百色水利枢纽地下厂房的设计优化
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摘要:介绍招标设计阶段百色水电站设计优化情况,重点介绍地下GIS升压站选择、地下洞室布置、厂房防渗排水布置及洞室围岩稳定分析等方面的研究和优化情况,并对采用岩锚梁、取消伸缩节、应用钢纤维喷混凝土、雾化防护等问题进行探讨。
关键词:百色水利枢纽 水电站设计 设计优化
1 设计优化概况
百色水电站为地下式水电站,装机容量4×135MW,电站建筑物布置于主坝区左岸。招标设计阶段,除将主变及升压站由地面布置改为地下布置外,电站总体布置维持初设阶段的布置格局。水电站建筑物包括:进水口、引水隧洞、地下主厂房和主变洞及母线廊道、高压电缆廊道、灌浆排水廊道、交通洞、疏散洞、排风竖井等附属洞室、尾水隧洞及尾水渠等。除进水口、引水隧洞、尾水渠及交通洞部分洞段等部位的岩层主要为岩性较差的榴江组硅质岩、硅质泥岩、泥岩外,其余地下厂房洞室即主厂房和主变洞及其附属洞室、尾水隧洞等均布置在岩体抗压强度较高、渗透系数较小但裂隙较发育且出露宽度仅约150m的辉绿岩带内。
(1)主变和升压站由初设的地面布置改为地下布置。进一步开展了升压配电设备的选型和布置方案的比较,论证了采用地下GIS升压站的合理性,选择了往左岸挡水坝段出线的高压出线方案。
(2)地下厂房设置独立的防渗排水系统。进行了厂区地下洞室群的渗流场分析,设置了独立的厂房防渗排水系统,加强了厂房渗流控制措施。
(3)尾水隧洞布置的优化。进行了电站调保及尾水系统水力学计算,为避免明满流交替,尾水主洞由等断面顺坡式改为变断面上翘式。
(4)地下洞室布置的优化。采用地下GIS升压站方案后,洞室布置从初设的“主厂房+尾闸室”一大一小两洞布置改为“主厂房+主变洞”两大洞室布置。
2 建筑物设计优化研究
2.1 地下GIS升压站方案的研究
虽然SF6全封闭组合电器(GIS)的性能和可靠性优于常规设备,但鉴于初设阶段时期其设备造价较高,电站升压站型式推荐采用地面敞开式升压站方案,升压配电装置采用SF6瓷柱式断路器和敞开的隔离开关等常规设备。
招标设计阶段,随着技术的进步,GIS技术应用已趋于广泛和成熟,其设备价格已经降低,采用GIS设备也更能适应现代电站“少人值班”的要求,同时考虑到地面升压站高边坡问题较突出,工程运行的安全性和可靠性较差,因此,对地面常规式、地面GIS式和地下GIS式升压站方案进行了深入比较。两个地面方案的升压站均布置在地下厂房顶部山坡开挖形成的平台上。地下GIS升压站方案则是将主变和GIS等设备布置于主厂房下游侧的地下主变洞内,山顶无出线场。
技术上,GIS设备的可靠性、维护检修等性能指标远优于敞开式常规设备。经济上,虽然GIS设备投资相对较大,但在设备、土建、运行费等的综合费用上,地下GIS方案均比两个地面方案省。施工进度上,由于电站发电工期是受大坝施工进度控制,地下GIS方案增加主变洞后并不会影响发电工期。安全性上,地下GIS方案由于无地面升压站的大面积和高边坡开挖,因而在避免高边坡开挖、提高升压站运行的安全性、可靠性方面优越于地面方案。因此,招标设计阶段采用了技术经济条件优越的地下GIS升压站方案。
2.2 电站高压出线方案的选择
