白鹤滩水电站大跨度地下厂房吊顶结构设计

赵修龙，万祥兵，李良权，方 丹

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州311122)

0 概 述

在水电站地下厂房的布置中，主厂房吊顶与顶拱岩壁之间一般作为通风层，布置有风管或直接分隔成风道，所以吊顶的一个功能为通风层的楼面[1-2]。另外虽然顶拱布置有系统排水孔和排水管，但后期也会存在一定的潮湿和渗水，而吊顶可以防止顶拱岩壁的渗水直接滴入主厂房的设备层，影响机组的正常运行，所以吊顶的另一个功能也作为地下厂房的防水层[3- 4]。因地下厂房顶拱采用喷锚支护设计，开挖所形成凹凸不平且喷层面不光滑，不甚美观，所以吊顶同时又具有地下厂房的装饰层功能[5- 6]。所以厂房吊顶不仅要满足通风、照明、上人等常规要求，而且还要满足防腐、防水、排水、美观等要求。

白鹤滩水电站位于金沙江下游四川省宁南县和云南省巧家县境内，距巧家县城45 km，距昆明约260 km，电站上接乌东德水电站，下邻溪洛渡水电站[7- 8]。白鹤滩水电站发电厂房位于左、右岸地下山体中，各布置8台单机容量1 000 MW的水轮发电机组，单机容量位居世界第一，电站总装机容量为16 000 MW，是目前世界上在建规模最大的水电站[9-10]。白鹤滩水电站主厂房吊顶结构沿厂房纵轴线方向总长406 m，其中安装场段、机组段分别长79.5、326.5 m，跨度为34 m，是目前世界上已建及在建跨度最大地下厂房吊顶结构，其中拱梁内半径为27.225 m，顶高程为619.39 m，上下游边墙拱梁底高程为613.20 m。

1 吊顶结构组成

白鹤滩水电站地下厂房吊顶结构采用外包钢现浇混凝土叠合板梁结构，该结构由吊顶支撑系统(包括上下游两侧吊顶支撑柱、吊顶锚杆、吊顶拉杆)、外包钢-混凝土拱梁、闭口压型钢板和混凝土肋板组成，吊顶结构见图1。吊顶沿厂房纵轴线方向共布置118榀外包钢-混凝土拱梁，拱梁中心间距为3.75 m。拱梁依靠上下游两侧吊顶支撑柱以及吊顶锚杆支撑，拱梁之间铺设闭口压型钢板作为模板，其上浇筑混凝土肋板作为吊顶底板。

图1 吊顶结构横剖面示意(单位：mm)

2 吊顶结构设计

2.1 吊顶支撑系统结构设计

吊顶支撑系统由上下游两侧吊顶支撑柱、吊顶锚杆、吊顶拉杆所组成，作用在吊顶上的荷载通过拱梁传递给吊顶支撑柱及吊顶锚杆上。上下游两侧吊顶支撑柱为混凝土结构，位于已浇筑的岩壁吊车梁上[11-12]，吊顶支撑柱高度为7 890 mm，截面尺寸为500 mm×600 mm(高×宽)。支撑柱纵向间距为3.75 m，每38 m设置1道结构缝。吊顶锚杆采用三级钢筋C32，长度为9 m，锚入顶拱岩体8 m，吊顶锚杆横向布置间距为3 m或4 m，纵向布置间距同支撑柱纵向间距，吊顶锚杆需在厂房顶拱开挖期间同顶拱围岩支护措施一同实施，前期作为顶拱围岩支护的一部分，在拱梁浇筑时作为吊顶支撑体系一部分，后期可起固定风管并承担风管荷载的作用。拱梁与吊顶锚杆之间通过吊顶拉杆连接，吊顶拉杆采用三级钢筋C32，横向、纵向布置间距同吊顶锚杆相应间距，长度需根据拱梁与吊顶锚杆之间距离进行确定。

