狮子坪水电站地下厂房设计

罗文燚，张志慧，熊启惠

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 概况

狮子坪水电站位于四川省阿坝藏族羌族自治州理县境内的杂谷脑河上，系杂谷脑河梯级开发“一库七级”的龙头水库。本电站采用混合式开发，由首部枢纽、引水系统、厂区枢纽等建筑物组成。电站装机容量为195 MW，多年平均发电量为8.76亿 kW·h。水库库容1.327亿 m3，调节库容1.189亿m3，具有年调节性能。本工程为二等大(2)型工程，发电厂房按3级建筑物设计，设防烈度Ⅶ度。

狮子坪水电站厂区枢纽包括地下和地面建筑物。地下建筑物有主副厂房、主变及GIS室、尾闸室、排水廊道、尾水连接洞、尾水洞及交通洞等其它附属洞室，均布置于杂谷脑河右岸山体内。地面建筑物有出线场、尾水渠、消防水池、洞口风机楼等。

厂区地下建筑物处于侏倭组下段T3zh中厚层状变质砂岩夹砂质板岩岩体内，断层不发育，仅发育规模较小的挤压破碎带和节理裂隙。厂房水平埋深240～280 m，垂直埋深260～280 m。

2 厂址、厂房型式和厂房轴线的选择

2.1 厂址、厂房型式的选择

在预可研设计阶段选定了上厂址。

可研设计阶段，针对厂区的地质、地形条件进行了地面与地下厂房两个方案的比较。地面厂房布置在右岸Ⅰ级阶地上，地下厂房则位于右岸山体内，两方案存在的主要问题:地下厂房排风洞、交通洞、尾水洞、出线洞分别有约95 m、89 m、56 m、105 m(共计约345 m)的覆盖层洞段，且覆盖层为松散的崩坡积堆积物，成洞条件差;厂房顶拱有第②组缓倾角裂隙分布，倾角2°～10°，对厂房顶拱的稳定不利。地面厂房方案的三条压力钢管支管总长约120 m，为覆盖层洞段，成洞条件差;建基面以下13.31 m下卧第②层堰塞湖相细砂，需作地基加固处理;第④层堰塞湖相含砾粉土位于基坑中部，对坑壁稳定不利;厂房靠山侧第⑥层为块碎石土，削坡后形成约98 m高的覆盖层边坡，稳定条件差，支护处理难度大;基坑下部及底部为第③层含漂(块)卵(碎)砾石层，透水性好，存在基坑涌水问题，需作防渗处理;厂房内侧基岩边坡高达600 m以上，表部岩体卸荷强烈，加上结构面的不利组合，易造成危石影响厂房的安全运行。

两方案均具备建厂条件。通过对地质、施工、运行管理和工程造价等因素进行综合比较分析后选择了地下厂房方案。

2.2 厂房轴线的选择

厂房岩体为岩性单一、微风化～新鲜的中厚层状变质砂岩，围岩类别以III类为主，岩层产状为 N50°～70°E/NW(SE)∠70°～89°。岩体内无大的断层通过，仅发育规模较小的挤压破碎带和节理裂隙。优势节理有五组:(1)N50°～70°E/NW(SE)∠75°～89°，层面裂隙延伸长度大于10 m，面平直粗糙;(2)缓倾角裂隙，产状变化大，以倾 SE、NW 为主，倾角一般为 2°～20°，延伸长度一般大于5 m，面微起伏粗糙，间距20～40 cm;(3)N20°～50°E/SE∠55°～70°，延伸长度一般为1～3 m，面平直粗糙，间距30～50 cm;(4)N20°～40°W/NE∠70°～85°，延伸长度一般为 1～3 m，面平直粗糙，间距大于60 cm;(5)N40°～60°W/SW∠70°～80°，延伸长度一般为 1 ～3 m，面平直粗糙，间距大于50 cm。(1)、(2)组节理尤为发育，为控制性结构面，(3)、(4)、(5)组节理相对不发育，为次要结构面。

地应力测试成果显示，最大主应力σ1=14.55 ～15.21 MPa，方向 NE76.1°～84.1°，倾角－72.3°～81.7°，说明厂区地应力量级较低，且以自重应力场为主，地应力对厂房轴线的选择不起控制作用。因此，主要考虑岩体(1)、(2)组结构面的影响，确定厂房纵轴线方向为N20°W，与地质主要结构面夹角为70°～90°。

3 厂区枢纽布置

厂区枢纽布置包括主机间、安装间、副厂房、母线洞、主变及GIS室、尾闸室、排水廊道、尾水连接洞、排风洞、交通洞、尾水洞、出线洞、尾水渠、出线场等。

3.1 主、副厂房及安装间

根据机组设备尺寸和机电布置、厂房结构衬砌型式以及运行、维护检修的需要，确定主机间、安装间、副厂房的长度、宽度和布置方式。狮子坪水电站地下厂房从左至右呈一字形，依次布置主机间、安装间和副厂房，总长度75.7 m。主、副厂房及安装间的最大开挖跨度均为18.8 m，主机间净长43.3 m，净宽16 m，高36.86 m。副厂房和安装间长分别为13.6 m、18.8 m，净宽均为16 m，副厂房高22.04 m，安装间高27.54 m。厂房内安装3台混流式水轮发电机组，型号分别为HL(E)－LJ－216及SF65－10/400，单机容量65 MW，水轮机安装高程为2 078.7 m。

