天花板水电站厂房布置与结构设计

储小钊，董丹丹，张 燕

（中国水电顾问集团北京勘测设计研究院，北京 100024）

0 引言

天花板水电站地处云南省昭通市境内牛栏江上，是牛栏江中下游规划梯级水电站的第7级，为三等中型工程，发电厂房为3级建筑物。水电站厂房位于峡谷地区，设计过程中存在开挖高边坡、高尾水、出线塔架导线拉力大等不利因素，给厂房布置与结构设计带来一定难度。电站采用地面厂房方案，厂区建筑物布置时考虑到地形地质的不利条件，将副厂房、主机间、安装场布置成 “一字型”，主变室布置在主厂房上游侧，GIS及出线塔架位于主变室上部，同时加强结构计算分析，以解决高边坡开挖支护、高尾水岸边厂房稳定与尾水挡水结构设计、出线场布置与出线塔架设计等问题。

1 厂区布置

天花板水电站厂房位于柴棚子沟上游的牛栏江河道转弯处凸岸，地形坡度38°～40°。谷坡后缘为高大陡壁，近河岸有宽度不大的台地。经过前期比较论证，采用地面厂房方案。

地面厂房的布置将引起开挖边坡的问题。厂区地质条件较差，边坡开挖支护是厂房设计时需要解决的关键技术问题，同时开挖支护的工程量在厂区工程量中占有较大比重。

为减少厂房边坡开挖高度，降低工程风险，在厂房布置上主要采取：①各建筑尽可能紧凑，副厂房、主机间、安装间成 “一字型”布置，主变室布置在主机间上游侧，将出线系统布置于主变室顶屋，以减少占地面积；②在满足厂房地基承载力的前提下，厂房位置尽可能向河床方向布置，为避免厂房外移对施工期纵向围堰布置及河床束窄的影响过大，对左岸河床区域进行必要开挖及防护；③适当调陡尾水渠的底坡，同时尾水管出口处设沉砂池、尾水渠末端设挡沙坎，以减少河道泥沙对尾水建筑物的不利影响。

2 高尾水情况下厂房稳定与结构设计

天花板水电站厂房按50年一遇洪水设计，200年一遇洪水校核。厂房建基面高程为943.40 m。考虑下游凉风台水电站大坝建成后影响设计洪水位为971.15 m高程，校核洪水位为973.58 m高程，即在校核洪水情况，厂房尾水水头达30.18 m，相当于一个中小型挡水坝承受的水头，厂房的整体稳定难以满足要求，同时增大了尾水挡水结构的设计难度。经分析比较，采取以下措施：①适当加大厂房底部基础宽度，将尾水出口处厂房底板混凝土外延1 m。一方面增大基础面积，降低基础应力，另一方面可以利用扩大的基础上部水重，增大厂房整体稳定性。②底板采用整体式的结构形式并设置基础锚筋。③厂房采取 “两机一缝”的分缝形式，在机组段间设置永久缝。蝶阀层以上二期混凝土缝宽2 cm，设填缝材料；蝶阀层以下一期混凝土为光面缝 （零缝），不设填缝材料，既避免不均匀沉降对结构产生影响，又可以在机组间传递侧向水压力，适当提高了系统的整体性。④厂房止水设计时考虑高尾水的特点，在迎水面结构缝处布置两道止水并形成封闭。

除厂房整体稳定外，尾水挡水结构承受较大的外部水压力，结构设计上有难度。尾水挡墙与尾水中边墩是主要的挡水结构，并设有尾水副厂房。前期设计考虑设3层副厂房，施工期由于机组技术供水设备布置有难度，只能将尾水副厂房增至4层。将第四层作为技术供水室，房间底板高程为953.38 m，校核洪水位下水头达20.2 m。由于厂房整体体型已确定，结构难以做大的调整。经反复比较分析，采取：①尾水副厂房第4层技术供水室顶层设80 cm的厚板作为尾水挡墙的支撑结构之一，要求与尾水闸墩同期浇筑，可将部分尾水压力传递至蜗壳外包大体积混凝土；②尾水挡水结构设计时不再简化为平面问题，而是采用有限元ANSYS软件对尾水挡水结构进行三维模拟计算分析；③尾水副厂房上部3层顶板的下游侧支承结构为尾水挡墙，考虑到高尾水工况下尾水挡墙上部会产生较大的变形，在尾水副厂房顶板下游侧支撑边梁与尾水挡墙间设2 cm的变形缝。