2.2 吊顶拱梁结构设计

吊顶拱梁采用外包钢-混凝土结构，拱梁断面为矩形，设计尺寸为500 mm×650 mm，弧长为34.95 m，矢高约为5.4 m。拱梁由4榀通长等边角钢、限位箍筋、斜拉腹杆、内部对角加强角钢等组成的空腹式钢结构骨架，外包轧制薄钢板，内部填充混凝土，形成拱梁完整结构，如图2所示。梁端与上下游支撑柱顶预埋钢构件连接形成双铰拱结构，梁上部与吊顶锚杆通过吊顶拉杆连接。钢结构骨架中的4榀通长等边角钢型号选取∠125 mm×12 mm，限位箍筋为三级钢筋C12，间距为150 mm，斜拉腹杆采用三级钢筋C20，内部对角加强角钢型号选取∠75 mm×8 mm，间距为1.5 m。外包轧制薄钢板由包围拱梁两侧及底部的3块薄钢板焊接而成，沿通长等边角钢长度方向通长布置，钢板厚4 mm。拱梁内部填充混凝土强度等级为C30，混凝土内无需配筋。主厂房吊顶拱梁采用空腹式钢结构骨架，制作简便、安装快捷，安装完成后即可与吊顶锚杆共同承受施工期荷载，浇筑混凝土时无需额外的模板和施工支承排架，因而能快速施工，并减小施工干扰，给工程带来极大便利。

图2 吊顶拱梁结构横剖面示意(单位：mm)

2.3 吊顶底板结构设计

压型钢板具有不需要加临时支撑，可以代替板底钢筋，作为组合楼板承担受力，耐火性能优，并且不需要防火涂料，施工方便等优点，因而，吊顶底板采用压型钢板和混凝土肋板组合的形式。压型钢板施工期作为模板，承担混凝土肋板的自重和上部的施工荷载，又是永久结构的一部分，与上部混凝土肋板共同承担自重及上人等运行期荷载，压型钢板固定在两侧拱梁钢骨架上，压型钢板上混凝土肋板与拱梁钢结构骨架内部填充混凝土一同浇筑，浇筑后作为肋板结构的一部分[13]。其下表面光滑，颜色可根据厂房整体色彩匹配，整洁、大方美观，不需另设装饰吊顶板。压型钢板选用闭口压型钢板YXB65-185-555 (Q345钢)，厚度为1.5 mm，断面结构如图3所示，其上浇筑120 mm厚C30混凝土肋板作为吊顶底板，为增加混凝土肋板承载余度以及减少混凝土肋板后期开裂，在混凝土肋板中配双层钢筋，其中面层配双向C12钢筋，间距150 mm，底层沿厂房纵轴线方向配单向C20钢筋，间距92.5 mm。

图3 闭口压型钢板结构断面示意(单位：mm)

2.4 吊顶施工平台设计

由于地下厂房具有跨度大、洞轴线长、施工荷载大等特点，吊顶施工时需要布置临时的活动式施工平台，以便吊顶施工顺利开展[14]。吊顶施工完成后，吊顶施工平台及其支撑体系均需要拆除以不影响永久桥机设备的正常运行。吊顶施工平台为特种结构，其支撑体系需要承受极大的施工荷载，吊顶施工平台支撑体系采用支撑柱上预埋钢板(尺寸为850 mm×600 mm，厚20 mm)，并在钢板上焊接钢牛腿，钢牛腿采用3片钢支托钢板(尺寸为200 mm/650 mm×450 mm，厚20 mm)，其上焊接平台钢板(尺寸为500 mm×450 mm，厚20 mm)，吊顶施工平台采用钢结构拼装而成并支撑在支撑柱钢牛腿上，吊顶施工平台结构见图4，支撑柱钢牛腿细部结构见图5。

图4 吊顶施工平台结构横剖面示意(单位：mm)

图5 支撑柱钢牛腿细部结构示意(单位：mm)

3 结 语

本文对白鹤滩水电站大跨度地下厂房吊顶结构进行设计，采用外包钢现浇混凝土叠合板梁结构，由吊顶支撑系统、外包钢-混凝土拱梁、闭口压型钢板和混凝土肋板等组成。其中，吊顶支撑系统由上下游两侧吊顶支撑柱、吊顶锚杆、吊顶拉杆所组成；外包钢-混凝土拱梁由钢结构骨架、外包轧制薄钢板、内部填充混凝土做成，钢结构骨架由通长等边角钢、限位箍筋、斜拉腹杆、内部对角加强角钢等组成。吊顶施工时需布置临时的活动式施工平台，吊顶施工平台支撑在支撑柱预埋钢板上焊接的钢牛腿上。

综上所述，白鹤滩水电站大跨度地下厂房吊顶结构由一整套完善可靠、承载能力强、安装快捷方便的分部结构以及施工平台所组成，不仅满足了结构需要，还有力地保证了施工进度。该大跨度地下厂房吊顶结构具有一定的创新性，可供同类型地下厂房吊顶结构参考。