巴基斯坦汗華水電站工程豎井半地下式廠房設計

劉春鋒 朱偉君 吳先德 李 婭

汗華(Khan Khwar)水電站工程位于巴基斯坦西北邊境省,大壩位于印度河支流Khan Khwar河上,發電廠房位于印度河右岸Besham鎮附近。該工程是一項高水頭、長隧洞的引水式水電站工程,由水庫、擋水重力壩、引水系統、調壓井、電站廠房、尾水建筑物、開關站和輸變電線路等組成,其主要任務是調峰發電。大壩為混凝土實體重力壩,最大壩高49.0m,壩頂長約106.1m,壩頂高程 829.0m。最高蓄水位825.0m,總庫容為105萬m3,有效庫容為40萬m3。引水系統長5144m,內徑為3.85～3.00m,包括引水隧洞、壓力豎井、壓力隧洞。設計引水流量35m3/s,設計發電凈水頭242m,總水頭為254m。廠房內安裝2臺34.25mW的立軸混流式發電機組和1臺3.65mW的沖擊式輔助發電機組,總裝機容量72.15MW。

1 廠區工程地質

電站廠房位于KKH公路陡坡下、印度河右岸坡腳地帶,為斜坡地形,坡度15°～20°,地面高程580～605m,場地由原來的小山包削平而成。

地表基巖裸露,地層巖性為Besham組淡色花崗巖和花崗片麻巖,局部見有赤鐵礦蝕變帶。據鉆孔巖芯資料,花崗巖、花崗片麻巖RQD平均值分別為55.3%～75.1%、54.4%～81.6%。

巖體較完整—較破碎,底部因節理裂隙發育完整性稍差。大部屬中等風化,只在局部沿著剪切帶風化強烈。主要裂隙產狀為NW345°～NE5°/NE或SE∠62°～74°, 次為 NE45°～ 60°/SE ∠30°～50°。一條剪切性斷層F18穿過豎井壁和底板,產狀為NW345°～ 355°/NE ∠58°～ 70°, 破碎帶寬 0.6～ 4.0m,帶內裂隙密集發育,斷層面有20～30cm厚的斷層泥。

2 廠房型式及廠房豎井位置的確定

汗華電站為引水式電站,通常有半地下式豎井廠房、地下廠房、岸邊式地面廠房3種型式可供選擇。鑒于本工程特定的地形、地質條件,半地下式豎井廠房是最優的選擇。廠房上部結構布置在地面以上,保證廠內有良好的通風、防潮和采光等條件,交通問題也較易解決,運行、管理較方便;豎井平面尺寸滿足2臺主機組布置即可,與地下和地面廠房相比,其平面尺寸可明顯縮小,因此,本工程選擇半地下式豎井廠房的方案。

可研設計階段選擇的廠房位置,豎井外圍巖石最薄處(臨印度河)僅2～3 m,并且主廠房上部結構部分坐落于基巖上,部分坐落于砂礫石上。由于主廠房豎井開挖尺寸較大,豎井底部節理裂隙發育、完整性較差,原設計豎井巖壁太薄,對廠房施工及永久運行的防滲極為不利。坐落在砂礫石上的結構物必須采用樁基礎,以解決不均勻沉降問題,沒有充分利用較好的地質、地形條件,人為地使結構設計復雜化。另外,原設計廠房區域離PTDC旅館太近,廠房施工給其帶來一定的干擾;因此,詳設階段將主廠房位置調整至南端不遠處的小山包上,開關站位于小山包下游側印度河河邊岸坡上,從而避免了上述問題。調整方案已經實施。

3 廠房總體布置

廠房位于KKH公路旁印度河右岸的階地上,主要由主廠房、副廠房、尾水建筑物、開關站、住宅樓等主要建筑物組成。整個廠區地面高程定為585.80m。

主廠房地面高程略高于廠區地面高程,為586.00m。主廠房長48.5m,寬19.6m,總高度43.20m,其中地面以上高度為15.50m,地面以下高度為27.70m。主機間為豎井式,豎井長28.25m,寬22.00m,深27.70m。主廠房內布置2臺混流式主機組,機組間距8.00m,每臺機組的設計流量為16.5m3/s,發電機單機容量為34.25mW。1臺沖擊式輔助機組的設計流量為2m3/s,發電機容量為3.65MW,布置在安裝間內。

