確定的主拉應(yīng)力在配筋方向上形成的總拉力，N；

Tc為混凝土承擔(dān)的拉力，N；

fy為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2；

γd為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)系數(shù)；

A1為鋼筋混凝土截面受拉鋼筋的面積，mm2。

3? 調(diào)壓室設(shè)計(jì)

3.1? 調(diào)壓室布置設(shè)計(jì)

調(diào)壓室位于引水隧洞上平段靠近末端部位，調(diào)壓室區(qū)域存在大理巖傾倒變形體［7］，頂部22 m處存在25 m厚的層間密集剪切帶MJ1，性狀極其破碎，另外分布有20條層間剪切帶。調(diào)壓室外圍復(fù)雜的地質(zhì)條件造成調(diào)壓室布置難度較大。

為有利于調(diào)壓室頂拱的圍巖穩(wěn)定，調(diào)壓室中心線距引水隧洞豎井89.5 m處（垂直距離），調(diào)壓室為阻抗式［8］，內(nèi)徑22 m，高49.80 m。調(diào)壓室上室長279.5 m，上室為城門洞型，寬5.5 m，凈高5.2 m。水力過渡過程計(jì)算［9］表明最低涌浪設(shè)計(jì)值為高程2 787.17 m，為滿足最低涌浪水位的要求，調(diào)壓室的基礎(chǔ)板頂面高程為2 784.00 m。調(diào)壓室的最高涌浪設(shè)計(jì)值為2 822.40 m。調(diào)壓室上室底部高程2 819.00 m，當(dāng)調(diào)壓室最高涌浪時(shí)，上室頂部預(yù)留1.8 m空間通氣。

3.2? 調(diào)壓室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

調(diào)壓室井筒不同高程部位的內(nèi)水壓力大小不同，調(diào)壓室內(nèi)徑較大，達(dá)22 m，其襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度較大。調(diào)壓室根據(jù)內(nèi)水壓力大小選擇不同襯砌厚度，高程2 823.70 m以下采用鋼筋混凝土襯砌，其中，高程2 785～2 816.5 m襯砌厚1.5 m，高程2 816.5～2 823.7 m襯砌厚1.0 m。通過數(shù)值計(jì)算，不同內(nèi)水壓力大小分段采取不同的配筋，減少了調(diào)壓室的鋼筋用量，節(jié)省了投資。

3.3? 調(diào)壓室襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算

（1） 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與計(jì)算方法。在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，襯砌所受的靜水壓力為44.9 m水頭壓力，襯砌配筋按NB/T 11011-2022《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求對襯砌進(jìn)行限裂設(shè)計(jì)，最大裂縫允許寬度為0.30 mm。甩負(fù)荷工況時(shí)水擊荷載為瞬時(shí)荷載，隨著涌浪下降，襯砌應(yīng)力會立即下降，裂縫也會減小，因此，對于水擊荷載，襯砌配筋按強(qiáng)度設(shè)計(jì)即可。

（2） 計(jì)算模型。采用有限元通用計(jì)算軟件建立平面模型，對襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行平面應(yīng)變計(jì)算，選擇典型隧洞斷面，左右及底部圍巖范圍各取100 m，圍巖底部全約束，側(cè)面法向約束。模型見圖2。

（3） 計(jì)算工況及荷載。計(jì)算工況：根據(jù)調(diào)壓室的運(yùn)行使用情況，選擇正常運(yùn)行工況、甩負(fù)荷工況及檢修工況進(jìn)行計(jì)算。荷載：正常運(yùn)行工況下，襯砌受結(jié)構(gòu)自重和內(nèi)水壓力作用，即井筒底部最大內(nèi)水壓力為27.25 m水頭壓力；甩負(fù)荷工況下，襯砌受結(jié)構(gòu)自重和內(nèi)水壓力作用，內(nèi)壓荷載取最高涌浪對應(yīng)的內(nèi)水壓力，即井筒底部最大內(nèi)水壓力為38.4 m水頭壓力；PD24揭示調(diào)壓室部位無地下水，檢修工況可不計(jì)算，各計(jì)算工況及荷載組合見表3。

（4） 計(jì)算結(jié)果。甩負(fù)荷工況計(jì)算結(jié)果詳見表4。應(yīng)力情況及計(jì)算結(jié)果表明，在最高涌浪作用的水頭下，混凝土襯砌應(yīng)力主要表現(xiàn)為環(huán)向受拉，應(yīng)力分布較均勻，調(diào)壓室襯砌結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力隨內(nèi)水壓力增大而增大，調(diào)壓室襯砌必須選配環(huán)向受力鋼筋。

