旭龙水电站引水发电建筑物布置设计

陈锐 陈舞 孙海清

摘要：旭龙水电站工程地处高地震烈度区，为解决引水发电建筑物布置设计面临的洞室群数量多、规模大、主洞室间距小、坝址区局部高地应力及存在断层等难点问题，结合地形地质条件和枢纽建筑物总体布置，依据相关规程规范，采用工程类比、三维精细数值仿真等技术手段，有效处理了进水口、引水隧洞、主洞室及附属洞室、尾水隧洞、尾水出口等重点部位布置及支护参数设计、围岩稳定分析等技术问题，确定了技术可行、经济合理的引水发电建筑物布置格局。研究成果可为同类引水发电建筑物布置设计提供参考。

关键词：引水发电建筑物布置； 工程类比； 数值仿真； 旭龙水电站

中图法分类号：TV732

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.05.009

文章编号：1006-0081（2024）05-0049-07

0 引言

旭龙水电站位于云南省德钦县与四川省得荣县交界的金沙江干流上游河段，是金沙江上游河段“一库十三级”梯级开发方案中的第十二級，为西电东送骨干电源点之一［1］。

在电站引水发电建筑物设计中，主要面临洞室群数量多、规模大、主洞室间距小、坝址区局部高地应力及存在断层等难点问题。如何确定技术可行、经济合理的引水发电建筑物布置格局具有重要意义。目前国内外对大型水利水电工程引水发电建筑物总体布置设计论述见乌东德［2］、卡洛特［3］、长河坝［4］、南欧江五级［5］、乌江构皮滩［6］、清江水布垭［7-8］、三峡工程［9］等水电站相关报道。本文以旭龙水电站为例，论述引水发电建筑物总体布置及典型部位设计成果，以便为同类工程提供参考。

1 工程概况

旭龙水电站工程开发任务以发电为主，并促进当地经济社会发展。枢纽工程主要由挡水建筑物、泄洪消能建筑物、引水发电建筑物和过鱼设施等组成，见图1。电站采用布置在主河床右岸的引水式地下厂房，共安装4台单机容量600 MW混流式水轮发电机组，总装机容量2 400 MW。引水发电建筑物总体布局为引水隧洞单机单洞，尾水隧洞二机一洞，主厂房、主变洞、调压室三大洞室相互平行。主要建筑物有进水口、引水隧洞、地下厂房、母线洞、主变洞、交通出线竖井、通风洞、尾水隧洞、尾水平台、出线场、交通洞及厂外排水系统等，如图1所示。

2 地形地质条件

旭龙水电站坝址区地处滇西北横断山山地，位于金沙江褶皱束（Ⅲ21）内，区域断裂构造发育。坝址区右岸出露基岩为三叠系印支期侵入花岗岩（γ15）、中元古界雄松群三段（Pt2x3）混合岩和斜长角闪（片）岩。引水洞上平段岩性以混合岩为主，斜井段为混合岩及花岗岩，下平段岩性均为花岗岩。主厂房围岩以花岗岩为主，少部分混合岩、斜长角闪岩；主变洞围岩以灰白色中细粒花岗岩为主，近岸侧为灰黑色斜长角闪岩脉体；尾水调压室围岩以灰白色中细粒花岗岩为主，近岸侧为灰黑色斜长角闪岩脉体；尾水洞地层为印支期灰白色花岗岩，岩质坚硬、强度高。岩体较完整，局部破碎；花岗岩中局部夹有深灰色混合岩捕虏体，呈条带状展布等。

3 进水口布置设计

从大坝布置、边坡规模及边坡结构、引水线路布置、引水隧洞布置等方面综合考虑，电站进水口采用岸塔式，布置在右坝肩上游，纵轴线方向NW38°，距坝顶轴线最小距离约65 m。旭龙水电站工程地处高地震烈度区，进水塔拟采用墩墙式钢筋混凝土结构保证其整体稳定。单塔宽为30.0 m，顺水流向长26.0 m，塔顶高程2 308.0 m（与坝顶同高），建基面高程2 265.0 m，塔高43.0 m。进水塔顺水流向分为拦污栅段、进水仓段和喇叭口段，依次布置拦污栅槽、检修闸门槽、快速事故闸门槽。单个进水塔布置5孔拦污栅，拦污栅单孔宽度为4.32 m；拦污栅边墩厚1.20 m，中墩厚1.50 m，墩长4.50 m；拦污栅墩尾距进水口挡水胸墙4.0 m，栅墩与胸墙间由支撑梁连接。

