【摘 要】某水電站地下廠房按2級(jí)建筑物設(shè)計(jì),廠區(qū)地震基本烈度為6度,按規(guī)范規(guī)定,建筑物不進(jìn)行地震設(shè)防。 

　　【關(guān)鍵詞】 地下廠房;洞室群;噴錨支護(hù);內(nèi)部布置;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 

　　某水電站地下廠房位于左岸山體內(nèi)。廠區(qū)巖層為燕山早期第三次侵入的黑云母花崗巖,廠房部位斷裂不發(fā)育,上覆新鮮～微風(fēng)化巖體,厚度40～140 m,通過(guò)廠房的主要斷層有F7、F28、F29等,傾角較陡,規(guī)模小。據(jù)勘探鉆孔統(tǒng)計(jì),巖心平均采取率95%,RQD(巖石質(zhì)量指標(biāo))80%,巖體縱波速4 600～5 600m/s,濕抗壓強(qiáng)度165MPa。

　　地下廠房按2級(jí)建筑物設(shè)計(jì),廠區(qū)地震基本烈度為6度,按規(guī)范規(guī)定,建筑物不進(jìn)行地震設(shè)防 。 

　　1. 地下廠房位置選擇 

　　在選擇地下廠房位置時(shí),考慮了下面幾個(gè)因素。 

　　(1)廠房上游側(cè)靠近水庫(kù)處有F1斷層,與廠房軸線基本平行。廠房應(yīng)盡量遠(yuǎn)離F1,以確保廠房圍巖穩(wěn)定和減少滲水量。 

　　(2)廠房靠山體側(cè)的F3斷層沿沖溝發(fā)育,F3影響范圍內(nèi)的不透水層埋藏很深,透水量較大。因此廠房應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離F3影響帶。 

　　(3)通過(guò)廠房的F7、F28、F29斷層,與廠房軸線有較大的夾角,對(duì)廠房圍巖穩(wěn)定影響不大。而F12、F2斷層與廠房軸線基本平行,F2斷層靠河床側(cè)正與廠房頂拱相切,對(duì)廠房圍巖穩(wěn)定不利,廠房應(yīng)盡可能地避開(kāi)。 

　　綜合以上因素,同時(shí)考慮主變室、尾水調(diào)壓室及輸水系統(tǒng)的布置,確定了主廠房位置。根據(jù)實(shí)際開(kāi)挖揭露的地質(zhì)情況來(lái)看,地下廠房位置選擇是合理的。 

　　2. 廠房縱軸線方向確定 

　　2.1 確定原則。 

　　(1)廠房縱軸線應(yīng)盡可能垂直于巖體主要節(jié)理裂隙的走向或與其成較大的夾角,避免上下游邊墻承受較大的側(cè)向壓力,以利于圍巖穩(wěn)定。 

　　(2)軸線盡可能平行于初始地應(yīng)力的最大主應(yīng)力方向或與其成較小夾角。 

　　2.2 軸線方向確定。 

　　根據(jù)廠區(qū)節(jié)理玫瑰圖及實(shí)測(cè)的三維地應(yīng)力成果,在滿足洞室穩(wěn)定和輸水發(fā)電系統(tǒng)總布置要求的前提下,廠房軸線方向確定為N40°E。理由如下。 

　　(1)根據(jù)廠區(qū)節(jié)理玫瑰圖分析,主要節(jié)理組方向?yàn)镹15～30°W,次要節(jié)理組方向?yàn)镹70～85°E。廠房縱軸線與主要節(jié)理組方向夾角為55～70°,與次要節(jié)理組方向夾角為30～45°。 

　　(2)從實(shí)測(cè)的三維地應(yīng)力成果看,最大主應(yīng)力方向?yàn)镹68.9°E,與廠房縱軸線方向夾角為28.9°,雖然夾角稍偏大,但其應(yīng)力值為6.80MPa,屬中低應(yīng)力區(qū),對(duì)廠房縱軸線方向選擇影響不大。 

