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北极星电力网技术频道 作者:佚名 2008/1/4 17:51:21
棉花滩水电站地下厂房设计
成卫忠
（上海勘测设计研究院，上海200434）
关键词：地下厂房洞室群喷锚支护内部布置结构设计棉花滩水电站
摘要：棉花滩水电站地下厂房安装4台水轮发电机组，总装机容量600MW。除了开关站出线场和控制楼布置于地面外，主厂房、主变室、尾水调压室及其他洞室均布置于地下，形成了一个错综复杂的大型地下洞室群。地下厂房的设计主要包括位置及纵轴线方向选择、洞室群及厂房内部布置、喷锚支护、结构设计等。实践证明，地下厂房的布置和设计是合理的。
棉花滩水电站位于福建省永定县汀江干流棉花滩峡谷中部福至亭处，地下厂房位于左岸山体内。厂区岩层为燕山早期第三次侵入的黑云母花岗岩，厂房部位断裂不发育，上覆新鲜～微风化岩体，厚度40～140m，通过厂房的主要断层有F7、F28、F29等，倾角较陡，规模小。据勘探钻孔统计，岩心平均采取率95，RQD(岩石质量指标)80，岩体纵波速4600～5600m/s，湿抗压强度165MPa。
地下厂房按2级建筑物设计，厂区地震基本烈度为6度，按规范规定，建筑物不进行地震设防。
1地下厂房位置选择
在选择地下厂房位置时，考虑了下面几个因素。
(1)厂房上游侧靠近水库处有F1断层，与厂房轴线基本平行。厂房应尽量远离F1，以确保厂房围岩稳定和减少渗水量。
(2)厂房靠山体侧的F3断层沿冲沟发育，F3影响范围内的不透水层埋藏很深，透水量较大。因此厂房应尽可能远离F3影响带。
(3)通过厂房的F7、F28、F29断层，与厂房轴线有较大的夹角，对厂房围岩稳定影响不大。而F12、F2断层与厂房轴线基本平行，F2断层靠河床侧正与厂房顶拱相切，对厂房围岩稳定不利，厂房应尽可能地避开。
综合以上因素，同时考虑主变室、尾水调压室及输水系统的布置，确定了主厂房位置。根据实际开挖揭露的地质情况来看，地下厂房位置选择是合理的。
2厂房纵轴线方向确定
2.1确定原则
(1)厂房纵轴线应尽可能垂直于岩体主要节理裂隙的走向或与其成较大的夹角，避免上下游边墙承受较大的侧向压力，以利于围岩稳定。
(2)轴线尽可能平行于初始地应力的最大主应力方向或与其成较小夹角。
2.2轴线方向确定
根据厂区节理玫瑰图及实测的三维地应力成果，在满足洞室稳定和输水发电系统总布置要求的前提下，厂房轴线方向确定为N40°E。理由如下。
(1)根据厂区节理玫瑰图分析，主要节理组方向为N15～30°W，次要节理组方向为N70～85°E。厂房纵轴线与主要节理组方向夹角为55～70°，与次要节理组方向夹角为30～45°。
(2)从实测的三维地应力成果看，最大主应力方向为N68.9°E，与厂房纵轴线方向夹角为28.9°，虽然夹角稍偏大，但其应力值为6.80MPa，属中低应力区，对厂房纵轴线方向选择影响不大。
3地下洞室群布置
除了开关站出线场和控制楼布置于地面外，主厂房、主变室、尾水调压室及其他洞室均布置于地下，形成了一个错综复杂的地下洞室群。
厂区枢纽布置采用主厂房、主变室、尾水调压室三大洞室平行布置的形式，因此，三大洞室的纵轴线方向与主要节理的夹角方向均较大，对顶拱和边墙稳定有利。主厂房与主变室间净距22m(1倍大洞室跨度)，主变室与尾水调压室间净距19.6m。主变室靠近主厂房布置，母线长度较短，可降低造价，提高运行的可靠性。
主厂房与主变室间布置有4条母线洞，每台机组母线通过各自的母线洞至主变室。主变室中布置有电缆电梯竖井，与高程180m的地面开关站和控制楼相连接，由于主变室与主厂房安装场高程相同，故布置了一条进厂交通洞，担负主厂房和主变室的交通运输。在主厂房和主变室四周设上下两层排水廊道，排水廊道内设D76＠3m排水孔形成排水帷幕，组成厂区排水系统，以减少主厂房和主变室的渗水量。
地下厂房安全通道除靠山体侧的进厂交通洞和电缆电梯竖井直接与地面相通外，靠河床侧还利用下层排水廊道经过2号排风竖井和调压室运输洞与左岸厂坝公路相接。
4厂房内部布置
