西藏扎拉水電站引水發電建筑物設計

康金橋 徐果 王飛 張風 梅潤雨 王俊

收稿日期：2023-09-12

作者簡介：

康金橋，男，高級工程師，主要從事引水發電建筑物設計工作。E-mail：1293781253@qq.com

引用格式：

康金橋，徐果，王飛，等.

西藏扎拉水電站引水發電建筑物設計

［J］.水利水電快報，2024，45（6）：54-61.

摘要：

為解決扎拉水電站引水發電建筑物設計過程中存在引水隧洞穿越活動斷裂，引水隧洞Ⅳ類、Ⅴ類圍巖洞段占比較大，調壓室頂部層間密集剪切帶，巨型沖擊式機組配水環管充水保壓澆筑混凝土等重大技術難點，充分論證引水隧洞過活動斷裂洞段增加襯砌混凝土厚度、短分節、上部設置排水洞（兼勘探洞、灌漿洞、監測洞）等措施的有效性。通過優化布置和計算線彈性有限元結構，提出了引水隧洞Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類圍巖分別選取40，60，80 cm厚度襯砌結構設計，調壓室選取1.5，1.0 m厚度襯砌結構設計，配水環管選取5.5 MPa的充水保壓埋設方式，配水環管分區配置鋼筋來優化結構設計。相關設計成果可供同類工程參考。

關鍵詞：

引水隧洞; 調壓室; 配水環管; 充水保壓; 線彈性有限元

中圖法分類號：TV732

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.06.010

文章編號：1006-0081（2024）06-0054-08

0? 引? 言

扎拉水電站引水隧洞約55.3%的洞段為Ⅳ類、Ⅴ類圍巖，其中穿越活動斷裂洞段長305 m；地面廠房安裝2臺500 MW沖擊式機組［1］，為世界最大的沖擊式機組，巨型沖擊式機組配水環管埋設難度大。馮徑軍等［2］采用SAP2000有限元計算軟件對引水隧洞襯砌配筋進行計算，但未對不同圍巖條件下襯砌厚度進行研究。石長征等［3］在沖擊式水輪機配水環管和廠房結構靜動力承載性能研究中采用有限單元法，考慮混凝土的開裂非線性問題，對配水環管和相應的廠房結構靜動力特性展開研究，但配水環管高HD值的問題未論述。陳婧等［4］在沖擊式水輪機配水環管結構分析與設計優化中對配水環管結構進行了配筋率、保壓值和溫度荷載等因素的影響研究，但采用的是1/6機組段局部模型，配水環管的HD值不高，結構設計和配筋易滿足要求，但未對機組段整體受力特性進行分析計算。扎拉水電站配水環管HD值達3 268 m2，目前對此類巨型沖擊式廠房配水環管的充水保壓研究缺乏經驗，本文對該引水發電建筑物設計成果進行論述，成果可供同類工程參考。

1? 工程概況

扎拉水電站主要開發任務為發電。扎拉水電站利用“幾”字形河谷約700 m的落差發電，采用混合式開發方式，壩址位于碧土鄉扎郎村附近，廠址位于察隅縣察瓦龍鄉珠拉村。扎拉水電站壩址控制流域面積8 546 km2，多年平均流量107 m3/s，多年平均徑流量33.9億m3，水庫正常蓄水位2 815 m，校核洪水位2 816.25 m，總庫容914萬m3，混凝土重力壩壩高70 m，總裝機容量1 015 MW（含生態電站15 MW），多年平均發電量38.41億kW·h（含生態電站電量0.86億kW·h），為Ⅱ等大（2）型工程。引水發電系統為引水式地面廠房，電站總裝機容量1 015 MW（含生態電站15 MW），安裝有兩臺500 MW的高水頭沖擊式水力發電機組，發電引用流量168.80 m3/s，額定水頭667.40 m。引水發電建筑物主要包括進水口、引水隧洞、調壓室、壓力管道、地面廠房等。根據電站總體布置，電站由位于扎郎村下游的右岸岸塔式進水口取水，經約5.5 km的壓力引水隧洞后，引水至位于珠拉村右岸的地面廠房，尾水斜向下游接入河道。

