獅子坪水電站地下廠房設(shè)計(jì)

羅文燚，張志慧，熊啟惠

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610072)

1 概況

獅子坪水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州理縣境內(nèi)的雜谷腦河上，系雜谷腦河梯級(jí)開(kāi)發(fā)“一庫(kù)七級(jí)”的龍頭水庫(kù)。本電站采用混合式開(kāi)發(fā)，由首部樞紐、引水系統(tǒng)、廠區(qū)樞紐等建筑物組成。電站裝機(jī)容量為195 MW，多年平均發(fā)電量為8.76億 kW·h。水庫(kù)庫(kù)容1.327億 m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容1.189億m3，具有年調(diào)節(jié)性能。本工程為二等大(2)型工程，發(fā)電廠房按3級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，設(shè)防烈度Ⅶ度。

獅子坪水電站廠區(qū)樞紐包括地下和地面建筑物。地下建筑物有主副廠房、主變及GIS室、尾閘室、排水廊道、尾水連接洞、尾水洞及交通洞等其它附屬洞室，均布置于雜谷腦河右岸山體內(nèi)。地面建筑物有出線場(chǎng)、尾水渠、消防水池、洞口風(fēng)機(jī)樓等。

廠區(qū)地下建筑物處于侏倭組下段T3zh中厚層狀變質(zhì)砂巖夾砂質(zhì)板巖巖體內(nèi)，斷層不發(fā)育，僅發(fā)育規(guī)模較小的擠壓破碎帶和節(jié)理裂隙。廠房水平埋深240～280 m，垂直埋深260～280 m。

2 廠址、廠房型式和廠房軸線的選擇

2.1 廠址、廠房型式的選擇

在預(yù)可研設(shè)計(jì)階段選定了上廠址。

可研設(shè)計(jì)階段，針對(duì)廠區(qū)的地質(zhì)、地形條件進(jìn)行了地面與地下廠房?jī)蓚€(gè)方案的比較。地面廠房布置在右岸Ⅰ級(jí)階地上，地下廠房則位于右岸山體內(nèi)，兩方案存在的主要問(wèn)題:地下廠房排風(fēng)洞、交通洞、尾水洞、出線洞分別有約95 m、89 m、56 m、105 m(共計(jì)約345 m)的覆蓋層洞段，且覆蓋層為松散的崩坡積堆積物，成洞條件差;廠房頂拱有第②組緩傾角裂隙分布，傾角2°～10°，對(duì)廠房頂拱的穩(wěn)定不利。地面廠房方案的三條壓力鋼管支管總長(zhǎng)約120 m，為覆蓋層洞段，成洞條件差;建基面以下13.31 m下臥第②層堰塞湖相細(xì)砂，需作地基加固處理;第④層堰塞湖相含礫粉土位于基坑中部，對(duì)坑壁穩(wěn)定不利;廠房靠山側(cè)第⑥層為塊碎石土，削坡后形成約98 m高的覆蓋層邊坡，穩(wěn)定條件差，支護(hù)處理難度大;基坑下部及底部為第③層含漂(塊)卵(碎)礫石層，透水性好，存在基坑涌水問(wèn)題，需作防滲處理;廠房?jī)?nèi)側(cè)基巖邊坡高達(dá)600 m以上，表部巖體卸荷強(qiáng)烈，加上結(jié)構(gòu)面的不利組合，易造成危石影響廠房的安全運(yùn)行。

兩方案均具備建廠條件。通過(guò)對(duì)地質(zhì)、施工、運(yùn)行管理和工程造價(jià)等因素進(jìn)行綜合比較分析后選擇了地下廠房方案。