主厂房洞室开挖尺寸为129.50m×21.90m×52.08m(长×宽×高)，布置有4台单机容量150MW的竖轴水轮发电机组，机组间距21m。水轮机安装高程为65.60m。廊道层、水轮机层、发电机层及厂房洞顶高程分别为59.00、69.80、76.60、100.58m,尾水管底板高程50.00m。廊道层布置有盘形阀、滤水设备等；水轮机层上游侧布置调速器、油压装置等水力机械设备及管路，下游侧布置母线出线、电缆等电器设备。发电机层下游侧布置有励磁盘、机旁盘等设备。每一个机组段设楼梯一部，作为连接发电机层和廊道层的垂直交通道。安装场布置在靠山体一侧，长39m,按1台机组大修时主要部件堆放的实际需要，同时考虑施工期的安装及卸车等要求确定。检修集水井和渗漏集水井布置于主厂房靠河床侧，为避免机组检修时下游水位倒灌，检修集水井顶部高程为76.60m，与发电机层高程相同。由于山体内渗透水量难以准确计算，为保证厂房安全运行，厂房内渗漏集水井仅考虑厂房围岩及机组渗漏水量；排水廊道内的山体渗水量流入排水廊道单独设置的集水井内。在主厂房两端各布置1个空调机室。
主厂房吊车梁采用岩壁吊车梁，省去了钢筋混凝土吊车柱，缩小了厂房跨度，同时厂房桥机可以提前安装运行，方便施工。主厂房顶部采用轻钢屋架，上设轻质防水屋面，下设轻质吊顶，中间布置通风管道等。
为了改善地下厂房的运行条件，副厂房采用分散布置方式，将中控室和电气辅助生产用房及办公用房布置于主变室顶部高程180m的地面控制楼内，其余房间分别布置于主厂房和主变室内。
主变室开挖尺寸为97.35m×16.00m×14.80m(长×宽×高)，内设两台220kV三相360MV·A双卷主变压器，底高程76.60m，与发电机层相同，主变压器可经进厂交通洞入安装场进行检修。主变室下部为高压电缆道和事故油池。主变室靠近进厂交通洞布置，电缆电梯竖井通向高程180m地面开关站和控制楼。在主变室两端各布置1个空调机室。
母线洞与主厂房纵轴线相垂直，开挖断面为8.00m×8.40m(宽×高)，底板高程69.80m，与主厂房水轮机层高程相同。母线洞内布置有电压互感器柜、发电机断路器、励磁变压器、电气制动柜等设备。地下厂房横剖面见图1。
5地下厂房支护设计
5.1支护设计原则
(1)根据厂房部位的地质条件，主厂房、主变室、母线洞、尾水调压室和进厂交通洞等均采用喷锚支护作为永久支护形式，对尾水管、输水隧洞及局部洞室交岔口采用钢筋混凝土衬砌作为永久支护。
(2)喷锚支护设计按招标设计阶段地勘报告提供的岩体参数进行，即按维持Ⅱ类围岩稳定所需的支护强度设计。
(3)喷锚支护设计按照新奥法原理，采用“设计→施工→监测→修正设计”的方法，在施工中加强监测和观察，根据实际情况随时调整支护参数。
5.2系统喷锚支护设计
初期喷锚支护参数的选择主要采用围岩分类法、工程类比法、理论验算法，并辅以有限单元法计算成果进行验证。
围岩分类法采用N·Barton,Q系统分类法、Bieniawski地质力学分类法（RMR）、《GBJ86-85锚杆喷射混凝土支护技术规范》和《SD335-89水电站厂房设计规范》等；工程类比法采用国内外已建地下厂房的实例进行类比；理论验算法采用喷、锚、网联合支护的设计方法验算支护效果；有限单元法采用平面有限元和三维有限元法对地下洞室群的围岩稳定性、初选支护参数的合理性、地质参数的敏感性等进行分析、论证，选择了较为合理的支护参数。
6主厂房结构设计
主厂房主要结构有尾水管、蜗壳、机墩、风罩、发电机层楼板和岩壁吊车梁等。
6.1尾水管
尾水管为单孔钢筋混凝土结构，出口为8m×8m的方形断面，轴线与机组纵轴线垂直。尾水管结构由锥管段、弯管段和扩散段三部分组成。由于锥管段和弯管上段四周为大体积混凝土，并设有钢衬，所以设计中只对弯管下段和扩散段进行了结构计算，锥管段及弯管上段参照已建电站经验配置构造钢筋。
弯管下段结构计算中，在垂直水流方向切取一代表性剖面，按弹性地基上的箱形结构进行内力计算，由于尾水管杆件截面尺寸较大，跨高比小，故计算中考虑剪切变形和刚性节点影响。扩散
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