2? 引水隧洞設計

2.1? 引水隧洞布置設計

引水隧洞橫穿“U”形河灣地塊，隧洞最大埋深563 m，圍巖主要由P1nc1砂質板巖、變質砂巖、鈣質板巖、T2m4變質流紋斑巖和T3wp結晶灰巖、大理巖、鈣質板巖組成。引水隧洞約55.3%的洞段為Ⅳ類、Ⅴ類圍巖。引水隧洞上平段穿過活動斷裂的洞段長305 m。該工程活動斷裂屬第四紀晚更新世活動斷裂［5］，主要由巖性極軟弱的碎裂片狀巖和結構極破碎的碎裂巖組成。復雜的地質條件造成引水隧洞布置難度較大。

引水隧洞主洞采用兩機一洞布置，在調壓室后分為兩條支洞，經蝶閥室、兩級豎井、下斜段及下平段后引水至廠內兩臺機組發電。引水隧洞兩條線路長度分別為5 475.66 m與5 526.60 m。

為降低安全風險，減小引水隧洞主洞穿越活動斷裂地層的長度，引水隧洞接近垂直穿過活動斷裂。過活動斷裂上方地下水位線比隧洞高約65 m，為降低引水隧洞施工難度，在過活動斷裂引水隧洞上方15 m處布置排水洞，在主洞施工前疏干主洞上方的地下水，同時也作為地質勘探洞，對主洞頂部圍巖的灌漿通道及隧洞監測發揮重要作用。

兩級深豎井內徑4.9 m，高度分別為290.8 m、270.9 m，第一級豎井位于Ⅲ1類的大理巖與結晶灰巖中，圍巖條件較好，引水隧洞第一級豎井后往下游是少量的結晶灰巖，后以Ⅳ2類的鈣質板巖為主，為降低豎井的施工難度，在保證豎井施工空間的前提下，第二級豎井盡量靠近第一級豎井布置，第二級豎井與第一級豎井之間中心線間距80.0 m，第二級豎井上部有76.1 m位于較好的結晶灰巖中，為進一步降低第二級豎井高度，第二級豎井后接下斜段，縱坡坡度8%，相對平段減小豎井高度62.8 m，第二級豎井位于Ⅳ2類的鈣質板巖的長度為194.8 m。

2.2? 引水隧洞結構設計

引水隧洞各段圍巖條件分為Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類，各段的內水壓力與外水壓力變化，襯砌結構厚度的選擇難度較大。引水隧洞設計通常同時考慮圍巖類別、內外水壓力大小等選擇襯砌厚度，本工程僅從圍巖類別選擇襯砌厚度，通過不同的荷載大小確定不同的配筋，大大簡化了設計與施工步驟。

引水隧洞主洞內徑7.5 m，局部6.0 m，支洞內徑4.9，4.5，4.2，3.2 m，調壓室前的主洞采用鋼筋混凝土襯砌，Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類圍巖洞段襯砌厚度依次為40，60，80 cm。調壓室下方主洞及其后的支洞均采用壓力鋼管，鋼管外包混凝土厚度70 cm。

為降低施工難度，過活動斷裂引水隧洞洞段內徑由7.5 m變為6.0 m。活動斷裂蠕滑速率約為 0.12～0.43 mm/a，為較好地適應其蠕滑變形，引水隧洞過活動斷裂段采用增加襯砌混凝土厚度、短分節等措施［6］。襯砌厚度1 m，每6 m設置結構縫，縫寬4 cm，襯砌結構縫設置兩層加厚的紫銅止水。采用短分節可便于局部破壞修復，且使隧洞不能運行的時間減小到最低限度。同時，在引水隧洞襯砌中預埋應力應變監測設施，與進水口閘門聯動，一旦監測到引水隧洞襯砌有較大變形，進水口閘門立即關閉。

