地下廠房采用一字形布置，由主洞室和尾閘室兩條洞室平行布置。該電站面臨著激振頻率高、上部受力、基礎(chǔ)薄弱等對抗振及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)十分不利的局面。通過多種工況的整體結(jié)構(gòu)三維有限元動、靜力分析，從而掌握了結(jié)構(gòu)的受力特性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為圓滿。實(shí)踐證明，地下廠房的布置和設(shè)計(jì)是合理的。南陽回龍抽水蓄能電站位于河南省南陽市南召縣城東北16km的岳莊村附近回龍溝上游，是解決南陽地區(qū)的供電調(diào)峰問題而專設(shè)的調(diào)峰電站，裝機(jī)規(guī)模120MW，安裝兩臺單機(jī)可逆混流式水泵水輪機(jī)，最大毛水頭416m，最小毛水頭374.4m。工程主要建筑物包括上庫、下庫、引水隧洞、地下廠房、地面開關(guān)站等。主體工程2001年6月開工，2004年底結(jié)束。

　　1廠區(qū)布置設(shè)計(jì)

　　1.1廠區(qū)地形、地質(zhì)條件

　　電站區(qū)位于伏牛山南坡的回龍溝上游，接近分水嶺部位，地形起伏較大，海拔高程在400～1000m之間，屬于中低山區(qū)。上、下庫相對高差在500m左右，山體陡峻，具備了上、下庫之間高差大、坡度陡、距高比小等有利地形條件。

　　區(qū)內(nèi)出露巖體為中生代燕山晚期花崗巖，巖性致密、堅(jiān)硬，力學(xué)強(qiáng)度高。受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的控制，主要構(gòu)造為斷層和節(jié)理裂隙。區(qū)內(nèi)發(fā)育大小斷層共23條，其中規(guī)模較大的斷層有兩條，即回龍溝斷層F20和岳莊斷層F21.根據(jù)斷層的走向劃分，可歸并成兩組，即走向北北東和北北西，其中北北東向斷層占主要。

　　1.2地下廠房位置及軸線選擇

　　廠房在輸水系統(tǒng)中的位置，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、地形條件綜合考慮高壓輸水道長度、低壓尾水洞長度，以及交通、出線、通風(fēng)、防潮、排水等因素，通過經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、運(yùn)行管理比較而定。

　　回龍抽水蓄能電站輸水發(fā)電系統(tǒng)水平投影總長約1420m，0+850樁號以后，上覆巖體厚度不足50m，屬III～I(xiàn)V類圍巖區(qū)，受地形和地質(zhì)構(gòu)造等因素的影響，不適宜修建地下廠房。0+720樁號以前屬I～I(xiàn)I類圍巖，巖體完整，適合修建地下廠房。本區(qū)域水平地應(yīng)力最大，約10MPa，量級不高，遠(yuǎn)低于花崗巖的抗壓強(qiáng)度，不是地下廠房位置選擇的控制因素。根據(jù)廠區(qū)的地質(zhì)情況和PD1探洞資料，設(shè)計(jì)在進(jìn)行了兩個方案的對比分析，論證廠房位置和廠區(qū)布置的經(jīng)濟(jì)性和合理性。

　　方案一屬于首部式布置方案，廠房上游邊墻樁號為0+300.0m，距豎井中心231.7m，長軸方位NE80.16°，置于裂隙L14的下盤；上游岔管樁號暫定為0+193.00（分岔交點(diǎn)），距廠房107.00m；壓力鋼管起點(diǎn)樁號0+221.00，距廠房79.00m。廠房上覆巖體厚度約310m。該方案靠近上庫，受上庫水下滲影響較大，廠房防滲及排水工程量大，帷幕灌漿工程量可能還需增加。進(jìn)廠交通洞和高壓出線洞較長，增大了隧洞施工工程量及高壓電纜的投資，并且與出口區(qū)的距離加大，不便于生產(chǎn)管理。

