永泰抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)部分洞室設(shè)計參數(shù)優(yōu)化調(diào)整措施

張春洪,解迎夏

(中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041)

1 工程概況

福建永泰抽水蓄能電站位于福州市下轄的永泰縣白云鄉(xiāng)，與福州市、廈門市的直線距離分別為37 km、192 km。工程屬于I等大(1)型工程，樞紐主要由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房及地面開關(guān)站、下水庫等建筑物組成。上水庫正常蓄水位為657.00 m，相應(yīng)庫容為847.00萬m3；下水庫正常蓄水位為225.00 m，相應(yīng)庫容為924.00萬m3。電站裝機容量為1 200 MW(4×300 MW)，平均年發(fā)電量為12億kWh，年抽水電量為16億kWh。引水系統(tǒng)采用兩級斜井布置形式，長約1 119.04 m，洞徑為7.00～3.50 m；尾水系統(tǒng)長約920.16 m，洞徑為7.40～5.20 m。地下廠房系統(tǒng)主要由主副廠房洞、主變洞、尾閘洞、母線洞、500 kV出線洞、進廠交通洞、通風兼安全洞、排水廊道等附屬洞室及地面開關(guān)站等建筑物組成。主副廠房洞開挖尺寸為170.00 m×24.50 m×54.70 m(長×寬×高)，安裝4臺單機容量300 MW的立軸單級混流可逆式水輪發(fā)電機組。下水庫位于白云溪上，主要建筑物為一座混凝土重力壩，壩頂高程為232.20 m，最大壩高為55.20 m，壩頂長為175.00 m，壩頂寬為7.00 m。

2 輸水系統(tǒng)主要設(shè)計優(yōu)化內(nèi)容

2.1 1#施工支洞

招標設(shè)計階段進洞段采用超前管棚預(yù)加固，超前管棚參數(shù)為Φ108×8 mm，L=18 m，間距0.3 m。支護形式為初噴4 cm厚C25混凝土+掛網(wǎng)Φ8@15×15 cm+鋼拱架I16@100 cm+復(fù)噴21 cm厚C25混凝土+35 cm厚C25鋼筋混凝土襯砌，系統(tǒng)錨桿采用HRB400鋼筋，直徑為25 mm，長為4.5 m，間排距為1.25 m(見圖1所示)。

圖1 招標設(shè)計階段進洞段原支護示意

施工圖設(shè)計階段中預(yù)加固管棚長度調(diào)整為24 m，支護形式中鋼拱架間距調(diào)整為75 cm，其他不變。施工過程中發(fā)現(xiàn)進洞口明挖揭露的圍巖屬Ⅳ類，圍巖情況有所好轉(zhuǎn)，鑒于管棚施工時間較長，而1#施工支洞因其他因素影響進度已有所滯后，經(jīng)參建各方協(xié)商，確定取消管棚變更為小導(dǎo)管+鎖口錨桿，以加快施工進度，小導(dǎo)管采用直徑Φ42 mm、壁厚4 mm無縫鋼管，長為4.0 m，間距為0.3 m，排距為1.5 m；鎖口錨桿采用HRB400鋼筋，直徑為32 mm，長為6.0 m，間距為1.0 m。同時進口段鋼拱架間距調(diào)整為0.5 m，保證施工安全(見圖2所示)。

圖2 施工圖設(shè)計階段優(yōu)化后進洞段支護示意

2.2 1#岔施工支洞

可行性研究報告階段在引水上平洞上庫進/出水口(引1(2)0+000.000)至事故檢修閘門井(約引1(2)0+126.000)間布置1#岔施工支洞(約引1(2)0+070.000)，事故檢修閘門井下游布置1#施工支洞(約引1(2)0+149.000)，以滿足在上庫事故閘門井施工期間，可同步進行引水上平洞段的施工。1#、1#岔施工支洞總體呈“F”形，均自2#引水上平洞右側(cè)連接至1#引水上平洞(見圖3所示)。

圖3 可行性研究報告階段原1#岔施工支洞布置示意

招標設(shè)計階段采用在上庫事故閘門井底部鋪設(shè)鋼板的方案，以解決上庫事故閘門井上游段的引水上平洞施工通道和干擾因素，取消了1#岔施工支洞，1#岔施工支洞長252 m，僅設(shè)置了1#施工支洞作為上平洞和上斜井施工通道。引水上平洞檢修通道為上庫閘門井通氣孔內(nèi)設(shè)爬梯[1]。

施工圖設(shè)計階段考慮上庫閘門井總高度接近100 m，通過爬梯下降至上平洞進行檢修安全性較差，故將檢修進人孔調(diào)整至上平洞，因而在1#引水隧洞上平洞左側(cè)設(shè)置1#岔施工支洞，兼做施工通道，方便施工，加快施工進度。

