獅子坪水電站地下廠房設(shè)計

羅文燚，張志慧，熊啟惠

(中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，四川成都 610072)

1 概況

獅子坪水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州理縣境內(nèi)的雜谷腦河上，系雜谷腦河梯級開發(fā)“一庫七級”的龍頭水庫。本電站采用混合式開發(fā)，由首部樞紐、引水系統(tǒng)、廠區(qū)樞紐等建筑物組成。電站裝機容量為195 MW，多年平均發(fā)電量為8.76億 kW·h。水庫庫容1.327億 m3，調(diào)節(jié)庫容1.189億m3，具有年調(diào)節(jié)性能。本工程為二等大(2)型工程，發(fā)電廠房按3級建筑物設(shè)計，設(shè)防烈度Ⅶ度。

獅子坪水電站廠區(qū)樞紐包括地下和地面建筑物。地下建筑物有主副廠房、主變及GIS室、尾閘室、排水廊道、尾水連接洞、尾水洞及交通洞等其它附屬洞室，均布置于雜谷腦河右岸山體內(nèi)。地面建筑物有出線場、尾水渠、消防水池、洞口風(fēng)機樓等。

廠區(qū)地下建筑物處于侏倭組下段T3zh中厚層狀變質(zhì)砂巖夾砂質(zhì)板巖巖體內(nèi)，斷層不發(fā)育，僅發(fā)育規(guī)模較小的擠壓破碎帶和節(jié)理裂隙。廠房水平埋深240～280 m，垂直埋深260～280 m。

2 廠址、廠房型式和廠房軸線的選擇

2.1 廠址、廠房型式的選擇

在預(yù)可研設(shè)計階段選定了上廠址。

可研設(shè)計階段，針對廠區(qū)的地質(zhì)、地形條件進行了地面與地下廠房兩個方案的比較。地面廠房布置在右岸Ⅰ級階地上，地下廠房則位于右岸山體內(nèi)，兩方案存在的主要問題:地下廠房排風(fēng)洞、交通洞、尾水洞、出線洞分別有約95 m、89 m、56 m、105 m(共計約345 m)的覆蓋層洞段，且覆蓋層為松散的崩坡積堆積物，成洞條件差;廠房頂拱有第②組緩傾角裂隙分布，傾角2°～10°，對廠房頂拱的穩(wěn)定不利。地面廠房方案的三條壓力鋼管支管總長約120 m，為覆蓋層洞段，成洞條件差;建基面以下13.31 m下臥第②層堰塞湖相細(xì)砂，需作地基加固處理;第④層堰塞湖相含礫粉土位于基坑中部，對坑壁穩(wěn)定不利;廠房靠山側(cè)第⑥層為塊碎石土，削坡后形成約98 m高的覆蓋層邊坡，穩(wěn)定條件差，支護處理難度大;基坑下部及底部為第③層含漂(塊)卵(碎)礫石層，透水性好，存在基坑涌水問題，需作防滲處理;廠房內(nèi)側(cè)基巖邊坡高達600 m以上，表部巖體卸荷強烈，加上結(jié)構(gòu)面的不利組合，易造成危石影響廠房的安全運行。

兩方案均具備建廠條件。通過對地質(zhì)、施工、運行管理和工程造價等因素進行綜合比較分析后選擇了地下廠房方案。

2.2 廠房軸線的選擇

廠房巖體為巖性單一、微風(fēng)化～新鮮的中厚層狀變質(zhì)砂巖，圍巖類別以III類為主，巖層產(chǎn)狀為 N50°～70°E/NW(SE)∠70°～89°。巖體內(nèi)無大的斷層通過，僅發(fā)育規(guī)模較小的擠壓破碎帶和節(jié)理裂隙。優(yōu)勢節(jié)理有五組:(1)N50°～70°E/NW(SE)∠75°～89°，層面裂隙延伸長度大于10 m，面平直粗糙;(2)緩傾角裂隙，產(chǎn)狀變化大，以傾 SE、NW 為主，傾角一般為 2°～20°，延伸長度一般大于5 m，面微起伏粗糙，間距20～40 cm;(3)N20°～50°E/SE∠55°～70°，延伸長度一般為1～3 m，面平直粗糙，間距30～50 cm;(4)N20°～40°W/NE∠70°～85°，延伸長度一般為 1～3 m，面平直粗糙，間距大于60 cm;(5)N40°～60°W/SW∠70°～80°，延伸長度一般為 1 ～3 m，面平直粗糙，間距大于50 cm。(1)、(2)組節(jié)理尤為發(fā)育，為控制性結(jié)構(gòu)面，(3)、(4)、(5)組節(jié)理相對不發(fā)育，為次要結(jié)構(gòu)面。

