【摘 要】某水電站地下廠房按2級建筑物設(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)通過廠房的F7、F28、F29斷層,與廠房軸線有較大的夾角,對廠房圍巖穩(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,對廠房圍巖穩(wěn)定不利,廠房應(yīng)盡可能地避開。
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)際開挖揭露的地質(zhì)情況來看,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),對廠房縱軸線方向選擇影響不大。
3. 地下洞室群布置
除了開關(guān)站出線場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的地面開關(guān)站和控制樓相連接,由于主變室與主廠房安裝場高程相同,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. 廠房內(nèi)部布置
主廠房洞室開挖尺寸為129.50m×21.90m×52.08m(長×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、機(jī)旁盤等設(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。安裝場布置在靠山體一側(cè),長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,廠房內(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)。在主廠房兩端各布置1個(gè)空調(diào)機(jī)室。
主廠房吊車梁采用巖壁吊車梁,省去了鋼筋混凝土吊車柱,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)。
主變室開挖尺寸為97.35m×16.00m×14.80m(長×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→修正設(shè)計(jì)”的方法,在施工中加強(qiáng)監(jiān)測和觀察,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法、工程類比法、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。
圍巖分類法采用N•Barton,Q系統(tǒng)分類法、Bieniawski 地質(zhì)力學(xué)分類法(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;工程類比法采用國內(nèi)外已建地下廠房的實(shí)例進(jìn)行類比;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,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)算中簡化為平面問題考慮 ,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)募匈|(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)按圓筒展開后的無限大平板開孔公式計(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,安裝場為160KN/m2。
6.5 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。橋機(jī)設(shè)計(jì)最大輪壓450 kN,計(jì)算中對巖壁吊車梁的斷面尺寸、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,對開關(guān)站的布置進(jìn)行了地面敞開式配電裝置 、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等方案比較。在對開關(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),通過兩個(gè)水平通道與地面聯(lián)系;出線場布置于地面,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)開敞的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),將出線設(shè)備置于其中。
