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百色水利樞紐地下廠房設(shè)計(jì)優(yōu)化土建水利學(xué)論文
摘要：介紹招標(biāo)設(shè)計(jì)階段百色水電站設(shè)計(jì)優(yōu)化情況，重點(diǎn)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)定分析等方面的研究和優(yōu)化情況，并對(duì)采用巖錨梁、取消伸縮節(jié)、應(yīng)用鋼纖維噴混凝土、霧化防護(hù)等問(wèn)題進(jìn)行探討。
關(guān)鍵詞：百色水利樞紐 水電站設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)優(yōu)化
1 設(shè)計(jì)優(yōu)化概況
百色水電站為地下式水電站，裝機(jī)容量4×135MW，電站建筑物布置于主壩區(qū)左岸。招標(biāo)設(shè)計(jì)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(jìn)水口、引水隧洞、地下主廠房和主變洞及母線(xiàn)廊道、高壓電纜廊道、灌漿排水廊道、交通洞、疏散洞、排風(fēng)豎井等附屬洞室、尾水隧洞及尾水渠等。除進(jìn)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(qiáng)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(jì)階段主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的設(shè)計(jì)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(jìn)一步開(kāi)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(xiàn)的高壓出線(xiàn)方案。
（2）地下廠房設(shè)置獨(dú)立的防滲排水系統(tǒng)。進(jìn)行了廠區(qū)地下洞室群的滲流場(chǎng)分析，設(shè)置了獨(dú)立的廠房防滲排水系統(tǒng)，加強(qiáng)了廠房滲流控制措施。
（3）尾水隧洞布置的優(yōu)化。進(jìn)行了電站調(diào)保及尾水系統(tǒng)水力學(xué)計(jì)算，為避免明滿(mǎn)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(jì)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?xún)?yōu)于常規(guī)設(shè)備，但鑒于初設(shè)階段時(shí)期其設(shè)備造價(jià)較高，電站升壓站型式推薦采用地面敞開(kāi)式升壓站方案，升壓配電裝置采用SF6瓷柱式斷路器和敞開(kāi)的隔離開(kāi)關(guān)等常規(guī)設(shè)備。
招標(biāo)設(shè)計(jì)階段，隨著技術(shù)的進(jìn)步，GIS技術(shù)應(yīng)用已趨于廣泛和成熟，其設(shè)備價(jià)格已經(jīng)降低，采用GIS設(shè)備也更能適應(yīng)現(xiàn)代電站“少人值班”的要求，同時(shí)考慮到地面升壓站高邊坡問(wèn)題較突出，工程運(yùn)行的安全性和可靠性較差，因此，對(duì)地面常規(guī)式、地面GIS式和地下GIS式升壓站方案進(jìn)行了深入比較。兩個(gè)地面方案的升壓站均布置在地下廠房頂部山坡開(kāi)挖形成的平臺(tái)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(wú)出線(xiàn)場(chǎng)。
技術(shù)上，GIS設(shè)備的可靠性、維護(hù)檢修等性能指標(biāo)遠(yuǎn)優(yōu)于敞開(kāi)式常規(guī)設(shè)備。經(jīng)濟(jì)上，雖然GIS設(shè)備投資相對(duì)較大，但在設(shè)備、土建、運(yùn)行費(fèi)等的綜合費(fèi)用上，地下GIS方案均比兩個(gè)地面方案省。施工進(jìn)度上，由于電站發(fā)電工期是受大壩施工進(jìn)度控制，地下GIS方案增加主變洞后并不會(huì)影響發(fā)電工期。安全性上，地下GIS方案由于無(wú)地面升壓站的大面積和高邊坡開(kāi)挖，因而在避免高邊坡開(kāi)挖、提高升壓站運(yùn)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(jì)階段采用了技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件優(yōu)越的地下GIS升壓站方案。
2.2 電站高壓出線(xiàn)方案的選擇
為選擇合理的出線(xiàn)方案，對(duì)電站高壓出線(xiàn)進(jìn)行了三個(gè)方案的比較：方案一為往左岸擋水壩出線(xiàn)；方案二為往主變洞頂部山坡出線(xiàn)；方案三為往尾水渠上游側(cè)邊坡出線(xiàn)。
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(tái)，然后接進(jìn)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(xiàn)平臺(tái)之后出線(xiàn)。設(shè)計(jì)中曾比較過(guò)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(xiàn)平臺(tái)的方案，但因該方案與大壩施工干擾大、施工安裝困難、運(yùn)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(xiàn)場(chǎng)。該方案需在山坡上設(shè)有出線(xiàn)場(chǎng)，同時(shí)為滿(mǎn)足出線(xiàn)場(chǎng)的施工、對(duì)外交通及運(yùn)行檢修的需要，需設(shè)一條長(zhǎng)約240m的出線(xiàn)場(chǎng)對(duì)外公路。對(duì)外公路布置于尾水平臺(tái)公路和上壩公路之間，三條公路相對(duì)較集中，邊坡總高度約達(dá)140m，山坡地質(zhì)條件較差。該方案高邊坡問(wèn)題非常突出，邊坡處理工程量大，運(yùn)行安全性差。
方案三考慮以水平廊道和豎井引線(xiàn)至尾水渠上游側(cè)開(kāi)挖邊坡上的出線(xiàn)場(chǎng)。該方案可減少一定的土建工程量，但220kV出線(xiàn)直接跨右江，其平面位置距大壩消力池較近，跨江高壓線(xiàn)高程也偏低，220kV出線(xiàn)以及出線(xiàn)場(chǎng)設(shè)備受大壩泄洪霧化影響嚴(yán)重，運(yùn)行安全難以保證。
