浩口水电站厂房布置与结构设计

刘健 熊建宁

摘要：指出了浩口水电站厂房位于峡谷地区，地势陡峻，厂区地质条件差.尾水渠后段处于堆积体前缘，机组安装高程较低、尾水位高，同时需避开大坝消力池雾化影响。为此，设计了攻克上述难点的方法：①因地制宜紧凑布置厂区建筑物，增加厂房底部宽度等方法保障厂房整体稳定I②加大厂房边墙结构尺寸以及分缝法解決防洪墙及闸墩结构影响;③采用室内开关站解决空间布置受限制问题;④参数系统整理、对比分析，有针对性选择边坡强、弱支护措施。工程建成以后运行正常，表明了厂房布置、结构设计合理、可行，充分发挥了电站效益。可为类似工程提供一定参考、借鉴。

关键词：厂房布置;结构设计;有限元;高尾水;堆积体

中图分类号：TU7 文献标识码：A 文章编号：1674.9944（2019）16-0225-04

1引言

浩口水电站工程厂址位于重庆市武隆县芙蓉江左岸，重庆市彭水县和贵州省道真县界处，厂址与上游大坝相距约140m，装机三台共计135MW（即2×62.5MW+1×10MW生态机组），工程等别为Ⅲ等中型。厂区位于峡谷地区，地势较陡峻，厂区平面布置受限，同时存在厂区地质条件差、高边坡开挖、高尾水、尾水渠后段处于堆积体前缘及大坝消力池雾化影响等因素制约，使得厂房布置、结构设计难度较大，厂区设计充分考虑上述制约因素。主厂房轴线N40°E，垂直于轴线方向由山体侧至河床侧依次布置电气副厂房、主厂房、水机副厂房、尾水渠。开关站布置电气副厂房内，变压器布置于电气副厂房齐地坪高程，220kVGIG开关室布置于变压器层上部，同时设吊物平台，220kVGIG出线层布置于220kVGIG开关室上部;水机副厂房位于尾水管上部;尾水渠布置在水机副厂房下游，出水与芙蓉江顺接。结合厂区地形地质条件制约及厂内运输道路宽度要求，安装间设置为主、副安装场，分别布置在大机组发电机层和厂区地坪高程，安装间下游侧道路布置于主安装场内，既增大安装间，又兼变压器运输轨道，安装间、变压器运输轨道与厂区内交通紧凑布置，解决变压器运输问题且使厂区内外交通顺畅衔接，采取了厂区公路进厂的方式。

2厂区布置

浩口水电站厂区基岩为页岩，地形陡峻，厂区、厂房开挖将引起高边坡问题。厂区下游尾水渠后段为堆积体边坡，稳定性较差。开挖、边坡支护工程量在厂区工程量中占比高。边坡问题是浩口水电站厂房设计重要难点。

为减少厂房边坡开挖高度，节约工程投资，降低工程风险，在厂房布置上主要采取：①各建筑尽可能紧凑布置，垂直于主厂房轴线方向由山体侧至河床侧依次为电气副厂房、主厂房、水机副厂房、尾水渠。为了减少占地面积及工程投资，将开关站布置电气副厂房内，将出线系统布置于主变室屋顶，安装间分为主、副安装场两部分。安装间、变压器运输轨道与厂区内交通紧凑布置，解决变压器运输问题且使厂区内外交通顺畅衔接;②在满足厂房地基承载力，尽量避开大坝消力池雾化影响区及尽量少束窄河床布置厂区;③尽量调陡尾水渠坡比缩短平面尺寸，同时对尾水下游河道采取疏浚措施，保证电站出率（图1）。

3高尾水情况F厂房稳定与结构设计

浩口水电站厂房按50年一遇洪水设计，200年一遇洪水校核。厂房最低建基面高程为282.40m。下游设计洪水位为324.28m，校核洪水位为327.56m，即在校核洪水情况，厂房尾水水头达45.16m，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，同时加大防洪墙及闸墩结构设计难度。经反复计算分析及敏感性比较，归纳采取措施：①适当加大厂房横向底部基础宽度，将尾水出口处厂房底板混凝土外延6.5m。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将厂房后侧三角体与防洪墙形成类似于衡重式挡墙的整体结构，增加厂房自重，从而增大厂房整体稳定性;③为了使基础具有足够的整体性和均匀性，对厂房基础进行全面固结灌浆并适当向尾水渠外延伸，并在固结灌浆孔内增设锚杆束;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，防洪墙及闸墩结构受分缝影响，同时还承受较大的外部水压力，结构复杂且独立分散，设计难度突出。根据前期论证成果，厂房的整体布置已确定，结构型式也基本确定。经反复的对比计算分析，较经济、适宜措施：①在施工图设计阶段，以结构安全为核心，同时结合现场实际施工情况，比如将厂房后边墙厚度增加;②防洪墙及闸墩结构设计时，将各部位以分缝处断开，形成独立结构采用abaqus程序+20节点六面体单元（高阶单元），进行三维有限元计算，最终采用布置详见图1。