2.3? 引水隧洞襯砌結構計算

2.3.1? 作用效應組合

選擇運行工況、校核工況和檢修工況，計算此3種工況下襯砌的安全穩定性。荷載分為結構自重、內水壓力、外水壓力、圍巖抗力、灌漿壓力等。工況及作用組合見表1所示。① 結構自重：主要為混凝土襯砌的自重。② 圍巖壓力：計算采用襯砌及圍巖的有限元連續介質方法進行計算，因此圍巖抗力已客觀計入。③ 靜水壓力：為庫水位至隧洞中心高程的水頭。引水洞上平段除活動斷裂帶洞段襯砌承受的靜水頭為15.88～55.88 m，活動斷裂帶隧洞段內水壓力水頭取為38.55 m。④ 地下水壓力：勘探顯示，進、出口附近巖體雖然風化卸荷較強烈、透水性較強，但一般無地下水分布，除斷層帶外，引水隧洞大部分圍巖呈微新狀態，裂隙不發育或裂隙發育

呈閉合狀態，巖體具弱、微透水性，外水壓力較小，同時

在活動斷裂帶布置有排水洞連接至上平段的2號

施工支洞，降低了外水壓力，因此，在運行水位工況及校核水位工況時，外水荷載取小值計算；在檢修工況時，外水荷載取大值計算。⑤ 回填灌漿壓力：襯砌頂部考慮0.3 MPa回填灌漿壓力，作用范圍為隧洞頂部120°范圍。

2.3.2? 計算模型與方法

采用有限元通用計算軟件，建立平面模型，見圖1，對襯砌結構進行平面應變計算，各取40 m計算模型左右及底部圍巖范圍，圍巖底部全約束，側面法向約束。

2.3.3? 計算結果分析

在檢修工況下，襯砌的壓應力均小于混凝土的抗壓強度，混凝土襯砌能承擔外水壓力作用。引水隧洞最不利工況為校核工況，依次選取隧洞Ⅴ類圍巖變質砂巖、鈣質板巖、Ⅳ1類圍巖鈣質板巖、Ⅲ2類圍巖砂質板巖、變質砂巖（夾鈣質板巖、條紋狀薄層狀結晶灰巖）、Ⅳ2類圍巖鈣質板巖、炭質板巖、Ⅲ1類圍巖流紋斑巖、Ⅲ2類圍巖流紋斑巖部位的襯砌結構進行計算，計算結果見表2。結果表明：引水隧洞控制工況是運行工況，在同一圍巖類別隧洞段襯砌結構的拉應力隨內水壓力增大而增大。拉應力的

合力為T，按照拉應力圖形進行配筋，公式如下：

T≤1γd（0.6Tc+fyA1）

式中：T為由荷載設計值確定的主拉應力在配筋方向上形成的總拉力，N；

Tc為混凝土承擔的拉力，N；

fy為鋼筋抗拉強度設計值，N/mm2；

γd為鋼筋混凝土結構的結構系數；

A1為鋼筋混凝土截面受拉鋼筋的面積，mm2。

3? 調壓室設計

3.1? 調壓室布置設計

調壓室位于引水隧洞上平段靠近末端部位，調壓室區域存在大理巖傾倒變形體［7］，頂部22 m處存在25 m厚的層間密集剪切帶MJ1，性狀極其破碎，另外分布有20條層間剪切帶。調壓室外圍復雜的地質條件造成調壓室布置難度較大。

為有利于調壓室頂拱的圍巖穩定，調壓室中心線距引水隧洞豎井89.5 m處（垂直距離），調壓室為阻抗式［8］，內徑22 m，高49.80 m。調壓室上室長279.5 m，上室為城門洞型，寬5.5 m，凈高5.2 m。水力過渡過程計算［9］表明最低涌浪設計值為高程2 787.17 m，為滿足最低涌浪水位的要求，調壓室的基礎板頂面高程為2 784.00 m。調壓室的最高涌浪設計值為2 822.40 m。調壓室上室底部高程2 819.00 m，當調壓室最高涌浪時，上室頂部預留1.8 m空間通氣。

3.2? 調壓室結構設計

調壓室井筒不同高程部位的內水壓力大小不同，調壓室內徑較大，達22 m，其襯砌結構設計難度較大。調壓室根據內水壓力大小選擇不同襯砌厚度，高程2 823.70 m以下采用鋼筋混凝土襯砌，其中，高程2 785～2 816.5 m襯砌厚1.5 m，高程2 816.5～2 823.7 m襯砌厚1.0 m。通過數值計算，不同內水壓力大小分段采取不同的配筋，減少了調壓室的鋼筋用量，節省了投資。

