探讨分析棉花滩水电站地下厂房设计

　　棉花滩水电站位于福建省永定县汀江干流棉花滩峡谷中部福至亭处，地下厂房位于左岸山体内。厂区岩层为燕山早期第三次侵入的黑云母花岗岩，厂房部位断裂不发育，上覆新鲜～微风化岩体，厚度40～140 m，通过厂房的主要断层有F7、F28、F29等，倾角较陡，规模小。据勘探钻孔统计，岩心平均采取率95%，RQD(岩石质量指标)80%，岩体纵波速4 600～5 600 m/s，湿抗压强度165 MPa。
　　地下厂房按2级建筑物设计，厂区地震基本烈度为6度，按规范规定，建筑物不进行地震设防 。
1 地下厂房位置选择
　　在选择地下厂房位置时，考虑了下面几个因素。
　　(1)厂房上游侧靠近水库处有F1断层，与厂房轴线基本平行。厂房应尽量远离F1，以确保厂房围岩稳定和减少渗水量。
　　(2)厂房靠山体侧的F3断层沿冲沟发育，F3影响范围内的不透水层埋藏很深，透水量较大。因此厂房应尽可能远离F3影响带。
　　(3)通过厂房的F7、F28、F29断层，与厂房轴线有较大的夹角，对厂房围岩稳定影响不大。而F12、F2断层与厂房轴线基本平行，F2断层靠河床侧正与厂房顶拱相切，对厂房围岩稳定不利，厂房应尽可能地避开。
　　综合以上因素，同时考虑主变室、尾水调压室及输水系统的布置，确定了主厂房位置。根据实际开挖揭露的地质情况来看，地下厂房位置选择是合理的。
2 厂房纵轴线方向确定
　　2.1 确定原则
　　(1)厂房纵轴线应尽可能垂直于岩体主要节理裂隙的走向或与其成较大的夹角，避免上下游边墙承受较大的侧向压力，以利于围岩稳定。
　　(2)轴线尽可能平行于初始地应力的最大主应力方向或与其成较小夹角。
　　2.2 轴线方向确定
　　根据厂区节理玫瑰图及实测的三维地应力成果，在满足洞室稳定和输水发电系统总布置要求的前提下，厂房轴线方向确定为N40°E。理由如下。
　　(1)根据厂区节理玫瑰图分析，主要节理组方向为N15～30°W，次要节理组方向为N70～85°E。厂房纵轴线与主要节理组方向夹角为55～70°，与次要节理组方向夹角为30～45°。
　　(2)从实测的三维地应力成果看，最大主应力方向为N68.9°E，与厂房纵轴线方向夹角为28.9°，虽然夹角稍偏大，但其应力值为6.80 MPa，属中低应力区，对厂房纵轴线方向选择影响不大。
3 地下洞室群布置
　　除了开关站出线场和控制楼布置于地面外，主厂房、主变室、尾水调压室及其他洞室均布置于地下，形成了一个错综复杂的地下洞室群。
　　厂区枢纽布置采用主厂房、主变室、尾水调压室三大洞室平行布置的形式，因此，三大洞室的纵轴线方向与主要节理的夹角方向均较大，对顶拱和边墙稳定有利。主厂房与主变室间净距22 m(1倍大洞室跨度)，主变室与尾水调压室间净距19.6 m。主变室靠近主厂房布置，母线长度较短，可降低造价，提高运行的可靠性。
　　主厂房与主变室间布置有4条母线洞，每台机组母线通过各自的母线洞至主变室。主变室中布置有电缆电梯竖井，与高程180 m的地面开关站和控制楼相连接，由于主变室与主厂房安装场高程相同，故布置了一条进厂交通洞，担负主厂房和主变室的交通运输。在主厂房和主变室四周设上下两层排水廊道，排水廊道内设D76＠3 m排水孔形成排水帷幕，组成厂区排水系统，以减少主厂房和主变室的渗水量。

　　地下厂房安全通道除靠山体侧的进厂交通洞和电缆电梯竖井直接与地面相通外，靠河床侧还利用下层排水廊道经过2号排风竖井和调压室运输洞与左岸厂坝公路相接。 4 厂房内部布置
　　主厂房洞室开挖尺寸为129.50 m×21.90 m×52.08 m(长×宽×高)，布置有4台单机容量150 MW的竖轴水轮发电机组，机组间距21 m。水轮机安装高程为65.60 m。廊道层、水轮机层、发电机层及厂房洞顶高程分别为59.00、69.80、76.60、100.58 m,尾水管底板高程50.00 m。廊道层布置有盘形阀、滤水设备等；水轮机层上游侧布置调速器、油压装置等水力机械设备及管路，下游侧布置母线出线、电缆等电器设备。发电机层下游侧布置有励磁盘、机旁盘等设备。每一个机组段设楼梯一部，作为连接发电机层和廊道层的垂直交通道。安装场布置在靠山体一侧，长39 m, 按1台机组大修时主要部件堆放的实际需要，同时考虑施工期的安装及卸车等要求确定。检修集水井和渗漏集水井布置于主厂房靠河床侧，为避免机组检修时下游水位倒灌，检修集水井顶部高程为76.60 m，与发电机层高程相同。由于山体内渗透水量难以准确计算，为保证厂房安全运行，厂房内渗漏集水井仅考虑厂房围岩及机组渗漏水量；排水廊道内的山体渗水量流入排水廊道单独设置的集水井内。在主厂房两端各布置1个空调机室。
　　主厂房吊车梁采用岩壁吊车梁，省去了钢筋混凝土吊车柱，缩小了厂房跨度，同时厂房桥机可以提前安装运行，方便施工。主厂房顶部采用轻钢屋架，上设轻质防水屋面，下设轻质吊顶，中间布置通风管道等。