4开关站布置

受地形、地质条件的限制，开关站无室外独立布置设条件。从土建经济性考虑，尽量避免对尾水渠后段堆积体干扰，以造成高昂堆积体边坡治理费用;同时高边坡开挖支护难度大、投资高等方面因素，开关站布置采用室内方式，即220kV开关设备采用GIS组合电器。开关站布置电气副厂房内，其中变压器布置于电气副厂房齐地坪高程，220kVGIG开关室布置于变压器层上部，并设吊物平台，220kVGIG出线层布置于220kV-GIG开关室上部，具体布置详见图2。

5边坡开挖支护

5.1厂房边坡开挖支护

厂房施工期边坡开挖最大高度约146m，永久边坡开挖最大高度约73m。

依据浩口水电站厂房边坡现场开挖揭示地质条件，采用设计思路：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;②拟定初步支护方案，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，提出支护的最终设计方案;③针对边坡具体地质状况展开了支护形式选择、锚索及锚杆束的深度、最优倾角的细部设计。

经计算、分析，厂房边坡支护实施方案：①厂房340.4m高程以上边坡，对不稳定块体锚杆加长加密，对裂隙面采用1000kN无粘结式端锚型预应力锚索为主的支护方式，辅助以锚杆束等;②马道313.0O～340.40m高程间边坡，对不稳定块体采用锚杆束加强支护为主，辅助以锚杆加长加密，对裂隙密集带采用锚杆束加强支护，并将排水孔加密布置;③300.95～328.30m高程边坡，对“垮塌区”采用锚杆束加强支护为主的支护方式，辅助以锚杆加长加密，对破碎带采用系统锚杆的加强支护。其他部位边坡表面采用喷C20混凝土并设锚杆的联合喷锚支护，喷混凝土厚0.1m。锚杆采用M30～p25砂浆锚杆，长4.5m，间排距2.5m×2.5m，梅花型布置。边坡设（p50排水孔，长4.0m.间排距2.5m×2.5m。

5.2尾水渠后段堆积体边坡支护

尾水渠后段堆积体呈缓坡状，北高南低，临河侧边坡较陡，坡度约30～40。，特别是水文站附近，局部形成陡坎，坎高达10m。中部为缓坡平台，后缘基岩段形成一陡坎，坡度约20～30。。该崩塌堆积体经多次崩塌堆积形成，其土层分布不均匀，性状特征差异大。堆积体治理原则：尽量少扰动崩塌堆积体，以削坡减载与缓坡压脚为主。结合地形地质条件，通过计算分析比较，确定治理方案：底部设混凝土镇脚，镇脚顶高程303.0Om，镇脚尺寸为3m×3m，在处理的范围末端部分，由于原地形高程较低，采用碾压块石回填至303.00m作为基础。303.00～317.00m坡比为l;2，317.0O m高程设马道，根据渗流稳定计算，马道宽度不小于2.0m。317.00～328.00m坡比为l：1.5。303.00～328.00m按照设计坡比开挖或回填，回填采用砂卵石料，格宾以下回填厚度超过2m则采用C15埋石混凝土。坡面设0.5m厚格宾，格宾每立方米网箱网丝含量不小于15kg/m³。

浩口水电站厂房开挖支护于2014年12月启动，于2015年12月完成，2017年12月三台机组投产发电至今，运行正常，厂房边坡观测数据正常、稳定，可见厂房边坡开挖支护设计合理、可行。

6结语

浩口水电站厂房位于峡谷地区，地形较陡峻、地质条件差，尾水渠位于堆积体前缘，机组安装高程较低、设计校核尾水位高。因地制宜紧凑布置厂区建筑物，厂房整体稳定、防洪墙及闸墩结构、尾水渠、开关站设计、边坡开挖与支护设计及不良地质条件处理等方面均采取合理、可行的措施，为类似工程提供一定参考、借鉴。