2.2 廠房軸線的選擇

廠房巖體為巖性單一、微風(fēng)化～新鮮的中厚層狀變質(zhì)砂巖，圍巖類別以III類為主，巖層產(chǎn)狀為 N50°～70°E/NW(SE)∠70°～89°。巖體內(nèi)無(wú)大的斷層通過(guò)，僅發(fā)育規(guī)模較小的擠壓破碎帶和節(jié)理裂隙。優(yōu)勢(shì)節(jié)理有五組:(1)N50°～70°E/NW(SE)∠75°～89°，層面裂隙延伸長(zhǎng)度大于10 m，面平直粗糙;(2)緩傾角裂隙，產(chǎn)狀變化大，以傾 SE、NW 為主，傾角一般為 2°～20°，延伸長(zhǎng)度一般大于5 m，面微起伏粗糙，間距20～40 cm;(3)N20°～50°E/SE∠55°～70°，延伸長(zhǎng)度一般為1～3 m，面平直粗糙，間距30～50 cm;(4)N20°～40°W/NE∠70°～85°，延伸長(zhǎng)度一般為 1～3 m，面平直粗糙，間距大于60 cm;(5)N40°～60°W/SW∠70°～80°，延伸長(zhǎng)度一般為 1 ～3 m，面平直粗糙，間距大于50 cm。(1)、(2)組節(jié)理尤為發(fā)育，為控制性結(jié)構(gòu)面，(3)、(4)、(5)組節(jié)理相對(duì)不發(fā)育，為次要結(jié)構(gòu)面。

地應(yīng)力測(cè)試成果顯示，最大主應(yīng)力σ1=14.55 ～15.21 MPa，方向 NE76.1°～84.1°，傾角－72.3°～81.7°，說(shuō)明廠區(qū)地應(yīng)力量級(jí)較低，且以自重應(yīng)力場(chǎng)為主，地應(yīng)力對(duì)廠房軸線的選擇不起控制作用。因此，主要考慮巖體(1)、(2)組結(jié)構(gòu)面的影響，確定廠房縱軸線方向?yàn)镹20°W，與地質(zhì)主要結(jié)構(gòu)面夾角為70°～90°。

3 廠區(qū)樞紐布置

廠區(qū)樞紐布置包括主機(jī)間、安裝間、副廠房、母線洞、主變及GIS室、尾閘室、排水廊道、尾水連接洞、排風(fēng)洞、交通洞、尾水洞、出線洞、尾水渠、出線場(chǎng)等。

3.1 主、副廠房及安裝間

根據(jù)機(jī)組設(shè)備尺寸和機(jī)電布置、廠房結(jié)構(gòu)襯砌型式以及運(yùn)行、維護(hù)檢修的需要，確定主機(jī)間、安裝間、副廠房的長(zhǎng)度、寬度和布置方式。獅子坪水電站地下廠房從左至右呈一字形，依次布置主機(jī)間、安裝間和副廠房，總長(zhǎng)度75.7 m。主、副廠房及安裝間的最大開(kāi)挖跨度均為18.8 m，主機(jī)間凈長(zhǎng)43.3 m，凈寬16 m，高36.86 m。副廠房和安裝間長(zhǎng)分別為13.6 m、18.8 m，凈寬均為16 m，副廠房高22.04 m，安裝間高27.54 m。廠房?jī)?nèi)安裝3臺(tái)混流式水輪發(fā)電機(jī)組，型號(hào)分別為HL(E)－LJ－216及SF65－10/400，單機(jī)容量65 MW，水輪機(jī)安裝高程為2 078.7 m。

主廠房?jī)?nèi)采用巖壁吊車梁，軌頂高程為2 098.11 m，廠內(nèi)設(shè)一臺(tái)(75+75)t/20 t的雙小車橋式起重機(jī)(凈跨LK=16 m)。主機(jī)間分三層，從上至下依次為發(fā)電機(jī)層(高程2 088.46 m)、水輪機(jī)層(高程2 080.6 m)及球閥層(高程2 075.9 m)。安裝間分兩層，副廠房分三層，安裝間上層和副廠房第三層均與發(fā)電機(jī)層同高程。

發(fā)電機(jī)層以上采用錨噴支護(hù)。錨桿直徑為25 mm，長(zhǎng) 5 m、7 m，交錯(cuò)布置，間排距均為 1.5 m，噴混凝土厚15 cm，掛網(wǎng)鋼筋為φ8@20 cm×20 cm?？裳须A段頂拱布置有100根長(zhǎng)20～30 m的100 t預(yù)應(yīng)力錨索。技施階段根據(jù)開(kāi)挖揭示的地質(zhì)情況及監(jiān)測(cè)資料分析優(yōu)化為108根長(zhǎng)9 m、12 m(交錯(cuò)布置)的φ32預(yù)應(yīng)力錨桿(設(shè)計(jì)張拉力15 t)。發(fā)電機(jī)層以下為80 cm厚的鋼筋混凝土襯砌加錨桿支護(hù)。

