彭水电站厂房布置方案研究

彭水电站厂房布置方案研究

1彭水电站分层取水施工概况地下车间是水电工程中常见的车间类型。目前，中国有很多大型地下车间的例子。影响地下厂房建设的一个关键因素就是厂区地质条件,在岩溶地质条件下建设大型地下厂房往往会遇到较多的问题。彭水电站就建于地质条件复杂的岩溶地区,其厂房洞室规模巨大,目前电站已正式投入使用,其设计和施工为国内相关工程提供了较好的参考作用。彭水电站位于乌江干流下游,重庆市彭水县城上游11km,是乌江干流水电开发的第10个梯级,总装机容量1750MW,装有5台单机容量350MW的大型混流式水轮发电机组。枢纽工程由大坝及泄洪建筑物、电站、通航建筑物等组成。大坝为碾压混凝土重力坝,坝高116.5m;通航建筑物布置在左岸,可通航500t级船舶;电站建筑物布置在右岸,由引水渠、进水塔、5条引水隧洞、地下厂房洞室、母线出线洞、500kV变电所、交通洞、通风及管道洞、机组检修闸门室、5条变顶高尾水隧洞等建筑物组成。2地质条件2.1厂区地表地形地下电站建筑物位于NE30°的乌江峡谷河段右岸山体内,坝址河谷呈基本对称的“V”形谷,右岸临江岸坡下陡上缓,350m高程以下坡度角60°,以上坡度角40°,高程225m以下发育有宽约20～30m的基岩漫滩,右岸岸坡山体较宽厚完整,无深切沟谷。厂区地表高程一般为360～580m,山坡坡度角约为33°。厂房引水洞进口部位地形坡度角平均约为32°,尾水出口部位地形坡度角平均约为55°。2.2上统毛田组、奥陶系及以下统细对比地下电站建筑物穿越的岩层从下游尾水出口至上游进水口依次为:寒武系上统耿家店组(∈13g3g1～∈33g3g3)、寒武系上统毛田组(∈13m3m1～∈23m3m2)、奥陶系下统南津关组(O11n1n1～O51n1n5)、奥陶系下统分乡组(О11f1f1～O31n1n3)、奥陶系下统红花园组(О1h)、奥陶系下统大湾组(О11d1d1～О31d1d3)。地层走向22°～25°,倾向110°～115°,倾角60°～70°。2.3基性石结构裂隙发育特征坝址区断层、裂隙比较发育,厂区内断层主要为NW组和NNE组,其代表性断层有f1、f8、f110、f68等,裂隙以陡倾角裂隙为主,裂隙长度一般0.5～5m,大部分由压碎岩及角砾岩组成,方解石胶结好,其中规模最大的f1断层为NNE组。2.4夹层结构图2厂区分布性状较差的软弱夹层有58条,其中厚度较大,性状较差,对围岩稳定影响较大的有:Ⅰ类夹层801、514、504、052等;Ⅱ类夹层401、404、406、703、704、510、513、502、085、084、054、093等;Ⅲ类夹层C0、C2、C4、C5。Ⅰ、Ⅱ类夹层为页岩或页岩夹白云岩及方解石透镜体,页岩多具鳞片状构造。Ⅲ类夹层风化强烈,强度低,部分地段沿夹层具较强烈的溶蚀且形成溶洞,洞中充填有黄泥、块石等。2.5不同层系岩溶分布厂区溶洞及溶蚀发育的主要层位是南津关组第5层(О5−11n1n5-1、О5−21n1n5-2)、毛田组第2层(∈2−23m3m2-2)等层;另在大湾组第1层(О1−21d1d1-2)、红花园组(О1h)、南津关组(О5−31n1n5-3、О41n1n4)、毛田组(∈13m3m1、∈2−13m3m2-1)地层有中等发育的岩溶,其余各层较少。在中等和强岩溶层中发育有KW14、KW54、KW84、KW51等岩溶系统。其中KW51和KW84岩溶系统规模大,溶洞数量多,发育深,且KW84属深循环热水与浅层水混合岩溶系统。