天花板水電站廠房布置與結構設計

儲小釗，董丹丹，張 燕

（中國水電顧問集團北京勘測設計研究院，北京 100024）

0 引言

天花板水電站地處云南省昭通市境內牛欄江上，是牛欄江中下游規劃梯級水電站的第7級，為三等中型工程，發電廠房為3級建筑物。水電站廠房位于峽谷地區，設計過程中存在開挖高邊坡、高尾水、出線塔架導線拉力大等不利因素，給廠房布置與結構設計帶來一定難度。電站采用地面廠房方案，廠區建筑物布置時考慮到地形地質的不利條件，將副廠房、主機間、安裝場布置成 “一字型”，主變室布置在主廠房上游側，GIS及出線塔架位于主變室上部，同時加強結構計算分析，以解決高邊坡開挖支護、高尾水岸邊廠房穩定與尾水擋水結構設計、出線場布置與出線塔架設計等問題。

1 廠區布置

天花板水電站廠房位于柴棚子溝上游的牛欄江河道轉彎處凸岸，地形坡度38°～40°。谷坡后緣為高大陡壁，近河岸有寬度不大的臺地。經過前期比較論證，采用地面廠房方案。

地面廠房的布置將引起開挖邊坡的問題。廠區地質條件較差，邊坡開挖支護是廠房設計時需要解決的關鍵技術問題，同時開挖支護的工程量在廠區工程量中占有較大比重。

為減少廠房邊坡開挖高度，降低工程風險，在廠房布置上主要采取：①各建筑盡可能緊湊，副廠房、主機間、安裝間成 “一字型”布置，主變室布置在主機間上游側，將出線系統布置于主變室頂屋，以減少占地面積；②在滿足廠房地基承載力的前提下，廠房位置盡可能向河床方向布置，為避免廠房外移對施工期縱向圍堰布置及河床束窄的影響過大，對左岸河床區域進行必要開挖及防護；③適當調陡尾水渠的底坡，同時尾水管出口處設沉砂池、尾水渠末端設擋沙坎，以減少河道泥沙對尾水建筑物的不利影響。

2 高尾水情況下廠房穩定與結構設計

天花板水電站廠房按50年一遇洪水設計，200年一遇洪水校核。廠房建基面高程為943.40 m?？紤]下游涼風臺水電站大壩建成后影響設計洪水位為971.15 m高程，校核洪水位為973.58 m高程，即在校核洪水情況，廠房尾水水頭達30.18 m，相當于一個中小型擋水壩承受的水頭，廠房的整體穩定難以滿足要求，同時增大了尾水擋水結構的設計難度。經分析比較，采取以下措施：①適當加大廠房底部基礎寬度，將尾水出口處廠房底板混凝土外延1 m。一方面增大基礎面積，降低基礎應力，另一方面可以利用擴大的基礎上部水重，增大廠房整體穩定性。②底板采用整體式的結構形式并設置基礎錨筋。③廠房采取 “兩機一縫”的分縫形式，在機組段間設置永久縫。蝶閥層以上二期混凝土縫寬2 cm，設填縫材料；蝶閥層以下一期混凝土為光面縫 （零縫），不設填縫材料，既避免不均勻沉降對結構產生影響，又可以在機組間傳遞側向水壓力，適當提高了系統的整體性。④廠房止水設計時考慮高尾水的特點，在迎水面結構縫處布置兩道止水并形成封閉。

除廠房整體穩定外，尾水擋水結構承受較大的外部水壓力，結構設計上有難度。尾水擋墻與尾水中邊墩是主要的擋水結構，并設有尾水副廠房。前期設計考慮設3層副廠房，施工期由于機組技術供水設備布置有難度，只能將尾水副廠房增至4層。將第四層作為技術供水室，房間底板高程為953.38 m，校核洪水位下水頭達20.2 m。由于廠房整體體型已確定，結構難以做大的調整。經反復比較分析，采?。孩傥菜睆S房第4層技術供水室頂層設80 cm的厚板作為尾水擋墻的支撐結構之一，要求與尾水閘墩同期澆筑，可將部分尾水壓力傳遞至蝸殼外包大體積混凝土；②尾水擋水結構設計時不再簡化為平面問題，而是采用有限元ANSYS軟件對尾水擋水結構進行三維模擬計算分析；③尾水副廠房上部3層頂板的下游側支承結構為尾水擋墻，考慮到高尾水工況下尾水擋墻上部會產生較大的變形，在尾水副廠房頂板下游側支撐邊梁與尾水擋墻間設2 cm的變形縫。

