某高海拔地区水电站地下厂房布置与设计

摘 要：该工程为地下厂房，地处某西部高海拔区域，场地地震基本烈度为Ⅷ度。结合地质条件等对厂区各建筑枢纽进行合理布置，根据机电设备布置需要及业主公司内部企业规范要求，对厂房各部位进行合理布置及优化设计。该地下厂房经多次审查论证表明，其布置满足结构安全和功能需求，厂区结构布置紧凑、合理，供其他类似工程参考。

关键词：高海拔；水电站；地下厂房；布置设计；结构安全；功能需求

中图分类号：TV731 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）28-0131-04

Abstract： The project is an underground factory building located in a high altitude area in the west. The basic earthquake intensity of the site is VIII. Various building hubs in the factory were reasonably arranged based on geological conditions， etc.， and various parts of the factory were reasonably arranged and optimized according to the layout needs of electromechanical equipment and the internal enterprise specifications of the owner company. After many reviews and demonstrations， the underground powerhouse has shown that its layout meets the structural safety and functional requirements， and the structural layout of the plant area is compact and reasonable， which can be used as a reference for other similar projects.

Keywords： high altitude; hydropower station; underground powerhouse; layout design; structural safety; functional requirements

某水电站处于高海拔地区开发任务主要为发电，采用堤坝式开发，枢纽布置由碾压混凝土重力坝、坝身泄洪及左岸地下输水发电系统组成，正常蓄水位库容8.45亿m3，调节库容4.74亿m3，多年平均流量624 m3/s，装机容量1 500 MW，多年平均发电量60.88亿kW·h。工程为一等大（1）型工程，厂房为1级建筑物，按200年一遇洪水设计，1 000年一遇洪水校核。

厂房型式为地下厂房，厂内装4台单机容量375 MW立轴混流式水轮发电机组。地下厂区涉及岩性为三叠系中统竹卡组英安岩，岩体总体较完整，以次块状结构为主。本文结合该项目厂房的设计，对其厂房布置与设计进行介绍，同时对设计过程中出现的问题进行总结。

1 厂区地质条件

地下厂房位于坝轴线下游侧约210 m的山体内。厂区围岩以英安岩为主，围岩类别以Ⅲ类为主，最大主应力16.70 MPa左右，岩体（Rb/σm）约4.2，属中等地应力区。

主厂房洞布置在距坝轴线下游约210 m，根据平洞勘探揭示，涉及岩性为三叠系中统竹卡组英安岩，岩体总体较完整，以次块状结构为主，主要发育Ⅳ、Ⅴ级结构面，其中见8条小断层，Ⅴ级结构面主要为平洞揭露的一般节理裂隙。勘探平洞共揭露Ⅴ级结构面540余条，这些节理裂隙多呈闭合状态，洞内长度一般在0.5～10 m，总体以陡倾角结构面为主。

主变洞位于主厂房下游侧约45.0 m，平行于主厂房布置，洞区涉及岩性为三叠系中统竹卡组英安岩，岩体总体较完整，以次块状结构为主。勘探平洞揭示，主变洞区主要发育Ⅴ级结构面，其中见8条小断层。Ⅴ级结构面主要为平洞揭露的一般节理裂隙。主变洞区及周边勘探平洞揭露的节理裂隙多呈闭合状态，洞内长度一般在0.5～10 m，总体以陡倾角结构面为主。

2 厂房布置设计

2.1 厂区布置

厂区枢纽建筑物布置于坝轴线下游侧约210 m的左岸山体内。地下厂房最小埋深约105 m，地下厂房洞室位于微新英安岩内，洞室围岩以Ⅲ1类为主；厂房纵轴线方向为N73.78°E；厂房区地应力最大主应力为16.70 MPa，方向为N60°E，属中等地应力区，最大主应力方向与地下厂房轴线的交角约13.78°，最大主应力对地下厂房的边墙影响相对较小[1-4]。地下厂房洞室群主体洞室有主厂房洞（安装间、主机间、副厂房）、主变压器洞、尾水调压室洞，附属洞室有母线洞、进厂交通洞、逃生通道、排风洞、排风竖井、排水廊道、出线电梯井及出线平洞[5-8]等。

2.2 主厂房布置

主厂房洞由主机间、安装间及副厂房组成，主机间布置于安装间和副厂房中间，安装间布置于主厂房洞室左端，副厂房布置于主厂房洞室右端。如图1所示。

主机间长度为130.70 m，分4个机组段布置，机组中心线间距31.60 m，其中1#机组段长度35.9 m，2#—4#机组段长度均为31.6 m。主机间高程方向分5层布置，分别为尾水管廊道层、技术供水层、水轮机层、出线层、发电机层，其中尾水管廊道层（底板高程2 856.40 m）布置检修排水廊道，断面为2.5 m×3 m，检修排水廊道用作尾水管的检修排水通道，与检修集水井相连；技术供水层（底板高程2 869.04 m）在锥管外包大体积混凝土内，上游为过人通道，右端布置技术供水设备，下游侧为盘型阀操作廊道，布置8台尾水管盘型阀；水轮机层（底板高程2 887.20 m）在每个机组机墩下游侧布置机旁控制屏，机墩左右侧布置筒形阀油压装置及调速器油压装置设备；出线层（楼板高程2 893.60 m）主要布置主引出线及中性点设备，4个机组段左侧配一排自用变及0.4 kV自用盘，第三象限配二次盘柜，主引出线方向为第四象限，中性点设备布置在第二象限；发电机层（楼板高程2 899.50 m）各机组段下游侧布置机旁盘，为确保主机间发电层以下各层设备的垂直运输，在1#及3#机组段上游侧第一象限各布置1个3.5 m×5.5 m的吊物孔，吊物孔通至技术供水层。