　　方案二屬于中部式布置方案，上游邊墻的樁號為0+556.18，距豎井中心487.88m，長軸方位NE80.16°，廠房布置在斷層F25和節(jié)理密集L11之間；上游岔管樁號0+350，距廠房206m；壓力鋼管起點(diǎn)樁號0+391.00，距廠房165m。廠房上覆巖體厚度約170m。該方案的地下廠房靠近交通洞出口區(qū)，與方案一相比，進(jìn)廠交通洞和高壓出線洞的長度大幅度減小，同時，還取消了帷幕灌漿廊道，減少了帷幕灌漿的進(jìn)尺和排水廊道的長度，而且便于生產(chǎn)管理。

　　從布置上看，方案二的廠房位置選在斷層F25和L11的之間，避開L14節(jié)理密集帶，廠房軸線走向NE80.16°，廠房端墻與該區(qū)域NW組長大節(jié)理也有一定的夾角，有利于廠房圍巖的穩(wěn)定。同時，避開了具體位置尚不確定的L36和L51節(jié)理密集帶，岔管布置在L36與L15中間，最小地應(yīng)力值相對較大，對岔管結(jié)構(gòu)有利。從調(diào)節(jié)保證分析上看，整個輸水發(fā)電系統(tǒng)沒有出現(xiàn)負(fù)壓，最小水錘壓力值為2.89m，最大水錘壓力值都在調(diào)節(jié)保證計(jì)算規(guī)范限制值范圍內(nèi)。從投資比較上看，兩方案的差值較大，方案二比方案一少218.7萬元，效益非常明顯，具有較大的優(yōu)越性。故設(shè)計(jì)最終選用方案二作為最終實(shí)施方案。

　　1.3廠房布置方案選擇

　　對地下洞室群中主廠房、主變室和尾水調(diào)壓室的布置，首先研究了三洞室平行方案和二洞室（主變室與主廠房平行一字型布置）方案。根據(jù)多方面論證比較，地下廠房采用兩洞室布置方案，即一字形布置，主洞室自左至右依次為主變室、安裝間、主廠房、副廠房，總長112.00m，寬度16.00m。不設(shè)母線洞，在廠房主洞室下游側(cè)設(shè)母線廊道與主變室相連。這樣布置的優(yōu)點(diǎn)是省去與主廠房垂直交叉的母線洞，減少工程量；增加主廠房的穩(wěn)定性。

　　在可研階段對于地面變電站方案和地下變電站方案進(jìn)行了比較，兩個方案的不同主要在于電氣設(shè)備的布置上。地面變電站方案可采用常規(guī)的高壓開關(guān)設(shè)備，全部設(shè)備均可在國內(nèi)采購，供貨有保證，且價格較低。主變壓器布置在戶外，對地下廠房消防系統(tǒng)布置較為有利。地下變電站方案把主變壓器和220Kv開關(guān)設(shè)備等均放在洞內(nèi)，主變采用GIS全封閉組合電器，優(yōu)點(diǎn)是可以大幅度縮小變電站的容積，實(shí)現(xiàn)小型化；設(shè)備運(yùn)行的可靠性相對較好；電氣設(shè)備的技術(shù)性能好，安裝周期短，檢修周期長，維護(hù)方便；該方案的不足之處是高壓電纜需選用干式電纜，價格較高，但從電氣設(shè)備的運(yùn)行可靠、操作管理方便來看，地下變電站方案技術(shù)較為先進(jìn)，因此，經(jīng)過綜合比較論證，最終選用地下變電站方案作為實(shí)施方案。

　　在選定方案的基礎(chǔ)上，對于尾閘室與尾水調(diào)壓井結(jié)合的方案進(jìn)行過論證，從布置上看，該方案雖然可節(jié)省一定的工程量，但是交通線路長，且迂回到地面，運(yùn)行管理很不方便。設(shè)計(jì)最終選用尾閘室位于廠房和尾水岔管之間的方案布置。尾水閘門中心線與機(jī)組中心線距離為31.5m，閘門室與廠房平行布置，與主廠房凈距20.0m，滿足穩(wěn)定要求。

