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土木工程畢業(yè)論文-百色水利樞紐地下廠房設(shè)計優(yōu)化
摘要：介紹招標(biāo)設(shè)計階段百色水電站設(shè)計優(yōu)化情況，重點介紹地下GIS升壓站選擇、地下洞室布置、廠房防滲排水布置及洞室圍巖穩(wěn)定等方面的和優(yōu)化情況，并對采用巖錨梁、取消伸縮節(jié)、鋼纖維噴混凝土、霧化防護等進行探討。關(guān)鍵詞：百色水利樞紐 水電站設(shè)計 設(shè)計優(yōu)化
1 設(shè)計優(yōu)化概況
百色水電站為地下式水電站，裝機容量4×135MW，電站建筑物布置于主壩區(qū)左岸。招標(biāo)設(shè)計階段，除將主變及升壓站由地面布置改為地下布置外，電站總體布置維持初設(shè)階段的布置格局。水電站建筑物包括：進水口、引水隧洞、地下主廠房和主變洞及母線廊道、高壓電纜廊道、灌漿排水廊道、洞、疏散洞、排風(fēng)豎井等附屬洞室、尾水隧洞及尾水渠等。除進水口、引水隧洞、尾水渠及交通洞部分洞段等部位的巖層主要為巖性較差的榴江組硅質(zhì)巖、硅質(zhì)泥巖、泥巖外，其余地下廠房洞室即主廠房和主變洞及其附屬洞室、尾水隧洞等均布置在巖體抗壓強度較高、滲透系數(shù)較小但裂隙較發(fā)育且出露寬度僅約150m的輝綠巖帶內(nèi)。
招標(biāo)設(shè)計階段主要進行了以下幾個方面的設(shè)計優(yōu)化：
（1）主變和升壓站由初設(shè)的地面布置改為地下布置。進一步開展了升壓配電設(shè)備的選型和布置方案的比較，論證了采用地下GIS升壓站的合理性，選擇了往左岸擋水壩段出線的高壓出線方案。
（2）地下廠房設(shè)置獨立的防滲排水系統(tǒng)。進行了廠區(qū)地下洞室群的滲流場分析，設(shè)置了獨立的廠房防滲排水系統(tǒng)，加強了廠房滲流控制措施。
（3）尾水隧洞布置的優(yōu)化。進行了電站調(diào)保及尾水系統(tǒng)水力學(xué)，為避免明滿流交替，尾水主洞由等斷面順坡式改為變斷面上翹式。
（4）地下洞室布置的優(yōu)化。采用地下GIS升壓站方案后，洞室布置從初設(shè)的“主廠房+尾閘室”一大一小兩洞布置改為“主廠房+主變洞”兩大洞室布置。
2 建筑物設(shè)計優(yōu)化研究
2.1 地下GIS升壓站方案的研究
雖然SF6全封閉組合電器（GIS）的性能和可靠性優(yōu)于常規(guī)設(shè)備，但鑒于初設(shè)階段時期其設(shè)備造價較高，電站升壓站型式推薦采用地面敞開式升壓站方案，升壓配電裝置采用SF6瓷柱式斷路器和敞開的隔離開關(guān)等常規(guī)設(shè)備。
招標(biāo)設(shè)計階段，隨著技術(shù)的進步，GIS技術(shù)應(yīng)用已趨于廣泛和成熟，其設(shè)備價格已經(jīng)降低，采用GIS設(shè)備也更能適應(yīng)電站“少人值班”的要求，同時考慮到地面升壓站高邊坡問題較突出，工程運行的安全性和可靠性較差，因此，對地面常規(guī)式、地面GIS式和地下GIS式升壓站方案進行了深入比較。兩個地面方案的升壓站均布置在地下廠房頂部山坡開挖形成的平臺上。地下GIS升壓站方案則是將主變和GIS等設(shè)備布置于主廠房下游側(cè)的地下主變洞內(nèi)，山頂無出線場。
