某高海拔地區(qū)水電站地下廠房布置與設(shè)計(jì)

摘 要：該工程為地下廠房，地處某西部高海拔區(qū)域，場地地震基本烈度為Ⅷ度。結(jié)合地質(zhì)條件等對廠區(qū)各建筑樞紐進(jìn)行合理布置，根據(jù)機(jī)電設(shè)備布置需要及業(yè)主公司內(nèi)部企業(yè)規(guī)范要求，對廠房各部位進(jìn)行合理布置及優(yōu)化設(shè)計(jì)。該地下廠房經(jīng)多次審查論證表明，其布置滿足結(jié)構(gòu)安全和功能需求，廠區(qū)結(jié)構(gòu)布置緊湊、合理，供其他類似工程參考。

關(guān)鍵詞：高海拔；水電站；地下廠房；布置設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)安全；功能需求

中圖分類號(hào)：TV731 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）28-0131-04

Abstract： The project is an underground factory building located in a high altitude area in the west. The basic earthquake intensity of the site is VIII. Various building hubs in the factory were reasonably arranged based on geological conditions， etc.， and various parts of the factory were reasonably arranged and optimized according to the layout needs of electromechanical equipment and the internal enterprise specifications of the owner company. After many reviews and demonstrations， the underground powerhouse has shown that its layout meets the structural safety and functional requirements， and the structural layout of the plant area is compact and reasonable， which can be used as a reference for other similar projects.

Keywords： high altitude; hydropower station; underground powerhouse; layout design; structural safety; functional requirements

某水電站處于高海拔地區(qū)開發(fā)任務(wù)主要為發(fā)電，采用堤壩式開發(fā)，樞紐布置由碾壓混凝土重力壩、壩身泄洪及左岸地下輸水發(fā)電系統(tǒng)組成，正常蓄水位庫容8.45億m3，調(diào)節(jié)庫容4.74億m3，多年平均流量624 m3/s，裝機(jī)容量1 500 MW，多年平均發(fā)電量60.88億kW·h。工程為一等大（1）型工程，廠房為1級(jí)建筑物，按200年一遇洪水設(shè)計(jì)，1 000年一遇洪水校核。

廠房型式為地下廠房，廠內(nèi)裝4臺(tái)單機(jī)容量375 MW立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組。地下廠區(qū)涉及巖性為三疊系中統(tǒng)竹卡組英安巖，巖體總體較完整，以次塊狀結(jié)構(gòu)為主。本文結(jié)合該項(xiàng)目廠房的設(shè)計(jì)，對其廠房布置與設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，同時(shí)對設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行總結(jié)。

1 廠區(qū)地質(zhì)條件

地下廠房位于壩軸線下游側(cè)約210 m的山體內(nèi)。廠區(qū)圍巖以英安巖為主，圍巖類別以Ⅲ類為主，最大主應(yīng)力16.70 MPa左右，巖體（Rb/σm）約4.2，屬中等地應(yīng)力區(qū)。

主廠房洞布置在距壩軸線下游約210 m，根據(jù)平洞勘探揭示，涉及巖性為三疊系中統(tǒng)竹卡組英安巖，巖體總體較完整，以次塊狀結(jié)構(gòu)為主，主要發(fā)育Ⅳ、Ⅴ級(jí)結(jié)構(gòu)面，其中見8條小斷層，Ⅴ級(jí)結(jié)構(gòu)面主要為平洞揭露的一般節(jié)理裂隙?？碧狡蕉垂步衣盯跫?jí)結(jié)構(gòu)面540余條，這些節(jié)理裂隙多呈閉合狀態(tài)，洞內(nèi)長度一般在0.5～10 m，總體以陡傾角結(jié)構(gòu)面為主。

