哈德布特水电站地下厂房设计特点

韩爱萍 王瑞华

(新疆水利水电勘测设计研究院 乌鲁木齐 830000)

1 工程简介

哈德布特水电站工程由引水枢纽大坝、溢洪道、导流兼泄洪洞、发电引水系统、电站厂房、尾水建筑物等主要建筑物组成。电站装机容量200MW。根据工程总体布置方案,针对地形、地质条件,从布置、安全运行条件、主要工程量、施工条件等方面进行综合比较后,电站厂房采用地下厂房,为尾部开发型式。电站厂房布置在坝址下游约14km左岸山体,发电系统建筑物由主厂房 (包括主机间、安装间、副厂房、GIS室、主变室)、尾水调压室、通风机室等组成。主、副厂房、主变一字排开布置,副厂房及主变布置在主厂房左端。发电机出线通过由施工支洞改建出线洞至地面出线场。尾水系统建筑物由尾水管、尾水调压室和尾水隧洞组成。尾水调压室平行布置在主变洞下游31m处,为城门洞型,4条尾水管洞与尾水调室正交,经4条尾水支洞接入尾水调压室后岔管连接汇入尾水隧洞。353m长的进厂交通洞为地下厂房主要对外通道。

2 地下厂房地形、地质条件

2.1 地形地貌

地下厂房区位于河道左岸、吐尔洪沟口上游约300m处的山体内,山体位于两河交叉口之间的突出山梁上,该山梁前缘凸出部位受构造、节理、裂隙及风化影响,出露岩体较破碎,风化剥蚀较强。吐尔洪沟呈基本对称的 “V”型,两岸山体局部较陡立,山顶高程为1120m左右,高出沟底250m。两岸山体雄厚,向上游延伸山势陡峻,基岩裸露,埋深在100m～200m。

2.2 地质条件

地下厂房围岩岩性为下泥盆统康布铁堡组上亚组 (D1kb)岩层,主要由混合岩夹片麻岩及侵入花岗岩脉组成,片麻岩岩面产状为300°NE∠70°,片麻岩局部片理发育,多呈层状、流纹状结构,岩层走向与厂房轴线夹角为70°,岩层倾角较陡,有利于洞室围岩的稳定。

地下厂房上覆岩体厚度约200m,埋深较大,位于新鲜岩体内,岩体强度较高,纵波波速:Vp=5000m/s～6000m/s。围岩无大的断层通过,但局部节理裂隙相互切割,洞室围岩局部构成不稳定岩块体,在各洞室群围岩体中局部会出现塌顶、偏邦、块体组合塌滑等不同类型的破坏形式,但洞室群整体稳定性较好,围岩基本稳定,局部段节理、裂隙较发育处会有渗水现象,顺层及卸荷裂隙渗水,施工开挖时进行处理,并做好排水。

总体分析,地下厂房各洞室围岩岩体完整性好,岩层属中厚层状,岩体属中硬岩,洞室围岩岩块饱和抗压强度60.4MPa,软化系数0.74;饱和弹模75.3GPa,变模73.1GPa,泊松比0.23,抗剪断指标:烘干Φ=48.5°,C=12.5MPa,饱和 Φ=45°,C=6.5MPa,K0值 5000N/cm3～8000N/cm3。按围岩工程地质分类属II类围岩。厂区地应力以地质构造应力为主,属中等地应力区,最大水平主应力为17.22 MPa,方向为N10°～20°W,与三大洞室长轴夹角55°～65°。

2.3 地下水

厂区主要受融雪水和大气降水补给,沿基岩裂隙运移,受沟谷或断层切割进行排泄,基岩裂隙水补给河水。厂房基础开挖高程为804m,吐尔洪沟水面高程836m,吐尔洪沟与河交汇处水面高程为825m,地表水与地下水高程均高于地下厂房基础最低开挖高程面。

根据综合分析,厂房处地下水位高程约为832m,地下厂房洞室群大部分均处于地下水位下部,该段会有渗水现象。

3 地下厂房位置及主洞室轴线选择

3.1 地下厂房位置选择

根据总体枢纽布置,地下厂房选定在左岸山体。可行性阶段就地下厂房位置选择进行了多方案论证。论证地下厂房位置主要考虑以下几方面因素。(1)围岩地质条件适合开凿大型地下洞室;(2)避开主要地质构造对洞室群稳定的不利影响;(3)进、出流道布置顺畅,与整个枢纽相协调;(4)施工方便;(5)造价低。