为选择合理的出线方案,对电站高压出线进行了三个方案的比较:方案一为往左岸挡水坝出线;方案二为往主变洞顶部山坡出线;方案三为往尾水渠上游侧边坡出线。
方案一考虑从主变洞设高压电缆廊道出至消力池左侧137.0m高程平台,然后接进大坝138.0m高程横向廊道,再经坝内电梯井引至左岸坝段下游坝坡214.0m高程出线平台之后出线。设计中曾比较过采用水平廊道加竖井于副厂房右侧位置引至左岸坝段坝址处,然后沿坝坡上至出线平台的方案,但因该方案与大坝施工干扰大、施工安装困难、运行维修不便、投资节省不多而被放弃。
方案二考虑在主变洞右端设电缆竖井直通地面出线场。该方案需在山坡上设有出线场,同时为满足出线场的施工、对外交通及运行检修的需要,需设一条长约240m的出线场对外公路。对外公路布置于尾水平台公路和上坝公路之间,三条公路相对较集中,边坡总高度约达140m,山坡地质条件较差。该方案高边坡问题非常突出,边坡处理工程量大,运行安全性差。
方案三考虑以水平廊道和竖井引线至尾水渠上游侧开挖边坡上的出线场。该方案可减少一定的土建工程量,但220kV出线直接跨右江,其平面位置距大坝消力池较近,跨江高压线高程也偏低,220kV出线以及出线场设备受大坝泄洪雾化影响严重,运行安全难以保证。
安装、运行条件上,方案一的出线设备和线路运行安全可靠、维护方便,但电缆竖井较高,安装有一定难度;方案二的户外设备和线路均能安全运行,但出线场为高差较大的阶梯式布置,运行维护不够方便,电缆竖井也较高,安装也有一定难度;方案三的出线设备安装相对简单,但设备及220kV出线受大坝泄洪影响严重,难以保证运行的安全可靠。投资方面,方案三投资最省,方案一次之,方案二最高。
综上所述,方案二的技术经济评价最差,方案三虽可省投资,但难于保证设备和220kV线路的安全运行,方案一的综合技术经济比较占优,因此选择方案一即往左岸挡水坝段出线为电站高压出线布置方案。
2.3 厂房防渗排水系统的设计优化
初设阶段,厂房防渗帷幕与大坝防渗帷幕相结合,防渗帷幕距厂房较远,帷幕的中下部为透水性较强的榴江组地层,所设帷幕难于形成封闭型的帷幕。招标设计阶段,为增加厂房防渗的可靠性,进一步降低地下水位、控制渗透压力、保证洞室围岩稳定,确保电站运行安全,设置了独立的厂房防渗排水系统,即在厂房上游侧及左、右侧设置厂房防渗帷幕及排水幕,防渗帷幕底设至相对隔水层。共布置有两层灌浆廊道和两层排水廊道,左、右侧排水廊道均与灌浆廊道共用,廊道断面宽3.0m,高3.5m。为加强排水效果,厂房左侧廊道排水孔的间距比初设阶段的间距要小。另外,引水隧洞在厂房上游边墙前设置有长约44m的钢板衬砌,钢衬段首部设环形阻水灌浆帷幕,此帷幕与厂房防渗帷幕相连接,以加强防渗效果。厂房上游侧排水廊道布置方案研究中,对其顶层廊道设置的必要性几经反复论证,从渗流场理论计算成果看,不设顶层排水廊道是可行的,但设计中吸取国内外地下厂房工程防渗排水设计和运行的经验教训,考虑到水库蓄水后在库水以及降雨的作用下地下洞室围岩地下水运动的复杂性,从工程运行安全考虑,最终保留了顶层排水廊道。渗流场计算成果表明,优化后的防渗排水系统设计合理,防渗排水效果显着。
2.4 尾水系统设计优化
初设阶段,尾水主洞按顺坡布置,从1#尾水支洞末端的宽8m、高9.41m渐变至2#尾水支洞与主洞轴线交线处的宽13m、高25m,此后主洞断面不变。