主變洞位于主廠房下游側(cè)約45.0 m，平行于主廠房布置，洞區(qū)涉及巖性為三疊系中統(tǒng)竹卡組英安巖，巖體總體較完整，以次塊狀結(jié)構(gòu)為主。勘探平洞揭示，主變洞區(qū)主要發(fā)育Ⅴ級(jí)結(jié)構(gòu)面，其中見8條小斷層。Ⅴ級(jí)結(jié)構(gòu)面主要為平洞揭露的一般節(jié)理裂隙。主變洞區(qū)及周邊勘探平洞揭露的節(jié)理裂隙多呈閉合狀態(tài)，洞內(nèi)長度一般在0.5～10 m，總體以陡傾角結(jié)構(gòu)面為主。

2 廠房布置設(shè)計(jì)

2.1 廠區(qū)布置

廠區(qū)樞紐建筑物布置于壩軸線下游側(cè)約210 m的左岸山體內(nèi)。地下廠房最小埋深約105 m，地下廠房洞室位于微新英安巖內(nèi)，洞室圍巖以Ⅲ1類為主；廠房縱軸線方向?yàn)镹73.78°E；廠房區(qū)地應(yīng)力最大主應(yīng)力為16.70 MPa，方向?yàn)镹60°E，屬中等地應(yīng)力區(qū)，最大主應(yīng)力方向與地下廠房軸線的交角約13.78°，最大主應(yīng)力對地下廠房的邊墻影響相對較小[1-4]。地下廠房洞室群主體洞室有主廠房洞（安裝間、主機(jī)間、副廠房）、主變壓器洞、尾水調(diào)壓室洞，附屬洞室有母線洞、進(jìn)廠交通洞、逃生通道、排風(fēng)洞、排風(fēng)豎井、排水廊道、出線電梯井及出線平洞[5-8]等。

2.2 主廠房布置

主廠房洞由主機(jī)間、安裝間及副廠房組成，主機(jī)間布置于安裝間和副廠房中間，安裝間布置于主廠房洞室左端，副廠房布置于主廠房洞室右端。如圖1所示。

主機(jī)間長度為130.70 m，分4個(gè)機(jī)組段布置，機(jī)組中心線間距31.60 m，其中1#機(jī)組段長度35.9 m，2#—4#機(jī)組段長度均為31.6 m。主機(jī)間高程方向分5層布置，分別為尾水管廊道層、技術(shù)供水層、水輪機(jī)層、出線層、發(fā)電機(jī)層，其中尾水管廊道層（底板高程2 856.40 m）布置檢修排水廊道，斷面為2.5 m×3 m，檢修排水廊道用作尾水管的檢修排水通道，與檢修集水井相連；技術(shù)供水層（底板高程2 869.04 m）在錐管外包大體積混凝土內(nèi)，上游為過人通道，右端布置技術(shù)供水設(shè)備，下游側(cè)為盤型閥操作廊道，布置8臺(tái)尾水管盤型閥；水輪機(jī)層（底板高程2 887.20 m）在每個(gè)機(jī)組機(jī)墩下游側(cè)布置機(jī)旁控制屏，機(jī)墩左右側(cè)布置筒形閥油壓裝置及調(diào)速器油壓裝置設(shè)備；出線層（樓板高程2 893.60 m）主要布置主引出線及中性點(diǎn)設(shè)備，4個(gè)機(jī)組段左側(cè)配一排自用變及0.4 kV自用盤，第三象限配二次盤柜，主引出線方向?yàn)榈谒南笙?，中性點(diǎn)設(shè)備布置在第二象限；發(fā)電機(jī)層（樓板高程2 899.50 m）各機(jī)組段下游側(cè)布置機(jī)旁盤，為確保主機(jī)間發(fā)電層以下各層設(shè)備的垂直運(yùn)輸，在1#及3#機(jī)組段上游側(cè)第一象限各布置1個(gè)3.5 m×5.5 m的吊物孔，吊物孔通至技術(shù)供水層。