考慮施工期間自流排水，1#岔施工支洞自1#施工支洞縱軸線最低點(樁號1#支0+327.981)接引，經(jīng)兩次平面轉(zhuǎn)彎后接入1#引水上平洞，起點高程為 564.00 m，終點高程為565.46 m，隧洞縱坡為0.26%。1#、1#岔總體呈“P”形，分由1#、2#引水上平洞兩側(cè)接入(見圖4所示)[1]。

圖4 施工圖設(shè)計階段優(yōu)化后1#岔施工支洞布置示意(單位： m)

2.3 3#岔施工支洞

可行性研究報告階段及招標設(shè)計階段引水支管鋼襯管節(jié)考慮在岔管未安裝前，先由3#施工支洞運至引水下平洞，再通過運輸臺車運至支管部位提前放置，在引水岔管定位安裝后，由引水鋼岔管向廠房方向進行安裝焊接，其中與蝸殼連接處2節(jié)支管從廠房吊入安裝。

技施階段為優(yōu)化引水支管和引水岔管施工條件，加快壓力鋼管安裝及回填混凝土施工進度，減少引水支管和廠房施工干擾，設(shè)置通至1#、2#、3#和4#引水支管的3#岔施工支洞。增設(shè)3#岔施工支洞后，引水支管鋼襯的安裝不再受制于岔管的施工，可與岔管同步施工。

3#岔施工支洞自3#施工支洞接引，采用城門洞形斷面，尺寸為7.0 m×6.5 m(寬×高)，起點高程為 141.76 m，終點高程為134.05 m，總長度約為201.94 m，最大坡度為6.19%(見圖5所示)。

圖5 3#岔施工支洞布置示意(單位：m)

2.4 尾水隧洞

1) 斷面參數(shù)調(diào)整

可行性研究報告階段及招標設(shè)計階段尾水隧洞開挖及襯后斷面均為圓形，開挖直徑為8.6 m，襯砌厚度為0.6 m，襯后直徑為7.4 m。考慮尾水隧洞坡度較大，圓形斷面不利于施工期的交通，同時為加快施工進度，將尾水隊洞開挖斷面及襯后斷面調(diào)整為平底馬蹄形[2]。

施工圖設(shè)計階段優(yōu)化后的尾水隧洞開挖高度為8.6 m，底板開挖寬度為5.5 m，底板設(shè)置插筋，支護參數(shù)、襯砌厚度、灌漿參數(shù)等不變(見圖6所示)。

(a)優(yōu)化前斷面(圓形)

(b)優(yōu)化后斷面(馬蹄形)

2) 增加連接洞

招標設(shè)計階段及技施圖中1#、2#尾水隧洞平行布置，軸線間距32 m，在尾1(2)0+628.232處設(shè)置5#施工支洞，至下游閘門井前分標樁號尾1(2)0+107.800段長約520 m。

施工期間考慮獨頭工作面較長不利于施工組織，且通風效果較差不利于人員洞內(nèi)作業(yè)，在下游側(cè)增加連接洞，連接洞布置參數(shù)參考5#施工支洞(見圖7所示)。

圖7 尾水隧洞新增連接洞布置示意(單位： m)

2.5 主副廠房洞

1) 吊頂牛腿變更為吊頂支撐

招標設(shè)計階段吊頂結(jié)構(gòu)考慮采用網(wǎng)架牛腿支撐，網(wǎng)架牛腿為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。網(wǎng)架牛腿部位設(shè)置3排錨桿作為牛腿主受力結(jié)構(gòu)。上、下排為普通砂漿錨桿，采用HRB400鋼筋，直徑為36 mm，上排長為9.0 m，下排長為6.0 m，外露0.8 m，間距為0.75 m，分別向上、下傾角25°。中間1排為高強預(yù)應(yīng)力錨桿，采用PSB785鋼筋，直徑為32 mm，T=150 kN，L=10 m，入巖9.1 m，間距為3 m，水平布置。

施工圖設(shè)計階段上下排錨桿不變，預(yù)應(yīng)力錨桿修改為HRB400鋼筋，直徑為36 mm，長度不變，同時將中間排錨桿調(diào)整為預(yù)應(yīng)力錨桿與普通砂漿錨桿交錯布置(見圖8所示)。

圖8 施工圖設(shè)計階段原網(wǎng)架牛腿示意(單位：mm)