招标设计阶段对初设尾水隧洞布置方案补充进行了调保及尾水系统水力学计算,成果表明:在常遇洪水位(即50年一遇洪水,大坝控泄流量3000m3/s相应尾水位126.6m)以下额时,尾水主洞为明流状态,过渡过程中除尾水主洞上游端渐变段出现明满流交替外,其余段未出现明满流交替;下游水位在131.5m附近时,发生明显的明满流交替;某些工况下,可能发生较为剧烈的压力(水面)陡升和陡降。
为避免气囊气垫的产生和明满流交替,招标设计阶段将尾水主洞洞底由初设的顺坡改为平底,洞顶由顺坡改为5 %纵坡的上翘型,尾水支洞与尾水主洞的连接由初设的顺坡改为反坡。尾水主洞洞高21.5m~26.2m,洞宽在上游端长18.82m段从8m渐变至13m,此后宽度不变。调保及尾水水力学计算成果表明:修改后的尾水系统布置可满足机组调节保证要求,尾水隧洞在常遇洪水时能保持明流状态,不出现明满流交替,尾水主洞中为完全明流或完全满流时,尾水主洞及尾水渠的压力和水位波动均较小。
初设阶段,为满足尾水隧洞的检修需要,尾水主洞出口段预留一道检修闸门槽,以后拟采用临时闸门及临时启闭设备进行挡水检修。经招标设计阶段进一步的方案比较,尾水隧洞的检修考虑采用在尾水渠115m高程平台堆筑临时围堰的方法挡水检修,从而取消了初设预留的检修闸门槽,尾水平台宽度相应减小。
2.5 主要地下洞室布置
招标设计阶段地下主要洞室布置的变动主要是由初设的“主厂房+尾闸室”一大一小洞室布置改为“主厂房+主变洞”两大洞室布置。
主厂房长147m,顶拱跨度20.7m,最大高度49m。主厂房总长度比初设增加了13m,主要是因为采用地下GIS升压站方案后机电设备布置所需而增加了副厂房的长度。为减小地下厂房跨度和高度,经机电设备布置优化,厂房顶拱宽度比初设减少了0.5m,厂房宽度由初设的20m缩小为19.5m,厂房高度由初设的50m降为49m。厂房吊车梁上游侧采用岩锚梁,下游侧因母线廊道拱顶距吊车梁底较近,故采用普通带柱吊车梁型式。
主变洞与主厂房平行布置,两洞室间的岩柱厚度为20.5m,约为一倍洞跨,主变洞的上覆有效岩体厚度约为18m,属于浅埋洞室。主变洞长93.8m,宽19.2m,高24.8m。主变洞内设主变室和尾闸室,右端设有一内径4m、高27m的通至地面的排风竖井。根据闸门井布置及闸门检修方面的优化,尾闸室宽度由初设的6m减少至5.4m。
主厂房与主变洞之间布置有4条母线廊道,廊道底高程由初设的与母线层高程平齐抬高为与发电机层高程平齐,廊道宽5.5~6.5m,高5.5~7m。
高压电缆廊道与坝轴线平行,断面宽3m,高4~5.5m,长70m(含洞口段)。137m平台上的电缆廊道宽2.5m,高4.5m,长32m。
交通洞洞口至主变洞段,宽8.0m,高6.5m,与初设相同,主变洞至主厂房段,因运输、安装主变需要,宽度增大至11m,高度增加至9.25m。通风疏散洞为保证与主变洞间有一定的岩柱厚度,比初设右移了9.85m。疏散洞洞宽8m,高6.5m,与初设相同,洞底高程结合副厂房楼层布置情况拟定为137.6m,比初设的139.2m低。因机电布置需要,疏散洞在主变洞至副厂房段需深挖至发电机层高程。
防渗排水廊道及尾水隧洞布置如2.3、2.4所述。
2.6 围岩稳定分析研究