經(jīng)配筋計(jì)算，調(diào)壓室井筒襯砌配筋為：井筒高程2 784～2 804 m，內(nèi)外側(cè)環(huán)向雙層配筋，每米每層各配5根直徑28 mm鋼筋，井筒高程2 804～2 816.5 m，內(nèi)外側(cè)環(huán)向雙層配筋，每米每層各配5根直徑25 mm 鋼筋，井筒高程2 816.5 m以上，內(nèi)外側(cè)雙層配筋，每米每層各配5根直徑22 mm鋼筋。

4? 電站廠房設(shè)計(jì)

4.1? 廠房布置設(shè)計(jì)

因500 MW沖擊式機(jī)組與球閥尺寸均較大，若主廠房采用常規(guī)的單跨布置，橋機(jī)凈跨較大，橋機(jī)制造難度大，廠房布置難度大。

扎拉水電站采用岸邊式地面廠房［10］，安裝兩臺500 MW沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組，地面廠房（包括主廠房、副廠房、安裝場段等）總尺寸為118 m×75 m×69.1 m（長×寬×高）。副廠房位于主廠房上游側(cè)，安裝場位于主廠房右側(cè)，主廠房橫剖面如圖3所示。

主廠房采用兩跨布置，500 MW沖擊式機(jī)組與球閥分別采用1臺橋機(jī)起吊，副廠房為高層建筑，閥室上部地面層與副廠房上游平臺形成環(huán)形車道，滿足了高層廠房應(yīng)設(shè)置環(huán)形消防車道的要求。

4.2? 廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

扎拉水電站配水環(huán)管HD值為3 268 m2，配水環(huán)管充水保壓埋設(shè)，充水保壓值的選擇是廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)，若選擇偏小，則配水環(huán)管外圍結(jié)構(gòu)混凝土配筋較多；若選擇偏大，則運(yùn)行期配水環(huán)管與混凝土的間隙較大，可能引起廠房的振動(dòng)，對電站的穩(wěn)定運(yùn)行不利。本工程配水環(huán)管充水保壓值選0.8倍的靜水壓力，即5.5 MPa，充分發(fā)揮了混凝土與配水環(huán)管聯(lián)合承載的力學(xué)特性。

主機(jī)段上游側(cè)底板厚3.0，下游側(cè)底板厚4.0 m，上游墻、

下游墻及左側(cè)墻厚2.0 m，水輪機(jī)層與夾層樓板厚30 cm，

發(fā)電機(jī)層樓板厚40 cm。配水環(huán)管水平面上4個(gè)象限的外圍

混凝土厚度分別為3.5，4.5，3.5，3.1 m，機(jī)墩除中間厚度

7.3 m，其余厚度6.2 m，風(fēng)罩厚度1.8 m。副廠房底板厚

2.5 m，上游墻下部厚2.0 m，上部厚1.5 m，下游墻厚

1.2 m，左側(cè)墻厚2.0 m，右側(cè)墻厚2.0 m。安裝場底板厚

2.5 m，上游墻、下游墻及右側(cè)墻厚2.0 m，中間夾層樓板

厚20 cm，樓板厚50 cm。

4.3? 廠房結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.3.1? 計(jì)算范圍

以1號機(jī)機(jī)組段為研究對象，計(jì)算模型沿廠房上下游方向總長為56 m，沿廠房縱軸線方向?qū)挾?2.0 m，高度65.4 m。計(jì)算模型采用笛卡爾直角坐標(biāo)系，X軸為上下游方向，指向上游為正；Y軸水平方向，沿廠房縱軸線指向右端為正（面向下游）；Z軸為鉛直方向，向上為正；坐標(biāo)系原點(diǎn)取在水輪機(jī)安裝高程（2 127.60 m）與機(jī)組軸線相交處。有限元模型整體網(wǎng)格見圖4。

4.3.2? 計(jì)算作用及組合

荷載包括結(jié)構(gòu)自重、機(jī)墩傳來的荷載、樓面荷載以及下游水壓力，選定甩負(fù)荷工況進(jìn)行保壓值的比較研究，配水環(huán)管內(nèi)水壓力包括了水擊壓力。計(jì)算方案和作用組合見表5，發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)荷載見表6。