根据厂区地质条件,综合各方面因素将地下厂房主洞室群布置在基岩岩性为泥盆系下泥统(D1ka)康布铁堡组上亚组,混合岩夹片麻岩、片岩层,岩层产状300°NE∠70°,局部片理发育,多呈层状、流纹状结构。其上覆围岩厚100m～200m,为尾部开发式地下厂房。

3.2 主洞室轴线选择

为保证洞室围岩稳定,主洞室轴线选择主要考虑三方面因素:(1)洞室轴线与岩层走向、主要地质构造走向及岩体主要节理等均有较大夹角;(2)与地应力场的最大水平主应力方向有较小的夹角;(3)进、出水道布置顺畅。经多方案比较,并经有限元计算分析论证,确定主洞室纵轴线方向为NE 30°。

4 厂房系统布置设计

地下厂房系统建筑物主要由主洞室 (主厂房、副厂房及GIS室、主变压器一字形布置在主洞室内)、尾水系统、出线洞、出线场等组成。

3.1 主、副厂房设计

主洞室纵轴线方位角为 NE30°,长×宽×高为147.58m×18.0m×38.112m,由主机间、安装间、主变室及副厂房组成。其长度分别为21.5m、67.02m、29.5m、29.5m,宽度均为18.0m。安装间分为发电机层、水轮机层及深井泵层;主机间自下而上分为尾水管层、进水阀层、蜗壳层、水轮机层及发电机层;副厂房分为水轮机层、发电机层、电缆夹层、GIS层、屋顶层;主变室分为发电机层、电缆夹层、GIS层、屋顶层。主机间高程832.11m层布置有岩锚吊车梁,以上主厂房宽度为19.5m,以下为18.0m,上部为吊顶层,顶拱高程为841.242m。副厂房及主变室屋顶层高程为843.26m,顶拱高程为847.75m,宽度自上而下均为18.0m。

4.2 尾水系统

对于尾水线路布置比较了有压洞、无压洞及多机一洞方案、多机两洞方案比较 。无压洞方案,断面较大,投资也较大,冬季运行冰冻问题较难解决;有压尾水洞方案,洞断面较小,需要设尾水调压室,机组安装高程及底板高程较低,厂房处于地下水位以下,对厂区排水及岩石稳定不利,但投资较少。综合考虑后推荐采用尾水有压洞方案。在此基础上分析比较了四条尾水支管与尾水洞岔管连接和直管连接方案。考虑直管连接水头损失较大,采用岔管连接方案。

尾水线路较长,据调保计算尾水洞布置有调压井,尾水系统由尾水隧洞 、调压井、尾水出口组成。

尾水调压室布置于主厂房下游,距离主厂房31.0 m,采用结构适中、能有效地减少水位波动幅度、调压室高度较低和工程量较省的阻抗式调压室,阻抗孔由调压室内的尾水检修闸门井承担。考虑尾水调压室自身功能、稳定等要求及闸门运行等需要,尾水调压室采用上、下部连通布置形式。调压室在831m高程以下连通,其底板高程为804.13 m,开挖长度为49.868m。调压室在831m高程以上连通成为闸门廊道,顶高程843.481m,宽7.0 m,长52.8m。

尾水洞长为631.0m,断面7.0×8.0m,尾水出口明渠上设置检修闸门及交通桥。尾水渠为直向出水,检修闸后以1︰4反坡接至819.0m高程,后与河床自然相接。

4.3 出线洞及出线场设计

利用布置在副厂房顶拱的施工支洞作为出线洞,出线洞断面高 ×宽为 6m×7m,长度为118.87m。电缆经出线洞引至地面出线场,出线场高程为851.0m,面积为35m×70m。