安装间布置在主厂房左端，总长56.50 m。安装间部位洞室开挖跨度在岩壁吊车梁以上为29.80 m，在岩壁吊车梁以下为26.80 m，开挖高度分别为30.70 m（进厂交通洞部位）、67.70 m（油污分离设备）、83.20 m（集水井部位）。安装间共分4层，2 877.50 m层布置检修及渗漏排水泵等设备；2 887.20 m层布置厂房渗流及机组检修排水泵启动控制室等设备以及气瓶间；2 893.60 m层用于布置厂房二次屏柜、空压机室；2 899.50 m层用于机组安装及检修时大件的摆放、组装及维修，平面尺寸满足机组安装及检修的要求，右下角布置4 m×4 m的吊物孔。

右端副厂房长度为18.50 m，分为7层，楼梯及电梯布置在上游侧，2 887.20 m层主要布置气瓶间；2 893.60 m层主要布置电缆；2 899.50 m层主要布置公用变及0.4 kV公用盘；2 905.40 m层主要布置照明变及0.4 kV照明盘；2 911.80 m层主要布置蓄电池室、公用二次屏柜室；2 917.00 m层主要布置调试室、会议室、资料室；2 921.70 m层布置部分通风风机设备；透平油罐及油处理室布置在与副厂房相连高程为2 921.50 m逃生通道内。

2.3 主变洞布置

主变压器洞平行布置在主厂房洞下游侧，距主厂房洞下游墙体45.00 m（岩锚梁以下）。开挖尺寸165.69 m×20.20 m×32.90 m（长×宽×高），主要分两段布置：左端副厂房段和主变压器段，主变洞主变压器段长136.86 m，左端副厂房长28.83 m，左端副厂房左侧与主变进风洞相连，如图2所示。由于运输条件限制，本工程采用组装式单相变压器。

主变压器段共分3层布置，具体布置如下。

第一层电缆层，高程2 893.60 m。主要布置10 kV盘柜室、0.4 kV盘柜室等。

第二层主变压器层，高程2 899.50 m。主要布置13台单相变，其中1台备用，每台主变压器相距4.0 m，用防火隔墙隔开，上游侧布置主变运输轨道。

第三层GIS前端设备层，高程2 912.90 m。主要布置GIS前端设备、贯通主变洞的风管及相关暖通设备等、下游侧左端布置出线竖井。

左端副厂房共分3层布置，内设风机房、出线电梯井等，具体布置如下：

第一层高程2 899.50 m，与主变层同高。靠左侧布置出线电梯井，通往连接出线上平洞，交通楼梯布置在出线电梯井内；中间布置绝缘油处理室。

第二层高程2 908.90 m，主要用作电缆布置。

第三层高程2 912.90 m，主要用作主变洞二次屏室及风机房布置。

2.4 辅助洞室布置

地下洞室群除三大主洞室外，依据各附属洞室的结构和功能，电站还布置有4条母线洞，1条出线电梯井及出线平洞，2条排风排烟竖井，1条排风排烟平洞，1条对外进厂交通洞，1条主厂房逃生通道，1条主变洞逃生通道。

2.5 防渗排水系统

在主厂房上游侧及主变洞下游侧周围距主厂房、主变洞约30 m处设置3层开挖断面尺寸为3.2 m×4.3 m（宽×高）的排水洞，从上至下高程依次为2 934.20、2 898.30、2 867.34 m。上层排水洞在此基础上在主厂房与主变之间增设一条排水洞，呈“日”字形，中层排水洞呈封闭的“口”字形，下层排水洞呈不封闭的“凵”字形。排水洞内设置防渗帷幕、排水孔幕、排水孔[8]。

防渗帷幕布置范围为上游侧和临河侧，设置在排水廊道外侧，主要用于拦截上游压力钢管渗水及临河侧裂隙通道渗水。

上层排水洞内设置仰角为40°的排水孔幕，将主厂房洞和主变洞顶部围岩渗水引至顶层排水的排水沟内；内侧设上、下层排水洞连通的排水孔幕，将绕过防渗帷幕的围岩渗水和上层排水洞少量积水引至中层排水洞，另外部分水引至下游尾水调压室内排出；中层排水洞底部内侧设置中、下层排水洞连通的排水孔幕，将绕过防渗帷幕的围岩渗水和中层排水洞的积水引至下层排水洞；下层排水洞底部内侧设排水孔幕，将绕过防渗帷幕的围岩渗水引至本层排水洞内，再引入集水井抽排流出厂外。

