我國地下水電站建設(shè)的發(fā)展

翁義孟

（水利部珠江水利委員會，廣東 廣州 510611）

0 引 言

我國第一座裝機容量超過5萬kW的地下水電站—福建古田溪一級電站，于1956年建成發(fā)電，今年是其投產(chǎn)的55周年。盡管其裝機容量僅6.2萬kW，但在第一個五年計劃期間卻是水電建設(shè)的大項目。我國在十分薄弱的基礎(chǔ)上開始了地下水電站建設(shè)，經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，電站的規(guī)模和技術(shù)水平都有很大的跨越，取得了巨大成就。目前，在建的溪落渡水電站裝機容量達1260萬kW，是古田溪一級電站的200倍。值此古田溪一級電站發(fā)電55周年之際，回顧并展望我國地下水電站建設(shè)的發(fā)展是很有意義的。

1 我國地下水電站的發(fā)展歷程

1.1 1980年以前

繼古田溪一級電站之后，有不少水電站采用了地下廠房布置[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計，至1979年，我國已建地下水電站26座，這些水電站采取地下廠房布置都各有其客觀原因。古田水電站位于臺海西岸，出于防空需要采用了地下廠房。白山和劉家峽水電站 （與壩后地面廠房連體的窯洞式地下廠房）是因河谷狹窄，出于樞紐布置上的考慮。水槽子和鏡泊湖水電站采用首部開發(fā)式地下廠房，將廠房布置在引水道上游地質(zhì)較好處，避免有壓引水隧洞穿越地質(zhì)條件較差的地段。鹽水溝水電站調(diào)壓井至地面廠房的壓力水道太長，較難滿足調(diào)節(jié)保證要求，采用地下廠房布置，縮短了壓力水道長度。可可托海水電站地面廠房位置為高達百米的陡崖，將廠房布置在山體內(nèi)，避免了高邊坡處理。拔貢和閩東水電站廠頂高程均低于50年一遇洪水位，采用地下廠房，洪水期擋水問題比較容易解決。實踐表明，地下廠房在布置上有較大的靈活性，可適應(yīng)各種地形、地質(zhì)條件，這也是地下水電站被廣泛采用的重要原因之一。

這一時期的地下水電站多建于小河流上，流量小、比降大，故多采用引水開發(fā)方式。裝機規(guī)模一般都不超過10萬kW，最小只有0.8萬kW，開挖跨度僅9.7 m。幾座容量稍大的水電站，主要靠加大發(fā)電水頭，如鹽水溝和小江水電站發(fā)電水頭都達589 m。高壓水道襯砌和高壓閥門安全成為設(shè)計難點，為避免水輪機進口高壓閥門爆破危及地下廠房安全，另設(shè)了與廠房隔開的閥室，并設(shè)有排水廊道以便發(fā)生事故時向外排水。

當(dāng)時對地下洞室圍巖穩(wěn)定性問題認識比較片面，僅注意到頂拱巖體塌落問題。通過實踐發(fā)現(xiàn)，地下廠房頂拱圍巖具有自穩(wěn)能力，此后有的工程便改用了間隔開的 “肋拱”，減少了頂拱工程量。與地下廠房高巖壁相交的橫向洞室，隨著廠房向下開挖，洞口襯砌常出現(xiàn)環(huán)向裂縫，從而認識到了巖壁位移的影響，并開始從彈性體開孔理論和巖石力學(xué)角度考慮地下廠房圍巖穩(wěn)定問題。

1.2 1980年以后

據(jù)統(tǒng)計，80年代建設(shè)的壩高超過100 m的8座水電站中，采用地下廠房布置的有2座，裝機容量都超過50萬kW。90年代開始了以小浪底和三峽工程為標志的向大江大河進軍的水電發(fā)展新時期，先后上了一批高壩大庫項目。大江大河流量大，引水開發(fā)方式不適用，普遍采取壩后開發(fā)方式。這些水電站多處于高山峽谷，受地形條件限制，泄洪設(shè)施與電站廠房布置矛盾突出，許多高壩樞紐都采取地下廠房布置方式。1980年后建設(shè)的壩高超過150 m的34座水電站中有22座采用地下廠房；壩高超過200 m的水電站，采用地下廠房布置的占九成，裝機容量都在100萬kW以上。