在上游邊墻 2 080.5、2 090.5、2 094.5、2 101 m高程梅花型布置4排、共42根長(zhǎng)30 m的100 t預(yù)應(yīng)力錨索;在左右端墻2 094.5、2 101 m高程布置2排共12根長(zhǎng)30 m的100 t預(yù)應(yīng)力錨索;在下游邊墻與主變及GIS室之間2 090.5 m、2 101高程對(duì)穿布置2排共9+6根100 t預(yù)應(yīng)力錨索。

3.2 主變室及GIS室

主變室及GIS室位于主廠房的下游側(cè)，開(kāi)挖跨度13.6 m，與主廠房間巖壁厚26.05 m，通過(guò)三條母線洞和交通洞與主廠房相連。上層為GIS室，樓面高程2 098.96 m，下層為主變室，地面高程2 088.46 m。洞內(nèi)布置三臺(tái)主變壓器，其上游側(cè)為電纜道及交通通道，右端接交通洞。GIS室頂拱右端設(shè)有排風(fēng)支洞接入排風(fēng)洞通風(fēng)排煙，GIS室左端接出線洞。

主變室及GIS室2 098.96 m高程以上為錨噴支護(hù)。錨桿直徑25 mm，長(zhǎng)5 m、7 m，交錯(cuò)布置，間排距均為1.5 m，噴混凝土厚15 cm，掛網(wǎng)鋼筋為φ8@20 cm×20 cm?？裳须A段頂拱布置有37根長(zhǎng)20～30 m的100 t預(yù)應(yīng)力錨索，技施階段根據(jù)開(kāi)挖揭示的地質(zhì)情況及監(jiān)測(cè)資料分析取消。2 098.96 m高程以下為鋼筋混凝土襯砌加錨桿支護(hù)。

主變及GIS室除上游邊墻與主廠房布置對(duì)穿預(yù)應(yīng)力錨索外，在下游邊墻與尾閘室之間2 097 m高程對(duì)穿布置1排、共6根100 t預(yù)應(yīng)力錨索。鑒于主變室底板建基面以下與尾水連接洞之間巖壁厚度最小約5.5 m，故在主變室與尾水連接洞之間對(duì)穿布置4排、共12根12 t的預(yù)應(yīng)力錨桿，并對(duì)主變室底板進(jìn)行固結(jié)灌漿處理。

3.3 尾閘室

尾閘室布置在主變及GIS室下游側(cè)，寬10 m，長(zhǎng)33.4 m，最大開(kāi)挖高度為 26.1 m。尾閘室內(nèi)設(shè)有一套雙吊點(diǎn)潛孔式平面滑動(dòng)閘門，孔口尺寸為3.4 m ×3.4 m(寬 × 高)，閘 門 由 設(shè) 置 在2 099.5 m高程上的2×100 kN移動(dòng)式電動(dòng)葫蘆通過(guò)拉桿操作。尾水通過(guò)尾閘室出水，匯入尾水隧洞。

尾閘室檢修平臺(tái)以上采用錨噴支護(hù)。錨桿直徑25 mm，長(zhǎng)5 m，間排距均為1.5 m，噴混凝土厚15 cm，掛網(wǎng)鋼筋為φ8@20 cm×20 cm?？裳须A段頂拱布置有27根長(zhǎng)20～30 m的100 t預(yù)應(yīng)力錨索;技施階段根據(jù)開(kāi)挖揭示的地質(zhì)情況及監(jiān)測(cè)資料分析而取消。為減小糙率和不穩(wěn)定流的沖蝕，檢修平臺(tái)以下的邊墻、底板均設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)。