安裝間布置在主廠房左端，總長56.50 m。安裝間部位洞室開挖跨度在巖壁吊車梁以上為29.80 m，在巖壁吊車梁以下為26.80 m，開挖高度分別為30.70 m（進(jìn)廠交通洞部位）、67.70 m（油污分離設(shè)備）、83.20 m（集水井部位）。安裝間共分4層，2 877.50 m層布置檢修及滲漏排水泵等設(shè)備；2 887.20 m層布置廠房滲流及機(jī)組檢修排水泵啟動(dòng)控制室等設(shè)備以及氣瓶間；2 893.60 m層用于布置廠房二次屏柜、空壓機(jī)室；2 899.50 m層用于機(jī)組安裝及檢修時(shí)大件的擺放、組裝及維修，平面尺寸滿足機(jī)組安裝及檢修的要求，右下角布置4 m×4 m的吊物孔。

右端副廠房長度為18.50 m，分為7層，樓梯及電梯布置在上游側(cè)，2 887.20 m層主要布置氣瓶間；2 893.60 m層主要布置電纜；2 899.50 m層主要布置公用變及0.4 kV公用盤；2 905.40 m層主要布置照明變及0.4 kV照明盤；2 911.80 m層主要布置蓄電池室、公用二次屏柜室；2 917.00 m層主要布置調(diào)試室、會(huì)議室、資料室；2 921.70 m層布置部分通風(fēng)風(fēng)機(jī)設(shè)備；透平油罐及油處理室布置在與副廠房相連高程為2 921.50 m逃生通道內(nèi)。

2.3 主變洞布置

主變壓器洞平行布置在主廠房洞下游側(cè)，距主廠房洞下游墻體45.00 m（巖錨梁以下）。開挖尺寸165.69 m×20.20 m×32.90 m（長×寬×高），主要分兩段布置：左端副廠房段和主變壓器段，主變洞主變壓器段長136.86 m，左端副廠房長28.83 m，左端副廠房左側(cè)與主變進(jìn)風(fēng)洞相連，如圖2所示。由于運(yùn)輸條件限制，本工程采用組裝式單相變壓器。

主變壓器段共分3層布置，具體布置如下。

第一層電纜層，高程2 893.60 m。主要布置10 kV盤柜室、0.4 kV盤柜室等。

第二層主變壓器層，高程2 899.50 m。主要布置13臺(tái)單相變，其中1臺(tái)備用，每臺(tái)主變壓器相距4.0 m，用防火隔墻隔開，上游側(cè)布置主變運(yùn)輸軌道。

第三層GIS前端設(shè)備層，高程2 912.90 m。主要布置GIS前端設(shè)備、貫通主變洞的風(fēng)管及相關(guān)暖通設(shè)備等、下游側(cè)左端布置出線豎井。

左端副廠房共分3層布置，內(nèi)設(shè)風(fēng)機(jī)房、出線電梯井等，具體布置如下：

第一層高程2 899.50 m，與主變層同高?？孔髠?cè)布置出線電梯井，通往連接出線上平洞，交通樓梯布置在出線電梯井內(nèi)；中間布置絕緣油處理室。

第二層高程2 908.90 m，主要用作電纜布置。

第三層高程2 912.90 m，主要用作主變洞二次屏室及風(fēng)機(jī)房布置。

2.4 輔助洞室布置

地下洞室群除三大主洞室外，依據(jù)各附屬洞室的結(jié)構(gòu)和功能，電站還布置有4條母線洞，1條出線電梯井及出線平洞，2條排風(fēng)排煙豎井，1條排風(fēng)排煙平洞，1條對外進(jìn)廠交通洞，1條主廠房逃生通道，1條主變洞逃生通道。

2.5 防滲排水系統(tǒng)

在主廠房上游側(cè)及主變洞下游側(cè)周圍距主廠房、主變洞約30 m處設(shè)置3層開挖斷面尺寸為3.2 m×4.3 m（寬×高）的排水洞，從上至下高程依次為2 934.20、2 898.30、2 867.34 m。上層排水洞在此基礎(chǔ)上在主廠房與主變之間增設(shè)一條排水洞，呈“日”字形，中層排水洞呈封閉的“口”字形，下層排水洞呈不封閉的“凵”字形。排水洞內(nèi)設(shè)置防滲帷幕、排水孔幕、排水孔[8]。

