額敏抽水蓄能電站地下廠房布置研究

0引言

樞紐布置是水電站項(xiàng)目設(shè)計(jì)的核心，影響項(xiàng)目的建設(shè)及運(yùn)行安全，是投資控制的重要因素。抽水蓄能項(xiàng)目的樞紐建筑物一般由上水庫(kù)、下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、電站廠房及開(kāi)關(guān)站等組成，其中電站廠房的布置是樞紐布置的關(guān)鍵一環(huán)。抽水蓄能電站采用可逆式水泵水輪發(fā)電機(jī)組，機(jī)組吸出高度大，廠房埋深較大，常采用地下廠房布置。隨著中國(guó)水利項(xiàng)目的建設(shè)發(fā)展，陳代華[1]、王小毛等[2]、陳銳等[3]、王漢輝等[4]、杜申偉等[5]、周述達(dá)等[6]、曾暉等[]，分別對(duì)水布埡水電站、旭龍水電站、石臺(tái)抽水蓄能電站、烏東德水電站、三峽水利樞紐、彭水水電站等項(xiàng)目的地下廠房布置進(jìn)行了相關(guān)研究。但是，在具體工程設(shè)計(jì)時(shí)，還需結(jié)合各水電工程的獨(dú)特性進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。

額敏抽水蓄能項(xiàng)目輸水線路較長(zhǎng)，跨越兩種地層，沿線發(fā)育規(guī)模較大的斷層共5條，裂隙發(fā)育，地形條件較為復(fù)雜，包括位置及軸線在內(nèi)的地下廠房布置問(wèn)題較為突出，需盡可能減小不利地質(zhì)條件對(duì)洞室圍巖穩(wěn)定的影響，降低工程施工期和運(yùn)行期的風(fēng)險(xiǎn)，在滿足投資控制的情況下保證施工進(jìn)度。本文詳細(xì)論述了在綜合考慮樞紐布置、地形地質(zhì)、施工運(yùn)行等條件下，額敏抽水蓄能項(xiàng)自地下廠房布置，并對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

1 工程概況

新疆額敏抽水蓄能電站位于新疆維吾爾自治區(qū)塔城地區(qū)額敏縣東南約 60km ，距烏魯木齊市直線距離約 380km 。工程供電范圍為新疆電網(wǎng)，主要服務(wù)于新能源消納，承擔(dān)電力系統(tǒng)調(diào)峰、填谷、儲(chǔ)能、調(diào)頻、調(diào)相和緊急事故備用等任務(wù)。該工程為I等大（1）型工程，屬日調(diào)節(jié)抽水蓄能電站，連續(xù)滿發(fā)小時(shí)數(shù) 6h ，裝設(shè)4臺(tái)單機(jī)容量 350MW 立軸單級(jí)混流可逆式水輪發(fā)電機(jī)組，設(shè)計(jì)年發(fā)電量19.83億 kW?h ，設(shè)計(jì)年抽水電量為26.44億 kW?h ，綜合效率約為 75% 。

地下廠房采用引水支管垂直進(jìn)廠，主副廠房洞、主變洞、尾閘洞三大洞室平行布置，三大洞室之間的凈距分別為 ^40，30m 。主副廠房洞尺寸為 177.5m×25.5m （巖錨梁以上 27.0m ） ×57.3m （長(zhǎng) × 寬 × 高，下同），主變洞尺寸為 161.2m×23m×27m ，尾閘洞尺寸為106.5m×8.0m（10.0m）×34.8m_?