岩溶系统多顺层发育,其中顺软弱夹层(C2、C5、C4及C0)和断层破碎带发育有较大的溶洞,充填物绝大部分为黄色粘土,有时夹碎石,少数充填灰华或无充填。岩溶分布随埋深增加逐渐减弱,分布高程主要集中在200m以上。南津关5层(О51n1n5)、毛田组1～2层(∈2−23m3m2-2、∈1−13m3m1-1)、耿家店组3层(∈33g3g3)及f1断层带透水性较强。3设计地下车间的配置3.1地下主开发层布置形式确定结合本工程的地质条件及特点,主厂房布置主要遵循以下原则:①应尽量避开断层及其严重影响带以及溶洞、溶槽等岩溶发育部位。即主厂房洞室应尽量避开KW84与KW51两个岩溶系统及C0、C2、C4、C5等Ⅲ类软弱夹层。②尽可能利用坚硬完整岩层,并避开C类夹层。应将主厂房洞室拱顶置于完整岩体内,主厂房洞室侧墙围岩应完整、各岩层间结合良好。③主厂房纵轴线走向应与最大地应力方向一致或相近。④应尽量缩短输水路线,在满足规范要求的机组调保参数条件下,尽量不设置上游调压室,并且进水口及尾水出口应具有较好的进水条件和尾水渲泄条件。基于上述原则,针对地下厂房布置方式中常见的首部式、中部式和尾部式3种布置型式,在彭水地下电站设计中着重比较了以上3种布置型式的可行性。因彭水电站流量大、水头较低,相应引水和尾水隧洞断面都较大,尾水隧洞由于流速较低,隧洞断面会更大,在3种厂房布置方式中,首部式必然出现较长的尾水隧洞和尺寸较大的尾水调压井,经济方面不占优,且主厂房还会与KW51岩溶系统相遇;尾部式布置主厂房洞室也必将遭遇KW84岩溶系统,洞室开挖及支护难度大,且需设4个独立的上游调压井,工程量较大;经对比研究,综合围岩地质条件、水工布置及造价等因素,中部式厂房布置设计在满足机组调保规范要求、地下洞室围岩稳定安全、施工难度及施工进度、工程造价等方面具有较大的综合优势,彭水主厂房最终采用了中部式厂房布置方案。其布置设计主要为:主厂房洞室位于南津关组三四层(O31n1n3、O41n1n4)岩层段的中部,引水隧洞采用一机一洞不设调压室、尾水洞采用一机一洞变顶高,主变压器设在地面的设计方案。中部式主厂房所处岩体强度高(属Ⅱ类围岩),岩溶不发育、夹层少、岩体完整性好,地质条件清楚。可利用地表有利地形,将主变器室移至地表,取消地下主变洞,减少地下洞室群的规模,有利于地下建筑物的围岩稳定。中部式采用新型的变顶高尾水隧洞,取消了尺寸较大、洞室群复杂的调压室系统,主变压器移至山体外,因此最大限度地简化了地下电站洞室群的布置,且引水发电系统各建筑物布置相对独立,施工干扰小,运行管理方便。3.2主开发层序方案比选中部厂房方案主厂房洞室位于南津关组三四层(O31n1n3、O41n1n4)岩层段的中部,从地层的分布条件分析,O31n1n3、O41n1n4岩层段的水平投影长度约60m,考虑到岩层倾角65°、主厂房高度约76.5m,其下部岩层的水平偏移约33.6m,则顶、底的共有宽度仅有一个洞室的宽度。考虑到断层对岩层的水平局部错动影响因素,主厂房位置的调整余地极小。因而布置主厂房洞室既要避开主要岩溶系统,又要与主要地质构造线呈大角度相交是不可能同时满足的。基于此,布置厂房轴线应采取避重就轻的原则,即避开处理KW84与KW51两个岩溶系统,使主厂房洞室布置在完整岩体内,再采用工程措施保证洞室稳定,因此最终选取主厂房洞室轴线与岩层走向0°交角的0°方案。