初设阶段是在进水塔附近位置进行地应力测试,成果仅有一组,其成果表明,厂房区地应力场是具有垂直方向的构造应力场。招标设计阶段在地下主厂房位置重新进行了地应力测试,其成果表明,厂房区最大主应力近于水平向,量值5~7MPa,方位角45°~72°,倾角-13°~0°,最小主应力量值2~3.5MPa,倾角较大,平均为63°,厂房区属于中等地应力区,且以水平构造应力场为主。两个阶段的地应力测试成果的主要差别在于最大主应力方向不同,方位角也不同。根据地质构造形迹及应变计标定试验成果等综合分析判断,招标设计阶段地应力测试成果比初设成果合理,更具可信性。
地下厂房洞室围岩无大的构造断裂,但裂隙较发育,除初设探明的四组主要节理裂隙外,进一步的地质工作表明,厂房洞室区域内尚存在S3、S4两条构造蚀变带和一条规模较大的节理J163,其中S3和J163从主厂房和主变洞之间通过。S3、S4构造蚀变带宽0.2~0.5m,组成物为构造蚀变辉绿岩,胶结好、强度高,但具有易风化和遇水易软化特点。J163节理充填8~15cm厚的方解石、岩屑及泥岩,呈闭合~稍张状。构造蚀变带及节理的发育对洞室的围岩稳定存在不利的影响。
鉴于地下洞室布置方案改变、地应力测试成果不同、地质条件的进一步探明,招标设计阶段,对地下厂房洞室围岩稳定重新进行了有限元分析计算研究。计算中,模拟了洞室围岩中的主要裂隙及其组合、渗流场作用、不同的开挖程序及支护措施,并采用实测地应力场进行计算,成果表明:主厂房、主变洞、尾水主洞的顶拱及主厂房上游边墙的塑性区均较小,只有2~4m;地下洞室的位移不大,均属于正常值范围;因主厂房与主变洞之间的岩柱厚度较小且受S3和J163影响,局部部位塑性区、拉损区较大,需加强支护;在采用喷混凝土加系统锚杆、局部采用张拉锚杆或预应力锚索加固的支护措施以及推荐采用的地下洞室开挖支护程序的情况下,洞室围岩稳定是可以保证的,洞室布置是可行、合理的。
3 主要问题的探讨
经过多方案的研究、多专题的论证和多方面专家的咨询,招标设计阶段百色水电站建筑物采用了上述优化后的设计方案,现提出对其中几个问题的看法,与同仁们探讨,期望能在工程实施阶段有关方面决策参考。
3.1 主厂房下游侧采用岩锚梁的可行性和必要性
初设阶段,母线廊道底高程与母线层平齐,母线廊道与尾水管间的最小岩柱厚度约8m。招标设计阶段,考虑到洞室围岩裂隙较发育,同时结合机电布置需要并方便交通和运行管理,将母线廊道底高程抬高至发电机层高程,以加大母线廊道与尾水管间的岩柱厚度,但母线廊道抬高后,母线廊道拱顶已接近于吊车梁底高程,因此,主厂房下游侧采用了普通的有柱吊车梁型式,柱底座落于水轮机层高程。
采用普通有柱吊车梁,需等到厂房开挖完成后或柱基础有持力岩基后才能开始浇筑柱和吊车梁,而采用岩锚梁可在地下厂房开挖至中部时(高出发电机层高程约5m)即可开始进行岩锚梁锚杆及混凝土施工,这样可提前安装吊车、提早投入使用,为洞室下部的开挖、机电安装及混凝土浇筑提供方便,加快施工进度,缩短施工工期(经分析并参照其它工程的经验,可缩短工期约3~4个月),降低工程造价。因此,研究主厂房下游侧采用岩锚梁方案是很有必要的。