进水口边坡支护设计过程中，充分考虑了边坡可能破坏模式，采用挂网喷混凝土、普通砂浆锚杆、预应力锚杆、预应力锚索等综合加固措施。

4 引水隧洞布置设计

引水隧洞采用单机单洞，4条隧洞平行布置。隧洞采用水力特性和受力条件较好的圆形断面，平面上采用直线-弧线-直线布置，平面上入口轴线垂直于进水塔，出口轴线垂直于主厂房，1～4号引水隧洞平面弧段半径分别为60.0，90.0，120.0，150.0 m，为圆心角86.64°的同心圆；立面上由上平段（含渐变段）、上弯段、斜井段、下弯段和下平高压段（含渐变段）组成，不设调压室，上下弯段半径30 m。

上平段中心高程2 274.40 m，下平高压段出口中心高程同装机高程，为2 132.00 m。引水隧洞单洞长度为407.90～549.65 m，其中上平段长146.58～288.33 m、斜井段（含上、下弯段）长度均为192.62 m，下平段均长68.70 m。

引水隧洞进口设方变圆渐变段，长20.0 m，上平段至斜井段洞身段直径为10.8 m，开挖洞径12.6～13.1 m，相邻隧洞轴线间距30.0～32.0 m，洞间岩柱厚17.4～18.9 m，为开挖洞径的1.38～1.44倍；下平段穿过帷幕线，在4.0 m处（距离厂房上游边墙64.7 m）起设钢衬段，在20.2 m处设15.0 m渐变段，隧洞直径由10.8 m变为8.4 m，后与蜗壳相接。

引水洞上平段岩性以混合岩为主，斜井段为混合岩及花岗岩，下平段岩性均为花岗岩。Ⅱ类围岩约占隧洞总长的87%左右，少部分Ⅲ类与Ⅳ类围岩分别占隧洞总长的8%、5%左右。Ⅲ类围岩主要分布于混合岩与花岗岩交界一带以及断层带附近；Ⅳ类围岩主要分布于f10断层带附近及局部云母富集带。

根据洞身段地质条件，参考同类工程经验，隧洞初期支护以锚杆喷混凝土为主，全洞段喷素混凝土10 cm；Ⅱ类围岩洞段系统锚杆规格为Φ28 mm，L=6 m@2.0×2.0 m系统锚杆；Ⅲ类围岩系统锚杆规格为Φ28 mm，L=6 m@1.5×1.5 m系统锚杆；Ⅳ类围岩洞段根据实际情况，先采用I20a@1.0 m及超前锚杆进行加固后，再布置Φ28 mm，L=6 m@1.0×1.0 m系统锚杆。隧洞局部穿越云母富集带、断层软弱等部位，依据现场实际情况随机增设钢支撑进行加强支护，局部采用混凝土置换；并根据围岩与断层之间的相对关系，增设随机锚杆等措施进行加固。

引水隧洞除下平段压力钢管段外，均采用钢筋混凝土衬砌。参照国内同类工程经验（表1），以及本工程内外水水头，衬砌厚度设计如下：进口渐变段（加固段）厚度1.5～2.0 m；洞身段Ⅱ、Ⅲ类围岩部位厚度0.8 m，Ⅳ类围岩部位主要位于下平段，考虑到可能位于局部高地应力区，衬砌厚度为1.2 m（除回填置换部分外）。

5 主洞室及附属洞室布置设计

旭龙水电站主厂房、主变洞和尾水调压室等三大洞室平行布置，主厂房与主变洞洞间岩体厚度为40 m，主变洞与尾水调压室洞间岩体厚度为33.5 m。电站主厂房顶拱跨度29.9 m，岩锚梁以下跨度27.7 m，主厂房最大开挖尺寸为204.0 m×29.9 m×79.3 m（长×宽×高）；主变洞最大开挖尺寸175.2 m×18.5 m×25.0 m；尾水调压室为阻抗式长廊型，调压室前尾水隧洞为一机一洞、调压室后为两机一洞布置，调压室最大开挖尺寸为161.5 m×20.0 m×87.6 m，调压室间岩體厚度为16 m。

5.1 主洞室地质条件及主要工程地质问题

主厂房围岩以花岗岩为主，少部分混合岩、斜长角闪岩，中部4台机组布置区为花岗岩，近岸侧副安装场为斜长角闪岩脉体，山内侧主安装场为混合岩。主厂房Ⅱ类围岩占总长度的85%，Ⅲ类围岩占总长度的15%，Ⅲ类围岩分布地段主要为断层或裂隙发育区、混合岩或斜长角闪岩与花岗岩分界附近。主变洞围岩以灰白色中细粒花岗岩为主，近岸侧为灰黑色斜长角闪岩脉体。Ⅱ类围岩占总长度的21%，Ⅲ类围岩主要分布于f3断层、走向NE30°～50°的裂隙密集带及斜长角闪岩。尾水调压室围岩以灰白色中细粒花岗岩为主，近岸侧为灰黑色斜长角闪岩脉体。尾水调压室洞室Ⅱ类围岩占83%，Ⅲ类围岩占17%［10］。