5 洞室支护设计

地下厂房洞室群规模较大,布置集中,洞室纵横交错。为选择合理的洞室间距、开挖程序、支护参数和局部加强措施,以保持和加强围岩整体稳定性,进行了大量设计、计算、咨询和研究工作。依据 《锚杆喷射混凝土施工技术要求》 (GB50086-2001)、工程类比法及专家咨询,确定主洞室支护型式和支护参数,地下洞室利用围岩为承载主体,充分发挥围岩的自承作用,采用锚喷支护,对局部软弱构造带采用锚杆加衬砌,对计算塑性区较大的部位,加预应力锚索重点加强支护,作为支护设计的原则。

有限元分析计算及开挖情况表明,地下厂房位于稳定地层中,洞室围岩应力和变位在允许范围内,围岩屈服区范围不大,锚杆应力未达到屈服状态,喷锚支护加固围岩效果较明显。

洞室支护设计包括挂网喷射混凝土、普通砂浆锚杆、预应力锚索等。主厂房高程832.11m以上部位采用挂网喷射混凝土200mm厚,以下挂网喷射混凝土厚150mm。根据围岩分类的不同,采用锚杆规格不同,顶拱设置Φ 32砂浆锚杆,长度分别为5.0m/7.0m;边墙832.11m以下设置 Φ 25/Φ 32的砂浆锚杆,长度分别为5.5m/7.5m;其中局部构造带设1000kN的预应力锚索加强;在岩锚吊车梁高程832.11m以下范围设置三排Φ 32@700的普通砂浆锚杆,长度为9.0/11.0m。

所有洞室交叉处均设置锁口加强锚杆。

6 厂房系统结构设计

哈德布特电站工程为中型Ⅲ等工程,引水发电系统建筑物按3级建筑物设计。根据SL266-2001《水电站厂房设计规范》,厂房结构安全级别为Ⅱ级,结构重要性系数为1.0。经国家地震局审定,厂区地震烈度均为8度。根据SL203-97《水工建筑物抗震设计规范》,引水发电系统地下洞室结构为3级非雍水建筑物,抗震设防类别为丙类,相应的设防烈度为8度,主要洞室埋深均超过50m,故不必验算地下建筑物和围岩的抗震强度和稳定性。

6.1 一期混凝土

主厂房水轮机层高程814.0m以下一期混凝土包括尾水管 (含尾水扩散段、尾水肘管和锥管)、围护墙。底板厚度为1.0m,尾水扩散段由1.96m×4.135m(高×宽)渐变为4.562m×3.368m城门洞型。扩散段外包混凝土厚度为1.0m,肘管部分外围混凝土最小厚度为2.0m,锥管外围混凝土厚度2.0～3.789m(蜗壳为钢蜗壳)。

6.2 二期混凝土

水轮机层以上二期混凝土包括机墩、风罩、发电机层板、梁、柱和蜗壳。

(1)蜗壳承受的最大水头303.0m(包括水击压力)。对于蜗壳结构型式分析研究了弹性垫层和完全联合承载结构型式有限元计算分析,充分考虑结构受力特性,最终确定蜗壳采用弹性垫层,布置范围、铺设厚度根据计算分析成果设计。垫层外为钢筋混凝土结构,外包混凝土最小厚度为1.149m。

(2)机墩为圆环型,内径3.6m,外径7.6m,下部固接于高程814.0m,定子基础高程为816.24,下机架基础高程为817.27m,第Ⅳ象限布置机坑进人门。

荷载及组合:水轮发电机组基础荷载+发电机层楼板荷载+自重。计算成果为机墩底部及定子底部主拉应力小于混凝土允许拉应力,按构造要求配筋。

(3)风罩内径8.4m,外径9.4m,下部固接于高程817.27m,上部高程为821.26m。在第Ⅰ象限布置吊物孔和楼梯。荷载及组合根据相关规程规范要求选取。

6.3 岩锚吊车梁

为了减少地下厂房开挖宽度,桥机吊车梁采用岩锚吊车梁结构。岩锚梁对称布置在厂房上下游侧,梁顶高程为 832.11m,梁宽 1.5m,高2.125m,长67.02m,承受的最大轮压420kN/m。岩锚吊车梁纵向配筋按弹性地基梁法计算配置,并进行有限元计算分析,纵横向配筋均考虑按 《地下厂房岩壁吊车梁设计规范》 (Q/CHECC 003-2008)中计算配筋。