地應(yīng)力測試成果顯示，最大主應(yīng)力σ1=14.55 ～15.21 MPa，方向 NE76.1°～84.1°，傾角－72.3°～81.7°，說明廠區(qū)地應(yīng)力量級較低，且以自重應(yīng)力場為主，地應(yīng)力對廠房軸線的選擇不起控制作用。因此，主要考慮巖體(1)、(2)組結(jié)構(gòu)面的影響，確定廠房縱軸線方向為N20°W，與地質(zhì)主要結(jié)構(gòu)面夾角為70°～90°。

3 廠區(qū)樞紐布置

廠區(qū)樞紐布置包括主機間、安裝間、副廠房、母線洞、主變及GIS室、尾閘室、排水廊道、尾水連接洞、排風(fēng)洞、交通洞、尾水洞、出線洞、尾水渠、出線場等。

3.1 主、副廠房及安裝間

根據(jù)機組設(shè)備尺寸和機電布置、廠房結(jié)構(gòu)襯砌型式以及運行、維護檢修的需要，確定主機間、安裝間、副廠房的長度、寬度和布置方式。獅子坪水電站地下廠房從左至右呈一字形，依次布置主機間、安裝間和副廠房，總長度75.7 m。主、副廠房及安裝間的最大開挖跨度均為18.8 m，主機間凈長43.3 m，凈寬16 m，高36.86 m。副廠房和安裝間長分別為13.6 m、18.8 m，凈寬均為16 m，副廠房高22.04 m，安裝間高27.54 m。廠房內(nèi)安裝3臺混流式水輪發(fā)電機組，型號分別為HL(E)－LJ－216及SF65－10/400，單機容量65 MW，水輪機安裝高程為2 078.7 m。

主廠房內(nèi)采用巖壁吊車梁，軌頂高程為2 098.11 m，廠內(nèi)設(shè)一臺(75+75)t/20 t的雙小車橋式起重機(凈跨LK=16 m)。主機間分三層，從上至下依次為發(fā)電機層(高程2 088.46 m)、水輪機層(高程2 080.6 m)及球閥層(高程2 075.9 m)。安裝間分兩層，副廠房分三層，安裝間上層和副廠房第三層均與發(fā)電機層同高程。

發(fā)電機層以上采用錨噴支護。錨桿直徑為25 mm，長 5 m、7 m，交錯布置，間排距均為 1.5 m，噴混凝土厚15 cm，掛網(wǎng)鋼筋為φ8@20 cm×20 cm?？裳须A段頂拱布置有100根長20～30 m的100 t預(yù)應(yīng)力錨索。技施階段根據(jù)開挖揭示的地質(zhì)情況及監(jiān)測資料分析優(yōu)化為108根長9 m、12 m(交錯布置)的φ32預(yù)應(yīng)力錨桿(設(shè)計張拉力15 t)。發(fā)電機層以下為80 cm厚的鋼筋混凝土襯砌加錨桿支護。

在上游邊墻 2 080.5、2 090.5、2 094.5、2 101 m高程梅花型布置4排、共42根長30 m的100 t預(yù)應(yīng)力錨索;在左右端墻2 094.5、2 101 m高程布置2排共12根長30 m的100 t預(yù)應(yīng)力錨索;在下游邊墻與主變及GIS室之間2 090.5 m、2 101高程對穿布置2排共9+6根100 t預(yù)應(yīng)力錨索。

3.2 主變室及GIS室

主變室及GIS室位于主廠房的下游側(cè)，開挖跨度13.6 m，與主廠房間巖壁厚26.05 m，通過三條母線洞和交通洞與主廠房相連。上層為GIS室，樓面高程2 098.96 m，下層為主變室，地面高程2 088.46 m。洞內(nèi)布置三臺主變壓器，其上游側(cè)為電纜道及交通通道，右端接交通洞。GIS室頂拱右端設(shè)有排風(fēng)支洞接入排風(fēng)洞通風(fēng)排煙，GIS室左端接出線洞。

主變室及GIS室2 098.96 m高程以上為錨噴支護。錨桿直徑25 mm，長5 m、7 m，交錯布置，間排距均為1.5 m，噴混凝土厚15 cm，掛網(wǎng)鋼筋為φ8@20 cm×20 cm?？裳须A段頂拱布置有37根長20～30 m的100 t預(yù)應(yīng)力錨索，技施階段根據(jù)開挖揭示的地質(zhì)情況及監(jiān)測資料分析取消。2 098.96 m高程以下為鋼筋混凝土襯砌加錨桿支護。