防滲帷幕布置范圍為上游側(cè)和臨河側(cè)，設(shè)置在排水廊道外側(cè)，主要用于攔截上游壓力鋼管滲水及臨河側(cè)裂隙通道滲水。

上層排水洞內(nèi)設(shè)置仰角為40°的排水孔幕，將主廠房洞和主變洞頂部圍巖滲水引至頂層排水的排水溝內(nèi)；內(nèi)側(cè)設(shè)上、下層排水洞連通的排水孔幕，將繞過防滲帷幕的圍巖滲水和上層排水洞少量積水引至中層排水洞，另外部分水引至下游尾水調(diào)壓室內(nèi)排出；中層排水洞底部內(nèi)側(cè)設(shè)置中、下層排水洞連通的排水孔幕，將繞過防滲帷幕的圍巖滲水和中層排水洞的積水引至下層排水洞；下層排水洞底部內(nèi)側(cè)設(shè)排水孔幕，將繞過防滲帷幕的圍巖滲水引至本層排水洞內(nèi)，再引入集水井抽排流出廠外。

為減小廠外排水系統(tǒng)遺漏滲水對圍巖穩(wěn)定的影響，在主廠房、主變洞頂拱及邊墻設(shè)排水孔，參數(shù)Φ50@4×4 m、L=6 m，排水孔滲水通過排水管分別引至主廠房發(fā)電機(jī)層排水溝、主變層和水輪機(jī)層排水溝，然后經(jīng)排水管引入集水井內(nèi)，最后通過水泵抽排流出廠外。另外，廠內(nèi)設(shè)備用水及管路滲漏水也可通過廠房內(nèi)排溝、排水管匯集后通過排水管引入滲漏排水廊道和集水井內(nèi)，通過水泵抽排流出廠外。

在地下廠房各洞室排水措施基礎(chǔ)上，主廠房、主變洞洞壁仍會(huì)有少量滲水導(dǎo)致地下廠房空間內(nèi)濕度過大，影響各機(jī)電設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)性能。為此，在主廠房、主變洞洞壁噴混凝土面和混凝土結(jié)構(gòu)之間預(yù)留20 cm空間作為防潮層，在廠房結(jié)構(gòu)混凝土邊緣砌筑25 cm磚砌體，阻隔來自于洞壁的潮濕空氣。同時(shí)，在磚砌體墻面上安裝有風(fēng)機(jī)，20 cm厚防潮層可做為上下層之間的通風(fēng)通道，既排出了防潮層內(nèi)潮濕氣體，又確保了上下層區(qū)域空氣清新。

2.6 地面開關(guān)站及中控樓

地面開關(guān)站及中控樓布置在進(jìn)水口壩段軸線下游側(cè)開挖平臺(tái)上，平臺(tái)高程3 058.00 m。地面中控樓主要布置廠房中控樓設(shè)備、壩區(qū)變電所高低壓開關(guān)柜及GIS開關(guān)站相關(guān)設(shè)備，平面尺寸為103.50 m×30.00 m，占地面積約3 105.00 m2。

地面開關(guān)站及中控樓由GIS樓段及中控樓段組成，GIS樓段布置于地面開關(guān)站及中控樓左端，中控樓段布置于地面開關(guān)站及中控樓右端。

2.6.1 GIS樓段

GIS樓段內(nèi)主要布置GIS開關(guān)站，平面布置尺寸為61.97 m×30.00 m。共分2層，自下而上分別為：

第一層3 053.40 m層，主要用于電纜鋪設(shè)。

第二層3 058.00 m層，為GIS層，與壩頂同高，左端設(shè)進(jìn)樓大門及GIS設(shè)備安裝間，右端布置GIS設(shè)備，為滿足設(shè)備的安裝及檢修起吊要求，安裝一臺(tái)GIS電動(dòng)單梁橋機(jī)，橋機(jī)軌頂高程為3 070.29 m；下游側(cè)布置。

