巴基斯坦汗华水电站工程竖井半地下式厂房设计

刘春锋 朱伟君 吴先德 李 娅

汗华(Khan Khwar)水电站工程位于巴基斯坦西北边境省,大坝位于印度河支流Khan Khwar河上,发电厂房位于印度河右岸Besham镇附近。该工程是一项高水头、长隧洞的引水式水电站工程,由水库、挡水重力坝、引水系统、调压井、电站厂房、尾水建筑物、开关站和输变电线路等组成,其主要任务是调峰发电。大坝为混凝土实体重力坝,最大坝高49.0m,坝顶长约106.1m,坝顶高程 829.0m。最高蓄水位825.0m,总库容为105万m3,有效库容为40万m3。引水系统长5144m,内径为3.85～3.00m,包括引水隧洞、压力竖井、压力隧洞。设计引水流量35m3/s,设计发电净水头242m,总水头为254m。厂房内安装2台34.25mW的立轴混流式发电机组和1台3.65mW的冲击式辅助发电机组,总装机容量72.15MW。

1 厂区工程地质

电站厂房位于KKH公路陡坡下、印度河右岸坡脚地带,为斜坡地形,坡度15°～20°,地面高程580～605m,场地由原来的小山包削平而成。

地表基岩裸露,地层岩性为Besham组淡色花岗岩和花岗片麻岩,局部见有赤铁矿蚀变带。据钻孔岩芯资料,花岗岩、花岗片麻岩RQD平均值分别为55.3%～75.1%、54.4%～81.6%。

岩体较完整—较破碎,底部因节理裂隙发育完整性稍差。大部属中等风化,只在局部沿着剪切带风化强烈。主要裂隙产状为NW345°～NE5°/NE或SE∠62°～74°, 次为 NE45°～ 60°/SE ∠30°～50°。一条剪切性断层F18穿过竖井壁和底板,产状为NW345°～ 355°/NE ∠58°～ 70°, 破碎带宽 0.6～ 4.0m,带内裂隙密集发育,断层面有20～30cm厚的断层泥。

2 厂房型式及厂房竖井位置的确定

汗华电站为引水式电站,通常有半地下式竖井厂房、地下厂房、岸边式地面厂房3种型式可供选择。鉴于本工程特定的地形、地质条件,半地下式竖井厂房是最优的选择。厂房上部结构布置在地面以上,保证厂内有良好的通风、防潮和采光等条件,交通问题也较易解决,运行、管理较方便;竖井平面尺寸满足2台主机组布置即可,与地下和地面厂房相比,其平面尺寸可明显缩小,因此,本工程选择半地下式竖井厂房的方案。

可研设计阶段选择的厂房位置,竖井外围岩石最薄处(临印度河)仅2～3 m,并且主厂房上部结构部分坐落于基岩上,部分坐落于砂砾石上。由于主厂房竖井开挖尺寸较大,竖井底部节理裂隙发育、完整性较差,原设计竖井岩壁太薄,对厂房施工及永久运行的防渗极为不利。坐落在砂砾石上的结构物必须采用桩基础,以解决不均匀沉降问题,没有充分利用较好的地质、地形条件,人为地使结构设计复杂化。另外,原设计厂房区域离PTDC旅馆太近,厂房施工给其带来一定的干扰;因此,详设阶段将主厂房位置调整至南端不远处的小山包上,开关站位于小山包下游侧印度河河边岸坡上,从而避免了上述问题。调整方案已经实施。

3 厂房总体布置

厂房位于KKH公路旁印度河右岸的阶地上,主要由主厂房、副厂房、尾水建筑物、开关站、住宅楼等主要建筑物组成。整个厂区地面高程定为585.80m。

主厂房地面高程略高于厂区地面高程,为586.00m。主厂房长48.5m,宽19.6m,总高度43.20m,其中地面以上高度为15.50m,地面以下高度为27.70m。主机间为竖井式,竖井长28.25m,宽22.00m,深27.70m。主厂房内布置2台混流式主机组,机组间距8.00m,每台机组的设计流量为16.5m3/s,发电机单机容量为34.25mW。1台冲击式辅助机组的设计流量为2m3/s,发电机容量为3.65MW,布置在安装间内。