2 地形地質(zhì)條件

輸水系統(tǒng)流道縱剖面地形地質(zhì)條件如圖1所示，沿線出露地層第四系（Q）、泥盆系下統(tǒng)孟布拉克組上亞組（ D₁mb^c ）及華力西晚期侵入巖 （γ₄^3c） 。華力西晚期花崗巖與泥盆系下統(tǒng)孟布拉克組上亞組凝灰?guī)r呈侵入接觸，侵入接觸帶總體走向 NNW330^° ，與輸水線路方向近正交，傾向W（上庫(kù)方向）。接觸帶寬 300° 400m ，接觸帶內(nèi)花崗巖呈巖枝或巖脈出露，巖體附近的圍巖有接觸變質(zhì)甚至發(fā)生混染現(xiàn)象，并且自接觸面向外（即西側(cè)）逐漸減弱或呈分帶性。接觸面附近小斷層發(fā)育，巖體破碎，呈碎裂狀，性狀差。

輸水線路沿線發(fā)育規(guī)模較大的5條斷層。 ① （2號(hào) F₂₃ ：310^°～330^°SW∠70^°～80^° ，寬度 80～100m ，為逆斷層，膠結(jié)差，斷層帶內(nèi)見(jiàn)多條次級(jí)斷裂，少量斷層泥。② F₂₄ ：310^°～330^°SW∠70^°～80^° ，寬度 5～10m ，膠結(jié)差，影響帶寬度一般 4～6m 。 ③ （204號(hào) F₂₅ 20^°～30^°NW ∠50^°～55^° ，寬度 15～20m ，膠結(jié)差。 ④ F₂₆ 10^°～30^° NW∠60^°～80^° ，寬度 0.3～0.5m ，膠結(jié)一般，影響帶寬度一般 1～2m 。 ⑤ F₂₇：10^°～30^°NW∠60^°～80^° ，寬度 3～5m ，膠結(jié)一般，影響帶寬度一般 1～2m 。

PD1平碉沿輸水發(fā)電系統(tǒng)線路布置，總長(zhǎng)度1 205m ，進(jìn)口位于下水庫(kù)進(jìn)出水口，全銅段為基巖開(kāi)挖，圍巖為泥盆系下統(tǒng)孟布拉克上亞組（ D₁mb^c ）凝灰?guī)r，揭示大小斷層120條，其中 I 級(jí)結(jié)構(gòu)面有 F₂₅，F(xiàn)₂₆ 和 F₂₇ ，Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面20條， IV 級(jí)結(jié)構(gòu)面97條，斷層主要為NE、NNE走向，少量NW走向，其中 與主洞軸線夾角約 15^° ，其余斷層與確向多呈大角度相交，斷層以碎裂巖充填為主。

3廠房布置方式選擇

該工程地下廠房在輸水系統(tǒng)中的位置選擇遵循以下原則。

（1）地下廠房區(qū)應(yīng)具有足夠的上覆巖體厚度，且需避開(kāi) F₂₃ ， F₂₄ ， F₂₅ ， F₂₆ ， F₂₇ 等5條規(guī)模較大的斷層[8-9]及侵入接觸帶。

（2）協(xié)調(diào)主廠房上下游輸水隧洞長(zhǎng)度，避免設(shè)置引水調(diào)壓室。

（3）盡量縮短高壓流道與附屬洞室長(zhǎng)度。

若地下電站采用首部式布置，廠房為避開(kāi)侵入接觸帶，引水閘門(mén)塔需布置于上水庫(kù)內(nèi)，輸水發(fā)電系統(tǒng)長(zhǎng)度加長(zhǎng)，引水系統(tǒng)采用超 600m 的一級(jí)豎井布置，附屬洞室較長(zhǎng)，投資較大，運(yùn)行管理及對(duì)外交通均不方便[10]

若地下電站采用尾部式布置，引水管線較長(zhǎng)，需增設(shè)引水調(diào)壓室，引水鋼襯長(zhǎng)度較長(zhǎng)，投資較大。由于輸水線路中平段沿線地形高程較低，且上平段中部設(shè)置有檢修閘門(mén)井（可起到一定調(diào)壓作用），由于上平段較短，經(jīng)過(guò)調(diào)保復(fù)核，其在上平段末端設(shè)置引水調(diào)壓室作用不顯著；若在中平段設(shè)置常規(guī)引水調(diào)壓室，調(diào)壓室將高出地面 200～300m ，如采用氣墊式引水調(diào)壓室，受F₂₃ 斷層影響，成洞條件差，國(guó)內(nèi)抽蓄暫無(wú)此類(lèi)實(shí)例。

