我国地下水电站建设的发展

翁义孟

（水利部珠江水利委员会，广东 广州 510611）

0 引 言

我国第一座装机容量超过5万kW的地下水电站—福建古田溪一级电站，于1956年建成发电，今年是其投产的55周年。尽管其装机容量仅6.2万kW，但在第一个五年计划期间却是水电建设的大项目。我国在十分薄弱的基础上开始了地下水电站建设，经过半个多世纪的发展，电站的规模和技术水平都有很大的跨越，取得了巨大成就。目前，在建的溪落渡水电站装机容量达1260万kW，是古田溪一级电站的200倍。值此古田溪一级电站发电55周年之际，回顾并展望我国地下水电站建设的发展是很有意义的。

1 我国地下水电站的发展历程

1.1 1980年以前

继古田溪一级电站之后，有不少水电站采用了地下厂房布置[1]。据不完全统计，至1979年，我国已建地下水电站26座，这些水电站采取地下厂房布置都各有其客观原因。古田水电站位于台海西岸，出于防空需要采用了地下厂房。白山和刘家峡水电站 （与坝后地面厂房连体的窑洞式地下厂房）是因河谷狭窄，出于枢纽布置上的考虑。水槽子和镜泊湖水电站采用首部开发式地下厂房，将厂房布置在引水道上游地质较好处，避免有压引水隧洞穿越地质条件较差的地段。盐水沟水电站调压井至地面厂房的压力水道太长，较难满足调节保证要求，采用地下厂房布置，缩短了压力水道长度。可可托海水电站地面厂房位置为高达百米的陡崖，将厂房布置在山体内，避免了高边坡处理。拔贡和闽东水电站厂顶高程均低于50年一遇洪水位，采用地下厂房，洪水期挡水问题比较容易解决。实践表明，地下厂房在布置上有较大的灵活性，可适应各种地形、地质条件，这也是地下水电站被广泛采用的重要原因之一。

这一时期的地下水电站多建于小河流上，流量小、比降大，故多采用引水开发方式。装机规模一般都不超过10万kW，最小只有0.8万kW，开挖跨度仅9.7 m。几座容量稍大的水电站，主要靠加大发电水头，如盐水沟和小江水电站发电水头都达589 m。高压水道衬砌和高压阀门安全成为设计难点，为避免水轮机进口高压阀门爆破危及地下厂房安全，另设了与厂房隔开的阀室，并设有排水廊道以便发生事故时向外排水。

当时对地下洞室围岩稳定性问题认识比较片面，仅注意到顶拱岩体塌落问题。通过实践发现，地下厂房顶拱围岩具有自稳能力，此后有的工程便改用了间隔开的 “肋拱”，减少了顶拱工程量。与地下厂房高岩壁相交的横向洞室，随着厂房向下开挖，洞口衬砌常出现环向裂缝，从而认识到了岩壁位移的影响，并开始从弹性体开孔理论和岩石力学角度考虑地下厂房围岩稳定问题。

1.2 1980年以后

据统计，80年代建设的坝高超过100 m的8座水电站中，采用地下厂房布置的有2座，装机容量都超过50万kW。90年代开始了以小浪底和三峡工程为标志的向大江大河进军的水电发展新时期，先后上了一批高坝大库项目。大江大河流量大，引水开发方式不适用，普遍采取坝后开发方式。这些水电站多处于高山峡谷，受地形条件限制，泄洪设施与电站厂房布置矛盾突出，许多高坝枢纽都采取地下厂房布置方式。1980年后建设的坝高超过150 m的34座水电站中有22座采用地下厂房；坝高超过200 m的水电站，采用地下厂房布置的占九成，装机容量都在100万kW以上。