豎井長28.25m,寬22m,由2個半徑為11m的半圓形用直線段聯接而成,形狀類似橢圓,襯砌厚度為1m。豎井上游側為裝配井,豎井下游側從上到下依次布置有防火系統室(高程581.00m)、發電機單元室(高程577.60m)、水冷卻系統室(高程573.40m)、水輪機層(高程568.20m)、蝸殼層(高程566.00m)、閥室層(高程562.90m)、尾水管層(高程560.30m)。水輪機層以下為大體積混凝土,水輪機層以上各層均采用無梁厚板結構型式,厚度為0.5m,各層有樓梯相連,并在下游側設有一部電梯,通往機械大廳層及副廠房各層。電纜井緊貼豎井井壁,布置在豎井下游側的電梯井旁。

水輪機層高程為568.20m,下游側主要布置有機組調速器、盤柜、尾水閘門啟閉機等設備。上游側放置有球閥調速器。由于機組采用中拆方案,因此在機墩上開有4.6m×3.0m(寬×高)的通道,用于拆卸水輪機轉軸,洞的頂部、地面埋設軌道,水輪機拆卸后運到裝配井,通過橋機吊到安裝場檢修。

閥室層地面高程為562.90m,該層主要布置有直徑為1.6m進水球閥的控制裝置、廠房檢修集水井、滲漏集水井等。

副廠房位于主廠房下游側,為鋼筋混凝土框架結構,長50.70m,寬14.00m。副廠房共3層,第1層與主廠房機械大廳層同高、第2層為中控室層、第3層為通訊層,高程分別為 586.00,590.80,597.20m。為滿足防火要求,副廠房共設2個樓梯間,并與豎井共用1部電梯。

井壁襯砌厚度為1m,采用低滲透性混凝土。原設計在井壁上布設無砂排水管,將廠房滲漏水引入滲漏集水井內,然后通過排水管排出廠房外,開挖后實際地下水位比較低,取消了無砂排水管的方案。

4 豎井開挖和支護

由于豎井開挖尺寸較大,豎井的圍巖應力和變形是設計較為關心的問題。經過有限元圍巖非線性穩定分析,結果為井壁各高程環向應力和豎向應力均為壓應力,無拉應力出現,環向應力和豎向應力均隨深度的增加而增大,最大值出現在井底高程,分別為1.01mPa和1.71mPa,小于巖石允許抗壓強度;因此,總體而言,豎井開挖后,圍巖是穩定的。

廠房豎井開挖是利用尾水隧洞出渣,開挖步驟為:豎井導井開挖,井壁擴挖,建基面形成。采取自上而下,分層開挖的方法,井壁形成后,根據實際的地質情況及時進行錨噴支護。一次支護采用系統錨桿,錨桿直徑28mm,長5～7 m,間距2m,噴混凝土厚10cm,局部視地質情況加掛鋼筋網。對于有潛在滑動楔形體部位,根據可能的楔形體大小,加長、加密錨桿。

為保證施工安全,在豎井井口,增加了1道圈梁(寬0.4m,高2.5m),由于布置母線坑,為便于拆除部分圈梁,將圈梁分成2段布置,段與段之間通過鋼筋鉸接相連。

豎井圍巖類別以C類為主。為了監測豎井井壁變形和支護滯后對井壁穩定的影響,設計安裝了4個多點位移計和6個收斂觀測點。觀測數據顯示,本井壁中部單日最大收斂量為2mm,累計最大收斂量為4mm,之后趨于穩定,變形速度和累計變形量均小于允許值。

5 涌水和灌漿

原設計對整個豎井井壁及豎井底板進行固結灌漿,后從現場開挖情況看,豎井井壁圍巖條件較好,可以不進行固灌,只對底板做固灌處理。灌漿壓力為0.3～0.5MPa,灌漿孔徑不小于45mm,灌漿施工按2序孔分序加密,1序孔和2序孔灌漿孔間排距均為3 m×3 m,梅花形布置,孔長5m,破碎帶區域孔位加密。

豎井開挖至562m高程時,因打穿剪切帶發生涌水,穩定涌水流量約為1000m3/h,實施固灌方案阻水、止水將進一步延誤廠房工期,因此,現場采用強排水方案進行后續施工。

6 結 語

巴基斯坦汗華水電站廠房采用豎井半地下式廠房,豎井內布置緊湊、合理,大大減少了開挖工程量,節約了工程投資?，F在2臺機組已安裝完成,經現場位移計及孔隙壓力計等設備觀測表明,廠房建筑物安全可靠。