3 开关站布置

受厂区地形地质条件限制，开关站难以单独设布置场地。前期设计时考虑将GIS设备、出线塔架及附属设备均布置于主机间屋顶。施工详图阶段随着设计深度的深入，比较分析了将开关站布置于主机间顶层、副厂房顶层和主变室顶层的可行性。最终考虑到对下部支承结构的影响、与输电线路的联系、运行管理和场地面积等方面的要求，确定将GIS布置于主变开关楼第3层，出线塔架布置于主变室顶层。

施工详图设计后期确定电站输电线路的0号杆布置在江对岸，电站出线塔架与输变电系统的0号杆间的挡距与高差均较大，导线荷载张力很大，输变电线路的电压等级为220 kV，但出线塔架的荷载水平却相当于500 kV级。由于主变开关楼下部结构已施工完成过半，结构体型调整的余地不大，因此出线塔架钢结构与支撑结构的设计难度较大。钢结构设计采用中国建筑标准设计研究院北京金土木软件技术有限公司与CSI联合推出的SAP2000中文版V14进行计算，三维空间建模。在大量计算分析的基础上确定了出线塔架的结构体型。

4 边坡开挖支护

电站施工期边坡开挖最大高度为110 m，永久边坡开挖高度为87 m。厂址区出露为震旦系地层，并以第四系松散堆积物为主。主要存在三组结构面：① NE50°～60°、 SE<50°～60°， 顺层裂隙， 一般沿泥岩夹层发育、张开，发育间距 （泥岩夹层）1～3 m，局部较密集，泥岩遇水软化；② NW320°、SW<50°～70°，张开宽度2～3 cm，裂面平直略粗糙、锈色，填充碎片岩、岩屑及少量次生砂砾、泥质，发育间距一般为 0.5～1.0 m， 局部密集； ③ NE40°～70°、NW<70°～90°，张开宽度1.0 cm左右，填充岩屑及少量次生砂砾、泥质，发育间距一般为1.0 m左右，局部密集。

针对天花板水电站边坡的实际情况，采用的设计思路为：①通过复核原始边坡的稳定性，对地质参数进行敏感性分析，提出合理的边坡稳定分析计算参数区段；②拟定开挖支护方案，对开挖边坡进行稳定分析计算，并对边坡结构面连通率、结构面参数、地下水等不确定状况进行敏感性分析，提出支护的总体设计方案；③针对边坡具体地质状况展开了支护形式选择、锚索深度、最优倾角的细部设计；④根据边坡开挖揭露的实际地质情况以及边坡监测资料，对边坡支护参数进行修正与调整。

经计算分析，厂房后边坡的滑动失稳可能破坏模式为覆盖层Q4的浅层弧面型滑动，同时存在深层滑动以及结构面组合形成楔型体滑动的可能性。

根据天花板水电站厂址区的实际地质特点，对可能存在的浅层滑动，采用以混凝土网格梁加土体长锚杆为主的支护方式。土体长锚杆与混凝土网格梁组成的复合体，既弥补了土体自身强度不足的缺点，也适当利用了土体自身潜力。对深层稳定问题，采用1 000 kN锚索为主的支护方式，辅助以网格梁、锚喷混凝土等。在选用锚索时，结合边坡岩体破碎的特点，采用了拉压分散型预应力锚索，并重点分析了锚索深度及最优倾角等问题。

天花板水电站厂房永久边坡的开挖支护于2007年未开始施工，2008年年底基本完成，2011年年初两台机组相继投产发电，厂房边坡观测数据基本稳定，施工期及后期使用正常，说明边坡开挖支护设计合理，达到了预期的设计要求与目的。

5 结语

天花板电站厂房位于峡谷地区，河谷偏窄，地质条件较差，机组安装高程低、设计校核尾水位高。根据具体条件，厂房设计时采取厂区建筑物紧凑布置、宜地制宜的原则，在尾水渠布置、主机间整体稳定、尾水挡水结构、出线塔架设计和边坡开挖与支护设计上采取有针对性的措施，有效地解决了高边坡开挖支护、高尾水岸边厂房稳定与挡墙结构设计、出线场布置与出线塔架设计等问题。可供今后类似条件的工程设计提供借鉴。