三大洞室主要工程地质问题：① 存在局部高地应力现象，尾水调压室下游范围内最大水平主应力范围主要为4.1～32.5 MPa，最小水平主应力范围主要为2.8～18.1 MPa，为中等至高地应力水平。部分洞壁可见片帮、剥离等应力释放现象，见图2（a）；勘探钻孔局部见岩芯饼化现象，零星随机分布，见图2（b）。② 断层附近边墙及拱座变形稳定问题，f3断层与尾水调压室、主变洞均小角度相交，断层带宽0.2～0.3 m，构造岩主要为碎裂岩，原岩为花岗岩或斜长角闪岩，较破碎，胶结一般；主断面为厚0.1～2.0 cm断层泥，局部为钙质及岩屑。

5.2 主洞室支护参数设计及围岩稳定分析

根据相关资料，统计了中国部分已建大型水电站主厂房规模和部分已（在）建地下厂房洞室间岩体厚度与主厂房开挖高度关系，分别见表2和表3。可以看出，旭龙水电站主厂房高度位居前列，跨度位居中间水平，属于规模较大电站，洞室间岩体厚度小，因此，研究如何保证三大洞室整体稳定具有重要意义。

基于此，采用工程类比法［11-12］，拟定了主洞室的支护方案，见表4。基于弹塑性围岩理论，建立了三维有限元数值分析模型（图3），对旭龙水电站三大洞室开挖程序、支护时机等进行了精细模拟，对洞室群施工期、运行期围岩的位移场、应力场及塑性区特征进行了系统分析。

计算结果表明：拟定的支护参数可有效抑制洞周围岩变形、主拉应力区分布范围、塑性区深度及体积，其中，洞室群开挖完成后，洞周围岩最大变形仅2.5 cm，较无支护方案降低约21.9%；主拉应力区仅集中在局部洞口交叉部位；与无支护方案相比，塑性区总体积减小21.46万m3，施加支护后，围岩受力条件得到明显改善，三大洞室之间不存在塑性贯通区，支护对洞周围岩塑性区深度影响显著，支护的施加抑制了围岩卸荷松弛区向深部的扩展和转移；主厂房锚杆应力最大值分别为183 MPa；主变洞锚杆应力最大值分别为158 MPa；调压室锚杆应力最大值分别为233 MPa、三大洞室锚索受力均不大于1 900 kN，在设计允许强度范围内。整体而言，针对三大洞室主要工程地质问题，当前支护方案条件下，洞室群整体稳定性较好。此外，针对局部高地应力区，开挖期拟采用先导孔洞等释放地应力、洒水、锚索加固等综合治理措施；针对断层附近边墙及拱座变形稳定问题，施工过程中，将结合开挖揭露的断层情况，对局部边墙锚索进行加长处理。

5.3 附属洞室布置设计

（1） 高压电缆洞。高压电缆洞布置在主变洞左侧端部，布置方式为先平洞后竖井，平洞断面为城门洞型，开挖尺寸为9.8 m×10.5 m，下部通过电缆平洞与竖井连接，上部竖井直接与开关站相接。竖井Fig.3Numerical calculation model for underground powerhouse段为矩形断面，开挖断面为10.6 m×10.0 m（长×宽），其内布置有电梯井、楼梯、高压电缆井、中低压电缆井和通风井等。

（2） 通风及排风（烟）洞。地下电站新风由高程2 308.0 m坝肩连接平台依次通过通风平洞、通风竖井、通风机房接入副安装场顶拱，再通过设在主厂房顶拱的通风管道送入主厂房、主变洞等洞室；地下厂房排风、主变洞排烟通过排风（烟）系统排至厂外，主变洞排风（烟）洞由3号施工支洞兼用；主厂房排风（烟）洞由2号施工兼用。

地下电站通风系统布置于副安装场左端头，由通风竖井接至高程2 308.0 m，通过平洞与坝肩公路平台连接。竖井为圆形，通风平洞及空调机房为城门洞型。空调机房断面尺寸为16.50 m×29.90 m×8.1 m（长×宽×高），通风竖井直径为6.0 m，通风平洞断面尺寸为7.0 m×7.0 m（宽×高）。

主变洞排风（烟）通道利用布置在主变洞下游侧的3号施工支洞。通风机房布置在主变洞副厂房2 164.4 m层，与排风（烟）洞段连接。排风（烟）洞为城门洞形，断面尺寸为8.0 m×6.0 m（宽×高），中间隔40 cm厚混凝土墙，另一侧兼做逃生通道，直接与地面相接。

（3） 交通洞。进厂交通洞洞口位于尾水平台下游约85.0 m处，与厂内2号公路相接，洞口高程约2 169.50 m，由下游侧垂直厂房纵轴线进入靠山内侧布置的主安装场。交通洞全长约562.38 m，最大纵坡约6.3%，断面为城门洞型。受转轮直径运输控制，拟定交通洞净断面尺寸为9.5 m×8.1 m（宽×高），是地下厂房厂内主要逃生通道。