　　地下廠房洞室群主要有：主洞室（主、副廠房、安裝間和主變室）、高壓電纜出線斜洞、進(jìn)廠交通洞、尾水閘門室及尾水閘門運(yùn)輸洞、排水廊道等。其它洞室還有：輔助出線洞、安全出口通道、尾水閘門室安全通道等。地面建筑物包括輔助開關(guān)站、油庫、綜合辦公樓（包括中控室）、生活及消防水池及附屬生活設(shè)施等。

　　2廠房防滲排水設(shè)計(jì)

　　由于廠房位置距豎井近500m，且壓力鋼管段較長，不需設(shè)置大規(guī)模的灌漿帷幕，僅在壓力鋼管與混凝土襯砌連接處設(shè)環(huán)形灌漿帷幕，以延長滲徑，減少壓力鋼管的外水壓力。為排除運(yùn)用期廠房周圍可能形成的滲透水，降低廠內(nèi)空氣濕度，在廠房外圍設(shè)置較簡單的廠外排水系統(tǒng)，廠房拱角高程處設(shè)繞廠房一周的排水廊道，在廠房上游底部，設(shè)一條排水廊道，兩層廊道斷面均為2.5m×3.0m（寬×高），總長為580.6m，廊道內(nèi)設(shè)排水帷幕，廊道水分別經(jīng)輔助交通洞和進(jìn)廠交通洞內(nèi)的排水溝流入廠房內(nèi)的集水井，采用深井水泵排出。內(nèi)部排水即在頂拱和邊墻打排水孔，消除或減少作用在噴混凝土襯砌上的外水壓力，可以防止地下水無規(guī)律地在襯砌表面出流。

　　廠房基礎(chǔ)排水設(shè)計(jì)范圍包括主廠房、副廠房及主變室三部分，其功能是將廠房邊墻及頂拱排水管內(nèi)滲水及設(shè)備排水排至廠房滲漏集水井。廠房基礎(chǔ)排水與廠房頂拱及邊墻排水管共同組成地下廠房排水系統(tǒng)。

　　防潮設(shè)計(jì)主要是利用防潮隔墻及其與巖石面之間的隔氣層進(jìn)行防潮。隔墻材料采用GRC輕質(zhì)墻板，外刷防水材料。

　　3廠房布置

　　主廠房洞室布置有2臺單機(jī)容量60MW的立軸懸式水輪發(fā)電機(jī)組，蝸殼層布置有球閥、滲漏積水井、檢修泵、水力機(jī)械設(shè)備及管路等；水輪機(jī)層上游側(cè)布置滲漏排水泵、球閥操作裝置、球閥油壓裝置等；母線層布置調(diào)速器油壓裝置、母線廊道、電纜等電器設(shè)備。發(fā)電機(jī)層上游側(cè)布置動力盤、下游側(cè)布置有勵磁盤、機(jī)旁盤等設(shè)備。機(jī)組段設(shè)樓梯一部，作為連接發(fā)電機(jī)層和下部各層的垂直交通道。安裝場布置在左側(cè)，即在主廠房和主變室之間，長15.6m，按1臺機(jī)組大修時主要部件堆放的實(shí)際需要，同時考慮施工期的安裝及卸車等要求確定，豎向布置為三層，電纜夾層通過踏步與主廠房水輪機(jī)層連接，母線層上游布置消防水池及其設(shè)備，下游側(cè)布置電纜母線通道。

　　主廠房的對外交通出入口布置在安裝間發(fā)電機(jī)層的下游側(cè)，與進(jìn)廠交通洞相連，洞口尺寸寬為7.0m，高為6.0m。入口處設(shè)置一道放火卷簾門。5號排水洞入口布置在安裝間發(fā)電機(jī)層的上游側(cè)墻上。洞口尺寸寬為2.5m，高為3.0m。

　　主廠房的水平交通布置在上游側(cè)，豎向交通通過設(shè)在主廠房左山墻處的樓梯連通主廠房各層；發(fā)電機(jī)層主廠房與副廠房之間設(shè)置一道放火卷簾門，門洞尺寸寬為1.2m，高為2.4m。發(fā)電機(jī)層副廠房右山墻處，設(shè)置一道放火卷簾門，門洞尺寸寬為1.6m，高為3.25m，與2號交通洞相連。