3.4 排水廊道

在距主廠房上游側(cè)約15 m處，分別在2 087.38 m及2 104.02 m高程布置了上下兩條排水廊道，其斷面尺寸為2 m×3 m。上排水廊道的集水經(jīng)兩邊排風(fēng)洞、出線洞排至洞外，下排水廊道接主變室左側(cè)經(jīng)主廠房左側(cè)將集水排入廠內(nèi)排水系統(tǒng)至尾水洞內(nèi)。采用隨機(jī)錨桿支護(hù)。

3.5 母線洞

獅子坪水電站采用一臺(tái)機(jī)組一條母線洞，共計(jì)3條。母線洞垂直于主機(jī)間下游邊墻，斷面為城門洞型，凈寬5 m，凈高5.25 m，底高程同發(fā)電機(jī)層。母線洞采用50 cm厚鋼筋混凝土襯砌加錨桿復(fù)合式支護(hù)。在母線洞與交通洞之間的2 089.46 m和2 091.46 m高程對(duì)穿布置了2排共12根12 t的預(yù)應(yīng)力錨桿。

3.6 尾水連接洞

與機(jī)組對(duì)應(yīng)，在尾水管擴(kuò)散段末端布置了3條尾水連接洞，每條長(zhǎng)68.33 m。斷面為城門洞型，斷面凈尺寸為3.4 m ×3.4 m，采用60 cm 厚鋼筋混凝土襯砌。

3.7 排風(fēng)洞及出線洞

排風(fēng)洞布置在副廠房右端，出口位于尾水隧洞出口下游約170 m處，出口設(shè)有風(fēng)機(jī)樓，全長(zhǎng)282.5 m。出線洞布置在GIS室左端，出口位于尾水隧洞出口上游約120 m處，設(shè)有風(fēng)機(jī)樓兼作排風(fēng)，全長(zhǎng)221.48 m。

地下廠房系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)樓設(shè)在交通洞洞口，自然進(jìn)風(fēng)至尾閘室、主變及GIS室、主廠房，經(jīng)排風(fēng)支洞、排風(fēng)洞、出線洞排出。

出于施工通道等綜合考慮，排風(fēng)洞和出線洞斷面均設(shè)計(jì)為城門洞型，斷面凈尺寸為4.5 m×5 m?；鶐r洞段均為錨噴支護(hù)和鋼筋混凝土襯砌，覆蓋層洞段均為型鋼混凝土襯砌。

3.8 交通洞

獅子坪水電站廠區(qū)利用317國(guó)道解決進(jìn)廠交通問(wèn)題。交通洞的洞口置于尾水隧洞出口下游約90 m處，洞長(zhǎng)229.18 m，斷 面 凈 尺 寸 為6 m×6.75 m(圓拱直墻型)。基巖洞段為鋼筋混凝土襯砌，覆蓋層洞段為型鋼混凝土襯砌。

3.9 尾水洞及尾水渠

尾水洞長(zhǎng)129.84 m。鑒于尾水洞不長(zhǎng)、雜谷腦河洪枯水位變化不大，故采用無(wú)壓型式。其斷面為圓拱直墻型，斷面凈尺寸為5 m×8.25 m。尾水隧洞起始段設(shè)1∶4反坡，余下為平坡，底板高程2 084.5 m，后接尾水暗渠，底板 高 程 抬 至2 086.5 m。尾水洞基巖洞段采用鋼筋混凝土襯砌，覆蓋層洞段為型鋼混凝土襯砌。

尾水隧洞出口段岸坡為崩坡積物源，故尾水渠采用暗渠型式，暗渠段全長(zhǎng)47.31 m。

3.10 出線場(chǎng)

出線場(chǎng)面積為21 m×21 m(長(zhǎng)×寬)，設(shè)在出線洞口下游側(cè)，外側(cè)緊臨雜谷腦河右岸317國(guó)道。建基面高程2 098.5 m，基礎(chǔ)為含漂(塊)砂卵石層。

4 主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)