尾水调压室交通洞进口位于尾水出口上游侧约50.0 m处，与调压室左侧闸门操作平台相接。交通洞全长约216.40 m，断面为城门洞型，净断面尺寸为8.0 m×6.5 m（宽×高）。

6 尾水隧洞布置设计

尾水隧洞由调压室由上游尾水支洞和下游尾水主洞两部分组成，尾水支洞采用单机单洞，共4条；尾水主洞采用两机一洞，共2条，支洞、主洞均平行布置。

尾水主洞断面为城门洞型，净尺寸为13.5 m×17.6 m（宽×高）。隧洞入口底高程2 110.4 m，出口底高程2 126.0 m，与尾水塔流道高程相同，为2 126.0 m；出口设20.0 m长城门洞渐变段，隧洞出口轴线与尾水塔呈75°斜交。1号、2号尾水主洞长分别为340.97 m、268.40 m。

尾水支洞分两段布置，即自主厂房下游边墙起37.50 m范围为尾水管扩散段，称为尾水支洞第一段，第一段末端至调压室上游边墙为连接段，称为尾水支洞第二段。尾水管扩散段流道底板高程2 104.85 m；尾水支洞连接段长56.5 m，净尺寸为10.7 m×17.6 m（宽×高），连接段出口轴线垂直于调压室，高程2 110.40 m，4条尾水支洞均长94 m。

尾水隧洞段有跨江大断层f1及其影响带斜交穿越（图4）。该断层带宽2～6 m，构造岩以碎裂岩及碎粉岩为主，胶结差；上下主断面均见连续发育、厚5～20 cm的断层泥；主断带两侧形成宽15～25 m的影响带，平行断层的裂隙发育，带内岩体较破碎，为Ⅳ、Ⅴ类围岩段，隧洞成洞条件差，稳定性差。施工过程中，开挖拟采用钢拱架、超前锚杆等综合加固措施，钢拱架型号为I20a，初喷钢纤维混凝土8 cm，挂网φ6@20 cm×20 cm，复喷素混凝土7 cm。对下部采用混凝土锲形或者倒梯形体置换、局部增加锚筋桩等综合措施。

7 尾水出口布置设计

结合地形地质条件，从运行管理、边坡规模、工程投资等方面综合考虑，尾水出口采用岸塔式，布置在大坝下游约570 m处，距离二道坝最小距离215 m。尾水平台采用钢筋混凝土墩墙结构以保证整体稳定。尾水平台与尾水洞轴线夹角为75°，紧贴边坡呈“一”字形排列，平台尺寸为64.0 m×20.0 m（长×宽），塔高45.0 m，为钢筋混凝土墩墙结构，流道底坎高程2 126.0 m，底板厚4.0 m，建基面高程2 122.0 m，塔顶高程2 167.0 m，正面边坡设8.0 m宽马道，作为右岸2号公路一部分，与上下游相接。

尾水渠位于尾水塔下游侧。尾水出口后设10.0 m长平底段，其后以1∶3反坡接至2 140.00 m高程，与天然河床相接。

8 结语

本文结合地形地质条件、樞纽建筑物总体布置，并依据相关规程规范，采用工程类比、三维精细数值仿真等技术手段，解决了旭龙水电站进水口、引水隧洞、主洞室及附属洞室、尾水隧洞、尾水出口等重点部位布置及支护参数设计、围岩稳定分析等技术问题，确定了较优的引水发电建筑物布置格局。相关设计成果可为同类工程设计提供参考。

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编辑：张爽

Layout and design of water diversion and power generation structures for Xulong Hydropower Station

CHEN Rui，CHEN Wu，SUN Haiqing

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

Xulong Hydropower Station project is located in a high seismic intensity area，and the design of water diversion and power generation buildings faces difficulties such as a large number of caverns，a large scale，small spacing between main caverns，local high ground stress，and faults.Combined terrain and geological conditions with the overall layout of the hub building，in accordance with relevant regulations and specifications，engineering analogy，three-dimensional fine numerical simulation and other technical means were adopted，which effectively solved the layout and support parameter design of key parts such as the intake，headrace tunnel，main and auxiliary chambers，tailrace tunnel，tailrace outlet，and surrounding rock stability analysis.An economically reasonable and technically feasible layout of water diversion and power generation buildings was determined.The relevant design achievements can provide a reference for similar engineering design.

Key words：

water diversion and power generation layout； engineering analogy； numerical simulation； Xulong Hydropower Station

收稿日期：2023-10-30

作者簡介：陈锐，男，正高级工程师，硕士，主要从事水利水电工程结构设计工作。E-mail：chenrui@cjwsjy.com.cn