　　為了改善地下廠房的運(yùn)行條件，副廠房采用分散布置方式，將中控室和電氣輔助生產(chǎn)用房及辦公用房布置于進(jìn)場交通洞口的綜合辦公樓內(nèi)，其余房間分別布置于主廠房和主變室內(nèi)，地下副廠房布置在主廠房的右側(cè)，分六層布置。

　　主變室布置在主廠房的左側(cè)，分二層布置。一層變壓器室內(nèi)布置有220Kv主變兩臺及SFC輸入、輸出變壓器各一臺；二層布置有220KVGIS和220KV電纜終端等設(shè)備以及干式電纜。

　　在地下廠房下游側(cè)設(shè)有專門的尾水事故閘門室，尾水閘門中心線與機(jī)組中心線距離為31.5m，閘門室與廠房平行布置，與主廠房凈距20.0m，滿足穩(wěn)定要求，閘門室內(nèi)設(shè)有兩臺100KN電動單梁起重機(jī)，其軌道支撐在巖壁吊車梁上，可供檢修油壓啟閉機(jī)及閘門時使用。地下廠房橫剖面見圖1。

　　4主廠房各部位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

　　主廠房主要結(jié)構(gòu)有尾水管、蝸殼、機(jī)墩、風(fēng)罩、發(fā)電機(jī)層樓板和巖壁吊車梁等。設(shè)計(jì)針對不同設(shè)計(jì)部位的特點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　4.1廠房結(jié)構(gòu)動力分析

　　回龍抽水蓄能電站水頭高（最大水頭580m），工況轉(zhuǎn)換頻繁，機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為750r/min，飛逸轉(zhuǎn)速為1050r/min，比一般抽水蓄能電站轉(zhuǎn)速高（一般機(jī)組額定轉(zhuǎn)速500r/min，飛逸轉(zhuǎn)速750r/min）；同時，轉(zhuǎn)輪采用中拆方式，削弱了機(jī)墩的整體性，降低了機(jī)墩的抗振性能。該電站面臨著激振頻率高（機(jī)組轉(zhuǎn)速高）、上部受力（懸式機(jī)組）、基礎(chǔ)薄弱（機(jī)墩開孔）等對抗振及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)十分不利的局面。

　　為此，我們對該電站地下廠房的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，針對不同的結(jié)構(gòu)布置型式和目的要求，先后進(jìn)行了兩個階段多個模型、多種工況的廠房機(jī)組基礎(chǔ)整體結(jié)構(gòu)三維有限元動、靜力分析，研究了不同板厚、不同邊界條件下，廠房整體結(jié)構(gòu)在各種工況組合下的各階振型、自振頻率、各關(guān)鍵支撐基礎(chǔ)的剛度等，成功地解決了抽水蓄能電站普遍存在的振動問題，并為對整體結(jié)構(gòu)的振動水平進(jìn)行評估創(chuàng)造了條件。從總體上掌握了結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，并據(jù)此采取了加大結(jié)構(gòu)剛度的措施：

　　（1）對廠房蝸殼與外圍混凝土的結(jié)合型式，采用了充水保壓澆筑外圍混凝土的新技術(shù)。解決了高水頭抽水蓄能電站蝸殼的振動問題，并改善了外圍混凝土的應(yīng)力狀態(tài)。

　　（2）對電站水輪機(jī)蝸殼充水保壓值進(jìn)行優(yōu)選。通過計(jì)算，得出了不同保壓值時，機(jī)組在各種工況運(yùn)行時蝸殼外圍混凝土及其他混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形、運(yùn)行性能等結(jié)果。經(jīng)過對計(jì)算結(jié)果的綜合分析，最終確定本電站蝸殼充水加壓值為350m.