綜合考慮地形地質(zhì)條件、運(yùn)行管理及工程投資等因素，地下廠房采用中偏尾部式布置，布置于 F₂₅ 和 F₂₆ 兩斷層之間的泥盆系凝灰?guī)r地層中。

4廠房位置及軸線選擇

4.1 選擇原則

廠房位置及軸線方向的選擇主要遵循以下4項(xiàng)原則[]

（1）廠房位置宜布置在地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單、巖體較完整、上覆巖體厚度適宜、地下水不發(fā)育的地段，并應(yīng)盡量避開(kāi)主要的斷層和破碎帶。（2）廠房縱軸線方向與地質(zhì)主要結(jié)構(gòu)面走向應(yīng)構(gòu)成較大的交角，一般不宜小于 30^° ，并兼顧次要結(jié)構(gòu)面對(duì)洞室穩(wěn)定的影響。（3）廠房縱軸線方向與地應(yīng)力的最大主應(yīng)力水平投影方向宜呈較小夾角，以減小地應(yīng)力對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。（4）廠房位置、洞室縱軸線方向選擇應(yīng)兼顧輸水系統(tǒng)洞線和高壓岔管區(qū)的地質(zhì)條件，使工程總體布置順暢、合理。

4.2廠房位置選擇

在選定的中線中部偏尾部布置廠房的基礎(chǔ)上，廠房布置于發(fā)育規(guī)模較大的 F₂₅ ， F₂₆ 兩斷層之間，圍巖類(lèi)別以Ⅲ類(lèi)為主，部分 IV 類(lèi)。 F₂₅ ， F₂₆ 與廠房軸線夾角分別約為 20^°，30^°～40^° 。擬定3個(gè)廠房位置方案，依次相距 50m ，地層巖性、節(jié)理裂隙、水文地質(zhì)、地應(yīng)力等條件基本一致，廠房圍巖條件主要受控于規(guī)模較大的F₂₅ 與 F₂₆ 斷層。

廠房位置比選的3個(gè)方案如圖2所示。 ① 方案一：主廠房北側(cè)距離 F₂₅ 斷層距離較近（基本重合），受斷層影響較大，圍巖條件相對(duì)較差； ② 方案二：主廠房位于 F₂₅ 和 F₂₆ 斷層之間，距離 F₂₅ 斷層及 F₂₆ 斷層分別約39m 及 112m ，受斷層影響較小，圍巖類(lèi)別基本以Ⅲ類(lèi)為主； ③ 方案三： F₂₆ 斷層斜穿尾閘洞，且距離主變洞南側(cè)距離約 21m ，受 F₂₆ 斷層影響較大，V類(lèi)、V類(lèi)圍巖占比相對(duì)較高。3種方案在輸水系統(tǒng)布置、地下廠房布置、施工條件及工期、生產(chǎn)運(yùn)行條件等方面均無(wú)明顯差異。

綜合上述觀點(diǎn)，方案二位置距離 F₂₅ ， F₂₆ 斷層適中，三大洞室圍巖條件總體較好，選擇位置二布置地下廠房。

4.3廠房軸線選擇

廠房軸線選擇按照如下優(yōu)先順序考慮。

（1）輸水洞線順暢。上、下水庫(kù)進(jìn)/出水口的連線方向約為 NE81^° ，廠房軸線方向宜為 NW39^°～NE21^° 。

（2）與主要斷層走向大角度相交。地下廠房區(qū)主要發(fā)育的斷層有 F₂₅，F(xiàn)₂₆，pf₁，pf₂，pf₃，pf₄，pf₇ ，其中規(guī)模較大的 F₂₅ 和 F₂₆ 斷層已避開(kāi)。其余5組斷層中， pf₁ 斷層充填泥夾碎屑，性狀較差，下盤(pán)巖體影響帶寬度 4～ 20m ，對(duì)廠房穩(wěn)定性影響較大，廠房軸線宜與之大角度相交，為 NW40^°～NE20^° 。