0°方案围岩条件为:顶拱全部为O31n1n3、O41n1n4岩体,岩体性状好,顶拱稳定性较好;主厂房上游侧墙均为O31n1n3、O41n1n4岩体,C2夹层深埋,边墙稳定性好;主厂房下游侧墙大部分为O31n1n3岩体,底部为O21n1n2、O11n1n1岩体,在采取预应力锚索加强及保留各机组段尾水管间岩体等措施后,可以满足围岩的施工期稳定,同时由于主厂房洞室未进入寒武系∈2−23m3m2-2岩层的W84温泉系统,围岩的稳定、防渗条件较好。0°方案洞室轴线与岩层走向平行,虽与常规设计不一致,但可以保证主厂房洞室大多完全位于完整岩体内,在综合考虑了水工布置、机组调保、围岩稳定等方面要求后,采用主厂房轴线与岩层走向0°交角的方案是合适的。3.3地面布置主变的方案主变位置主要分地下布置和地面布置两类,常以地质条件和减少大电流母线长度、方便运行检修为布置原则,确定相应的主变布置及出线方案。地下式电站大多布置地下主变洞室,而对于彭水电站的特定地质条件,主厂房上游侧有KW51岩溶系统和“C”类夹层,下游侧为南津关第二段页岩,还有KW84热水系统,主厂房上、下游侧220m高程不宜布置主变洞。要避开两大岩溶系统影响,若主变洞设在上游侧,则洞底高程需提高到301.0m,且主变洞顶拱及上、下游侧墙处于岩溶中等发育的O5−31n1n5-3岩层内;若主变洞设在下游侧,则洞底高程需到270.0m,位于KW84热水系统上部,受较高地温影响,将不利于主变的正常运行。又由于主厂房、主变洞室均为顺岩层走向开挖,不论主变洞布置在上游或下游,在主变洞与主厂房间都会形成两面临空的孤立岩体,稳定性较差。因此在综合考虑地质条件、运行管理及造价等因素后,彭水电站采用地面布置主变的方案。具体如下:主变和GIS布置在主厂房山顶380m高程的500kV变电所内,由山顶上游侧11号公路与外界相连。变电所内布置有主变、GIS室、中央控制室、管理楼及安装、检修附属设施。母线引出发电机后,由主厂房上游侧的母线洞进入母线竖井。在厂房上游侧垂直厂房轴线布置5条母线洞和母线竖井,大电流封闭母线引出发电机后,经母线洞、母线竖井引至地面变电所,与主变相接。每条母线洞、母线竖井长度分别为25m和160m,单机母线长度约为190m。虽然地面方案母线长度会较长,电能损耗略大、年费用略高,但地面方案有利于确保地下洞室的围岩稳定、降低工程风险,更方便了主变的正常运行与检修维护。3.4引水塔与尾水塔的布置主厂房洞室开挖跨度30m,长252m,其中主机段长175m,安装场长58m,左端副厂房段长18m。厂房顶拱高程248.0m,发电机楼板高程220.0m,机组安装高程201.0m,最低开挖高程171.5m,最大开挖高度76.5m,全断面开挖高度59m。进水塔为钢筋混凝土塔式结构,建基面高程250.1m,塔高55.9m,进水塔与5条引水隧洞对应,分5段布置,段长35.0m,前沿总宽163.8m,顺水流向总长23.4m。引水隧洞采用一机一洞布置,圆型断面。1-3号机直径为14m,4号机为12.5m、5号机为10.5m,流速分别为3.75、4.71、6.68m/s。1-5号机输水管道长度分别为940.07、855.41、774.31、689.68、608.67m。尾水采用一机一洞的变顶高隧洞,断面形式为城门洞型,出口最大开断面尺寸为12.60m×27.50m(宽×高)。1号机尾水洞最长,为481.61m。500kV变电所位于主厂房上部380.0m高程的山顶地面,走向平行于主厂房轴线布置,长177m,宽45～75m。主厂房与500kV变电所由5条160m高的母线竖井相连。