　　3. 地下洞室群布置 

　　除了開(kāi)關(guān)站出線場(chǎng)和控制樓布置于地面外,主廠房、主變室、尾水調(diào)壓室及其他洞室均布置于地下,形成了一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的地下洞室群。 

　　廠區(qū)樞紐布置采用主廠房、主變室、尾水調(diào)壓室三大洞室平行布置的形式,因此,三大洞室的縱軸線方向與主要節(jié)理的夾角方向均較大,對(duì)頂拱和邊墻穩(wěn)定有利。主廠房與主變室間凈距22m(1倍大洞室跨度),主變室與尾水調(diào)壓室間凈距19.6m。主變室靠近主廠房布置,母線長(zhǎng)度較短,可降低造價(jià),提高運(yùn)行的可靠性。 

　　主廠房與主變室間布置有4條母線洞,每臺(tái)機(jī)組母線通過(guò)各自的母線洞至主變室。主變室中布置有電纜電梯豎井,與高程180m的地面開(kāi)關(guān)站和控制樓相連接,由于主變室與主廠房安裝場(chǎng)高程相同,故布置了一條進(jìn)廠交通洞,擔(dān)負(fù)主廠房和主變室的交通運(yùn)輸。在主廠房和主變室四周設(shè)上下兩層排水廊道,排水廊道內(nèi)設(shè)D76@3m排水孔形成排水帷幕,組成廠區(qū)排水系統(tǒng),以減少主廠房和主變室的滲水量。 

　　地下廠房安全通道除靠山體側(cè)的進(jìn)廠交通洞和電纜電梯豎井直接與地面相通外,靠河床側(cè)還利用下層排水廊道經(jīng)過(guò)2號(hào)排風(fēng)豎井和調(diào)壓室運(yùn)輸洞與左岸廠壩公路相接。 

　　4. 廠房?jī)?nèi)部布置 

　　主廠房洞室開(kāi)挖尺寸為129.50m×21.90m×52.08m(長(zhǎng)×寬×高),布置有4臺(tái)單機(jī)容量150MW的豎軸水輪發(fā)電機(jī)組,機(jī)組間距21m。水輪機(jī)安裝高程為65.60m。廊道層、水輪機(jī)層、發(fā)電機(jī)層及廠房洞頂高程分別為59.00、69.80、76.60、100.58 m,尾水管底板高程50.00m。廊道層布置有盤(pán)形閥、濾水設(shè)備等;水輪機(jī)層上游側(cè)布置調(diào)速器、油壓裝置等水力機(jī)械設(shè)備及管路,下游側(cè)布置母線出線、電纜等電器設(shè)備。發(fā)電機(jī)層下游側(cè)布置有勵(lì)磁盤(pán)、機(jī)旁盤(pán)等設(shè)備。每一個(gè)機(jī)組段設(shè)樓梯一部,作為連接發(fā)電機(jī)層和廊道層的垂直交通道。安裝場(chǎng)布置在靠山體一側(cè),長(zhǎng)39m, 按1臺(tái)機(jī)組大修時(shí)主要部件堆放的實(shí)際需要,同時(shí)考慮施工期的安裝及卸車(chē)等要求確定。檢修集水井和滲漏集水井布置于主廠房靠河床側(cè),為避免機(jī)組檢修時(shí)下游水位倒灌,檢修集水井頂部高程為76.60m,與發(fā)電機(jī)層高程相同。由于山體內(nèi)滲透水量難以準(zhǔn)確計(jì)算,為保證廠房安全運(yùn)行,廠房?jī)?nèi)滲漏集水井僅考慮廠房圍巖及機(jī)組滲漏水量;排水廊道內(nèi)的山體滲水量流入排水廊道單獨(dú)設(shè)置的集水井內(nèi)。在主廠房?jī)啥烁鞑贾?個(gè)空調(diào)機(jī)室。 

　　主廠房吊車(chē)梁采用巖壁吊車(chē)梁,省去了鋼筋混凝土吊車(chē)柱,縮小了廠房跨度,同時(shí)廠房橋機(jī)可以提前安裝運(yùn)行,方便施工。主廠房頂部采用輕鋼屋架,上設(shè)輕質(zhì)防水屋面,下設(shè)輕質(zhì)吊頂,中間布置通風(fēng)管道等。 