2 地下水電站的優(yōu)勢

地下水電站的發(fā)展同高壩樞紐建設(shè)有密切聯(lián)系并相輔相成。高壩樞紐建設(shè)帶動了地下水電站的發(fā)展，與此同時，地下廠房也給高壩樞紐布置優(yōu)化創(chuàng)造了有利條件[2]。地下廠房布置方式的許多優(yōu)點：①更具備采用過水圍堰的條件，從而簡化施工導(dǎo)流，減少其對工程施工的制約。②可簡化壩體布置，便于采用碾壓混凝土，加快大壩施工進度。③可避免壩后廠房與大壩及泄洪陡槽施工的互相干擾，避免因陡槽施工滯后導(dǎo)致后期度汛風(fēng)險。④地下廠房施工受洪水影響較小并可與導(dǎo)流和大壩工程平行作業(yè)，不占關(guān)鍵線路，有助于縮短總工期。⑤由于泄洪流量大，泄洪消能成為高壩樞紐的一大難題。采用壩身高、低孔泄洪，以異型鼻坎控導(dǎo)水流、配合水墊塘消能是比較理想的泄洪方式，地下廠房可為其提供條件，且本身受泄洪雨霧的影響較輕。⑥地下廠房布置往往可減小高邊坡的高度，提高了工程的安全度。⑦隨著梯級開發(fā)進展，調(diào)節(jié)能力提高，一些水電站需要擴容；有的電站為充分利用汛期棄水，需要擴機，都需另建新廠房。這時，采用地下廠房具有布置緊湊，造價低，干擾小的優(yōu)點。⑧太平驛、映秀灣、漁子溪地下水電站均處于汶川地震Ⅸ～Ⅺ度強震區(qū)內(nèi)，震后檢查，未發(fā)現(xiàn)地下廠房本身有震損[3]。 “5·12” 汶川地震調(diào)查研究指出： “地下建筑的抗震性能較好”，并建議 “高山峽谷地區(qū)修建水電站，條件具備情況下要優(yōu)先地下廠房布置方案”。地下水電站的抗震優(yōu)勢已取得廣泛共識。⑨地下水電站對植被影響較小，有利于保護自然環(huán)境與景觀。

3 設(shè)計理論的突破

圍巖穩(wěn)定性和支護概念的轉(zhuǎn)變是從70年代開始的，新奧法的引進改變了先前單純視圍巖為荷載的舊概念，轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^支護措施將其轉(zhuǎn)化為承載體的新思路，實現(xiàn)了設(shè)計理論的重大突破。圍巖卸荷變形、松動、破壞、失穩(wěn)機理和圍巖同支護的互動機制是圍巖支護新技術(shù)的理論基礎(chǔ)。實地測試和仿真技術(shù)的進步為理論探討和分析方法改進提供了強有力的支持?，F(xiàn)在已逐步應(yīng)用反復(fù)校正、逐步貼近、及時調(diào)控的動態(tài)設(shè)計方法。根據(jù)各個工程圍巖的力學(xué)環(huán)境、巖體特性及工程需要選用適宜的仿真分析方法，采取經(jīng)過預(yù)設(shè)計、反演校正、而后提出包括支護參數(shù)、開挖程序、支護時機在內(nèi)的實施方案，得以逐步貼近實際的設(shè)計方法[4]。并在施工過程中加強監(jiān)測和反饋分析，及時發(fā)現(xiàn)問題，采取補強措施。形成一整套動態(tài)支護技術(shù)，使圍巖支護措施更為有效、更加合理。

各個工程的情況各異，可選用適合本工程特點的仿真分析方法。參考文獻[4]根據(jù)拉西瓦地下洞室群的實際情況，采用描述高地應(yīng)力條件下硬脆性巖體屈服和圍巖強度弱化的彈脆塑性本構(gòu)模型進行分析，取得了比較系統(tǒng)的有關(guān)位移場、應(yīng)力場及塑性區(qū)等方面的規(guī)律性成果，對解決工程實際問題和理論探討都很有價值。洞室群開挖順序與支護參數(shù)組合優(yōu)化的智能方法對提高地下洞室群開挖支護技術(shù)水平和工程安全具有積極的作用[5]。

巖壁吊車梁的普遍應(yīng)用也是地下工程設(shè)計理論更新的重要標志。視圍巖為承載體，通過巖壁吊車梁由其承受吊車輪壓荷載是一項重大突破。目前一些吊車容量很大的特大型地下廠房也都采用巖壁吊車梁，向家壩電站巖壁梁承載的吊車容量達2-1 200 t/200 t，水平相當(dāng)之高。