2.6.2 中控樓段

中控樓段主要布置廠房中控樓設(shè)備及壩區(qū)變電所高低壓開關(guān)柜，平面尺寸為26.59 m×30.00 m，占地面積約806.70 m2，自下而上分別為：

第一層3053.20 m，主要用于壩區(qū)變電所高低壓開關(guān)柜。

第二層3058.00 m，主要用于鋪設(shè)電纜及進(jìn)門大廳。

第三層3 062.00 m，主要用于布置繼電保護(hù)設(shè)備及蓄電池等。

第四層3 066.40 m，主要用于計(jì)算機(jī)室、中控室、制安反恐監(jiān)控室等。

第五層3 071.40 m，主要用于辦公室、會(huì)議室、資料室等。

第六層3 075.60 m，主要用于布置通風(fēng)機(jī)房等。

在地面開關(guān)站及中控樓一側(cè)布置柴油發(fā)電機(jī)房，平面尺寸為15.10 m×11.60 m。柴油發(fā)電機(jī)房為單層建筑物，建基面高程3 058 m，主要布置柴油發(fā)電機(jī)及油箱。

3 結(jié)束語

本電站廠房屬于地下廠房，已順利通過專家可研審查，在廠房布置設(shè)計(jì)中有許多需要注意的地方值得總結(jié)，為類似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中提供借鑒，舉例如下。

1）針對透平油庫的布置，常規(guī)地下廠房透平油庫基本放在安裝間最底層或者副廠房的最底層，以實(shí)現(xiàn)與電氣設(shè)備分離且靠近添油設(shè)備，本工程為實(shí)現(xiàn)對所有軸承進(jìn)行自流添油，將透平油庫布置在逃生通道內(nèi)，前期兼做施工支洞，后期兼做逃生通道和透平油庫，達(dá)到一洞多用的目的，既節(jié)約了工程投資，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)自流添油。

2）常規(guī)同等類型的地下廠房一般會(huì)在主廠房洞室的副廠房設(shè)置一個(gè)消防電梯，以滿足日常檢修和逃生作用，考慮本廠房屬低氣壓地區(qū)，不僅在副廠房設(shè)置消防電梯，同時(shí)在安裝間上游側(cè)也設(shè)置了一個(gè)貫穿發(fā)電機(jī)層到技術(shù)供水層的檢修電梯，用以更好地滿足業(yè)主日常運(yùn)維檢修，同時(shí)加大了電梯正常運(yùn)行的可靠性。

3）常規(guī)地下廠房的進(jìn)廠交通洞宜從安裝間下游側(cè)垂直廠房縱軸線進(jìn)廠，為減少交通洞開挖對巖壁吊車梁的影響，本廠房的進(jìn)廠交通洞布置在安裝間的端部，并在進(jìn)入安裝間前設(shè)置一段轉(zhuǎn)彎段，以達(dá)減速安全目的。

4）目前國內(nèi)常規(guī)Ⅲ類圍巖的錨噴支護(hù)采用掛網(wǎng)噴砼的較為常見，采用鋼纖維的較少，本廠房考慮主廠區(qū)平洞揭露V級(jí)結(jié)構(gòu)面540余條，且存在8條小斷層，考慮鋼纖維的抗拉抗彎和黏結(jié)力相對而言會(huì)好些，黃登、烏弄龍、大崗山、構(gòu)皮灘等項(xiàng)目也有采用鋼纖維砼案例，固暫按噴鋼纖維和局部掛網(wǎng)型式進(jìn)行支護(hù)，后期根據(jù)開挖揭露情況調(diào)整支護(hù)。

5）地下廠房各大洞室的名字如電纜出線豎井命名要有講究，盡量不以專項(xiàng)名稱命名，比如高壓電纜通道以前取名叫電纜出線豎井，現(xiàn)更名叫出線電梯井，這樣消防驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)在滿足安全的情況下可以較為容易通過驗(yàn)收。

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