技術(shù)上，GIS設(shè)備的可靠性、維護檢修等性能指標(biāo)遠優(yōu)于敞開式常規(guī)設(shè)備。上，雖然GIS設(shè)備投資相對較大，但在設(shè)備、土建、運行費等的綜合費用上，地下GIS方案均比兩個地面方案省。施工進度上，由于電站發(fā)電工期是受大壩施工進度控制，地下GIS方案增加主變洞后并不會發(fā)電工期。安全性上，地下GIS方案由于無地面升壓站的大面積和高邊坡開挖，因而在避免高邊坡開挖、提高升壓站運行的安全性、可靠性方面優(yōu)越于地面方案。因此，招標(biāo)設(shè)計階段采用了技術(shù)經(jīng)濟條件優(yōu)越的地下GIS升壓站方案。
2.2 電站高壓出線方案的選擇
為選擇合理的出線方案，對電站高壓出線進行了三個方案的比較：方案一為往左岸擋水壩出線；方案二為往主變洞頂部山坡出線；方案三為往尾水渠上游側(cè)邊坡出線。
方案一考慮從主變洞設(shè)高壓電纜廊道出至消力池左側(cè)137.0m高程平臺，然后接進大壩138.0m高程橫向廊道，再經(jīng)壩內(nèi)電梯井引至左岸壩段下游壩坡214.0m高程出線平臺之后出線。設(shè)計中曾比較過采用水平廊道加豎井于副廠房右側(cè)位置引至左岸壩段壩址處，然后沿壩坡上至出線平臺的方案，但因該方案與大壩施工干擾大、施工安裝困難、運行維修不便、投資節(jié)省不多而被放棄。
方案二考慮在主變洞右端設(shè)電纜豎井直通地面出線場。該方案需在山坡上設(shè)有出線場，同時為滿足出線場的施工、對外交通及運行檢修的需要，需設(shè)一條長約240m的出線場對外公路。對外公路布置于尾水平臺公路和上壩公路之間，三條公路相對較集中，邊坡總高度約達140m，山坡地質(zhì)條件較差。該方案高邊坡問題非常突出，邊坡處理工程量大，運行安全性差。
方案三考慮以水平廊道和豎井引線至尾水渠上游側(cè)開挖邊坡上的出線場。該方案可減少一定的土建工程量，但220kV出線直接跨右江，其平面位置距大壩消力池較近，跨江高壓線高程也偏低，220kV出線以及出線場設(shè)備受大壩泄洪霧化影響嚴重，運行安全難以保證。
安裝、運行條件上，方案一的出線設(shè)備和線路運行安全可靠、維護方便，但電纜豎井較高，安裝有一定難度；方案二的戶外設(shè)備和線路均能安全運行，但出線場為高差較大的階梯式布置，運行維護不夠方便，電纜豎井也較高，安裝也有一定難度；方案三的出線設(shè)備安裝相對簡單，但設(shè)備及220kV出線受大壩泄洪影響嚴重，難以保證運行的安全可靠。投資方面，方案三投資最省，方案一次之，方案二最高。
綜上所述，方案二的技術(shù)經(jīng)濟評價最差，方案三雖可省投資，但難于保證設(shè)備和220kV線路的安全運行，方案一的綜合技術(shù)經(jīng)濟比較占優(yōu)，因此選擇方案一即往左岸擋水壩段出線為電站高壓出線布置方案。
2.3 廠房防滲排水系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化
初設(shè)階段，廠房防滲帷幕與大壩防滲帷幕相結(jié)合，防滲帷幕距廠房較遠，帷幕的中下部為透水性較強的榴江組地層，所設(shè)帷幕難于形成封閉型的帷幕。招標(biāo)設(shè)計階段，為增加廠房防滲的可靠性，進一步降低地下水位、控制滲透壓力、保證洞室圍巖穩(wěn)定，確保電站運行安全，設(shè)置了獨立的廠房防滲排水系統(tǒng)，即在廠房上游側(cè)及左、右側(cè)設(shè)置廠房防滲帷幕及排水幕，防滲帷幕底設(shè)至相對隔水層。