主變及GIS室除上游邊墻與主廠房布置對穿預(yù)應(yīng)力錨索外，在下游邊墻與尾閘室之間2 097 m高程對穿布置1排、共6根100 t預(yù)應(yīng)力錨索。鑒于主變室底板建基面以下與尾水連接洞之間巖壁厚度最小約5.5 m，故在主變室與尾水連接洞之間對穿布置4排、共12根12 t的預(yù)應(yīng)力錨桿，并對主變室底板進行固結(jié)灌漿處理。

3.3 尾閘室

尾閘室布置在主變及GIS室下游側(cè)，寬10 m，長33.4 m，最大開挖高度為 26.1 m。尾閘室內(nèi)設(shè)有一套雙吊點潛孔式平面滑動閘門，孔口尺寸為3.4 m ×3.4 m(寬 × 高)，閘 門 由 設(shè) 置 在2 099.5 m高程上的2×100 kN移動式電動葫蘆通過拉桿操作。尾水通過尾閘室出水，匯入尾水隧洞。

尾閘室檢修平臺以上采用錨噴支護。錨桿直徑25 mm，長5 m，間排距均為1.5 m，噴混凝土厚15 cm，掛網(wǎng)鋼筋為φ8@20 cm×20 cm?？裳须A段頂拱布置有27根長20～30 m的100 t預(yù)應(yīng)力錨索;技施階段根據(jù)開挖揭示的地質(zhì)情況及監(jiān)測資料分析而取消。為減小糙率和不穩(wěn)定流的沖蝕，檢修平臺以下的邊墻、底板均設(shè)計為鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)。

3.4 排水廊道

在距主廠房上游側(cè)約15 m處，分別在2 087.38 m及2 104.02 m高程布置了上下兩條排水廊道，其斷面尺寸為2 m×3 m。上排水廊道的集水經(jīng)兩邊排風(fēng)洞、出線洞排至洞外，下排水廊道接主變室左側(cè)經(jīng)主廠房左側(cè)將集水排入廠內(nèi)排水系統(tǒng)至尾水洞內(nèi)。采用隨機錨桿支護。

3.5 母線洞

獅子坪水電站采用一臺機組一條母線洞，共計3條。母線洞垂直于主機間下游邊墻，斷面為城門洞型，凈寬5 m，凈高5.25 m，底高程同發(fā)電機層。母線洞采用50 cm厚鋼筋混凝土襯砌加錨桿復(fù)合式支護。在母線洞與交通洞之間的2 089.46 m和2 091.46 m高程對穿布置了2排共12根12 t的預(yù)應(yīng)力錨桿。

3.6 尾水連接洞

與機組對應(yīng)，在尾水管擴散段末端布置了3條尾水連接洞，每條長68.33 m。斷面為城門洞型，斷面凈尺寸為3.4 m ×3.4 m，采用60 cm 厚鋼筋混凝土襯砌。

3.7 排風(fēng)洞及出線洞

排風(fēng)洞布置在副廠房右端，出口位于尾水隧洞出口下游約170 m處，出口設(shè)有風(fēng)機樓，全長282.5 m。出線洞布置在GIS室左端，出口位于尾水隧洞出口上游約120 m處，設(shè)有風(fēng)機樓兼作排風(fēng)，全長221.48 m。

地下廠房系統(tǒng)進風(fēng)樓設(shè)在交通洞洞口，自然進風(fēng)至尾閘室、主變及GIS室、主廠房，經(jīng)排風(fēng)支洞、排風(fēng)洞、出線洞排出。

出于施工通道等綜合考慮，排風(fēng)洞和出線洞斷面均設(shè)計為城門洞型，斷面凈尺寸為4.5 m×5 m?；鶐r洞段均為錨噴支護和鋼筋混凝土襯砌，覆蓋層洞段均為型鋼混凝土襯砌。

3.8 交通洞

獅子坪水電站廠區(qū)利用317國道解決進廠交通問題。交通洞的洞口置于尾水隧洞出口下游約90 m處，洞長229.18 m，斷 面 凈 尺 寸 為6 m×6.75 m(圓拱直墻型)?；鶐r洞段為鋼筋混凝土襯砌，覆蓋層洞段為型鋼混凝土襯砌。

3.9 尾水洞及尾水渠

尾水洞長129.84 m。鑒于尾水洞不長、雜谷腦河洪枯水位變化不大，故采用無壓型式。其斷面為圓拱直墻型，斷面凈尺寸為5 m×8.25 m。尾水隧洞起始段設(shè)1∶4反坡，余下為平坡，底板高程2 084.5 m，后接尾水暗渠，底板 高 程 抬 至2 086.5 m。尾水洞基巖洞段采用鋼筋混凝土襯砌，覆蓋層洞段為型鋼混凝土襯砌。