計(jì)算方案中：① A-1方案保壓值為5.5 MPa；

A-2方案保壓值為4.8 MPa；A-3方案保壓值為

4.1 MPa。② 結(jié)構(gòu)自重A1。包括上部排架系統(tǒng)、各層樓板、風(fēng)罩、機(jī)墩、配水環(huán)管外包混凝土、尾水槽混凝土的重量；機(jī)組主要埋件（包括配水環(huán)管等）的重量，根據(jù)廠家圖紙取值，荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.05。③ 機(jī)組主要設(shè)備荷載B1。計(jì)算時(shí)水輪發(fā)電機(jī)組的垂直、水平動(dòng)荷載的動(dòng)力系數(shù)取1.5，荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.2。持久狀況（正常運(yùn)行）對應(yīng)荷載值為B1；短暫狀況（機(jī)組檢修）對應(yīng)荷載值為B2；偶然狀況（半數(shù)磁極短路、兩相短路等）分別對應(yīng)荷載為B3，B4。④ 配水

環(huán)管內(nèi)水壓力。配水環(huán)管充水保壓埋設(shè)，充水保壓值選0.8倍的靜水壓力，即5.5 MPa。上庫校核洪水位下機(jī)組甩負(fù)荷運(yùn)行E1為8.4 MPa；正常運(yùn)行工況最大靜水壓力E2為6.88 MPa；檢修放空工況時(shí)，E3為0。⑤ 樓面活荷載。發(fā)電機(jī)層樓板活載P1=50 kN/m2，母線電纜層樓板活載P2=30 kN/m2，水輪機(jī)層樓板活載P3=30 kN/m2。⑥ 尾水槽內(nèi)的水壓力。正常運(yùn)行情況下，下游尾水位2 121.18 m，底板高程2 113.1 m，底板處水壓力H1=0.08 MPa；機(jī)組檢修情況，尾水槽內(nèi)最大內(nèi)水壓力H2=0。⑦ 下游尾水外水壓力。正常運(yùn)行及檢修情況下，下游尾水外壓力均按尾水位2 121.18 m計(jì)算。⑧ 發(fā)電機(jī)層樓板活載P1=50 kN/m2，母線電纜層樓板活載P2=30 kN/m2，水輪機(jī)層樓板活載P3=30 kN/m2。正常運(yùn)行情況下，下游尾水位2 121.18 m，底板高程

2 113.1 m，底板處水壓力H1=0.08 MPa。⑨ 正常運(yùn)行及檢修情況下，下游尾水外壓力G1均按尾水位2 121.18 m。

4.3.3? 主要結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

4.3.3.1? 配水環(huán)管計(jì)算結(jié)果分析

典型應(yīng)力云圖見圖5、配筋斷面見圖6、配筋參數(shù)見表7～9。配水環(huán)管與外圍混凝土聯(lián)合承擔(dān)2.9 MPa內(nèi)水壓力。配水環(huán)管外圍混凝土各斷面環(huán)向出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，大部分?jǐn)嗝骓敳俊⒌撞績?nèi)緣環(huán)向拉應(yīng)力大于C30混凝土的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，需配置足夠的鋼筋。環(huán)向拉應(yīng)力最大值為3.10 MPa，出現(xiàn)在2號斷面頂部外緣位置。相比于環(huán)向應(yīng)力，各斷面水流向應(yīng)力水平則低很多，均為壓應(yīng)力和數(shù)值不大的拉應(yīng)力。水流向最大拉應(yīng)力0.80 MPa，出現(xiàn)在7號斷

面底部偏左側(cè)外緣。計(jì)算結(jié)果表明，配水環(huán)管充水

保壓值選0.8倍的靜水壓力5.5 MPa是合適的。

4.3.3.2? 機(jī)墩、風(fēng)罩及樓板結(jié)構(gòu)

對機(jī)墩風(fēng)罩分別進(jìn)行了正常運(yùn)行工況、檢修放空工況、半數(shù)磁極短路工況、兩相短路工況4種工況的計(jì)算，計(jì)算方案和荷載組合詳見表10。截面編號見圖7與圖8。

風(fēng)罩的環(huán)向應(yīng)力在頂部表面較大，特別是與樓板連接處存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。除頂部外，風(fēng)罩絕大部分范圍的應(yīng)力水平都較低，表現(xiàn)為較小的

壓應(yīng)力或拉應(yīng)力；風(fēng)罩的豎向應(yīng)力方面，拉應(yīng)力主要

出現(xiàn)在風(fēng)罩上部1/3高程范圍的內(nèi)表面，呈現(xiàn)內(nèi)表面受拉外表面受壓的特點(diǎn)，最大拉應(yīng)力1.0 MPa左右，主要由樓板傳遞的彎矩引起。