　�。�3）主機(jī)段和安裝間發(fā)電機(jī)層采用厚板結(jié)構(gòu)，兩臺機(jī)組之間不分縫，主廠房與安裝間、副廠房連接處設(shè)置伸縮縫。

　�。�4）蝸殼機(jī)墩結(jié)構(gòu)與上下游邊墻連接（增加約束），同時考慮上下游墻與巖壁粘結(jié)（利用圍巖抗力）；

　�。�5）根據(jù)動力計(jì)算結(jié)果，發(fā)電機(jī)機(jī)墩原有尺寸難以滿足機(jī)墩最小剛度要求，為此將機(jī)墩壁厚加大，同時在主廠房端部增加柱子和梁。

　�。�6）提高蝸殼、機(jī)墩風(fēng)罩混凝土強(qiáng)度等級，混凝土強(qiáng)度采用C30。

　　4.2溫度應(yīng)力計(jì)算

　　對不同邊界條件下整體結(jié)構(gòu)的溫度場和溫度應(yīng)力也進(jìn)行了系統(tǒng)的計(jì)算分析，準(zhǔn)確給出了溫度應(yīng)力對整體結(jié)構(gòu)的影響，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作提供了可靠的依據(jù)。通過對回龍抽水蓄能電站蝸殼溫度場和溫度應(yīng)力的分析，可以得出以下初步結(jié)論：

　�。�1）過去進(jìn)行蝸殼外圍混凝土的應(yīng)力和配筋計(jì)算時，一般只考慮了內(nèi)水壓力和上部設(shè)備荷載的作用，而沒有考慮溫度荷載的影響。計(jì)算表明，溫度變化在蝸殼外圍混凝土中形成的溫度應(yīng)力是比較大的，在進(jìn)行蝸殼外圍混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，應(yīng)該考慮溫度荷載的影響。

　�。�2）蝸殼外圍混凝土中溫度應(yīng)力的大小與溫度邊界條件和約束邊界條件密切相關(guān)，一般溫差越大和約束越強(qiáng)，那么溫度應(yīng)力也越大。計(jì)算表明，蝸殼下游側(cè)7號斷面受圍巖約束較大，因此在相同溫度邊界條件下，其溫度應(yīng)力大于蝸殼2號斷面的溫度應(yīng)力。

　　4.3機(jī)墩和風(fēng)罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　�。�1）機(jī)墩機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　機(jī)墩是水輪發(fā)電機(jī)組的支承結(jié)構(gòu)，承受著巨大的動荷載和靜荷載。本電站機(jī)墩形式為圓筒式，轉(zhuǎn)輪采用中拆拆卸方式，需要在機(jī)墩上開設(shè)3.5m×2.5m（寬x高）的運(yùn)輸孔，破壞了機(jī)墩的整體性，削弱了機(jī)墩的抗振性能。機(jī)墩結(jié)構(gòu)計(jì)算包括動力計(jì)算和靜力計(jì)算兩部分。

　　從機(jī)墩應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可以看出，機(jī)墩鉛直向應(yīng)力基本上為壓應(yīng)力，高程越低，壓應(yīng)力越大；在下機(jī)架和定子高程基礎(chǔ)板部位，出現(xiàn)較小的應(yīng)力集中。機(jī)墩切向應(yīng)力大部分?jǐn)?shù)值較小，有拉有壓，靠下游側(cè)幾個截面一般為拉應(yīng)力；另外在機(jī)墩轉(zhuǎn)輪運(yùn)輸孔頂部，切向應(yīng)力為拉應(yīng)力，最大值為0.51MPa，往上逐漸變?yōu)閴簯?yīng)力。從機(jī)墩的鉛直向應(yīng)力和切向應(yīng)力來看，拉壓應(yīng)力數(shù)值都不大，按構(gòu)造配筋就基本上可以滿足結(jié)構(gòu)要求。對機(jī)墩應(yīng)力，除進(jìn)行三維有限元計(jì)算以外，還采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果與有限元結(jié)果基本接近，規(guī)律性一致。按構(gòu)造配筋就基本上可以滿足結(jié)構(gòu)要求。