2 地下水电站的优势

地下水电站的发展同高坝枢纽建设有密切联系并相辅相成。高坝枢纽建设带动了地下水电站的发展，与此同时，地下厂房也给高坝枢纽布置优化创造了有利条件[2]。地下厂房布置方式的许多优点：①更具备采用过水围堰的条件，从而简化施工导流，减少其对工程施工的制约。②可简化坝体布置，便于采用碾压混凝土，加快大坝施工进度。③可避免坝后厂房与大坝及泄洪陡槽施工的互相干扰，避免因陡槽施工滞后导致后期度汛风险。④地下厂房施工受洪水影响较小并可与导流和大坝工程平行作业，不占关键线路，有助于缩短总工期。⑤由于泄洪流量大，泄洪消能成为高坝枢纽的一大难题。采用坝身高、低孔泄洪，以异型鼻坎控导水流、配合水垫塘消能是比较理想的泄洪方式，地下厂房可为其提供条件，且本身受泄洪雨雾的影响较轻。⑥地下厂房布置往往可减小高边坡的高度，提高了工程的安全度。⑦随着梯级开发进展，调节能力提高，一些水电站需要扩容；有的电站为充分利用汛期弃水，需要扩机，都需另建新厂房。这时，采用地下厂房具有布置紧凑，造价低，干扰小的优点。⑧太平驿、映秀湾、渔子溪地下水电站均处于汶川地震Ⅸ～Ⅺ度强震区内，震后检查，未发现地下厂房本身有震损[3]。 “5·12” 汶川地震调查研究指出： “地下建筑的抗震性能较好”，并建议 “高山峡谷地区修建水电站，条件具备情况下要优先地下厂房布置方案”。地下水电站的抗震优势已取得广泛共识。⑨地下水电站对植被影响较小，有利于保护自然环境与景观。

3 设计理论的突破

围岩稳定性和支护概念的转变是从70年代开始的，新奥法的引进改变了先前单纯视围岩为荷载的旧概念，转变为通过支护措施将其转化为承载体的新思路，实现了设计理论的重大突破。围岩卸荷变形、松动、破坏、失稳机理和围岩同支护的互动机制是围岩支护新技术的理论基础。实地测试和仿真技术的进步为理论探讨和分析方法改进提供了强有力的支持。现在已逐步应用反复校正、逐步贴近、及时调控的动态设计方法。根据各个工程围岩的力学环境、岩体特性及工程需要选用适宜的仿真分析方法，采取经过预设计、反演校正、而后提出包括支护参数、开挖程序、支护时机在内的实施方案，得以逐步贴近实际的设计方法[4]。并在施工过程中加强监测和反馈分析，及时发现问题，采取补强措施。形成一整套动态支护技术，使围岩支护措施更为有效、更加合理。

各个工程的情况各异，可选用适合本工程特点的仿真分析方法。参考文献[4]根据拉西瓦地下洞室群的实际情况，采用描述高地应力条件下硬脆性岩体屈服和围岩强度弱化的弹脆塑性本构模型进行分析，取得了比较系统的有关位移场、应力场及塑性区等方面的规律性成果，对解决工程实际问题和理论探讨都很有价值。洞室群开挖顺序与支护参数组合优化的智能方法对提高地下洞室群开挖支护技术水平和工程安全具有积极的作用[5]。

岩壁吊车梁的普遍应用也是地下工程设计理论更新的重要标志。视围岩为承载体，通过岩壁吊车梁由其承受吊车轮压荷载是一项重大突破。目前一些吊车容量很大的特大型地下厂房也都采用岩壁吊车梁，向家坝电站岩壁梁承载的吊车容量达2-1 200 t/200 t，水平相当之高。

4 施工技术进步

1980年以前，我国地下工程一直采用手风钻钻孔，钢木支撑的传统施工方法。以鲁布革水电站建设为转折点，开始采用喷锚支护和其他先进施工技术。经过二、三十年的实践探索，我国地下工程施工总体水平有了很大提高[6]，主要表现在：①科学优化总体施工方案。大型地下水电站的洞室群多达百余个，通过合理布置施工支洞，使洞室群成为既不互相干扰又能有机联系，得以实现多工作面平行施工的整体。利用地下厂房尺度大、工序多的特点，采用 “平面多工序、立体多层次”的施工方法，为洞室群顺利快速施工创造了有利条件。②多项措施保证围岩稳定。根据围岩弹性能量释放规律，合理确定开挖层高度[7]，减小围岩弹性能量释放速率，避免围岩过快变形。采取中心拉槽超前、两侧保护层跟进的措施以及应用预裂爆破等技术减轻开挖爆破对围岩的破坏。③合理安排相邻洞室的开挖顺序，减少相互影响。④采用先进的造孔和爆破技术。先进测量技术和导向定位架的应用得以精确控制钻孔方向，对提高爆破效率和效果很有帮助。光面爆破、预裂技术以及高性能爆破器材、精密引爆网络设计的配合应用，提高了高难度轮廓控制部位如岩壁吊车梁岩台的成形质量，使得开挖总体质量有很大提高。⑤新技术、新工艺、新设备的应用。钢纤维及聚丙稀微纤维喷混凝土、水泥基药卷式锚杆、预应力锚索钢板锚墩、电脑台车、钻杆三联机等的应用提高了开挖、支护效率，大大加快了施工进度。⑥建立现场监测快速反应机制。有针对性地布置现场监测系统，根据开挖过程中暴露出来的地质情况，结合监测采集的数据，及时采取包括调整爆破参数、优化爆破措施、改进开挖方案和支护加固等调控手段，对确保洞室群围岩稳定和安全顺利施工发挥了很大作用。⑦减轻爆破影响。对一些扩机工程而言，地下洞室开挖爆破对先期工程的影响是极为突出的问题。三峡工程通过对开挖爆破产生的质点振速进行跟踪监测，确定控制爆破工艺，并及时反复调整，确保了先期工程的安全[8]。