A-1工況定子基礎(chǔ)4號斷面出現(xiàn)了0.2 MPa左右的拉應(yīng)力，C-1、C-2工況定子基礎(chǔ)拉應(yīng)力明顯增大，最大拉應(yīng)力分別為1.21 MPa與2.79 MPa，C-1和C-2工況應(yīng)力明顯偏大是由于兩個(gè)工況定子基礎(chǔ)承擔(dān)了較大的切向荷載，尤其是C-2工況；下機(jī)架基礎(chǔ)5號斷面內(nèi)環(huán)向拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在半數(shù)磁極短路工況，最大拉應(yīng)力達(dá)1.2 MPa。由于機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分重量作用在下機(jī)架基礎(chǔ)上，導(dǎo)致豎向壓應(yīng)

力比較突出；6號斷面出現(xiàn)了0.6 MPa左右的環(huán)向

拉應(yīng)力，7號斷面的局部區(qū)域出現(xiàn)了小于0.2 MPa

的拉應(yīng)力?？傮w上，機(jī)墩主要在定子基礎(chǔ)附近有較大的拉應(yīng)力，主要為各基礎(chǔ)切向荷載所引起，其他區(qū)域拉應(yīng)力水平較低。

計(jì)算結(jié)果表明，風(fēng)罩環(huán)向與豎向按構(gòu)造配筋即可，實(shí)際可采用內(nèi)、外各一層25@20的鋼筋；機(jī)墩環(huán)向與豎向均可配置內(nèi)1層、外1層28@20的鋼筋，定子基礎(chǔ)和下機(jī)架基礎(chǔ)環(huán)形水平面同樣按此布置環(huán)向鋼筋。

5? 結(jié)? 語

扎拉水電站引水發(fā)電建筑物主要由長引水式地面廠房與生態(tài)電站組成，長引水式地面廠房裝機(jī)容量1 000 MW，機(jī)組單機(jī)引用流量84.4 m3/s，額定水頭667.4 m，為多斷層、深豎井、高水頭、大容量的沖擊式電站，設(shè)計(jì)過程中存在引水隧洞穿越活動(dòng)斷裂、引水隧洞Ⅳ類及Ⅴ類圍巖洞段占比較大、調(diào)壓室頂部層間密集剪切帶、巨型沖擊式機(jī)組配水環(huán)管充水保壓澆筑混凝土等重大技術(shù)難點(diǎn)。通過充分論證引水隧洞過鬧中活斷裂洞段增加襯砌混凝土厚度、短分節(jié)、上部設(shè)置排水洞（兼勘探洞、灌漿洞、監(jiān)測洞）等措施，引水隧洞根據(jù)圍巖類別選取40，60，80 cm厚度襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，調(diào)壓室選取1.5，1 m厚度襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，配水環(huán)管選取5.5 MPa的充水保壓埋設(shè)方式，配水環(huán)管根據(jù)管徑的大小分區(qū)配置鋼筋，提出了可根據(jù)各建筑物結(jié)構(gòu)受力大小分段分區(qū)配筋的優(yōu)化方案。

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（編輯：張? 爽）

Design of diversion and power generation structures in Xizang Zhala Hydropower Station

KANG Jinqiao，XU Guo，WANG Fei，ZHANG Feng，MEI Runyu，WANG Jun

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

Abstract：

In order to solve major technical difficulties in the design of diversion and power generation structures in Zhala Hydropower Station，such as live fracture of diversion tunnel，large section Ⅳ and Ⅴ surrounding rock tunnel，dense shear zone between the top layers of surge chamber，water filling and pressure retaining concrete pouring of water distribution ring pipe of giant impact unit. Measures such as increasing the thickness of lining concrete，short sections and setting drainage holes （include exploration holes，grouting holes and monitoring holes） in the upper part of the tunnel through the active fracture section in the middle of the diversion tunnel were fully demonstrated. By optimizing the layout and calculating the linear elastic finite element calculation of the structure，it was proposed that the diversion tunnel was selected 40，60，80 cm thick lining structure design according to the surrounding rocks of Class Ⅲ，Class Ⅳ and Class Ⅴ respectively，with 1.5，1.0 m thickness lining structure design of the surge chamber，5.5 MPa water distribution ring pipe buried with water and pressure，and water distribution ring pipe with steel reinforcement in different areas，thus optimizing the structural design. The research results can provide a reference for the construction of similar projects.

Key words：

diversion tunnel； surge chamber； water distribution loop； water filling to secure pressure； linear elastic finite element