施工圖設(shè)計階段變更優(yōu)化中考慮僅采用網(wǎng)架牛腿作為吊頂結(jié)構(gòu)支撐時，吊頂結(jié)構(gòu)跨度較大，對材料要求高，且拱腳受力較大，不利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。經(jīng)對吊頂及支撐體系重新設(shè)計優(yōu)化，改為上拉下?lián)蔚姆绞剑敼安贾玫蹴斿^桿，牛腿變更為吊頂支撐。吊頂錨桿采用HRB400鋼筋，直徑為28 mm，長為6.0 m，外露1 m，間距為2.75 m，排距為3.6 m，豎向布置。吊頂支撐包括附壁柱及柱頂聯(lián)系梁，柱腳與巖壁吊車梁相接(不考慮以吊車梁作柱基礎(chǔ)受力)，柱間距約3.0 m，上下游位置相同，共布置88根。每根附壁柱中布置6根錨桿作為主受力結(jié)構(gòu)，錨桿采用HRB400鋼筋，直徑為28 mm，長為6.0 m(見圖9所示)。

圖9 施工圖設(shè)計階段優(yōu)化后吊頂錨桿及吊頂支撐示意(單位：cm)

2) 支護參數(shù)調(diào)整

招標階段主副廠房洞全斷面系統(tǒng)掛網(wǎng)噴15 cm厚CF30粗纖維混凝土，網(wǎng)片采用HPB300鋼筋，直徑為8 mm，網(wǎng)孔為15 cm×15 cm。技施圖階段Ⅲ類圍巖噴混凝土厚度調(diào)整為18 cm，掛網(wǎng)鋼筋網(wǎng)孔調(diào)整為20 cm×20 cm，其他不變。

廠房V層開挖期間揭露巖性以晶屑凝灰熔巖為主，少量花崗斑巖，微風化；發(fā)育輝綠玢巖脈寬 0.1～0.2 m，呈微風化狀，與圍巖呈裂隙接觸；節(jié)理輕度發(fā)育—中等發(fā)育，局部較發(fā)育，以NW、NE、NNE、SN向陡傾角為主，面多干凈、閉合，少量微張—張開；巖體較完整，多呈塊狀次塊狀結(jié)構(gòu)，屬II類圍巖[3]。

根據(jù)現(xiàn)場實際開挖揭露的地質(zhì)情況，結(jié)合廠房內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置，將主副廠房洞下游邊墻部分區(qū)域系統(tǒng)掛網(wǎng)噴納米粗纖維混凝士改為隨機掛網(wǎng)噴納米粗纖維混凝土，厚度不變。減少支護工程量，保證施工安全的情況下加快施工進度。

2.6 尾閘洞

招標設(shè)計階段尾閘洞尾閘井以上高程全斷面采用40 cm厚鋼筋混凝土襯砌(尾閘洞巖壁吊車梁頂高程為EL.191.90 m，見圖10所示)。

圖10 招標設(shè)計階段尾閘洞巖臺以上支護參數(shù)示意(單位： 高程 m，尺寸 mm)

尾閘洞I層(150.25～157.30 m)開挖揭露巖性為晶屑凝灰熔巖及花崗斑巖，微風化；發(fā)育2條輝綠玢巖脈，寬分別為0.5～0.8 m、1.0～1.5 m，呈微風化狀，與圍巖呈混熔接觸；發(fā)育1條蝕變帶，寬0.1～0.2 m，呈弱風化狀；節(jié)理輕度發(fā)育—中等發(fā)育，以NNE、NNW向陡傾角為主，節(jié)理多閉合，少量充填巖屑;巖體較完整為主，局部巖體完整性差，整體屬II類圍巖[4]。

圖11 尾閘洞巖臺以上設(shè)計優(yōu)化支護示意(單位：高程 m，尺寸 mm)

施工圖設(shè)計變更優(yōu)化中考慮圍巖情況較好，取消尾閘洞151.900 m高程以上混凝土襯砌，151.900 m高程以上邊墻系統(tǒng)掛網(wǎng)噴10 cm厚C30混凝土調(diào)整為系統(tǒng)掛網(wǎng)噴15 cm厚CF30納米粗纖維混凝土。151.900 m高程以上除頂拱中心處的1排系統(tǒng)錨桿每隔1根兼作照明錨桿，外露長度不變外，其余系統(tǒng)錨桿及鎖口錨桿外露長度調(diào)整為15 cm(見圖11所示)。

3 結(jié)語

永泰抽水蓄能電站工程目前仍在建設(shè)中，尚有許多可以挖掘的優(yōu)化點。包括設(shè)計、施工在內(nèi)的各參建單位需積極探索，不斷提高，保證工程具有優(yōu)越的技術(shù)經(jīng)濟性，并兼顧保護環(huán)境、生態(tài)和諧的要求，設(shè)計變更和優(yōu)化符合工程實際需要，為類似工程提供成功經(jīng)驗。