3.3? 調壓室襯砌結構計算

（1） 設計標準與計算方法。在機組正常運行時，襯砌所受的靜水壓力為44.9 m水頭壓力，襯砌配筋按NB/T 11011-2022《水工混凝土結構設計規范》要求對襯砌進行限裂設計，最大裂縫允許寬度為0.30 mm。甩負荷工況時水擊荷載為瞬時荷載，隨著涌浪下降，襯砌應力會立即下降，裂縫也會減小，因此，對于水擊荷載，襯砌配筋按強度設計即可。

（2） 計算模型。采用有限元通用計算軟件建立平面模型，對襯砌結構進行平面應變計算，選擇典型隧洞斷面，左右及底部圍巖范圍各取100 m，圍巖底部全約束，側面法向約束。模型見圖2。

（3） 計算工況及荷載。計算工況：根據調壓室的運行使用情況，選擇正常運行工況、甩負荷工況及檢修工況進行計算。荷載：正常運行工況下，襯砌受結構自重和內水壓力作用，即井筒底部最大內水壓力為27.25 m水頭壓力；甩負荷工況下，襯砌受結構自重和內水壓力作用，內壓荷載取最高涌浪對應的內水壓力，即井筒底部最大內水壓力為38.4 m水頭壓力；PD24揭示調壓室部位無地下水，檢修工況可不計算，各計算工況及荷載組合見表3。

（4） 計算結果。甩負荷工況計算結果詳見表4。應力情況及計算結果表明，在最高涌浪作用的水頭下，混凝土襯砌應力主要表現為環向受拉，應力分布較均勻，調壓室襯砌結構的拉應力隨內水壓力增大而增大，調壓室襯砌必須選配環向受力鋼筋。

經配筋計算，調壓室井筒襯砌配筋為：井筒高程2 784～2 804 m，內外側環向雙層配筋，每米每層各配5根直徑28 mm鋼筋，井筒高程2 804～2 816.5 m，內外側環向雙層配筋，每米每層各配5根直徑25 mm 鋼筋，井筒高程2 816.5 m以上，內外側雙層配筋，每米每層各配5根直徑22 mm鋼筋。

4? 電站廠房設計

4.1? 廠房布置設計

因500 MW沖擊式機組與球閥尺寸均較大，若主廠房采用常規的單跨布置，橋機凈跨較大，橋機制造難度大，廠房布置難度大。

扎拉水電站采用岸邊式地面廠房［10］，安裝兩臺500 MW沖擊式水輪發電機組，地面廠房（包括主廠房、副廠房、安裝場段等）總尺寸為118 m×75 m×69.1 m（長×寬×高）。副廠房位于主廠房上游側，安裝場位于主廠房右側，主廠房橫剖面如圖3所示。

主廠房采用兩跨布置，500 MW沖擊式機組與球閥分別采用1臺橋機起吊，副廠房為高層建筑，閥室上部地面層與副廠房上游平臺形成環形車道，滿足了高層廠房應設置環形消防車道的要求。

4.2? 廠房結構設計

扎拉水電站配水環管HD值為3 268 m2，配水環管充水保壓埋設，充水保壓值的選擇是廠房結構設計的重難點，若選擇偏小，則配水環管外圍結構混凝土配筋較多；若選擇偏大，則運行期配水環管與混凝土的間隙較大，可能引起廠房的振動，對電站的穩定運行不利。本工程配水環管充水保壓值選0.8倍的靜水壓力，即5.5 MPa，充分發揮了混凝土與配水環管聯合承載的力學特性。