5 若干革新改进

（1）厂房纵轴方向。厂房纵轴应取同围岩结构面交角较大的方向是地下厂房设计的一项准则。彭水水电站地下厂房[10]处于薄层、陡倾角、软弱的灰岩中，岩溶发育。要避开溶洞，将厂房置于完整的岩体内，其纵轴方向与层面的交角就很小。经研究决定，在采取预应力锚索等加固措施的基础上，采取与岩层0°交角的纵轴方向，经受了施工期及运行期的全面考验，证明这种布置是可行、可靠的，开创了地下厂房纵轴取向的先例。

（2）变顶高尾水洞。地下厂房尾调室工程量大，施工复杂。采用变顶高尾水洞，向下游逐渐抬高洞顶，使有压段在随尾水位升高而加长的同时，洞内流速因断面加大而向下游递减。这样，低水位时有压段短，水力过渡过程中负水击小；尾水位升高时有压段增长，负水击加大，但由于洞内流速降低，使水力过渡情况得到改善，从而做到在不同尾水位下均能满足规范的要求，同时得以减少工程量，简化施工。

（3）圆筒形尾调室。传统采用的方箱形尾调室围岩稳定性较差。近年来许多工程改用圆筒形上室阻抗式尾调室，围岩稳定性和衬砌受力情况都得到改善，是一项重要改进。

（4）岩壁吊车梁。在岩壁吊车梁工程实践中曾出现过一些有待改进的问题。彭水水电站针对厂房后续开挖时的岩壁变形以及岩体不均匀导致吊车梁混凝土开裂的问题，采取了合理选定岩壁梁的施工时机，根据围岩变形情况对预应力锚杆进行分期张拉等措施。经施工、运行的多年考验，至今未出现裂缝，取得了成功的经验。

6 结语

半个世纪以来，我国地下水电站建设的工程规模和技术水平都有很大的跨越。低碳经济发展必将更有力地推动水电开发，水电建设面临着新的挑战和机遇。地下水电站具有明显的优越性，将会迎来更大的发展。围岩稳定性及其支护是地下水电站建设的一个核心问题，要针对高地应力地区的特点和复杂地质条件，开展有关的研究探索。围岩变形失稳支护机理是十分复杂的科学，我国已取得一些颇有创意的研究成果，但也存在不足之处[9]。要进一步采取原型测试和仿真分析相结合的方法，改进测试技术，研发适用性更强，功能更齐全的仿真技术。卸荷松动区是围岩稳定最关键的部位，要加强对卸荷松动区的研究，有必要加密测点，全面采集围岩变形同锚杆受力情况相对应的同步动态数据，进行细致分析研究，这将有助于了解支护机理，提高围岩支护技术水平。

［1］ 翁义孟.我国地下水电站厂房设计中的几个问题［J］.水利水电技术， 1979（9）:10-17.

［2］ 郭子嵩.地下厂房在峡谷高坝水电站枢纽布置中的优势［J］.水力发电， 2000， 26（9）:38-42.

［3］ 王斌，等.汶川地震灾区水电工程震损调查及分析概述［J］.水力发电， 2009，35（3）:1-5.

［4］ 江权，等.高地应力条件下大型地下洞室群稳定性综合研究［J］.岩石力学与工程学报， 2008， 27（9）:3768-3777.

［5］ 苏国韶，等.高地应力下大型地下洞室群开挖顺序与支护参数组合优化的智能方法 ［J］.岩石力学与工程学报，2007，26（7）:2800-2808.

［6］ 马洪琪.我国水电站地下工程施工技术的回顾与展望［J］.水力发电， 2006， 32（2）:52-55.

［7］ 白帆，等.拉西瓦水电站地下厂房开挖分层及顶拱开挖支护［J］.水力发电， 2007， 33（11）:77-79.

［8］ 李勇泉，等.三峡右岸地下电站施工期安全研究［J］.水力发电，2009， 35（12）:48-49.

［9］ 张继勋，等.地下工程稳定性分析方法现状与不足［J］.现代隧道技术， 2005， 42（2）:1-4.