尾水隧洞出口段岸坡為崩坡積物源，故尾水渠采用暗渠型式，暗渠段全長47.31 m。

3.10 出線場

出線場面積為21 m×21 m(長×寬)，設(shè)在出線洞口下游側(cè)，外側(cè)緊臨雜谷腦河右岸317國道。建基面高程2 098.5 m，基礎(chǔ)為含漂(塊)砂卵石層。

4 主要設(shè)計特點

(1)獅子坪水電站廠區(qū)邊坡為土質(zhì)邊坡，巖性為崩坡積塊碎石土(Q4col+dl)。該碎石土結(jié)構(gòu)非常松散、粘聚力極小且含大量孤石，架空明顯，坡面多處為大面積的倒石堆。若布置地面廠房將會形成高達98 m的覆蓋層邊坡，且地面廠房后緣邊坡高陡，基巖邊坡高達600 m以上。最終實施的地下廠房方案均采用長覆蓋層進洞，排風(fēng)洞、交通洞、尾水洞、出線洞覆蓋層洞段長約345 m，最大上覆厚度約70 m，施工極其困難。獅子坪水電站廠房在2004年9月開工時，國內(nèi)外無該類長覆蓋層進洞施工的成熟經(jīng)驗，爆破即引發(fā)垮塌而只能由全人工開挖，日進尺約0.5延米。施工過程中出現(xiàn)多次頂拱、邊墻塌方乃至“冒頂”，后結(jié)合現(xiàn)場施工情況采用小導(dǎo)管管棚超前固結(jié)灌漿加型鋼和噴錨一期支護、后期鋼筋混凝土內(nèi)襯的方式，收效顯著，給后續(xù)主洞室群的施工贏得了寶貴時間。

(2)獅子坪水電站地下廠房雖無大的斷層通過，僅發(fā)育規(guī)模較小的擠壓破碎帶和節(jié)理裂隙，但其圍巖以Ⅲ類為主(開挖揭示主廠房局部Ⅳ類)，自穩(wěn)能力較差，支護及時跟進保證了施工期及工程永久安全。

(3)可研階段 ，在主廠房、主變及GIS室、尾閘室的頂拱布置了共計164根100 t預(yù)應(yīng)力錨索;技施階段，經(jīng)對開挖揭示的地質(zhì)情況和變形觀測等進行分析后將其全部取消，僅在主廠房頂拱另設(shè)了108根預(yù)應(yīng)力錨桿支護，經(jīng)后續(xù)監(jiān)測等實際結(jié)果檢驗，該優(yōu)化方案合理，為工程節(jié)約了投資，縮短了工期，效益明顯。

(4)可研階段，在GIS室頂拱布置排風(fēng)斜井;技施階段，鑒于該斜井工程量大，深約95 m，開挖直徑4.6 m，開口距317國道垂直高度約100 m且斜井軸線與巖石結(jié)構(gòu)面小角度相交，施工難度極大，故取消了該斜井，另在GIS室頂拱右端增設(shè)了排風(fēng)支洞接入排風(fēng)洞排風(fēng)。

(5)獅子坪水電站地下廠房施工歷時共計約5 a，其間經(jīng)歷了汶川5.12特大地震考驗，自2010年3月底3臺機組全部投產(chǎn)發(fā)電以來，運行良好。

5 結(jié)語

獅子坪水電站地下廠房的設(shè)計及施工質(zhì)量將接受長期檢驗。在運行發(fā)電期間，筆者認(rèn)為應(yīng)對下述問題引起高度重視:

(1)該地下廠房天然地下水位較低，施工期僅在球閥層有水，但巖體通透性較好，應(yīng)定期巡查并疏通排水通道，加強排水，設(shè)立長效監(jiān)管機制。

(2)廠房臨近317國道，其外邊坡為崩坡積塊碎石土，上部為陡巖區(qū)，應(yīng)對設(shè)置的被動防護網(wǎng)定期進行維護并主動清除危石等隱患。

(3)排風(fēng)洞、交通洞、尾水渠、出線場及出線洞均布置在317國道側(cè)或跨317國道，進出廠時應(yīng)注意交通安全;317國道汶川至馬爾康段目前正在進行三改二，公路施工時應(yīng)注意保護好獅子坪水電站廠區(qū)的既有建筑設(shè)施、設(shè)備。