尾水塔为钢筋混凝土塔体结构,共5个,与5条尾水隧洞相对应,其轴线依山而建,与尾水隧洞轴线夹角69.4°。各尾水塔相互独立,塔间设置结构分缝。尾水塔内布置尾水隧洞检修闸门。1、5号尾水塔段长30.0m,2-4号尾水塔段长37.5m,建基面高程194.5m,塔顶高程236.0m,塔高41.5m。4新技术研究和应用4.1集料过滤过程彭水电站运用了变顶高尾水隧洞结构,变顶高尾水洞是一种新型的尾水流道体形结构,可取代调压井的作用,既保证了机组调保要求,又减小了地下洞室群的开挖。其特点是利用洞顶斜面使下游水位与洞顶在任意处衔接,将尾水流道分成有压满流段和无压明流段,下游处于低水位时,水轮机的淹没水深较小,有压满流段短,无压明流段长,水力过渡过程中负水击压力小,尾水管进口断面真空度不会超过规范要求;随着下游尾水位的上升,尽管无压明流段逐渐减短,有压满流段逐渐增长,负水击越来越大,直至尾水洞全部呈有压流,但水轮机的淹没水深逐渐加大,有压满流段的平均流速也逐渐减小,正负两方面的作用相互抵消,使尾水管进口的真空度仍然能控制在规范要求的范围内。变顶高尾水洞所采用的特殊体形,使其无论处在何种下游水位,洞内水流状态均平稳,无吸气和滞气现象,无明满流相互交替现象,并且涌浪幅值、水击压力大小以及分界面移动距离和速度均在合理范围之内。变顶高尾水隧洞过渡段及变顶高段断面均为城门洞型,其中过渡段长13.60m,洞高由17m左右突增至22m,顶坡呈二次曲线(曲线方程为:y2=51.84-0.2304x2),变顶高段流道宽度12.6m,高度22～27.5m,采用1.05～1.85m厚的钢筋混凝土衬砌。各变顶高隧洞段采用不同的顶坡和底坡与尾水出口相接,其中1号隧洞的顶坡比为6.37%、底坡比为5.19%。尾水隧洞采用相互平行的一机一洞垂直于主厂房纵轴线的布置方案,由尾水管段、机组检修闸门井段和变顶高尾水隧洞段组成,隧洞轴线间距35m,尾水管进口底板高程174.50m,出口底板高程198.50m。1-5号机尾水隧洞长度分别为481.61、453.01、424.42、395.86m和367.30m。尾水隧洞在变顶高尾水洞进口处设有机组尾水检修门,闸门孔口尺寸12.60m×16.36m,在尾水出口设有尾水塔,布置尾水隧洞检修闸门,闸门孔口尺寸12.60m×27.50m。4.2新加固固技术(1)锚梁的设计和浇筑是地下主岩锚梁锚固体系一般分为预应力与非预应力两类,均要求在开挖至岩锚梁下部2～3m范围时完成岩锚梁的浇筑与受力锚杆的锁定。由于岩锚梁的断面刚度较大、锚固体系的约束较强,为满足桥机运行要求,其分段长度不能太小,因此岩锚梁适应后续边墙开挖变形的能力较差,很多地下厂房施工过程中出现了大量岩锚梁开裂的现象,主要原因就是适应下部边墙变形的能力差。彭水电站地下厂房岩锚吊车梁对预应力锚固系统采用分期张拉设计,以减小后期开挖边墙变形导致的岩锚梁开裂。彭水电站地下厂房的吊车梁采用岩锚吊车梁,岩锚梁基础岩体为南津关组O3−21n1n3-2、O3−31n1n3-3、O4−11n1n4-1,岩石坚硬完整,稳定性较好,但岩层层面发育。彭水地下厂房岩锚吊车梁在主厂房开挖第3层后进行混凝土浇筑,采用预应力锚固体系,其中受力锚杆采用直径32mm的精轧螺纹钢、设计张拉锁定值为200kN,岩锚梁混凝土浇筑完成后,初始张拉锁定100kN,用以固定岩锚吊车梁,并适应边墙的开挖变形。待后期边墙开挖支护完成后,再将受力锚杆张拉锁定至设计值,并完成梁体内锚杆锚固段的灌浆,最终完成岩锚梁的施工。(2)