（3）與優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面大角度相交。從圖3（a）可見(jiàn)，地下廠房2組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面。 ① 組走向 NW75^°～45^° ，發(fā)育間距 10～50cm ，硬性結(jié)構(gòu)面為主。 ② 組走向NE14^°～42^° 相對(duì)長(zhǎng)大、局部巖屑夾泥。廠房軸線與兩組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面的夾角宜大于 30^° ，即廠房軸線方向宜為 NW30^°～NE10^° 。

（4）與最大主應(yīng)力方向小角度相交。根據(jù)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果顯示，工程區(qū)以水平應(yīng)力為主導(dǎo)作用。主廠房最大水平主應(yīng)力為 10.99～12.55MPa ，應(yīng)力方向N0^°E～N12^°E ，總體NNE向，地應(yīng)力水平中等水平。廠房軸線方向宜為 NW30^°～NE42^° 。

根據(jù)上述條件，擬定3個(gè)廠房軸線方案： NW24^° （方案一）、 NW9^° （方案二）、 NE6^° （方案三）。方案具體布置如圖4所示，各布置原則比較見(jiàn)表1。

3個(gè)方案廠房圍巖類(lèi)別均以Ⅲ類(lèi)為主，地下洞室群布置、輸水線路長(zhǎng)度等方面無(wú)明顯差異，地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、施工條件及工期、生產(chǎn)運(yùn)行等條件基本相當(dāng)。廠區(qū)凝灰?guī)r巖石強(qiáng)度應(yīng)力比為5.1，重點(diǎn)考慮 pf₁ 斷層及優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面對(duì)廠房穩(wěn)定影響，綜合考慮輸水洞線布置、地應(yīng)力水平及與最大主應(yīng)力小角度相交等因素，選擇方案二（ NW9^° ）作為廠房軸線方案。

5地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析及支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

5.1支護(hù)參數(shù)及巖體力學(xué)參數(shù)

初步擬定的地下廠房洞室群支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表2，工程區(qū)地下廠房圍巖及結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)建議值分別見(jiàn)表3，4。

5.2 圍巖穩(wěn)定性分析

采用FLAC3D軟件[12]，以地下廠房洞室群為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行初始地應(yīng)力場(chǎng)反演、洞室開(kāi)挖及支護(hù)過(guò)程的三維數(shù)值仿真模擬。計(jì)算分析模型及2個(gè)典型截面如圖5所示。

洞室開(kāi)挖后形成臨空面，圍巖主要發(fā)生洞內(nèi)變形，見(jiàn)圖6。主廠房一般變形在 50mm 以內(nèi)，最大變形約為64mm ，發(fā)生在 pf₁ 斷層 斷層、主廠房與4號(hào)母線洞的四者交匯處，以及 pf₂ 斷層、主廠房與3號(hào)母線洞的三者交匯處等局部區(qū)域。主變洞一般變形在 35mm 以內(nèi)，最大變形為 35mm ，發(fā)生在主變室與斷層 pf₁，pf₂，pf₃ ，pf₄ 交匯處等局部位置。尾閘洞一般變形在 20mm 以內(nèi)，最大變形為 20mm ，出現(xiàn)在下游邊墻部位。