7 围岩监测设计

地下洞室的围岩监测设计要能全面反映整个厂房围岩稳定状况,控制整个厂房主要部位的变形。控制断面选择在变形可能较大、洞室结构复杂、地质条件差及构造发育地段,监测项目主要是围岩变形值和锚杆应力值。

根据工程地质条件、厂房布置形式,在主副厂房设置4个原位观测断面。在各观测断面布置5～7套三点位移计,布置5～7套锚杆应力计。

另在岩锚梁上设有18套锚杆应力计和12套测缝计,尾水调压室设有10套二点位移计和10套锚杆应力计。此外岩锚梁结构还设有钢筋计、应力、应变计,沿厂房开挖断面设渗压计。

8 地下厂房防渗排水设计

厂房系统防渗排水设计原则以排为主,防疏结合。防渗排水设计主要包括洞室外排水系统和内部排水系统。外部排水系统:洞室外排水设置两层排水廊道,顶层排水廊道位于主厂房岩壁梁附近,到主厂房顶拱高度6m,顶层排水廊道通过排水孔泄至下层排水廊道。上、下层排水廊道在平面布置上涵盖了整个厂房,高程范围为831.5m～806.012m,断面为2.5m×3.0m(宽×高)。下层排水廊道布置高程为806.012m,下层排水自流汇至厂房渗漏集水井。上层排水廊道与通风机室和安全疏散通道相连,上层排水廊道顶部设 Φ 100@5000排水幕孔,底板设Φ 100@5000排水孔至下层廊道。

内部排水系统:各洞室边墙和顶拱布置长度为5.0m,Φ 50间排距3m×3m系统排水孔,沿排水孔在开挖面上布置排水盲管,排水盲管将渗漏水引至各结构层排水沟内,排水沟通向渗漏集水井。主副厂房下部设置渗漏集水井和检修集水井,作为整个厂房系统唯一渗漏水收集处,洞室内、外部的排水系统均围绕集水井布置设计。

9 对外及场内交通设计

地下厂房系统对外联系通道共有两个。一是进厂交通洞,交通洞进口高程为831.0m,进厂交通洞全长353.676m,断面尺寸为7.0m×8.0m(城门洞型),其功能满足四方面需要:地下厂房系统的主要交通及运输通道;压力钢管运输通道:主变运输通道;地下厂房进风通道。进厂交通洞垂直安装场进主厂房。二是安全疏散通道,利用副厂房顶部施工洞作安全疏散通道,通至户外出线平台,平台高程为851.0m。

发电机层高程布置两部楼梯及电梯至副厂房顶层安全疏散通道口。

10 地下厂房通风、排烟设计

厂房采用机械送、排风系统,送风系统布置在进厂交通洞上部风机室,进风经调节后的空气由管道输送到主厂房吊顶以上,经位于吊顶的通风孔及管道向主副厂房各层及主变室内输送。厂房排风系统布置在左端顶部,经布置在上下游边墙的风机将交换后的空气经由风道抽送到排风洞,经左端的排风、排烟通道汇集到排风洞,由排风洞引至户外出线场,高程为851.0m的。

11 结语

(1)目前施工期洞室群围岩开挖状况,没有大的塌方发生,表明洞室群围岩稳定状况良好,说明厂房位置选择是合理的。

(2)由于厂房处于地下水位以下较深,厂房防渗排水设计应充分考虑水文地质条件变化,以及随着工程进展地下水的变化情况。

(3)以有限元计算和工程类比为主要设计方法而确定的喷锚支护参数,总体上保证了洞室围岩整体稳定,但局部块体稳定则需要在工程开挖期间,由设计人员、地质人员、施工人员密切配合,对实际开挖揭露的地质条件信息,快速做出分析、判断,提出相应处理措施。

(4)地下工程监测不仅能指导地下洞室设计和安全施工,检验围岩长期稳定性,还为其它地下工程设计积累经验。工程施工期应关注仪器埋设可靠,妥善保护,正确处理工程进度与埋设仪器矛盾,减少施工干扰,是做好监测工作的重要前提。