4 施工技術(shù)進步

1980年以前，我國地下工程一直采用手風(fēng)鉆鉆孔，鋼木支撐的傳統(tǒng)施工方法。以魯布革水電站建設(shè)為轉(zhuǎn)折點，開始采用噴錨支護和其他先進施工技術(shù)。經(jīng)過二、三十年的實踐探索，我國地下工程施工總體水平有了很大提高[6]，主要表現(xiàn)在：①科學(xué)優(yōu)化總體施工方案。大型地下水電站的洞室群多達百余個，通過合理布置施工支洞，使洞室群成為既不互相干擾又能有機聯(lián)系，得以實現(xiàn)多工作面平行施工的整體。利用地下廠房尺度大、工序多的特點，采用 “平面多工序、立體多層次”的施工方法，為洞室群順利快速施工創(chuàng)造了有利條件。②多項措施保證圍巖穩(wěn)定。根據(jù)圍巖彈性能量釋放規(guī)律，合理確定開挖層高度[7]，減小圍巖彈性能量釋放速率，避免圍巖過快變形。采取中心拉槽超前、兩側(cè)保護層跟進的措施以及應(yīng)用預(yù)裂爆破等技術(shù)減輕開挖爆破對圍巖的破壞。③合理安排相鄰洞室的開挖順序，減少相互影響。④采用先進的造孔和爆破技術(shù)。先進測量技術(shù)和導(dǎo)向定位架的應(yīng)用得以精確控制鉆孔方向，對提高爆破效率和效果很有幫助。光面爆破、預(yù)裂技術(shù)以及高性能爆破器材、精密引爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的配合應(yīng)用，提高了高難度輪廓控制部位如巖壁吊車梁巖臺的成形質(zhì)量，使得開挖總體質(zhì)量有很大提高。⑤新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備的應(yīng)用。鋼纖維及聚丙稀微纖維噴混凝土、水泥基藥卷式錨桿、預(yù)應(yīng)力錨索鋼板錨墩、電腦臺車、鉆桿三聯(lián)機等的應(yīng)用提高了開挖、支護效率，大大加快了施工進度。⑥建立現(xiàn)場監(jiān)測快速反應(yīng)機制。有針對性地布置現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)開挖過程中暴露出來的地質(zhì)情況，結(jié)合監(jiān)測采集的數(shù)據(jù)，及時采取包括調(diào)整爆破參數(shù)、優(yōu)化爆破措施、改進開挖方案和支護加固等調(diào)控手段，對確保洞室群圍巖穩(wěn)定和安全順利施工發(fā)揮了很大作用。⑦減輕爆破影響。對一些擴機工程而言，地下洞室開挖爆破對先期工程的影響是極為突出的問題。三峽工程通過對開挖爆破產(chǎn)生的質(zhì)點振速進行跟蹤監(jiān)測，確定控制爆破工藝，并及時反復(fù)調(diào)整，確保了先期工程的安全[8]。

5 若干革新改進

（1）廠房縱軸方向。廠房縱軸應(yīng)取同圍巖結(jié)構(gòu)面交角較大的方向是地下廠房設(shè)計的一項準則。彭水水電站地下廠房[10]處于薄層、陡傾角、軟弱的灰?guī)r中，巖溶發(fā)育。要避開溶洞，將廠房置于完整的巖體內(nèi)，其縱軸方向與層面的交角就很小。經(jīng)研究決定，在采取預(yù)應(yīng)力錨索等加固措施的基礎(chǔ)上，采取與巖層0°交角的縱軸方向，經(jīng)受了施工期及運行期的全面考驗，證明這種布置是可行、可靠的，開創(chuàng)了地下廠房縱軸取向的先例。

（2）變頂高尾水洞。地下廠房尾調(diào)室工程量大，施工復(fù)雜。采用變頂高尾水洞，向下游逐漸抬高洞頂，使有壓段在隨尾水位升高而加長的同時，洞內(nèi)流速因斷面加大而向下游遞減。這樣，低水位時有壓段短，水力過渡過程中負水擊?。晃菜簧邥r有壓段增長，負水擊加大，但由于洞內(nèi)流速降低，使水力過渡情況得到改善，從而做到在不同尾水位下均能滿足規(guī)范的要求，同時得以減少工程量，簡化施工。

（3）圓筒形尾調(diào)室。傳統(tǒng)采用的方箱形尾調(diào)室圍巖穩(wěn)定性較差。近年來許多工程改用圓筒形上室阻抗式尾調(diào)室，圍巖穩(wěn)定性和襯砌受力情況都得到改善，是一項重要改進。

（4）巖壁吊車梁。在巖壁吊車梁工程實踐中曾出現(xiàn)過一些有待改進的問題。彭水水電站針對廠房后續(xù)開挖時的巖壁變形以及巖體不均勻?qū)е碌踯嚵夯炷灵_裂的問題，采取了合理選定巖壁梁的施工時機，根據(jù)圍巖變形情況對預(yù)應(yīng)力錨桿進行分期張拉等措施。經(jīng)施工、運行的多年考驗，至今未出現(xiàn)裂縫，取得了成功的經(jīng)驗。

6 結(jié)語

半個世紀以來，我國地下水電站建設(shè)的工程規(guī)模和技術(shù)水平都有很大的跨越。低碳經(jīng)濟發(fā)展必將更有力地推動水電開發(fā)，水電建設(shè)面臨著新的挑戰(zhàn)和機遇。地下水電站具有明顯的優(yōu)越性，將會迎來更大的發(fā)展。圍巖穩(wěn)定性及其支護是地下水電站建設(shè)的一個核心問題，要針對高地應(yīng)力地區(qū)的特點和復(fù)雜地質(zhì)條件，開展有關(guān)的研究探索。圍巖變形失穩(wěn)支護機理是十分復(fù)雜的科學(xué)，我國已取得一些頗有創(chuàng)意的研究成果，但也存在不足之處[9]。要進一步采取原型測試和仿真分析相結(jié)合的方法，改進測試技術(shù)，研發(fā)適用性更強，功能更齊全的仿真技術(shù)。卸荷松動區(qū)是圍巖穩(wěn)定最關(guān)鍵的部位，要加強對卸荷松動區(qū)的研究，有必要加密測點，全面采集圍巖變形同錨桿受力情況相對應(yīng)的同步動態(tài)數(shù)據(jù)，進行細致分析研究，這將有助于了解支護機理，提高圍巖支護技術(shù)水平。

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