主機段上游側底板厚3.0，下游側底板厚4.0 m，上游墻、

下游墻及左側墻厚2.0 m，水輪機層與夾層樓板厚30 cm，

發電機層樓板厚40 cm。配水環管水平面上4個象限的外圍

混凝土厚度分別為3.5，4.5，3.5，3.1 m，機墩除中間厚度

7.3 m，其余厚度6.2 m，風罩厚度1.8 m。副廠房底板厚

2.5 m，上游墻下部厚2.0 m，上部厚1.5 m，下游墻厚

1.2 m，左側墻厚2.0 m，右側墻厚2.0 m。安裝場底板厚

2.5 m，上游墻、下游墻及右側墻厚2.0 m，中間夾層樓板

厚20 cm，樓板厚50 cm。

4.3? 廠房結構計算

4.3.1? 計算范圍

以1號機機組段為研究對象，計算模型沿廠房上下游方向總長為56 m，沿廠房縱軸線方向寬度32.0 m，高度65.4 m。計算模型采用笛卡爾直角坐標系，X軸為上下游方向，指向上游為正；Y軸水平方向，沿廠房縱軸線指向右端為正（面向下游）；Z軸為鉛直方向，向上為正；坐標系原點取在水輪機安裝高程（2 127.60 m）與機組軸線相交處。有限元模型整體網格見圖4。

4.3.2? 計算作用及組合

荷載包括結構自重、機墩傳來的荷載、樓面荷載以及下游水壓力，選定甩負荷工況進行保壓值的比較研究，配水環管內水壓力包括了水擊壓力。計算方案和作用組合見表5，發電機基礎荷載見表6。

計算方案中：① A-1方案保壓值為5.5 MPa；

A-2方案保壓值為4.8 MPa；A-3方案保壓值為

4.1 MPa。② 結構自重A1。包括上部排架系統、各層樓板、風罩、機墩、配水環管外包混凝土、尾水槽混凝土的重量；機組主要埋件（包括配水環管等）的重量，根據廠家圖紙取值，荷載分項系數取1.05。③ 機組主要設備荷載B1。計算時水輪發電機組的垂直、水平動荷載的動力系數取1.5，荷載分項系數取1.2。持久狀況（正常運行）對應荷載值為B1；短暫狀況（機組檢修）對應荷載值為B2；偶然狀況（半數磁極短路、兩相短路等）分別對應荷載為B3，B4。④ 配水

環管內水壓力。配水環管充水保壓埋設，充水保壓值選0.8倍的靜水壓力，即5.5 MPa。上庫校核洪水位下機組甩負荷運行E1為8.4 MPa；正常運行工況最大靜水壓力E2為6.88 MPa；檢修放空工況時，E3為0。⑤ 樓面活荷載。發電機層樓板活載P1=50 kN/m2，母線電纜層樓板活載P2=30 kN/m2，水輪機層樓板活載P3=30 kN/m2。⑥ 尾水槽內的水壓力。正常運行情況下，下游尾水位2 121.18 m，底板高程2 113.1 m，底板處水壓力H1=0.08 MPa；機組檢修情況，尾水槽內最大內水壓力H2=0。⑦ 下游尾水外水壓力。正常運行及檢修情況下，下游尾水外壓力均按尾水位2 121.18 m計算。⑧ 發電機層樓板活載P1=50 kN/m2，母線電纜層樓板活載P2=30 kN/m2，水輪機層樓板活載P3=30 kN/m2。正常運行情況下，下游尾水位2 121.18 m，底板高程

2 113.1 m，底板處水壓力H1=0.08 MPa。⑨ 正常運行及檢修情況下，下游尾水外壓力G1均按尾水位2 121.18 m。

4.3.3? 主要結構計算結果

4.3.3.1? 配水環管計算結果分析

典型應力云圖見圖5、配筋斷面見圖6、配筋參數見表7～9。配水環管與外圍混凝土聯合承擔2.9 MPa內水壓力。配水環管外圍混凝土各斷面環向出現較大拉應力，大部分斷面頂部、底部內緣環向拉應力大于C30混凝土的設計抗拉強度，需配置足夠的鋼筋。環向拉應力最大值為3.10 MPa，出現在2號斷面頂部外緣位置。相比于環向應力，各斷面水流向應力水平則低很多，均為壓應力和數值不大的拉應力。水流向最大拉應力0.80 MPa，出現在7號斷