为减小厂外排水系统遗漏渗水对围岩稳定的影响，在主厂房、主变洞顶拱及边墙设排水孔，参数Φ50@4×4 m、L=6 m，排水孔渗水通过排水管分别引至主厂房发电机层排水沟、主变层和水轮机层排水沟，然后经排水管引入集水井内，最后通过水泵抽排流出厂外。另外，厂内设备用水及管路渗漏水也可通过厂房内排沟、排水管汇集后通过排水管引入渗漏排水廊道和集水井内，通过水泵抽排流出厂外。

在地下厂房各洞室排水措施基础上，主厂房、主变洞洞壁仍会有少量渗水导致地下厂房空间内湿度过大，影响各机电设备的运转性能。为此，在主厂房、主变洞洞壁喷混凝土面和混凝土结构之间预留20 cm空间作为防潮层，在厂房结构混凝土边缘砌筑25 cm砖砌体，阻隔来自于洞壁的潮湿空气。同时，在砖砌体墙面上安装有风机，20 cm厚防潮层可做为上下层之间的通风通道，既排出了防潮层内潮湿气体，又确保了上下层区域空气清新。

2.6 地面开关站及中控楼

地面开关站及中控楼布置在进水口坝段轴线下游侧开挖平台上，平台高程3 058.00 m。地面中控楼主要布置厂房中控楼设备、坝区变电所高低压开关柜及GIS开关站相关设备，平面尺寸为103.50 m×30.00 m，占地面积约3 105.00 m2。

地面开关站及中控楼由GIS楼段及中控楼段组成，GIS楼段布置于地面开关站及中控楼左端，中控楼段布置于地面开关站及中控楼右端。

2.6.1 GIS楼段

GIS楼段内主要布置GIS开关站，平面布置尺寸为61.97 m×30.00 m。共分2层，自下而上分别为：

第一层3 053.40 m层，主要用于电缆铺设。

第二层3 058.00 m层，为GIS层，与坝顶同高，左端设进楼大门及GIS设备安装间，右端布置GIS设备，为满足设备的安装及检修起吊要求，安装一台GIS电动单梁桥机，桥机轨顶高程为3 070.29 m；下游侧布置。

2.6.2 中控楼段

中控楼段主要布置厂房中控楼设备及坝区变电所高低压开关柜，平面尺寸为26.59 m×30.00 m，占地面积约806.70 m2，自下而上分别为：

第一层3053.20 m，主要用于坝区变电所高低压开关柜。

第二层3058.00 m，主要用于铺设电缆及进门大厅。

第三层3 062.00 m，主要用于布置继电保护设备及蓄电池等。

第四层3 066.40 m，主要用于计算机室、中控室、制安反恐监控室等。

第五层3 071.40 m，主要用于办公室、会议室、资料室等。

第六层3 075.60 m，主要用于布置通风机房等。

在地面开关站及中控楼一侧布置柴油发电机房，平面尺寸为15.10 m×11.60 m。柴油发电机房为单层建筑物，建基面高程3 058 m，主要布置柴油发电机及油箱。

3 结束语

本电站厂房属于地下厂房，已顺利通过专家可研审查，在厂房布置设计中有许多需要注意的地方值得总结，为类似项目的设计中提供借鉴，举例如下。

1）针对透平油库的布置，常规地下厂房透平油库基本放在安装间最底层或者副厂房的最底层，以实现与电气设备分离且靠近添油设备，本工程为实现对所有轴承进行自流添油，将透平油库布置在逃生通道内，前期兼做施工支洞，后期兼做逃生通道和透平油库，达到一洞多用的目的，既节约了工程投资，同时也能实现自流添油。

2）常规同等类型的地下厂房一般会在主厂房洞室的副厂房设置一个消防电梯，以满足日常检修和逃生作用，考虑本厂房属低气压地区，不仅在副厂房设置消防电梯，同时在安装间上游侧也设置了一个贯穿发电机层到技术供水层的检修电梯，用以更好地满足业主日常运维检修，同时加大了电梯正常运行的可靠性。

3）常规地下厂房的进厂交通洞宜从安装间下游侧垂直厂房纵轴线进厂，为减少交通洞开挖对岩壁吊车梁的影响，本厂房的进厂交通洞布置在安装间的端部，并在进入安装间前设置一段转弯段，以达减速安全目的。

4）目前国内常规Ⅲ类围岩的锚喷支护采用挂网喷砼的较为常见，采用钢纤维的较少，本厂房考虑主厂区平洞揭露V级结构面540余条，且存在8条小断层，考虑钢纤维的抗拉抗弯和黏结力相对而言会好些，黄登、乌弄龙、大岗山、构皮滩等项目也有采用钢纤维砼案例，固暂按喷钢纤维和局部挂网型式进行支护，后期根据开挖揭露情况调整支护。

5）地下厂房各大洞室的名字如电缆出线竖井命名要有讲究，尽量不以专项名称命名，比如高压电缆通道以前取名叫电缆出线竖井，现更名叫出线电梯井，这样消防验收的标准在满足安全的情况下可以较为容易通过验收。

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