　　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主變室頂部高程180m的地面控制樓內(nèi),其余房間分別布置于主廠房和主變室內(nèi)。 

　　主變室開(kāi)挖尺寸為97.35m×16.00m×14.80m(長(zhǎng)×寬×高),內(nèi)設(shè)兩臺(tái)220KV三相360 MV•A雙卷主變壓器,底高程76.60m,與發(fā)電機(jī)層相同,主變壓器可經(jīng)進(jìn)廠交通洞入安裝場(chǎng)進(jìn)行檢修。主變室下部為高壓電纜道和事故油池。主變室靠近進(jìn)廠交通洞布置,電纜電梯豎井通向高程180 m地面開(kāi)關(guān)站和控制樓。在主變室兩端各布置1個(gè)空調(diào)機(jī)室。�� 

　　母線洞與主廠房縱軸線相垂直,開(kāi)挖斷面為8.00m×8.40m(寬×高),底板高程69.80m,與主廠房水輪機(jī)層高程相同。母線洞內(nèi)布置有電壓互感器柜、發(fā)電機(jī)斷路器、勵(lì)磁變壓器、電氣制動(dòng)柜等設(shè)備。地下廠房橫剖面見(jiàn)圖1。 

　　5. 地下廠房支護(hù)設(shè)計(jì) 

　　5.1 支護(hù)設(shè)計(jì)原則。 

　　(1)根據(jù)廠房部位的地質(zhì)條件,主廠房、主變室、母線洞、尾水調(diào)壓室和進(jìn)廠交通洞等均采用噴錨支護(hù)作為永久支護(hù)形式,對(duì)尾水管、輸水隧洞及局部洞室交岔口采用鋼筋混凝土襯砌作為永久支護(hù)。 

　　(2)噴錨支護(hù)設(shè)計(jì)按招標(biāo)設(shè)計(jì)階段地勘報(bào)告提供的巖體參數(shù)進(jìn)行,即按維持Ⅱ類(lèi)圍巖穩(wěn)定所需的支護(hù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)。 

　　(3)噴錨支護(hù)設(shè)計(jì)按照新奧法原理,采用“設(shè)計(jì)→施工→監(jiān)測(cè)→修正設(shè)計(jì)”的方法,在施工中加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和觀察,根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)。 

　　5.2 系統(tǒng)噴錨支護(hù)設(shè)計(jì)。 

　　初期噴錨支護(hù)參數(shù)的選擇主要采用圍巖分類(lèi)法、工程類(lèi)比法、理論驗(yàn)算法,并輔以有限單元法計(jì)算成果進(jìn)行驗(yàn)證。 

　　圍巖分類(lèi)法采用N•Barton,Q系統(tǒng)分類(lèi)法、Bieniawski 地質(zhì)力學(xué)分類(lèi)法(RMR)、《GBJ86-85錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》和《SD335-89水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》等;工程類(lèi)比法采用國(guó)內(nèi)外已建地下廠房的實(shí)例進(jìn)行類(lèi)比;理論驗(yàn)算法采用噴、錨、網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)的設(shè)計(jì)方法驗(yàn)算支護(hù)效果;有限單元法采用平面有限元和三維有限元法對(duì)地下洞室群的圍巖穩(wěn)定性、初選支護(hù)參數(shù)的合理性 、地質(zhì)參數(shù)的敏感性等進(jìn)行分析、論證,選擇了較為合理的支護(hù)參數(shù)。 

　　6. 主廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 

　　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(chē)梁等。 

　　6.1 尾水管。尾水管為單孔鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),出口為8m×8m的方形斷面,軸線與機(jī)組縱軸線垂直。尾水管結(jié)構(gòu)由錐管段、彎管段和擴(kuò)散段三部分組成。由于錐管段和彎管上段四周為大體積混凝土,并設(shè)有鋼襯,所以設(shè)計(jì)中只對(duì)彎管下段和擴(kuò)散段進(jìn)行了結(jié)構(gòu)計(jì)算,錐管段及彎管上段參照已建電站經(jīng)驗(yàn)配置構(gòu)造鋼筋。 