主厂房内采用岩壁吊车梁，轨顶高程为2 098.11 m，厂内设一台(75+75)t/20 t的双小车桥式起重机(净跨LK=16 m)。主机间分三层，从上至下依次为发电机层(高程2 088.46 m)、水轮机层(高程2 080.6 m)及球阀层(高程2 075.9 m)。安装间分两层，副厂房分三层，安装间上层和副厂房第三层均与发电机层同高程。

发电机层以上采用锚喷支护。锚杆直径为25 mm，长 5 m、7 m，交错布置，间排距均为 1.5 m，喷混凝土厚15 cm，挂网钢筋为φ8@20 cm×20 cm。可研阶段顶拱布置有100根长20～30 m的100 t预应力锚索。技施阶段根据开挖揭示的地质情况及监测资料分析优化为108根长9 m、12 m(交错布置)的φ32预应力锚杆(设计张拉力15 t)。发电机层以下为80 cm厚的钢筋混凝土衬砌加锚杆支护。

在上游边墙 2 080.5、2 090.5、2 094.5、2 101 m高程梅花型布置4排、共42根长30 m的100 t预应力锚索;在左右端墙2 094.5、2 101 m高程布置2排共12根长30 m的100 t预应力锚索;在下游边墙与主变及GIS室之间2 090.5 m、2 101高程对穿布置2排共9+6根100 t预应力锚索。

3.2 主变室及GIS室

主变室及GIS室位于主厂房的下游侧，开挖跨度13.6 m，与主厂房间岩壁厚26.05 m，通过三条母线洞和交通洞与主厂房相连。上层为GIS室，楼面高程2 098.96 m，下层为主变室，地面高程2 088.46 m。洞内布置三台主变压器，其上游侧为电缆道及交通通道，右端接交通洞。GIS室顶拱右端设有排风支洞接入排风洞通风排烟，GIS室左端接出线洞。

主变室及GIS室2 098.96 m高程以上为锚喷支护。锚杆直径25 mm，长5 m、7 m，交错布置，间排距均为1.5 m，喷混凝土厚15 cm，挂网钢筋为φ8@20 cm×20 cm。可研阶段顶拱布置有37根长20～30 m的100 t预应力锚索，技施阶段根据开挖揭示的地质情况及监测资料分析取消。2 098.96 m高程以下为钢筋混凝土衬砌加锚杆支护。

主变及GIS室除上游边墙与主厂房布置对穿预应力锚索外，在下游边墙与尾闸室之间2 097 m高程对穿布置1排、共6根100 t预应力锚索。鉴于主变室底板建基面以下与尾水连接洞之间岩壁厚度最小约5.5 m，故在主变室与尾水连接洞之间对穿布置4排、共12根12 t的预应力锚杆，并对主变室底板进行固结灌浆处理。

3.3 尾闸室

尾闸室布置在主变及GIS室下游侧，宽10 m，长33.4 m，最大开挖高度为 26.1 m。尾闸室内设有一套双吊点潜孔式平面滑动闸门，孔口尺寸为3.4 m ×3.4 m(宽 × 高)，闸 门 由 设 置 在2 099.5 m高程上的2×100 kN移动式电动葫芦通过拉杆操作。尾水通过尾闸室出水，汇入尾水隧洞。

尾闸室检修平台以上采用锚喷支护。锚杆直径25 mm，长5 m，间排距均为1.5 m，喷混凝土厚15 cm，挂网钢筋为φ8@20 cm×20 cm。可研阶段顶拱布置有27根长20～30 m的100 t预应力锚索;技施阶段根据开挖揭示的地质情况及监测资料分析而取消。为减小糙率和不稳定流的冲蚀，检修平台以下的边墙、底板均设计为钢筋混凝土衬砌结构。

3.4 排水廊道

在距主厂房上游侧约15 m处，分别在2 087.38 m及2 104.02 m高程布置了上下两条排水廊道，其断面尺寸为2 m×3 m。上排水廊道的集水经两边排风洞、出线洞排至洞外，下排水廊道接主变室左侧经主厂房左侧将集水排入厂内排水系统至尾水洞内。采用随机锚杆支护。

3.5 母线洞

狮子坪水电站采用一台机组一条母线洞，共计3条。母线洞垂直于主机间下游边墙，断面为城门洞型，净宽5 m，净高5.25 m，底高程同发电机层。母线洞采用50 cm厚钢筋混凝土衬砌加锚杆复合式支护。在母线洞与交通洞之间的2 089.46 m和2 091.46 m高程对穿布置了2排共12根12 t的预应力锚杆。

3.6 尾水连接洞

与机组对应，在尾水管扩散段末端布置了3条尾水连接洞，每条长68.33 m。断面为城门洞型，断面净尺寸为3.4 m ×3.4 m，采用60 cm 厚钢筋混凝土衬砌。