共布置有兩層灌漿廊道和兩層排水廊道，左、右側(cè)排水廊道均與灌漿廊道共用，廊道斷面寬3.0m，高3.5m。為加強排水效果，廠房左側(cè)廊道排水孔的間距比初設(shè)階段的間距要小。另外，引水隧洞在廠房上游邊墻前設(shè)置有長約44m的鋼板襯砌，鋼襯段首部設(shè)環(huán)形阻水灌漿帷幕，此帷幕與廠房防滲帷幕相連接，以加強防滲效果。廠房上游側(cè)排水廊道布置方案研究中，對其頂層廊道設(shè)置的必要性幾經(jīng)反復(fù)論證，從滲流場計算成果看，不設(shè)頂層排水廊道是可行的，但設(shè)計中吸取國內(nèi)外地下廠房工程防滲排水設(shè)計和運行的經(jīng)驗教訓(xùn)，考慮到水庫蓄水后在庫水以及降雨的作用下地下洞室圍巖地下水運動的復(fù)雜性，從工程運行安全考慮，最終保留了頂層排水廊道。滲流場計算成果表明，優(yōu)化后的防滲排水系統(tǒng)設(shè)計合理，防滲排水效果顯著。
2.4 尾水系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化
初設(shè)階段，尾水主洞按順坡布置，從1＃尾水支洞末端的寬8m、高9.41m漸變至2#尾水支洞與主洞軸線交線處的寬13m、高25m，此后主洞斷面不變。
招標(biāo)設(shè)計階段對初設(shè)尾水隧洞布置方案補充進行了調(diào)保及尾水系統(tǒng)水力學(xué)計算，成果表明：在常遇洪水位（即50年一遇洪水，大壩控泄流量3000m3/s相應(yīng)尾水位126.6m）以下額時，尾水主洞為明流狀態(tài)，過渡過程中除尾水主洞上游端漸變段出現(xiàn)明滿流交替外，其余段未出現(xiàn)明滿流交替；下游水位在131.5m附近時，發(fā)生明顯的明滿流交替；某些工況下，可能發(fā)生較為劇烈的壓力（水面）陡升和陡降。
為避免氣囊氣墊的產(chǎn)生和明滿流交替，招標(biāo)設(shè)計階段將尾水主洞洞底由初設(shè)的順坡改為平底，洞頂由順坡改為5 %縱坡的上翹型，尾水支洞與尾水主洞的連接由初設(shè)的順坡改為反坡。尾水主洞洞高21.5m~26.2m，洞寬在上游端長18.82m段從8m漸變至13m，此后寬度不變。調(diào)保及尾水水力學(xué)計算成果表明：修改后的尾水系統(tǒng)布置可滿足機組調(diào)節(jié)保證要求，尾水隧洞在常遇洪水時能保持明流狀態(tài)，不出現(xiàn)明滿流交替，尾水主洞中為完全明流或完全滿流時，尾水主洞及尾水渠的壓力和水位波動均較小。
初設(shè)階段，為滿足尾水隧洞的檢修需要，尾水主洞出口段預(yù)留一道檢修閘門槽，以后擬采用臨時閘門及臨時啟閉設(shè)備進行擋水檢修。經(jīng)招標(biāo)設(shè)計階段進一步的方案比較，尾水隧洞的檢修考慮采用在尾水渠115m高程平臺堆筑臨時圍堰的擋水檢修，從而取消了初設(shè)預(yù)留的檢修閘門槽，尾水平臺寬度相應(yīng)減小。
2.5 主要地下洞室布置
招標(biāo)設(shè)計階段地下主要洞室布置的變動主要是由初設(shè)的“主廠房+尾閘室”一大一小洞室布置改為“主廠房+主變洞”兩大洞室布置。
主廠房長147m，頂拱跨度20.7m，最大高度49m。主廠房總長度比初設(shè)增加了13m，主要是因為采用地下GIS升壓站方案后機電設(shè)備布置所需而增加了副廠房的長度。為減小地下廠房跨度和高度，經(jīng)機電設(shè)備布置優(yōu)化，廠房頂拱寬度比初設(shè)減少了0.5m，廠房寬度由初設(shè)的20m縮小為19.5m，廠房高度由初設(shè)的50m降為49m。廠房吊車梁上游側(cè)采用巖錨梁，下游側(cè)因母線廊道拱頂距吊車梁底較近，故采用普通帶柱吊車梁型式。