　　彎管下段結(jié)構(gòu)計(jì)算中,在垂直水流方向切取一代表性剖面,按彈性地基上的箱形結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算,由于尾水管桿件截面尺寸較大,跨高比小,故計(jì)算中考慮剪切變形和剛性節(jié)點(diǎn)影響。擴(kuò)散段結(jié)構(gòu)計(jì)算中,在垂直水流方向切取兩個(gè)代表性剖面,按鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)采用邊值法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、配筋,按有限元法進(jìn)行校核。 

　　6.2 蝸殼。蝸殼采用金屬蝸殼,進(jìn)口直徑為5.40m,頂板最小厚度1.50m。蝸殼上半部與外圍鋼筋混凝土之間鋪設(shè)彈性墊層隔開(kāi),使蝸殼外圍混凝土不承受內(nèi)水壓力作用。彈性墊層材料采用聚苯乙烯泡沫板,厚度為3 cm。蝸殼外圍鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為一空間整體結(jié)構(gòu),計(jì)算中簡(jiǎn)化為平面問(wèn)題考慮 ,即沿蝸殼中心線0°、90°、180°徑向切取3個(gè)計(jì)算斷面,形成一變截面Γ形框架,不考慮各Γ形框架之間的約束作用。采用結(jié)構(gòu)力學(xué)和平面有限元方法進(jìn)行內(nèi)力分析�？紤]到彈性墊層材料具有一定的彈模,正常運(yùn)行時(shí)蝸殼內(nèi)水壓力有可能部分傳至外圍混凝土結(jié)構(gòu),為安全計(jì),結(jié)構(gòu)計(jì)算中對(duì)上述情況進(jìn)行了校核。 

　　6.3 機(jī)墩、風(fēng)罩。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(dòng)荷載和靜荷載。本電站機(jī)墩形式為圓筒式 ,內(nèi)徑5.93m,下部最大壁厚4.035m,高3.145m,它具有剛度大、抗扭和抗振性能好的特點(diǎn)。機(jī)墩結(jié)構(gòu)計(jì)算包括動(dòng)力計(jì)算和靜力計(jì)算兩部分。動(dòng)力計(jì)算中忽略機(jī)墩自重,用一個(gè)作用于圓筒頂?shù)募�中質(zhì)量代替原有圓筒的質(zhì)量,使在此集中質(zhì)量作用下的單自由度體系的振動(dòng)頻率與原來(lái)的多自由度體系的最小頻率接近;機(jī)墩的振動(dòng)作為單自由度體系計(jì)算,在計(jì)算動(dòng)力系數(shù)及自振頻率中不計(jì)阻尼影響;機(jī)墩的振動(dòng)為彈性限幅內(nèi)的微幅振動(dòng),力和變位之間的關(guān)系服從虎克定律;結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)的彈性曲線與在靜質(zhì)量荷載作用下的彈性曲線形式相似,從而可用“動(dòng)靜法”進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算。在靜力計(jì)算中假定荷載沿圓周均勻分布,正應(yīng)力取單寬直條按矩形截面偏心受壓構(gòu)件計(jì)算;扭矩產(chǎn)生的剪應(yīng)力假定按兩端自由的圓筒受扭公式計(jì)算;有人孔部位的扭矩剪應(yīng)力假定按開(kāi)口圓筒受扭公式計(jì)算;孔邊應(yīng)力集中(正應(yīng)力)按圓筒展開(kāi)后的無(wú)限大平板開(kāi)孔公式計(jì)算。計(jì)算結(jié)果除進(jìn)人孔部位因主拉應(yīng)力超過(guò)混凝土允許拉應(yīng)力需按計(jì)算配筋外,其余部位按構(gòu)造配筋。 