3 開關站布置

受廠區地形地質條件限制，開關站難以單獨設布置場地。前期設計時考慮將GIS設備、出線塔架及附屬設備均布置于主機間屋頂。施工詳圖階段隨著設計深度的深入，比較分析了將開關站布置于主機間頂層、副廠房頂層和主變室頂層的可行性。最終考慮到對下部支承結構的影響、與輸電線路的聯系、運行管理和場地面積等方面的要求，確定將GIS布置于主變開關樓第3層，出線塔架布置于主變室頂層。

施工詳圖設計后期確定電站輸電線路的0號桿布置在江對岸，電站出線塔架與輸變電系統的0號桿間的擋距與高差均較大，導線荷載張力很大，輸變電線路的電壓等級為220 kV，但出線塔架的荷載水平卻相當于500 kV級。由于主變開關樓下部結構已施工完成過半，結構體型調整的余地不大，因此出線塔架鋼結構與支撐結構的設計難度較大。鋼結構設計采用中國建筑標準設計研究院北京金土木軟件技術有限公司與CSI聯合推出的SAP2000中文版V14進行計算，三維空間建模。在大量計算分析的基礎上確定了出線塔架的結構體型。

4 邊坡開挖支護

電站施工期邊坡開挖最大高度為110 m，永久邊坡開挖高度為87 m。廠址區出露為震旦系地層，并以第四系松散堆積物為主。主要存在三組結構面：① NE50°～60°、 SE<50°～60°， 順層裂隙， 一般沿泥巖夾層發育、張開，發育間距 （泥巖夾層）1～3 m，局部較密集，泥巖遇水軟化；② NW320°、SW<50°～70°，張開寬度2～3 cm，裂面平直略粗糙、銹色，填充碎片巖、巖屑及少量次生砂礫、泥質，發育間距一般為 0.5～1.0 m， 局部密集； ③ NE40°～70°、NW<70°～90°，張開寬度1.0 cm左右，填充巖屑及少量次生砂礫、泥質，發育間距一般為1.0 m左右，局部密集。

針對天花板水電站邊坡的實際情況，采用的設計思路為：①通過復核原始邊坡的穩定性，對地質參數進行敏感性分析，提出合理的邊坡穩定分析計算參數區段；②擬定開挖支護方案，對開挖邊坡進行穩定分析計算，并對邊坡結構面連通率、結構面參數、地下水等不確定狀況進行敏感性分析，提出支護的總體設計方案；③針對邊坡具體地質狀況展開了支護形式選擇、錨索深度、最優傾角的細部設計；④根據邊坡開挖揭露的實際地質情況以及邊坡監測資料，對邊坡支護參數進行修正與調整。

經計算分析，廠房后邊坡的滑動失穩可能破壞模式為覆蓋層Q4的淺層弧面型滑動，同時存在深層滑動以及結構面組合形成楔型體滑動的可能性。

根據天花板水電站廠址區的實際地質特點，對可能存在的淺層滑動，采用以混凝土網格梁加土體長錨桿為主的支護方式。土體長錨桿與混凝土網格梁組成的復合體，既彌補了土體自身強度不足的缺點，也適當利用了土體自身潛力。對深層穩定問題，采用1 000 kN錨索為主的支護方式，輔助以網格梁、錨噴混凝土等。在選用錨索時，結合邊坡巖體破碎的特點，采用了拉壓分散型預應力錨索，并重點分析了錨索深度及最優傾角等問題。

天花板水電站廠房永久邊坡的開挖支護于2007年未開始施工，2008年年底基本完成，2011年年初兩臺機組相繼投產發電，廠房邊坡觀測數據基本穩定，施工期及后期使用正常，說明邊坡開挖支護設計合理，達到了預期的設計要求與目的。

5 結語

天花板電站廠房位于峽谷地區，河谷偏窄，地質條件較差，機組安裝高程低、設計校核尾水位高。根據具體條件，廠房設計時采取廠區建筑物緊湊布置、宜地制宜的原則，在尾水渠布置、主機間整體穩定、尾水擋水結構、出線塔架設計和邊坡開挖與支護設計上采取有針對性的措施，有效地解決了高邊坡開挖支護、高尾水岸邊廠房穩定與擋墻結構設計、出線場布置與出線塔架設計等問題。可供今后類似條件的工程設計提供借鑒。