圖7為開(kāi)挖支護(hù)完成后地下洞室周?chē)厥饨孛娴乃苄詤^(qū)分布。主廠房塑性區(qū)深度一般為 1～7m ，塑性區(qū)深度超過(guò) 7m 的區(qū)域主要位于斷層出露處及主廠房與母線洞交匯處，最大塑性區(qū)深度為 25m ，發(fā)生在廠房3號(hào)機(jī)組段、3號(hào)母線洞與斷層 pf₂ 三者交匯處，主要受洞室群效應(yīng)和斷層 pf₂ 疊加影響所致。在考慮主廠房的預(yù)應(yīng)力錨索措施后，廠房除斷層出露部位，塑性區(qū)均在錨桿錨固范圍 9m 內(nèi)；主廠房與母線洞、主變洞之間的塑性區(qū)在斷層出露處局部貫通，廠房與主變洞之間布置了4排對(duì)穿錨索，可為該區(qū)域的圍巖穩(wěn)定性提供保障。主變洞塑性區(qū)深度一般為 2～5m ，塑性區(qū)深度超出 5m 的區(qū)域主要為斷層出露處、母線洞底板以及主變洞與母線洞交匯處，最大塑性區(qū)深度為15m ，發(fā)生在3號(hào)機(jī)組主變室上游邊墻與母線洞和斷層 pf₂ 交匯處，超過(guò)錨桿支護(hù)范圍 6m ，廠房與主變洞之間布置了4排對(duì)穿錨索，可為該區(qū)域的圍巖穩(wěn)定性提供保障。尾閘洞圍巖塑性區(qū)深度一般在 1～4m ，未超過(guò)錨桿支護(hù)范圍（ 6m 。

錨桿應(yīng)力及錨索受力分布范圍見(jiàn)表5，開(kāi)挖支護(hù)完成后，地下廠房支護(hù)受力總體正常，錨索受力基本在允許范圍內(nèi)，被斷層穿過(guò)區(qū)域的個(gè)別錨桿應(yīng)力達(dá)到屈服值，但不影響洞室群圍巖整體穩(wěn)定性。

6結(jié)語(yǔ)

新疆額敏抽水蓄能電站輸水發(fā)電系統(tǒng)沿線地質(zhì)情況復(fù)雜，可布置廠房的凝灰?guī)r地區(qū)斷裂構(gòu)造較發(fā)育、結(jié)構(gòu)面發(fā)育，廠房的位置總體處于 F₂₅ 和 F₂₆ 斷層之間。廠房軸線選擇重點(diǎn)考慮與主要斷層及優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面大角度相交，兼顧考慮輸水洞線布置、與最大主應(yīng)力小角度相交。結(jié)合PD1平銅所揭示的地形地質(zhì)情況，地下廠房采用中偏尾部式布置方案，布置于凝灰?guī)r地區(qū)，軸線方向選擇NW9°方案。采用FLAC3D軟件對(duì)廠房洞室群進(jìn)行三維數(shù)值仿真模擬，現(xiàn)有支護(hù)條件可以保障地下廠房洞室群開(kāi)挖施工期和地震動(dòng)作用下的圍巖穩(wěn)定性。

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（編輯：高小雲(yún)）

Study on underground powerhouse layout of Emin Pumped Storage Power Station

LIN Zijie，CHEN Jieping，DENG Xiangkun （ChangjiangSurvey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 43oo1o，China）

Abstract：The terrin and geologicalconditions along thewater conveyance and power generation system of the Emin Pumped Storage Project in Xinjiang are complex，with well-developedfault structures and structural planes，making the layout of underground powerhouses quite challenging.To ensure that the layout planof theunderground powerhouseachievesthebest balance in termsof technology，economy，and safety，thelayout planofthe powerhouse wasoptimized basedonthe exposed favorable structural planes in the PDladit and other terrin and geologicalconditions，whilealso taking into account the layout of the waterconveyance tunnels，perationmanagement conditions，nd project investment. FLAC3Dsoftware was used forthree-dimensional numerical simulation toconductastabilityanalysis and evaluationof the surounding rock stabilityof the underground cavern group.The results showed that under the existing support conditions，the safetyand stability of the underground powerhouse cavern group during theconstruction and operation periods wereguaranteed.Theresearch results can provideareferenceforthe layoutof powerhousesundersimilar terain and geological conditions.

KeyWords：underground powerhouse layout；underground cavern； FLAC3D；Emin Pumped Storage Power Station