　　發(fā)電機(jī)風(fēng)罩為一鋼筋混凝土薄壁圓筒結(jié)構(gòu),內(nèi)徑13m,壁厚0.50m,高3.655m,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(shí)考慮溫度應(yīng)力的影響,外壁溫度取20℃(冬天)、30℃(夏天);內(nèi)壁溫度取40℃;混凝土澆筑溫度根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍鉁刭Y料取 12℃。計(jì)算結(jié)果表明,混凝土澆筑溫度對(duì)風(fēng)罩內(nèi)力影響很大,因此在施工中要求嚴(yán)格控制混凝土的澆筑溫度。 

　　6.4 樓板。發(fā)電機(jī)層樓板采用薄板、次梁、主梁和柱組成的常規(guī)板、梁、柱結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)活荷載發(fā)電機(jī)層為50KN/m2,安裝場(chǎng)為160KN/m2。 

　　6.5 巖壁吊車(chē)梁。巖壁吊車(chē)梁是通過(guò)長(zhǎng)錨桿將鋼筋混凝土吊車(chē)梁固定在巖壁上的結(jié)構(gòu),吊車(chē)的全部荷載通過(guò)錨桿和鋼筋混凝土吊車(chē)梁與巖石接觸面上的摩擦力傳到巖體上。巖壁吊車(chē)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(chē)梁縱向的影響。橋機(jī)設(shè)計(jì)最大輪壓450 kN,計(jì)算中對(duì)巖壁吊車(chē)梁的斷面尺寸、巖壁壁座角和上排錨桿傾角進(jìn)行了多種組合,最終確定的巖壁吊車(chē)梁巖壁壁座角α=20°,上排受拉錨桿(A、B錨桿)傾角分別為βA=25°、βB=20°,錨桿直徑和間距均為φ36@0.75m,錨桿計(jì)算安全系數(shù)K=2.24(設(shè)計(jì)),K′=2.11(校核)。 

　　受拉錨桿錨入巖石的深度,一方面是為了吊車(chē)梁受力的需要,另一方面是加強(qiáng)巖壁支護(hù)和控制圍巖變形,根據(jù)挪威專(zhuān)家推薦的經(jīng)驗(yàn)公式L=0.15H+2(H為廠房邊墻高度m)進(jìn)行計(jì)算,受拉錨桿錨入巖石的深度為8m 。受壓錨桿主要起加固圍巖和保證吊車(chē)梁混凝土與巖壁良好粘結(jié)的作用 ,其直徑、間距及錨入巖石的深度,參照已建工程的經(jīng)驗(yàn)選用32@0.75m,L=6m。設(shè)計(jì)中要求錨桿靠巖壁表面2m范圍涂上瀝青,將拉力傳至巖體深部以減小錨桿的初始應(yīng)力(但由于種種原因施工中未被采用)。 

　　7. 開(kāi)關(guān)站及控制樓布置 

　　廠區(qū)山坡巖石球狀風(fēng)化較嚴(yán)重,山坡孤石、滾石較多,開(kāi)關(guān)站布置在左岸高程180.00m的觀音溝附近,左岸上壩公路靠山坡側(cè)。在招標(biāo)設(shè)計(jì)中,對(duì)開(kāi)關(guān)站的布置進(jìn)行了地面敞開(kāi)式配電裝置 、地面戶內(nèi)式GIS配電裝置及洞內(nèi)式GIS配電裝置和地面出線場(chǎng)等方案比較。在對(duì)開(kāi)關(guān)站運(yùn)行的可靠性和安全性、高邊坡的穩(wěn)定性及滾石的危害性等方面分析后,選定的方案為:將GIS配電裝置布置于電纜豎井附近的地下洞室內(nèi),通過(guò)兩個(gè)水平通道與地面聯(lián)系;出線場(chǎng)布置于地面,在平面上與控制樓呈“人”字形。為減少山坡滾石對(duì)出線設(shè)備的損壞,出線構(gòu)架布置成三側(cè)和頂部封閉,靠公路一側(cè)開(kāi)敞的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),將出線設(shè)備置于其中。