面底部偏左側外緣。計算結果表明，配水環管充水

保壓值選0.8倍的靜水壓力5.5 MPa是合適的。

4.3.3.2? 機墩、風罩及樓板結構

對機墩風罩分別進行了正常運行工況、檢修放空工況、半數磁極短路工況、兩相短路工況4種工況的計算，計算方案和荷載組合詳見表10。截面編號見圖7與圖8。

風罩的環向應力在頂部表面較大，特別是與樓板連接處存在明顯的應力集中現象。除頂部外，風罩絕大部分范圍的應力水平都較低，表現為較小的

壓應力或拉應力；風罩的豎向應力方面，拉應力主要

出現在風罩上部1/3高程范圍的內表面，呈現內表面受拉外表面受壓的特點，最大拉應力1.0 MPa左右，主要由樓板傳遞的彎矩引起。

A-1工況定子基礎4號斷面出現了0.2 MPa左右的拉應力，C-1、C-2工況定子基礎拉應力明顯增大，最大拉應力分別為1.21 MPa與2.79 MPa，C-1和C-2工況應力明顯偏大是由于兩個工況定子基礎承擔了較大的切向荷載，尤其是C-2工況；下機架基礎5號斷面內環向拉應力主要出現在半數磁極短路工況，最大拉應力達1.2 MPa。由于機組轉動部分重量作用在下機架基礎上，導致豎向壓應

力比較突出；6號斷面出現了0.6 MPa左右的環向

拉應力，7號斷面的局部區域出現了小于0.2 MPa

的拉應力。總體上，機墩主要在定子基礎附近有較大的拉應力，主要為各基礎切向荷載所引起，其他區域拉應力水平較低。

計算結果表明，風罩環向與豎向按構造配筋即可，實際可采用內、外各一層25@20的鋼筋；機墩環向與豎向均可配置內1層、外1層28@20的鋼筋，定子基礎和下機架基礎環形水平面同樣按此布置環向鋼筋。

5? 結? 語

扎拉水電站引水發電建筑物主要由長引水式地面廠房與生態電站組成，長引水式地面廠房裝機容量1 000 MW，機組單機引用流量84.4 m3/s，額定水頭667.4 m，為多斷層、深豎井、高水頭、大容量的沖擊式電站，設計過程中存在引水隧洞穿越活動斷裂、引水隧洞Ⅳ類及Ⅴ類圍巖洞段占比較大、調壓室頂部層間密集剪切帶、巨型沖擊式機組配水環管充水保壓澆筑混凝土等重大技術難點。通過充分論證引水隧洞過鬧中活斷裂洞段增加襯砌混凝土厚度、短分節、上部設置排水洞（兼勘探洞、灌漿洞、監測洞）等措施，引水隧洞根據圍巖類別選取40，60，80 cm厚度襯砌結構設計，調壓室選取1.5，1 m厚度襯砌結構設計，配水環管選取5.5 MPa的充水保壓埋設方式，配水環管根據管徑的大小分區配置鋼筋，提出了可根據各建筑物結構受力大小分段分區配筋的優化方案。

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（編輯：張? 爽）

Design of diversion and power generation structures in Xizang Zhala Hydropower Station

KANG Jinqiao，XU Guo，WANG Fei，ZHANG Feng，MEI Runyu，WANG Jun

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

In order to solve major technical difficulties in the design of diversion and power generation structures in Zhala Hydropower Station，such as live fracture of diversion tunnel，large section Ⅳ and Ⅴ surrounding rock tunnel，dense shear zone between the top layers of surge chamber，water filling and pressure retaining concrete pouring of water distribution ring pipe of giant impact unit. Measures such as increasing the thickness of lining concrete，short sections and setting drainage holes （include exploration holes，grouting holes and monitoring holes） in the upper part of the tunnel through the active fracture section in the middle of the diversion tunnel were fully demonstrated. By optimizing the layout and calculating the linear elastic finite element calculation of the structure，it was proposed that the diversion tunnel was selected 40，60，80 cm thick lining structure design according to the surrounding rocks of Class Ⅲ，Class Ⅳ and Class Ⅴ respectively，with 1.5，1.0 m thickness lining structure design of the surge chamber，5.5 MPa water distribution ring pipe buried with water and pressure，and water distribution ring pipe with steel reinforcement in different areas，thus optimizing the structural design. The research results can provide a reference for the construction of similar projects.

Key words：

diversion tunnel； surge chamber； water distribution loop； water filling to secure pressure； linear elastic finite element