(1)獅子坪水電站廠區(qū)邊坡為土質(zhì)邊坡，巖性為崩坡積塊碎石土(Q4col+dl)。該碎石土結(jié)構(gòu)非常松散、粘聚力極小且含大量孤石，架空明顯，坡面多處為大面積的倒石堆。若布置地面廠房將會(huì)形成高達(dá)98 m的覆蓋層邊坡，且地面廠房后緣邊坡高陡，基巖邊坡高達(dá)600 m以上。最終實(shí)施的地下廠房方案均采用長(zhǎng)覆蓋層進(jìn)洞，排風(fēng)洞、交通洞、尾水洞、出線洞覆蓋層洞段長(zhǎng)約345 m，最大上覆厚度約70 m，施工極其困難。獅子坪水電站廠房在2004年9月開(kāi)工時(shí)，國(guó)內(nèi)外無(wú)該類長(zhǎng)覆蓋層進(jìn)洞施工的成熟經(jīng)驗(yàn)，爆破即引發(fā)垮塌而只能由全人工開(kāi)挖，日進(jìn)尺約0.5延米。施工過(guò)程中出現(xiàn)多次頂拱、邊墻塌方乃至“冒頂”，后結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況采用小導(dǎo)管管棚超前固結(jié)灌漿加型鋼和噴錨一期支護(hù)、后期鋼筋混凝土內(nèi)襯的方式，收效顯著，給后續(xù)主洞室群的施工贏得了寶貴時(shí)間。

(2)獅子坪水電站地下廠房雖無(wú)大的斷層通過(guò)，僅發(fā)育規(guī)模較小的擠壓破碎帶和節(jié)理裂隙，但其圍巖以Ⅲ類為主(開(kāi)挖揭示主廠房局部Ⅳ類)，自穩(wěn)能力較差，支護(hù)及時(shí)跟進(jìn)保證了施工期及工程永久安全。

(3)可研階段 ，在主廠房、主變及GIS室、尾閘室的頂拱布置了共計(jì)164根100 t預(yù)應(yīng)力錨索;技施階段，經(jīng)對(duì)開(kāi)挖揭示的地質(zhì)情況和變形觀測(cè)等進(jìn)行分析后將其全部取消，僅在主廠房頂拱另設(shè)了108根預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)，經(jīng)后續(xù)監(jiān)測(cè)等實(shí)際結(jié)果檢驗(yàn)，該優(yōu)化方案合理，為工程節(jié)約了投資，縮短了工期，效益明顯。

(4)可研階段，在GIS室頂拱布置排風(fēng)斜井;技施階段，鑒于該斜井工程量大，深約95 m，開(kāi)挖直徑4.6 m，開(kāi)口距317國(guó)道垂直高度約100 m且斜井軸線與巖石結(jié)構(gòu)面小角度相交，施工難度極大，故取消了該斜井，另在GIS室頂拱右端增設(shè)了排風(fēng)支洞接入排風(fēng)洞排風(fēng)。

(5)獅子坪水電站地下廠房施工歷時(shí)共計(jì)約5 a，其間經(jīng)歷了汶川5.12特大地震考驗(yàn)，自2010年3月底3臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電以來(lái)，運(yùn)行良好。

5 結(jié)語(yǔ)

獅子坪水電站地下廠房的設(shè)計(jì)及施工質(zhì)量將接受長(zhǎng)期檢驗(yàn)。在運(yùn)行發(fā)電期間，筆者認(rèn)為應(yīng)對(duì)下述問(wèn)題引起高度重視:

(1)該地下廠房天然地下水位較低，施工期僅在球閥層有水，但巖體通透性較好，應(yīng)定期巡查并疏通排水通道，加強(qiáng)排水，設(shè)立長(zhǎng)效監(jiān)管機(jī)制。

(2)廠房臨近317國(guó)道，其外邊坡為崩坡積塊碎石土，上部為陡巖區(qū)，應(yīng)對(duì)設(shè)置的被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)定期進(jìn)行維護(hù)并主動(dòng)清除危石等隱患。

(3)排風(fēng)洞、交通洞、尾水渠、出線場(chǎng)及出線洞均布置在317國(guó)道側(cè)或跨317國(guó)道，進(jìn)出廠時(shí)應(yīng)注意交通安全;317國(guó)道汶川至馬爾康段目前正在進(jìn)行三改二，公路施工時(shí)應(yīng)注意保護(hù)好獅子坪水電站廠區(qū)的既有建筑設(shè)施、設(shè)備。