3.7 排风洞及出线洞

排风洞布置在副厂房右端，出口位于尾水隧洞出口下游约170 m处，出口设有风机楼，全长282.5 m。出线洞布置在GIS室左端，出口位于尾水隧洞出口上游约120 m处，设有风机楼兼作排风，全长221.48 m。

地下厂房系统进风楼设在交通洞洞口，自然进风至尾闸室、主变及GIS室、主厂房，经排风支洞、排风洞、出线洞排出。

出于施工通道等综合考虑，排风洞和出线洞断面均设计为城门洞型，断面净尺寸为4.5 m×5 m。基岩洞段均为锚喷支护和钢筋混凝土衬砌，覆盖层洞段均为型钢混凝土衬砌。

3.8 交通洞

狮子坪水电站厂区利用317国道解决进厂交通问题。交通洞的洞口置于尾水隧洞出口下游约90 m处，洞长229.18 m，断 面 净 尺 寸 为6 m×6.75 m(圆拱直墙型)。基岩洞段为钢筋混凝土衬砌，覆盖层洞段为型钢混凝土衬砌。

3.9 尾水洞及尾水渠

尾水洞长129.84 m。鉴于尾水洞不长、杂谷脑河洪枯水位变化不大，故采用无压型式。其断面为圆拱直墙型，断面净尺寸为5 m×8.25 m。尾水隧洞起始段设1∶4反坡，余下为平坡，底板高程2 084.5 m，后接尾水暗渠，底板 高 程 抬 至2 086.5 m。尾水洞基岩洞段采用钢筋混凝土衬砌，覆盖层洞段为型钢混凝土衬砌。

尾水隧洞出口段岸坡为崩坡积物源，故尾水渠采用暗渠型式，暗渠段全长47.31 m。

3.10 出线场

出线场面积为21 m×21 m(长×宽)，设在出线洞口下游侧，外侧紧临杂谷脑河右岸317国道。建基面高程2 098.5 m，基础为含漂(块)砂卵石层。

4 主要设计特点

(1)狮子坪水电站厂区边坡为土质边坡，岩性为崩坡积块碎石土(Q4col+dl)。该碎石土结构非常松散、粘聚力极小且含大量孤石，架空明显，坡面多处为大面积的倒石堆。若布置地面厂房将会形成高达98 m的覆盖层边坡，且地面厂房后缘边坡高陡，基岩边坡高达600 m以上。最终实施的地下厂房方案均采用长覆盖层进洞，排风洞、交通洞、尾水洞、出线洞覆盖层洞段长约345 m，最大上覆厚度约70 m，施工极其困难。狮子坪水电站厂房在2004年9月开工时，国内外无该类长覆盖层进洞施工的成熟经验，爆破即引发垮塌而只能由全人工开挖，日进尺约0.5延米。施工过程中出现多次顶拱、边墙塌方乃至“冒顶”，后结合现场施工情况采用小导管管棚超前固结灌浆加型钢和喷锚一期支护、后期钢筋混凝土内衬的方式，收效显著，给后续主洞室群的施工赢得了宝贵时间。

(2)狮子坪水电站地下厂房虽无大的断层通过，仅发育规模较小的挤压破碎带和节理裂隙，但其围岩以Ⅲ类为主(开挖揭示主厂房局部Ⅳ类)，自稳能力较差，支护及时跟进保证了施工期及工程永久安全。

(3)可研阶段 ，在主厂房、主变及GIS室、尾闸室的顶拱布置了共计164根100 t预应力锚索;技施阶段，经对开挖揭示的地质情况和变形观测等进行分析后将其全部取消，仅在主厂房顶拱另设了108根预应力锚杆支护，经后续监测等实际结果检验，该优化方案合理，为工程节约了投资，缩短了工期，效益明显。

(4)可研阶段，在GIS室顶拱布置排风斜井;技施阶段，鉴于该斜井工程量大，深约95 m，开挖直径4.6 m，开口距317国道垂直高度约100 m且斜井轴线与岩石结构面小角度相交，施工难度极大，故取消了该斜井，另在GIS室顶拱右端增设了排风支洞接入排风洞排风。

(5)狮子坪水电站地下厂房施工历时共计约5 a，其间经历了汶川5.12特大地震考验，自2010年3月底3台机组全部投产发电以来，运行良好。

5 结语

狮子坪水电站地下厂房的设计及施工质量将接受长期检验。在运行发电期间，笔者认为应对下述问题引起高度重视:

(1)该地下厂房天然地下水位较低，施工期仅在球阀层有水，但岩体通透性较好，应定期巡查并疏通排水通道，加强排水，设立长效监管机制。

(2)厂房临近317国道，其外边坡为崩坡积块碎石土，上部为陡岩区，应对设置的被动防护网定期进行维护并主动清除危石等隐患。

(3)排风洞、交通洞、尾水渠、出线场及出线洞均布置在317国道侧或跨317国道，进出厂时应注意交通安全;317国道汶川至马尔康段目前正在进行三改二，公路施工时应注意保护好狮子坪水电站厂区的既有建筑设施、设备。