竖井长28.25m,宽22m,由2个半径为11m的半圆形用直线段联接而成,形状类似椭圆,衬砌厚度为1m。竖井上游侧为装配井,竖井下游侧从上到下依次布置有防火系统室(高程581.00m)、发电机单元室(高程577.60m)、水冷却系统室(高程573.40m)、水轮机层(高程568.20m)、蜗壳层(高程566.00m)、阀室层(高程562.90m)、尾水管层(高程560.30m)。水轮机层以下为大体积混凝土,水轮机层以上各层均采用无梁厚板结构型式,厚度为0.5m,各层有楼梯相连,并在下游侧设有一部电梯,通往机械大厅层及副厂房各层。电缆井紧贴竖井井壁,布置在竖井下游侧的电梯井旁。

水轮机层高程为568.20m,下游侧主要布置有机组调速器、盘柜、尾水闸门启闭机等设备。上游侧放置有球阀调速器。由于机组采用中拆方案,因此在机墩上开有4.6m×3.0m(宽×高)的通道,用于拆卸水轮机转轴,洞的顶部、地面埋设轨道,水轮机拆卸后运到装配井,通过桥机吊到安装场检修。

阀室层地面高程为562.90m,该层主要布置有直径为1.6m进水球阀的控制装置、厂房检修集水井、渗漏集水井等。

副厂房位于主厂房下游侧,为钢筋混凝土框架结构,长50.70m,宽14.00m。副厂房共3层,第1层与主厂房机械大厅层同高、第2层为中控室层、第3层为通讯层,高程分别为 586.00,590.80,597.20m。为满足防火要求,副厂房共设2个楼梯间,并与竖井共用1部电梯。

井壁衬砌厚度为1m,采用低渗透性混凝土。原设计在井壁上布设无砂排水管,将厂房渗漏水引入渗漏集水井内,然后通过排水管排出厂房外,开挖后实际地下水位比较低,取消了无砂排水管的方案。

4 竖井开挖和支护

由于竖井开挖尺寸较大,竖井的围岩应力和变形是设计较为关心的问题。经过有限元围岩非线性稳定分析,结果为井壁各高程环向应力和竖向应力均为压应力,无拉应力出现,环向应力和竖向应力均随深度的增加而增大,最大值出现在井底高程,分别为1.01mPa和1.71mPa,小于岩石允许抗压强度;因此,总体而言,竖井开挖后,围岩是稳定的。

厂房竖井开挖是利用尾水隧洞出渣,开挖步骤为:竖井导井开挖,井壁扩挖,建基面形成。采取自上而下,分层开挖的方法,井壁形成后,根据实际的地质情况及时进行锚喷支护。一次支护采用系统锚杆,锚杆直径28mm,长5～7 m,间距2m,喷混凝土厚10cm,局部视地质情况加挂钢筋网。对于有潜在滑动楔形体部位,根据可能的楔形体大小,加长、加密锚杆。

为保证施工安全,在竖井井口,增加了1道圈梁(宽0.4m,高2.5m),由于布置母线坑,为便于拆除部分圈梁,将圈梁分成2段布置,段与段之间通过钢筋铰接相连。

竖井围岩类别以C类为主。为了监测竖井井壁变形和支护滞后对井壁稳定的影响,设计安装了4个多点位移计和6个收敛观测点。观测数据显示,本井壁中部单日最大收敛量为2mm,累计最大收敛量为4mm,之后趋于稳定,变形速度和累计变形量均小于允许值。

5 涌水和灌浆

原设计对整个竖井井壁及竖井底板进行固结灌浆,后从现场开挖情况看,竖井井壁围岩条件较好,可以不进行固灌,只对底板做固灌处理。灌浆压力为0.3～0.5MPa,灌浆孔径不小于45mm,灌浆施工按2序孔分序加密,1序孔和2序孔灌浆孔间排距均为3 m×3 m,梅花形布置,孔长5m,破碎带区域孔位加密。

竖井开挖至562m高程时,因打穿剪切带发生涌水,稳定涌水流量约为1000m3/h,实施固灌方案阻水、止水将进一步延误厂房工期,因此,现场采用强排水方案进行后续施工。

6 结 语

巴基斯坦汗华水电站厂房采用竖井半地下式厂房,竖井内布置紧凑、合理,大大减少了开挖工程量,节约了工程投资。现在2台机组已安装完成,经现场位移计及孔隙压力计等设备观测表明,厂房建筑物安全可靠。