　　为了改善地下厂房的运行条件，副厂房采用分散布置方式，将中控室和电气辅助生产用房及办公用房布置于主变室顶部高程180 m的地面控制楼内，其余房间分别布置于主厂房和主变室内 。

　　主变室开挖尺寸为97.35 m×16.00 m×14.80 m(长×宽×高)，内设两台220 kV三相360 MV·A 　　双卷主变压器，底高程76.60 m，与发电机层相同，主变压器可经进厂交通洞入安装场进行检修。主变室下部为高压电缆道和事故油池。主变室靠近进厂交通洞布置，电缆电梯竖井通向高程180 m地面开关站和控制楼。在主变室两端各布置1个空调机室。

　　母线洞与主厂房纵轴线相垂直，开挖断面为8.00 m×8.40 m(宽×高)，底板高程69.80 m，与主厂房水轮机层高程相同。母线洞内布置有电压互感器柜、发电机断路器、励磁变压器、电气制动柜等设备。 5 地下厂房支护设计
　　5.1 支护设计原则
　　(1)根据厂房部位的地质条件，主厂房、主变室、母线洞、尾水调压室和进厂交通洞等均采用喷锚支护作为永久支护形式，对尾水管、输水隧洞及局部洞室交岔口采用钢筋混凝土衬砌作为永久支护。
　　(2)喷锚支护设计按招标设计阶段地勘报告提供的岩体参数进行，即按维持Ⅱ类围岩稳定所需的支护强度设计。
　　(3)喷锚支护设计按照新奥法原理，采用“设计→施工→监测→修正设计”的方法，在施工中加强监测和观察，根据实际情况随时调整支护参数。
　　5.2 系统喷锚支护设计
　　初期喷锚支护参数的选择主要采用围岩分类法、工程类比法、理论验算法，并辅以有限单元法计算成果进行验证。
　　围岩分类法采用N·Barton, Q系统分类法、Bieniawski 地质力学分类法（RMR）、《GBJ86-85锚杆喷射混凝土支护技术规范》和《SD335-89水电站厂房设计规范》等；工程类比法采用国内外已建地下厂房的实例进行类比；理论验算法采用喷、锚、网联合支护的设计方法验算支护效果；有限单元法采用平面有限元和三维有限元法对地下洞室群的围岩稳定性、初选支护参数的合理性 、地质参数的敏感性等进行分析、论证，选择了较为合理的支护参数。
6 主厂房结构设计
　　主厂房主要结构有尾水管、蜗壳、机墩、风罩、发电机层楼板和岩壁吊车梁等。
　　6.1 尾水管
　　尾水管为单孔钢筋混凝土结构，出口为8 m×8 m的方形断面，轴线与机组纵轴线垂直。尾水管结构由锥管段、弯管段和扩散段三部分组成。由于锥管段和弯管上段四周为大体积混凝土，并设有钢衬，所以设计中只对弯管下段和扩散段进行了结构计算，锥管段及弯管上段参照已建电站经验配置构造钢筋。
　　弯管下段结构计算中，在垂直水流方向切取一代表性剖面，按弹性地基上的箱形结构进行内力计算，由于尾水管杆件截面尺寸较大，跨高比小，故计算中考虑剪切变形和刚性节点影响。扩散段结构计算中，在垂直水流方向切取两个代表性剖面，按钢筋混凝土衬砌结构采用边值法进行结构分析、配筋，按有限元法进行校核。
　　6.2 蜗壳
　　蜗壳采用金属蜗壳，进口直径为5.40 m，顶板最小厚度1.50 m。蜗壳上半部与外围钢筋混凝土之间铺设弹性垫层隔开，使蜗壳外围混凝土不承受内水压力作用。弹性垫层材料采用聚苯乙烯泡沫板，厚度为3 cm。蜗壳外围钢筋混凝土结构为一空间整体结构，计算中简化为平面问题考虑 ，即沿蜗壳中心线0°、90°、180°径向切取3个计算断面，形成一变截面Γ形框架，不考虑各Γ形框架之间的约束作用。采用结构力学和平面有限元方法进行内力分析。考虑到弹性垫层材料具有一定的弹模，正常运行时蜗壳内水压力有可能部分传至外围混凝土结构，为安全计，结构计算中对上述情况进行了校核。
　　6.3 机墩、风罩