要采用岩锚梁,可考虑将母线廊道降低至母线层,保证廊道顶至岩锚梁底有足够厚度的岩体,廊道与尾水管之间的岩柱稳定通过选择合理的施工程序并加强支护措施予以保证。另外也可考虑在现方案情况下,在母线廊道洞口处设支承吊车梁的城门拱结构(洞口处机电布置需相应作调整),这样吊车梁可按常规岩锚梁设计。值得注意的是,在本工程地下厂房围岩裂隙较发育的地质条件下,需深入研究围岩开挖变形对岩锚梁锚杆受力的影响,并采取相应措施保证围岩稳定及岩锚梁锚杆受力的可靠度,以保证岩锚梁的使用安全。
3.2 取消蜗壳钢管伸缩节的可行性
从消除因温度荷载、温度变化或不均匀沉陷等原因可能引起钢管的附加应力的角度出发,招标文件中,厂房蜗壳压力钢管设置了伸缩节。
设置伸缩节固然有其优点,但必然增加投资,增加制造、安装和维修的困难。本工程不是高地温地区,压力钢管又是深埋于辉绿岩体内的地下埋管,辉绿岩无断层通过,地下环境中温度变幅也较小,钢管外包的混凝土是在围岩变形稳定或基本稳定后才进行浇筑,因此,温度荷载和温度变化引起的应力较小,地基产生不均匀沉陷的可能性很小,混凝土干缩或膨胀产生的应力可通过工程措施控制在较小的范围内。因此本工程取消伸缩节是可行的。国内近几年施工的地下厂房工程,大多也不设伸缩节,这也是可以借鉴的。
3.3 钢纤维喷混凝土技术的推广应用
对于本工程是否应用钢纤维喷混凝土问题,各方面的观点不尽相同。笔者认为,钢纤维喷混凝土与一般喷混凝土相比,具有良好的韧性、延展性、耐磨性和抗裂性,同时具有简化施工、加快施工进度的优点,并具有较好的施工安全性,可以缓解围岩应力重分布造成的破坏,采用钢纤维喷混凝土和锚杆、锚索相结合作为永久支 护,可获取良好的支护效果和经济效益,应推广应用。
本工程地下洞室围岩支护中可考虑采用钢纤维喷混凝土技术,特别是在大跨度洞室的顶拱和边墙、不良地质部位、围岩产生较大塑性区和拉损区部位、交叉洞口部位及变形较大的部位,采用钢纤维喷混凝土是适宜的、有效的。应用钢纤维喷混凝土除需进行理论研究外,尚应进行现场试验,以检验施工工艺及喷射效果,测试钢纤维喷混凝土力学指标,确定最佳配合比,验证适宜性,从而保证钢纤维喷混凝土施工的质量,发挥有效的支护效果。
3.4 雾化问题研究
本工程大坝为碾压混凝土高坝,采用表孔宽尾墩、中孔射流、底流消力池的联合消能方式。大坝泄洪引起下游局部区域雾化是不可避免的现象。大坝下游左岸主要建筑物是进厂交通道路、尾水渠高边坡、交通洞洞口、疏散洞洞口等,这些部位的地质条件均较差,参照其它工程的雾化情况,这些建筑物应是处于大坝泄洪雾化区内。若在上述区域产生雾化形成暴雨径流,可能给工程带来的不利影响是:雾化降雨直接冲击山坡,降雨渗入高边坡岩土体内后,降低抗滑力,可能诱发滑坡或洞口结构失稳,导致厂房进水而影响电站正常运行,同时造成进厂交通和安全疏散通道中断。本工程一直未对雾化问题进行深入的理论研究和模型试验,雾化影响范围和程度无法定量评价,而根据国内外工程的经验和教训,雾化可能带来的不利影响应引起足够的重视。
对于本工程,除设计中尽可能避开可能产生雾化的区域布置建筑物、对雾化区内的建筑物和边坡加强防护和排水外,有必要进行物理模型雾化试验,并与理论分析相结合对雾化的影响范围和程度进行研究,同时对雾化区内的高边坡进行稳定分析,寻求稳妥的雾化防护措施,并加强雾化原型观测,确保工程运行安全。若鉴于本工程雾化机率小或基于其它方面考虑,不再进行雾化试验研究而维持招标设计尾水区域的边坡、洞口设计方案,则对边坡防护和洞口结构设计增加一定的安全裕度是有必要的。