主變洞與主廠房平行布置，兩洞室間的巖柱厚度為20.5m，約為一倍洞跨，主變洞的上覆有效巖體厚度約為18m，屬于淺埋洞室。主變洞長93.8m，寬19.2m，高24.8m。主變洞內(nèi)設(shè)主變室和尾閘室，右端設(shè)有一內(nèi)徑4m、高27m的通至地面的排風(fēng)豎井。根據(jù)閘門井布置及閘門檢修方面的優(yōu)化，尾閘室寬度由初設(shè)的6m減少至5.4m。
主廠房與主變洞之間布置有4條母線廊道，廊道底高程由初設(shè)的與母線層高程平齊抬高為與發(fā)電機層高程平齊，廊道寬5.5~6.5m，高5.5~7m。
高壓電纜廊道與壩軸線平行，斷面寬3m，高4~5.5m，長70m（含洞口段）。137m平臺上的電纜廊道寬2.5m，高4.5m，長32m。
交通洞洞口至主變洞段，寬8.0m，高6.5m，與初設(shè)相同，主變洞至主廠房段，因運輸、安裝主變需要，寬度增大至11m，高度增加至9.25m。通風(fēng)疏散洞為保證與主變洞間有一定的巖柱厚度，比初設(shè)右移了9.85m。疏散洞洞寬8m，高6.5m，與初設(shè)相同，洞底高程結(jié)合副廠房樓層布置情況擬定為137.6m，比初設(shè)的139.2m低。因機電布置需要，疏散洞在主變洞至副廠房段需深挖至發(fā)電機層高程。
防滲排水廊道及尾水隧洞布置如2.3、2.4所述。
2.6 圍巖穩(wěn)定分析研究
初設(shè)階段是在進水塔附近位置進行地應(yīng)力測試，成果僅有一組，其成果表明，廠房區(qū)地應(yīng)力場是具有垂直方向的構(gòu)造應(yīng)力場。招標(biāo)設(shè)計階段在地下主廠房位置重新進行了地應(yīng)力測試，其成果表明，廠房區(qū)最大主應(yīng)力近于水平向，量值5～7MPa，方位角45°～72°，傾角-13°～0°，最小主應(yīng)力量值2～3.5MPa，傾角較大，平均為63°，廠房區(qū)屬于中等地應(yīng)力區(qū)，且以水平構(gòu)造應(yīng)力場為主。兩個階段的地應(yīng)力測試成果的主要差別在于最大主應(yīng)力方向不同，方位角也不同。根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造形跡及應(yīng)變計標(biāo)定試驗成果等綜合分析判斷，招標(biāo)設(shè)計階段地應(yīng)力測試成果比初設(shè)成果合理，更具可信性。
地下廠房洞室圍巖無大的構(gòu)造斷裂，但裂隙較發(fā)育，除初設(shè)探明的四組主要節(jié)理裂隙外，進一步的地質(zhì)工作表明，廠房洞室區(qū)域內(nèi)尚存在S3、S4兩條構(gòu)造蝕變帶和一條規(guī)模較大的節(jié)理J163，其中S3和J163從主廠房和主變洞之間通過。S3、S4構(gòu)造蝕變帶寬0.2~0.5m，組成物為構(gòu)造蝕變輝綠巖，膠結(jié)好、強度高，但具有易風(fēng)化和遇水易軟化特點。J163節(jié)理充填8~15cm厚的方解石、巖屑及泥巖，呈閉合~稍張狀。構(gòu)造蝕變帶及節(jié)理的發(fā)育對洞室的圍巖穩(wěn)定存在不利的影響。