　　机墩是水轮发电机组的支承结构，承受着巨大的动荷载和静荷载。本电站机墩形式为圆筒式 ，内径5.93 m，下部最大壁厚4.035 m，高3.145 m，它具有刚度大、抗扭和抗振性能好的特点。机墩结构计算包括动力计算和静力计算两部分。动力计算中忽略机墩自重，用一个作用于圆筒顶的集中质量代替原有圆筒的质量，使在此集中质量作用下的单自由度体系的振动频率与原来的多自由度体系的最小频率接近；机墩的振动作为单自由度体系计算，在计算动力系数及自振频率中不计阻尼影响；机墩的振动为弹性限幅内的微幅振动，力和变位之间的关系服从虎克定律；结构振动时的弹性曲线与在静质量荷载作用下的弹性曲线形式相似，从而可用“动静法”进行动力计算。在静力计算中假定荷载沿圆周均匀分布，正应力取单宽直条按矩形截面偏心受压构件计算；扭矩产生的剪应力假定按两端自由的圆筒受扭公式计算；有人孔部位的扭矩剪应力假定按开口圆筒受扭公式计算；孔边应力集中（正应力）按圆筒展开后的无限大平板开孔公式计算。计算结果除进人孔部位因主拉应力超过混凝土允许拉应力需按计算配筋外，其余部位按构造配筋。
　　发电机风罩为一钢筋混凝土薄壁圆筒结构，内径13 m，壁厚0.50 m，高3.655 m，其底部固结于机墩上，顶部与发电机层楼板整体连接。风罩内力按薄壁圆筒公式进行计算，计算时考虑温度应力的影响，外壁温度取20℃（冬天）、30℃（夏天）；内壁温度取40℃；混凝土浇筑温度根据当地的气温资料取 12℃。计算结果表明，混凝土浇筑温度对风罩内力影响很大，因此在施工中要求严格控制混凝土的浇筑温度。
　　6.4 楼板
　　发电机层楼板采用薄板、次梁、主梁和柱组成的常规板、梁、柱结构系统。设计活荷载发电机层为50 kN/m2，安装场为160 kN/m2。
　　6.5 岩壁吊车梁
　　岩壁吊车梁是通过长锚杆将钢筋混凝土吊车梁固定在岩壁上的结构，吊车的全部荷载通过锚杆和钢筋混凝土吊车梁与岩石接触面上的摩擦力传到岩体上。岩壁吊车梁计算取纵向单米宽度，按刚体极限平衡计算，不考虑吊车梁纵向的影响。桥机设计最大轮压450 kN，计算中对岩壁吊车梁的断面尺寸、岩壁壁座角和上排锚杆倾角进行了多种组合，最终确定的岩壁吊车梁岩壁壁座角α=20°，上排受拉锚杆(A、B锚杆)倾角分别为βＡ=25°、βＢ=20°，锚杆直径和间距均为φ36＠0.75 m，锚杆计算安全系数K=2.24（设计），K′=2.11（校核）。
　　受拉锚杆锚入岩石的深度，一方面是为了吊车梁受力的需要，另一方面是加强岩壁支护和控制围岩变形，根据挪威专家推荐的经验公式L=0.15 H+2 (H为厂房边墙高度m)进行计算，受拉锚杆锚入岩石的深度为8 m 。受压锚杆主要起加固围岩和保证吊车梁混凝土与岩壁良好粘结的作用 ，其直径、间距及锚入岩石的深度，参照已建工程的经验选用φ32＠0.75 m，L=6 m。设计中要求锚杆靠岩壁表面2 m范围涂上沥青，将拉力传至岩体深部以减小锚杆的初始应力(但由于种种原因施工中未被采用)。
7 开关站及控制楼布置
　　厂区山坡岩石球状风化较严重，山坡孤石、滚石较多，开关站布置在左岸高程180.00 m的观音沟附近，左岸上坝公路靠山坡侧。在招标设计中，对开关站的布置进行了地面敞开式配电装置 、地面户内式GIS配电装置及洞内式GIS配电装置和地面出线场等方案比较。在对开关站运行的可靠性和安全性、高边坡的稳定性及滚石的危害性等方面分析后，选定的方案为：将GIS配电装置布置于电缆竖井附近的地下洞室内，通过两个水平通道与地面联系；出线场布置于地面，在平面上与控制楼呈“人”字形。为减少山坡滚石对出线设备的损坏，出线构架布置成三侧和顶部封闭，靠公路一侧开敞的钢筋混凝土结构，将出线设备置于其中。