安裝、運(yùn)行條件上，方案一的出線(xiàn)設(shè)備和線(xiàn)路運(yùn)行安全可靠、維護(hù)方便，但電纜豎井較高，安裝有一定難度；方案二的戶(hù)外設(shè)備和線(xiàn)路均能安全運(yùn)行，但出線(xiàn)場(chǎng)為高差較大的階梯式布置，運(yùn)行維護(hù)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(xiàn)設(shè)備安裝相對(duì)簡(jiǎn)單，但設(shè)備及220kV出線(xiàn)受大壩泄洪影響嚴(yán)重，難以保證運(yùn)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(jì)評(píng)價(jià)最差，方案三雖可省投資，但難于保證設(shè)備和220kV線(xiàn)路的安全運(yùn)行，方案一的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較占優(yōu)，因此選擇方案一即往左岸擋水壩段出線(xiàn)為電站高壓出線(xiàn)布置方案。
2.3 廠房防滲排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(yuǎn)，帷幕的中下部為透水性較強(qiáng)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(jì)階段，為增加廠房防滲的可靠性，進(jìn)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(yùn)行安全，設(shè)置了獨(dú)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(duì)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(qiáng)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(zhǎng)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(qiáng)防滲效果。廠房上游側(cè)排水廊道布置方案研究中，對(duì)其頂層廊道設(shè)置的必要性幾經(jīng)反復(fù)論證，從滲流場(chǎng)理論計(jì)算成果看，不設(shè)頂層排水廊道是可行的，但設(shè)計(jì)中吸取國(guó)內(nèi)外地下廠房工程防滲排水設(shè)計(jì)和運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，考慮到水庫(kù)蓄水后在庫(kù)水以及降雨的作用下地下洞室圍巖地下水運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，從工程運(yùn)行安全考慮，最終保留了頂層排水廊道。滲流場(chǎng)計(jì)算成果表明，優(yōu)化后的防滲排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，防滲排水效果顯著。
2.4 尾水系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(xiàn)交線(xiàn)處的寬13m、高25m，此后主洞斷面不變。
招標(biāo)設(shè)計(jì)階段對(duì)初設(shè)尾水隧洞布置方案補(bǔ)充進(jìn)行了調(diào)保及尾水系統(tǒng)水力學(xué)計(jì)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(shí)，尾水主洞為明流狀態(tài)，過(guò)渡過(guò)程中除尾水主洞上游端漸變段出現(xiàn)明滿(mǎn)流交替外，其余段未出現(xiàn)明滿(mǎn)流交替；下游水位在131.5m附近時(shí)，發(fā)生明顯的明滿(mǎn)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(mǎn)流交替，招標(biāo)設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(jì)算成果表明：修改后的尾水系統(tǒng)布置可滿(mǎn)足機(jī)組調(diào)節(jié)保證要求，尾水隧洞在常遇洪水時(shí)能保持明流狀態(tài)，不出現(xiàn)明滿(mǎn)流交替，尾水主洞中為完全明流或完全滿(mǎn)流時(shí)，尾水主洞及尾水渠的壓力和水位波動(dòng)均較小。
初設(shè)階段，為滿(mǎn)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(mén)槽，以后擬采用臨時(shí)閘門(mén)及臨時(shí)啟閉設(shè)備進(jìn)行擋水檢修。經(jīng)招標(biāo)設(shè)計(jì)階段進(jìn)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(tái)堆筑臨時(shí)圍堰的方法擋水檢修，從而取消了初設(shè)預(yù)留的檢修閘門(mén)槽，尾水平臺(tái)寬度相應(yīng)減小。
2.5 主要地下洞室布置
招標(biāo)設(shè)計(jì)階段地下主要洞室布置的變動(dòng)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(zhǎng)147m，頂拱跨度20.7m，最大高度49m。主廠房總長(zhǎng)度比初設(shè)增加了13m，主要是因?yàn)椴捎玫叵翯IS升壓站方案后機(jī)電設(shè)備布置所需而增加了副廠房的長(zhǎng)度。為減小地下廠房跨度和高度，經(jīng)機(jī)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(chē)梁上游側(cè)采用巖錨梁，下游側(cè)因母線(xiàn)廊道拱頂距吊車(chē)梁底較近，故采用普通帶柱吊車(chē)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(zhǎng)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(mén)井布置及閘門(mén)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(xiàn)廊道，廊道底高程由初設(shè)的與母線(xiàn)層高程平齊抬高為與發(fā)電機(jī)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(xiàn)平行，斷面寬3m，高4~5.5m，長(zhǎng)70m（含洞口段）。137m平臺(tái)上的電纜廊道寬2.5m，高4.5m，長(zhǎng)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(yùn)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(jī)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(jī)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(jìn)水塔附近位置進(jìn)行地應(yīng)
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