鑒于地下洞室布置方案改變、地應(yīng)力測試成果不同、地質(zhì)條件的進一步探明，招標(biāo)設(shè)計階段，對地下廠房洞室圍巖穩(wěn)定重新進行了有限元分析計算研究。計算中，模擬了洞室圍巖中的主要裂隙及其組合、滲流場作用、不同的開挖程序及支護措施，并采用實測地應(yīng)力場進行計算，成果表明：主廠房、主變洞、尾水主洞的頂拱及主廠房上游邊墻的塑性區(qū)均較小，只有2~4m；地下洞室的位移不大，均屬于正常值范圍；因主廠房與主變洞之間的巖柱厚度較小且受S3和J163影響，局部部位塑性區(qū)、拉損區(qū)較大，需加強支護；在采用噴混凝土加系統(tǒng)錨桿、局部采用張拉錨桿或預(yù)應(yīng)力錨索加固的支護措施以及推薦采用的地下洞室開挖支護程序的情況下，洞室圍巖穩(wěn)定是可以保證的，洞室布置是可行、合理的。
3 主要的探討
經(jīng)過多方案的、多專題的論證和多方面專家的咨詢，招標(biāo)設(shè)計階段百色水電站建筑物采用了上述優(yōu)化后的設(shè)計方案，現(xiàn)提出對其中幾個問題的看法，與同仁們探討，期望能在工程實施階段有關(guān)方面決策。
3.1 主廠房下游側(cè)采用巖錨梁的可行性和必要性
初設(shè)階段，母線廊道底高程與母線層平齊，母線廊道與尾水管間的最小巖柱厚度約8m。招標(biāo)設(shè)計階段，考慮到洞室圍巖裂隙較發(fā)育，同時結(jié)合機電布置需要并方便和運行管理，將母線廊道底高程抬高至發(fā)電機層高程，以加大母線廊道與尾水管間的巖柱厚度，但母線廊道抬高后，母線廊道拱頂已接近于吊車梁底高程，因此，主廠房下游側(cè)采用了普通的有柱吊車梁型式，柱底座落于水輪機層高程。
采用普通有柱吊車梁，需等到廠房開挖完成后或柱基礎(chǔ)有持力巖基后才能開始澆筑柱和吊車梁，而采用巖錨梁可在地下廠房開挖至中部時（高出發(fā)電機層高程約5m）即可開始進行巖錨梁錨桿及混凝土施工，這樣可提前安裝吊車、提早投入使用，為洞室下部的開挖、機電安裝及混凝土澆筑提供方便，加快施工進度，縮短施工工期（經(jīng)并參照其它工程的經(jīng)驗，可縮短工期約3～4個月），降低工程造價。因此，研究主廠房下游側(cè)采用巖錨梁方案是很有必要的。
要采用巖錨梁，可考慮將母線廊道降低至母線層，保證廊道頂至巖錨梁底有足夠厚度的巖體，廊道與尾水管之間的巖柱穩(wěn)定通過選擇合理的施工程序并加強支護措施予以保證。另外也可考慮在現(xiàn)方案情況下，在母線廊道洞口處設(shè)支承吊車梁的城門拱結(jié)構(gòu)（洞口處機電布置需相應(yīng)作調(diào)整），這樣吊車梁可按常規(guī)巖錨梁設(shè)計。值得注意的是，在本工程地下廠房圍巖裂隙較發(fā)育的地質(zhì)條件下，需深入研究圍巖開挖變形對巖錨梁錨桿受力的，并采取相應(yīng)措施保證圍巖穩(wěn)定及巖錨梁錨桿受力的可靠度，以保證巖錨梁的使用安全。
3.2 取消蝸殼鋼管伸縮節(jié)的可行性
從消除因溫度荷載、溫度變化或不均勻沉陷等原因可能引起鋼管的附加應(yīng)力的角度出發(fā)，招標(biāo)文件中，廠房蝸殼壓力鋼管設(shè)置了伸縮節(jié)。