　　（2）風(fēng)罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　發(fā)電機(jī)風(fēng)罩為一鋼筋混凝土薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，其底部固結(jié)于機(jī)墩上，頂部與發(fā)電機(jī)層樓板整體連接。風(fēng)罩內(nèi)力按薄壁圓筒公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算時考慮溫度應(yīng)力的影響。

　　有限元應(yīng)力計(jì)算結(jié)果顯示，風(fēng)罩底部鉛直向應(yīng)力基本上都是壓應(yīng)力。但是，在上機(jī)架千斤頂部位，風(fēng)罩承受徑向力，致使千斤頂部位風(fēng)罩外壁鉛直向和切向均為拉應(yīng)力，內(nèi)壁均為壓應(yīng)力，最大拉應(yīng)力值分別為0.56MPa（鉛直向）和0.60MPa（切向）；而在千斤頂之間部位，風(fēng)罩內(nèi)壁為拉應(yīng)力，外壁為壓應(yīng)力，最大拉應(yīng)力值分別為0.52MPa（鉛直向）和0.34MPa（切向）。與此同時，受千斤頂徑向力P4的影響，風(fēng)罩底部切向應(yīng)力也呈現(xiàn)出上述分布規(guī)律，只是拉應(yīng)力較小而已。

　　對風(fēng)罩應(yīng)力，除進(jìn)行三維有限元計(jì)算以外，還按《水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL266-2001）附錄B的方法進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果與與有限元結(jié)果基本接近，規(guī)律性一致。按應(yīng)力計(jì)算結(jié)果計(jì)算配筋量，實(shí)配雙層鋼筋網(wǎng)。

　　4.4巖壁吊車梁

　　巖壁吊車梁是通過長錨桿將鋼筋混凝土吊車梁固定在巖壁上的結(jié)構(gòu)，吊車的全部荷載通過錨桿和鋼筋混凝土吊車梁與巖石接觸面上的摩擦力傳到巖體上。巖壁吊車梁計(jì)算取縱向單米寬度，按剛體極限平衡計(jì)算，不考慮吊車梁縱向的影響。

　　4.5尾水管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　尾水管結(jié)構(gòu)由錐管段、彎管段和擴(kuò)散段三部分組成。尾水管為立式彎肘型，采用鋼板焊接而成，由水泵水輪機(jī)制造商提供。尾水錐管及肘管廠家提供了20mm厚加勁肋板鋼襯，直線尾水管段設(shè)計(jì)采用18mm/22mm厚加勁肋板鋼襯（16MnVR），這些鋼襯與基巖和外圍混凝土的錨固良好。由于尾水管為鋼襯受力結(jié)構(gòu)，四周為大體積混凝土，為水管外側(cè)參照已建電站經(jīng)驗(yàn)配置單層構(gòu)造鋼筋。

　　4.6主廠房吊頂設(shè)計(jì)

　　主廠房頂拱吊頂采用懸掛式輕型吊頂，為型鋼龍骨彩色鍍鋁鋅壓型鋼板吊頂。吊頂可上人，頂部中央設(shè)置一道縱向走道。吊頂分為頂部吸音復(fù)合板及單層側(cè)墻立板兩部分。吊頂錨桿系統(tǒng)與頂拱支護(hù)系統(tǒng)各自成體系。吊頂錨桿共五行八列，且上下游邊行兩根錨桿之間加密一跟。錨桿直徑φ25mm，錨桿長度2.5m。錨桿漿液采用樹脂卷。

　　吊頂主龍骨采用型鋼20a冷彎成型。吊頂材料采用彩色鍍鋁鋅壓型鋼板，其屈服強(qiáng)度為5600kg/c㎡，雙面鍍鋁鋅量為150g/㎡，采用的鍍鋁鋅合金防腐層為55%鋁、43.5%鋅和1.5%硅。復(fù)合板的底層鋼板為白色多孔吸音板，中間夾層依次為玻璃棉及單層鋁箔。次檁條采用鍍鋅高強(qiáng)鋼。泛水采用德太泛水，拉桿鋼筋直徑φ25mm.吊環(huán)鋼筋直徑φ22mm。