設(shè)置伸縮節(jié)固然有其優(yōu)點，但必然增加投資，增加制造、安裝和維修的困難。本工程不是高地溫地區(qū)，壓力鋼管又是深埋于輝綠巖體內(nèi)的地下埋管，輝綠巖無斷層通過，地下環(huán)境中溫度變幅也較小，鋼管外包的混凝土是在圍巖變形穩(wěn)定或基本穩(wěn)定后才進行澆筑，因此，溫度荷載和溫度變化引起的應(yīng)力較小，地基產(chǎn)生不均勻沉陷的可能性很小，混凝土干縮或膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力可通過工程措施控制在較小的范圍內(nèi)。因此本工程取消伸縮節(jié)是可行的。國內(nèi)近幾年施工的地下廠房工程，大多也不設(shè)伸縮節(jié)，這也是可以借鑒的。
3.3 鋼纖維噴混凝土技術(shù)的推廣
對于本工程是否應(yīng)用鋼纖維噴混凝土問題，各方面的觀點不盡相同。筆者認為，鋼纖維噴混凝土與一般噴混凝土相比，具有良好的韌性、延展性、耐磨性和抗裂性，同時具有簡化施工、加快施工進度的優(yōu)點，并具有較好的施工安全性，可以緩解圍巖應(yīng)力重分布造成的破壞，采用鋼纖維噴混凝土和錨桿、錨索相結(jié)合作為永久支護，可獲取良好的支護效果和效益，應(yīng)推廣應(yīng)用。
本工程地下洞室圍巖支護中可考慮采用鋼纖維噴混凝土技術(shù)，特別是在大跨度洞室的頂拱和邊墻、不良地質(zhì)部位、圍巖產(chǎn)生較大塑性區(qū)和拉損區(qū)部位、交叉洞口部位及變形較大的部位，采用鋼纖維噴混凝土是適宜的、有效的。應(yīng)用鋼纖維噴混凝土除需進行研究外，尚應(yīng)進行現(xiàn)場試驗，以檢驗施工工藝及噴射效果，測試鋼纖維噴混凝土力學(xué)指標(biāo)，確定最佳配合比，驗證適宜性，從而保證鋼纖維噴混凝土施工的質(zhì)量，發(fā)揮有效的支護效果。
3.4 霧化問題研究
本工程大壩為碾壓混凝土高壩，采用表孔寬尾墩、中孔射流、底流消力池的聯(lián)合消能方式。大壩泄洪引起下游局部區(qū)域霧化是不可避免的現(xiàn)象。大壩下游左岸主要建筑物是進廠交通道路、尾水渠高邊坡、交通洞洞口、疏散洞洞口等，這些部位的地質(zhì)條件均較差，參照其它工程的霧化情況，這些建筑物應(yīng)是處于大壩泄洪霧化區(qū)內(nèi)。若在上述區(qū)域產(chǎn)生霧化形成暴雨徑流，可能給工程帶來的不利影響是：霧化降雨直接沖擊山坡，降雨滲入高邊坡巖土體內(nèi)后，降低抗滑力，可能誘發(fā)滑坡或洞口結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，導(dǎo)致廠房進水而影響電站正常運行，同時造成進廠交通和安全疏散通道中斷。本工程一直未對霧化問題進行深入的理論研究和模型試驗，霧化影響范圍和程度無法定量評價，而根據(jù)國內(nèi)外工程的經(jīng)驗和教訓(xùn)，霧化可能帶來的不利影響應(yīng)引起足夠的重視。
對于本工程，除設(shè)計中盡可能避開可能產(chǎn)生霧化的區(qū)域布置建筑物、對霧化區(qū)內(nèi)的建筑物和邊坡加強防護和排水外，有必要進行物理模型霧化試驗，并與理論分析相結(jié)合對霧化的影響范圍和程度進行研究，同時對霧化區(qū)內(nèi)的高邊坡進行穩(wěn)定分析，尋求穩(wěn)妥的霧化防護措施，并加強霧化原型觀測，確保工程運行安全。若鑒于本工程霧化機率小或基于其它方面考慮，不再進行霧化試驗研究而維持招標(biāo)設(shè)計尾水區(qū)域的邊坡、洞口設(shè)計方案，則對邊坡防護和洞口結(jié)構(gòu)設(shè)計增加一定的安全裕度是有必要的。
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